【正文】 ? 復(fù)合材料的熱行為隨使用強(qiáng)度的變化而敏感地變化。 ? 受到負(fù)荷的基體是溫度敏感性的材料； ? 構(gòu)成復(fù)合材料各相之間的熱膨脹系數(shù)不同引起內(nèi)應(yīng)力的發(fā)生。 ? 一般是高溫冷卻，溫度的變化也在復(fù)合材料內(nèi)引起大的應(yīng)力。 ? 蠕變行為更容易受到這樣的影響。 ? 在各種應(yīng)用領(lǐng)域及成形工序中，也會(huì)受到某些熱流的影響，所以復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)性也是重要的。 耐熱材料 ?復(fù)合材料的特征之一：耐熱性 ?耐熱材料： “ 在高溫下化學(xué)穩(wěn)定，強(qiáng)度下降得 少的材料 ” ?高溫環(huán)境下發(fā)生在室溫不會(huì)發(fā)生的新問題 溫度差或者溫度梯度所產(chǎn)生的熱應(yīng)力 ?均質(zhì)材料 ：無 ?復(fù)合材料：異相之間的熱膨脹系數(shù)差異 在有溫度差時(shí)就會(huì)發(fā)生熱應(yīng)力。 該應(yīng)力與溫度差大體成正比 熱應(yīng)力產(chǎn)生的因素 ? 組成復(fù)合材料的異相間熱膨脹系數(shù)差異 ? 高溫制備后冷卻到室溫材料內(nèi)部殘留有應(yīng)力 ? 服役過程中外界溫度的變化 熱沖擊 ? 當(dāng)溫度急劇變化時(shí)，物體的外部溫度很快變化，而內(nèi)部尚未來得及變化，這樣由于內(nèi)外熱膨脹的差異所產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力 ? 受到因溫度急劇變化而引起的熱沖擊時(shí)，在形成拉應(yīng)力的場(chǎng)所可能會(huì)使裂紋擴(kuò)展，甚至材料破壞。 熱膨脹 基體與強(qiáng)化材料的熱膨脹系數(shù)與溫度的關(guān)系 ? 纖維與基體的熱膨脹系數(shù)差一般很大。 ? 制備與成形通常需要高溫。內(nèi)部會(huì)周圍溫度的變化而發(fā)生高的熱應(yīng)力。 ? 基體冷卻過程中發(fā)生大的收縮，也會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。 ? 由兩相的膨脹與收縮的不同而形成應(yīng)變?！?α △ T，△ T=TestT0（周圍溫度）?！?α =α mα f。 對(duì)復(fù)合材料內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行分析求解 ?考慮無限大的基體中僅在一個(gè)球形強(qiáng)化體的情況。對(duì)基體內(nèi)半徑方向（徑向）與切線方向（軸向）的應(yīng)力進(jìn)行了分析。 33/r Pr??? 33/2Pr????由熱變形應(yīng)變△ α △ T 所引起的球形顆粒內(nèi)的壓力 P, ? ?? ?? ?? ?143111131pmmmmpmmmKGTKPKK??????????? ??????? ??G、 ν、 K分別是剪切彈性模量，泊松比與體積彈性模量。下標(biāo) P、 m分別表示顆粒與基體。 （ a） SiC/Ti復(fù)合材料經(jīng) 500K冷卻后的彈性應(yīng)力狀態(tài)；（ b）假定基體的屈服強(qiáng)度為 100MPa時(shí)塑性流動(dòng)后的應(yīng)力狀態(tài)（無加工硬化） 熱膨脹 ? 伴隨溫度變化的應(yīng)力分析，是通過材料的熱膨脹系數(shù)而進(jìn)行的。 ? 通過內(nèi)部應(yīng)力所引起的長(zhǎng)度變化，加上基體的熱膨脹，可以求出復(fù)合材料的熱膨脹。根據(jù)這樣的簡(jiǎn)單的考慮方法，能夠大概求出復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)。 ? 基體中含有空隙的多孔復(fù)合材料，在溫度上升時(shí)，內(nèi)部不產(chǎn)生應(yīng)力。這是由于空隙的剛性為 0。