6.-复合材料的热学行为课件

6.复合材料的热行为，复合材料的热行为随着使用强度的变化而敏感变化。这主要有两个原因：首先，接收负载的矩阵是温度敏感材料。然后，复合材料的不同热膨胀系数导致复合材料的内部应力。此应力对复合材料的热膨胀特性有很大影响。然后在成型过程的最后阶段。复合材料通常总是高温冷却，此温度的变化也会在复合材料中产生大应力。伴随温度变化的内部应力变化是复合材料的本质特征。对载荷应力的响应也有很大影响。在蠕变行为中，尤其是在热循环中，更容易受到这些影响。此外，复合材料的导热性很重要，因为在各种应用和成型过程中，某些热流的影响也很大。6.0耐热材料，复合材料的特点之一：耐热耐热材料：“高温下化学稳定、强度低的材料”高温环境下出现的新问题：温度差异或温度梯度引起的热应力均质材料：无复合材料：异类热膨胀系数的差异在温度差异的情况下产生热应力。此应力通常是由温度差异成比例的热应力引起的，构成复合材料的不同热膨胀系数差异在高温准备后室温中冷却材料内部残余应力服务期间外部温度的变化、热冲击、温度急剧变化时物体外部温度变化很快，内部还没有变化，内部和外部热膨胀差异引起的内部应力由温度急剧变化引起的热冲击引起，在拉伸应力形成的地方，裂纹会变大，甚至材料也会受损。包括6.1热膨胀、矩阵与强化材料的热膨胀系数和温度的关系、聚合物材料、金属材料等宽度范围。纤维和基体的热膨胀系数通常很低。复合材料的制造和成型通常需要高温。因此，复合材料的内部因环境温度的变化而产生高热应力。而且，聚合物基复合材料的基质冷却过程中发生大收缩时，会产生热应力。即使在高温下也没有应力，但由于纤维和基体的热膨胀系数的差异，可以预计在低温下会产生热应力。两相膨胀和收缩不同，因此产生变形。这些变形由T确定。其中T=Test-T0(环境温度)。是热膨胀系数。通过分别用下标m.f表示矩阵和纤维， = m- F .是最简单的问题，可以解释复合材料内部的应力，考虑无限矩阵中只有一个球形加强板的情况。矩阵中的此类应力状态与半径a的球形气泡作用于压力p时相同。分析基准中径向(半径)和切向(轴)上的应力。热变形T引起的球形粒子中的压力P，G，k分别是剪切弹性系数、泊松比和体积弹性系数。下标p，m分别表示粒子和矩阵。(a)SiC/Ti复合材料500K冷却后弹性应力状态；(b)假设矩阵的屈服强度为100MPa时，伴随塑性流动后应力状态(未加工硬化)、热膨胀、温度变化的应力分析通过材料的热膨胀系数进行。这些热应力会根据变形影响材料的大小，可以进行计算和估算。结合内部应力引起的长度变化和基体的热膨胀，可以求得复合材料的热膨胀。根据这种简单的考虑方法，可以大致求出复合材料的热膨胀系数。例如，矩阵中有缝隙的多孔复合材料在温度上升时不会在内部产生应力。这是因为空心的刚度为零。因此，空心的存在不会影响材料的热膨胀系数。层模型必须满足轴向应力平衡，因此在此得到的结果。适用于长纤维复合材料的轴向性能。但是由于没有考虑蒲松的雨，结果仍然不严格。，横向的热膨胀，短纤维，粒子强化复合材料的热膨胀，其应力和变形各不相同，具体取决于位置。所以准确的分析公式很复杂。但是还对纤维增强复合材料的横向热膨胀进行了一些有用的近似分析。正确的分析公式很复杂。但是还对纤维增强复合材料的横向热膨胀进行了一些有用的近似分析。玻璃纤维和颗粒增强材料/环氧复合材料的热膨胀系数与纤维含量之间的关系是轴向压缩的，水平拉伸为泊松比。因此，由于纤维存在，即使在低体积分数下，热膨胀系数也会有很大的影响。定向强化材料的热膨胀，复合材料的温度发生变化时，材料内部会产生大应力。即使不在高温(或低温)下使用。因为一般使用温度也包括数十度的温度范围变化。因此，温度变化引起的应力也要注意。因此，研究随着这种温度变化的复合材料行为在实用上也很重要。复合材料在非弹性状态下也会对内应力做出反应。例如，在长度测量中，在复合材料中发现了伴随热应力的延迟现象(加热状态不同于冷却状态的变形)。矩阵中的应力最初接收拉伸残余应力(屈服应力)，如点a所示。但是，加热应力减少，压缩应力，到达屈服点b。