复合材料热应力和高温特性分析

单向纤维复合材料发生温度变化ΔT时，基体与纤维热膨胀系数的差异会在材料中引起热应力，计算模型如图10-29所示。设基体与纤维的热膨胀系数分别为αm、αf，则下面的关系成立：

图10-29　热膨胀系数计算模型

（a）代表性体积单元；
（b）分别膨胀；（c）实际变形

由式（10-34）解出εm，得到

FRP单层板沿纤维方向的热膨胀系数为

通常αm＞αf，即温度升高时，基体内产生残余压应力，纤维产生残余拉应力。(www.xing528.com)

利用相同的方法，可以计算（0°/90°）正交层合板内的热应力。记单层板纤维方向和横方向的热膨胀系数分别为α1、α2。借用图10-29及式（10-35），得到

图10-30所示为残余热应力的计算结果，当温度变化ΔT=-100 K时，90°层内的残余热应力σ2达到25～30 MPa，这个值接近于产生基体裂纹的临界应力。因此，在成形加工后产生的这种残余应力是十分有害的。

图10-30　（0°/90°）层合板内的残余热应力

在高温环境下，基体会发生蠕变变形。在线弹性的范围内，单向复合材料的应变为

基体发生蠕变后，应力逐步向纤维转移，到最后，应力由纤维100%承担，此时，

应变达到这个值后，基体的蠕变速度减慢，同时，加载应力也减小。ε∞称为临界应变。与金属蠕变不相同的是，只要纤维不断裂，FRP的蠕变应变就不会超过其临界值。