所以，空隙的存在不影響材料的熱膨脹系數(shù)。 c m mTT? ? ?? ? ? ?? ?m f f mT? ? ? ?? ? ? ?? ?1 0mfff????? ?1 0m m f ff E fE????? ? ? ?1 0m m f m m ff E fE T? ? ? ???? ? ? ? ???? ?? ?1f m fmmffE Tf E fE???? ? ????? ?? ?? ?? ?111f m f m m f fcmm f m ffE f E fEf E fE f E fE?? ????? ??? ? ?? ? ? ?由于層板模型必須滿足軸向的應(yīng)力平衡，所以這里所得到的結(jié)果。對(duì)于長(zhǎng)纖維復(fù)合材料的軸向性能是適用的。但是， 由于未考慮泊松比，所以其結(jié)果還是不夠嚴(yán)密的。 橫向的熱膨脹，短纖維，顆粒強(qiáng)化復(fù)合材料的熱膨脹 ? 其應(yīng)力與應(yīng)變因各自的位置而不同。所以其精確的解析式十分復(fù)雜。但是對(duì)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的橫向熱膨脹，也進(jìn)行了一些有用的近似分析。其精確的解析式十分復(fù)雜。但是對(duì)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的橫向熱膨脹，也進(jìn)行了一些有用的近似分析。 ? ? ? ? ? ? 121 1 1tr a xc m m f f c cff? ? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ?玻璃纖維及顆粒強(qiáng)化材料 /環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)與纖維含量的關(guān)系 在軸向受到壓縮，由泊松比而在橫向發(fā)生伸長(zhǎng)。所以由于纖維的存在，即使是低的體積分?jǐn)?shù)，也可能對(duì)熱膨脹系數(shù)有大的影響。 定向強(qiáng)化材料的熱膨脹 ? 復(fù)合材料的溫度變化時(shí)， 材料內(nèi)部產(chǎn)生大的應(yīng)力。 ? 伴隨溫度變化所產(chǎn)生的應(yīng)力也必須給予注意。研究在該溫度變化下復(fù)合材料的行為，在實(shí)用上也是非常重要的。 ? 復(fù)合材料會(huì)對(duì)其內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生響應(yīng)。例如在長(zhǎng)度的測(cè)量中，復(fù)合材料中發(fā)現(xiàn)了伴隨著熱應(yīng)力的滯后現(xiàn)象（加熱狀態(tài)與冷卻狀態(tài)下其變形不同）。 基體的應(yīng)力最初如 A點(diǎn)所示 ， 受到拉伸殘余應(yīng)力 （ 屈服應(yīng)力 ） 。但是伴隨著加熱該應(yīng)力下降 ， 變?yōu)閴嚎s應(yīng)力 ， 到達(dá)屈服點(diǎn) B。此時(shí)基體開始塑性流動(dòng) ， 沿著屈服應(yīng)力線圖到達(dá) C點(diǎn) 。 而且 ，在冷卻過程中 ， 基體的應(yīng)力又變?yōu)槔鞈?yīng)力 。 線性增大直到拉伸屈服點(diǎn) D。 到達(dá)屈服應(yīng)力后 ， 沿拉伸屈服應(yīng)力線圖到達(dá) A點(diǎn) 。 Al3Mg/ 30% SiC長(zhǎng)纖維強(qiáng)化復(fù)合材料的 （ a）熱循環(huán)中的應(yīng)變履歷； （ b）基體中軸向應(yīng)力的下降。 由熱循環(huán)的晶格應(yīng)變的中子衍射法，對(duì) Al基體中配列 5%SiC晶須的復(fù)合材料的測(cè)定結(jié)果：（ a）強(qiáng)化相；（ b）基體 ．