矩阵现在开始塑料流动，沿屈服应力线到达c点。冷却过程中，矩阵中的应力再次更改为拉伸应力。线性增加到拉伸屈服点d。到达屈服应力后，沿拉伸屈服应力线到达点a。Al-3Mg/30%SiC长纤维增强复合(a)热循环的变形历史；(b)矩阵中轴向应力的减少。热循环的晶格变形决定了Al矩阵5%SiC晶须的复合材料：(a)强化相；(b)矩阵，6.2。均匀温度差引起的热应力，6.2.1颗粒分散强化复合材料r， :球体径向和圆周上的法向应力e，a，v:材料的弹性系数，热膨胀系数，泊松比下标p和m:分别是强化材料粒子和基板，均匀温度差引起的热应力，Al2O3颗粒增强玻璃复合材料的热应力iii粒子的内部应力是常量值(r=-，950=/2)，进入矩阵后，应力会根据与粒子的距离急剧下降。Al2O3颗粒增强玻璃基复合材料的径向应力分布，微裂纹发生条件，界面中模型I的临界能量释放速度，基于界面中已存在的裂纹大小的参数的裂纹温度差与粒子半径相关的最小粒子半径，6.2.2。热应力和热膨胀系数、等效包含方法、热应力和热膨胀系数、椭球上的极点(A)和赤道部分(B)是容易形成应力集中的区域，样式中的C是强化体中的特定应力。应力按大小顺序指定，例如 11 ( RR) 22 ( ) 33 ( ZZ)。辐射方向应力rr和径向应力 是随着角度的变化而产生的残余应力，沿长宽比的残余应力，(a)SiC短纤维增强Al2O3，Vf=0.3(b)SiC短纤维增强堇青石，Vf=0.3，SiC晶须增强Al2O3，表示矩阵中的值，表示晶须内的值。实线表示计算值。计算值与实验结果符合得很好。另外，对增强纤维的体积分数Vf也很引人注目。在的系统中，随着Vf的增加。矩阵的拉伸应力会增加，从而促进矩阵破坏，6.2.3热应力和强度、韧性、热应力裂纹弹性系数、热膨胀系数等结构不敏感特性将裂纹视为第二阶段，结构的敏感特性(强度、韧性等)定量分析很困难，但为了容易想象热应力会对这些性能产生重大影响，纤维和矩阵内部的热矩阵和纤维的热膨胀系数分别为m和f，热应力和强度、韧性，通常矩阵的拉伸断裂变形小于纤维的拉伸断裂变形，因此考虑到纤维轴的拉伸强度，需要man f，如果界面发生拉伸应力，则横向强度会降低。如果超出界面的结合力，则除非在矩阵和加强材料之间传递力，否则热应力无效。破团的进行方式也不同。这样，如果材料是完全等方的，则热应力在两个方向上产生完全相反的效果。如果纤维具有大的各向异性，则可能不会出现这种问题。也就是说，考虑到成型烧结温度下降时产生的应力，在上述两个方向上增加强度的条件为轴alpha mmalpha f，横向方向为alpha ffalpha m。此外，还考虑了插入特性之间的中间层，以缓解纤维和矩阵界面上的热应力效果。热应力和强度、韧性、圆柱模型的计算结果，f和m分别是纤维和矩阵的泊松比。、2和是定义如下的常数：i=p，希望界面的摩擦系数，p界面的压力(法向应力)，基于临界能量释放速度的矩阵的裂纹变形，从材料的可靠性角度来看，增强纤维在断裂之前可以具有金属材料等塑性变形。在CMC中，矩阵的断裂通常是多断裂机制，i很大时，基底的裂缝会导致整个复合材料的脆性断裂。考虑到热应力，断裂行为确定为T0.1时纤维断裂，T0.1时桥接。t0.1可以定量预测热应力的影响。和是基体和纤维内的残余热应力。在上述基准样式中替换p和i=p可以定量预测热应力的影响。6.3热冲击、温度急剧变化可能导致物体内部出现大的温度梯度。形成应力状态。如果拉伸应力超过特定值，则可能由于裂纹扩展而导致强度急剧降低。因此，热冲击阻力通常称为与裂纹发生相对应的抗热冲击断裂性，但已对裂纹扩展的抗热冲击损伤发生在复合材料中。它在炉壁用的耐火砖、航天飞机的隔热层等方面，与强度低相比，材料的剥落、剧变的破坏等更为重要。要解决热冲击、热冲击问题，必须求解不稳定热传导方程和弹性体平衡方程组成的方程。这涉及材料的大小、造型、热冲击等诸多参数，因此很难从这些方程式中得出热冲击的一般结论。一般来说，讨论了几种特殊情况的简单解决方法，主要总结了材料物理特性不同的热冲击性的最佳参数。