由均勻的溫度差所引起的熱應(yīng)力 顆粒分散強(qiáng)化復(fù)合材料 σ r、 σθ：球的半徑方向與周向的法線應(yīng)力 E、 a、 v：材料的彈性模量、熱膨脹系數(shù)與泊松比 下標(biāo) p與 m：分別表示強(qiáng)化體顆粒與基體 3????????rr Pr ??32???????rr P???? ?ffmmfmEET?????2121 ??????由均勻的溫度差所引起的熱應(yīng)力 Al2O3顆粒強(qiáng)化玻璃復(fù)合材料的熱應(yīng)力 σij。在顆粒內(nèi)應(yīng)力為一定值 （ σr=β， σθ =β/2） ， 而進(jìn)入基體后，應(yīng)力則隨著離開顆粒的距離而急劇下降。 Al2O3顆粒強(qiáng)化玻璃基復(fù)合材料中徑向應(yīng)力分布 微裂紋發(fā)生的條件 式中 為界面上模型 I的臨界能量釋放率，μ為按照表示界面上已存在的裂紋大小的參數(shù) 發(fā)生裂紋的溫度差與顆粒半徑有關(guān)，最小的顆粒半徑為 ? ?? ????? s i n2s i 22 ???? PiIC rTGiICGiICG? ??? 22m i n, / TGR iICc ??? . 熱應(yīng)力及熱膨脹系數(shù) 等 價(jià) 夾 雜 物 法 ? ? Te mijfijTij ??? ??熱應(yīng)力及熱膨脹系數(shù) ? 橢球體的兩極（ σA）與赤道部分（ σB）是容易形成應(yīng)力集中的區(qū)域 ? ? *112232011emmmmmCA?????????????????????? ?? ? mmmmmmmmmCBeeee???????????22220*11*33*33*11 ?????????????????式中 σC為強(qiáng)化體內(nèi)部一定的應(yīng)力。應(yīng)力由大到小的順序?yàn)椋?σ11（ σrr） σ22（ σθθ） σ33（ σzz）。 放射方向應(yīng)力 σrr與半徑方向應(yīng)力 σθθ隨角度 ψ的變化 殘余應(yīng)力隨長(zhǎng)徑比的變化 (a)SiC短纖維強(qiáng)化 Al2O3,Vf= (b) SiC短纖維強(qiáng)化堇青石， Vf= SiC晶須強(qiáng)化 Al2O3復(fù)合材料中平均殘留應(yīng)變的實(shí)驗(yàn)值與計(jì)算值 求得的求得的殘余應(yīng)力?！?、 ?、□表示基體的值，●表示晶須內(nèi)的值。實(shí)線表示計(jì)算值。可知，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果取得了很好的一致。圖中值得注意的還有強(qiáng)化體纖維的體積分?jǐn)?shù) Vf。在的體系中，隨著 Vf的增加?；w中的拉伸應(yīng)力增大，從而可能促進(jìn)基體的破壞 熱應(yīng)力與強(qiáng)度、韌性 ? 熱應(yīng)力 → 裂紋 → 彈性模量，熱膨脹系數(shù)等 ? 結(jié)構(gòu)不敏感特性 —— 視裂紋為第二相，進(jìn)行分析 與定量評(píng)價(jià) ? 結(jié)構(gòu)敏感特性 （強(qiáng)度、韌性等） —— 定量的分析困難，但很容易想象熱應(yīng)力會(huì)對(duì)這些性能產(chǎn)生顯著的影響 ? 為了使問題簡(jiǎn)化，認(rèn)為纖維與基體內(nèi)部的熱膨脹系數(shù)均為各向同性。基體與纖維的熱膨脹系數(shù)分別為 αm與 αf 熱應(yīng)力與強(qiáng)度、韌性 ? 一般來說基體的拉伸斷裂應(yīng)變小于纖維的拉伸斷裂應(yīng)變，所以在考慮纖維軸向的拉伸強(qiáng)度時(shí)，希望 αmαf，以使基體內(nèi)法線應(yīng)力σz0。另一方面，橫向強(qiáng)度依存于纖維與基體的界面強(qiáng)度，所以在 αmαf, 界面發(fā)生張應(yīng)力的情況下，橫向強(qiáng)度減小。當(dāng)超過界面的結(jié)合力時(shí)，基體與強(qiáng)化體材料之間不能夠進(jìn)行力的傳遞，熱應(yīng)力就不產(chǎn)生效果。斷裂的進(jìn)展方式也不同。這樣，如果材料是完全的各向同性，則 熱應(yīng)