选择材料时，使用此参数的优化进行选择，然后通过实验定量确定热冲击损伤值(低强度值)。热冲击，这种分析可以分为两类。在经典热力学分析的基础上，在对热冲击产生的应力大小的讨论中，推导了影响裂纹的抗热冲击断裂性参数(热冲击断裂电阻)利用断裂力学的原理。其特点不仅是讨论裂纹的产生，而且讨论已经形成的裂纹扩展。热冲击，在实际应用中有三个重要的考虑因素：(1)能够定量分析只是极其简单的特殊情况。与抗热冲击性相关的大多数参数不仅取决于样品的大小和形状，还取决于传热介质类型(液体或气体)、对流方式(自然或强制)等外部条件，因此很难进行反映实际情况的分析。考虑到温度大幅度变化时材料物性的变化，这项工作变得更加困难。(2)分析以均匀性和各向同性材料为起点。适合复合材料的时候，要掌握这种复合材料的特殊性。例如，必须考虑到在成型和烧结时复合材料会产生微小的内部应力。(3)复合材料一般具有各向异性的特性。使用各向同性材料的分析结果在一定程度上可用，但必须认识到有时可能是近似的。6.3.1非定常热应力分析中最容易考虑的是一维非定常热应力通过各向同性板时发生的热冲击行为。厚度为、起始温度为t的板可以通过复合材料的弹性系数、泊松比和热膨胀系数、Tm的平均温度、 *的热膨胀完全抑制时的应力(=EC C t/(1-C)近似非大型热应力，中间c:热导率h:传热系数(表面传热系数)c:温度电导率cc:比热。的值大意味着来自外部的热量很难扩散到物体内部，相反，的值小意味着这种扩散很容易。因此，可以看作是材料的物性表示热冲击大小的尺度。在非常苛刻的热冲击条件下，使用 可以获得应力达到最大max时允许的最大温差 t。在这种情况下，r可以用作抗热冲击破坏性的尺度。相反，如果在热冲击非常缓和的时候取0，就可以得到，表面层的最大应力，温度升高 t，则只取自下而上右端的物质常数，例如，要提高材料的热冲击性，希望材料具有高强度，高热传导率，低弹性系数和低热膨胀系数。以上介绍了的两个极端，一般情况下，可以使用R和R 估算材料的抗热冲击临界温度，并使用6.3.2断裂力学方法讨论脆性材料的裂纹扩展。热冲击应力会使物体内部和表面的温度产生差异。卷扩展不匹配。例如，在淬火中，当表面材料的热运动受内部材料约束时，表面附近会形成拉伸应力。特别是受到热冲击的物体较大时，温度的变化只影响表面附近很少的部分。由于热膨胀变形，表面的应力很大，因此要完全约束这种变形，必须给物体几乎相同的温差。在此基础上，讨论了在完全固定到能够承受一定温度变化 t的无限体的情况下的热冲击问题。1)裂纹的稳定性假定无限体的单位体积内有n个圆盘形裂纹(半径l)，该裂纹密度小，可以忽略裂纹之间的相互作用。由于热冲击而在对象内产生的单位体积的能量w由弹性变形能量和裂纹的表面能量组成，可以用以下形式表示：在样式中，Ec是无裂纹时的弹性系数，l是裂纹长度。裂纹扩展条件由给出。临界温度变化 TC为、如果裂纹位于实线上方的区域，则不稳定。图中的点线考虑了 t在特定情况下的行为。如果裂纹长度llCL(lCL是裂纹稳定曲线的左侧)或llCR(lCR是裂纹稳定曲线的右侧)，则裂纹不会扩展。但是在lCLllCR中，裂纹急剧扩展到不稳定状态。当然，不稳定裂纹的长度主要取决于右侧的lCR，裂纹的密度。这种随着裂纹长度的增加，经过不稳定阶段后，裂纹稳定的特征与特定载荷下材料的裂纹行为不同，在热冲击时是唯一的。这已应用于耐火材料。例如，对于大而多孔的耐火砖，可以利用图的右侧区域。您还可以沿图中黄金稳定的左侧区域设计材料，以防止材料在热冲击时扩展到不稳定的区域。在裂纹不稳定区域中，裂纹扩展部分释放出超过表面能量的能量，因此剩下的能量成为动能。例如，在图中，点a的裂缝延伸到点b到达点c。由于动态惯性效应引起的裂纹长度的增加而产生的表面能基本上等于释放的应变能。是，l0和lf分别是裂纹的初始长度和最终长度。从这个表达式中得到的lf和 t的关系是图中的虚线。当L0很旧时，2)热冲击参数，早期裂纹很高时， t，对于具有圆盘裂纹的脆性材料，其强度可