碳纤维增强铝合金层合板的残余热应力分析

本文中屈服点定义为拉伸曲线上屈服处前后线性
部分延长线的交点 ( 见图 3) 。图 3 示出铝合金的
拉伸曲线, 屈服应变 !y, a 为 0 46% 。
图 4 厂家推荐 的固化温度曲线图
本文中先将 CARALL 加热到 110 或 127 , 然后快速降到室温, 让树脂在较低温度先部分固 化, 放置 24 h 后再加热到 110 或 127 充分固 化 (见图 5)。由于树脂在第一次加热的时候已在 室温至 110 之间发生部 分固化 [ 6] , 则树脂的实 际固化温度应该在 25 到 110 之间 [ 7] 。高压罐 中的气压一律为 0 3 MP a。
第 28卷 第 5期 2008年 10月
文章编号: 1673- 4599 ( 2008) 05- 0022- 05
飞机设计 A IRCRA FT D ESIG N
Vo l 28 N o 5 O ct 2008
碳纤维增强铝合金层合板的残余热应力分析
薛 佳 1, 汪文学2, 徐元铭 1, 彭兴林1
( 1. 北京航 空航天大学 航空科学与工程学院, 北京 100083) ( 2. 九州大学 应用力学研究所, 日本福冈 816- 8580)
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飞机设计
第 28卷
由于铝合金是 CARALL 所使用的材料中唯一 有屈服特性的材料, 所以 CARALL 拉伸曲线中体 现出来的屈服特性必定是由铝合金决定的。 CAR ALL 中的铝合金薄板在固化后产生了一定的残余 热应变, 所以 CARALL 的屈服点和单纯铝合金的 屈服点会存在一点偏移, 而这两种材料屈服点位 移的差 值 正 是 CARALL 中 铝 合 金 的 残 余 热 应 变 [ 5] 。屈服点的偏差见图 2。
CARALL 的残余热应力主要是在碳纤维复合 材料固化的时候形成的, 残余热应力的大小取决
碳纤维增强铝合金层合板中的位移平衡方程
为:
a+ Ea
a
T=
c+ Ec
cT
( 2)
式中: T = T bond ing - T , room T bond ing 为树脂的固化温
度, 复合材料生产厂家推荐的固化温度为 127 。
T room 为室内温度, 在本文中定为 25 。 a 和 c 分 别表示铝合金薄板和碳纤维复合材料在纤维方向
Abstract: T his research is about the analysis and reduction o f therm al residua l stress in CFRP /A l lam inates( CARALL ) , w hich is fabricated by carbon f iber re in forced p last ic( CFRP) com bined w ith a lum inum a lloy( AL ). Large therm a l residual stress in the a lum inum alloy is generated during the cu ring process of CARALL due to the large m ism atch of the coefficient of therm al expansion ( CTE ) be tw een CFRP and alum inum a lloy. Several m ethods are invest igated to determ ine the therm a l residual stress in CFRP /A l lam inates and d ifferent tem pera ture prof iles are invest igated to reduce the actual bond ing tem perature o f CFRP and AL layers, since the therm al residual stress is determ ined by the difference betw een actua l bonding tem perature and room tem perature
( 5) 本文中使用的碳纤维复合材料为日本 TORAY 公司生产的 T 300 /# 2580碳纤维预浸料, 使用的铝 合 金 为 T2024- T3。 热 膨 胀 系 数 a = 23 10- 6 / , c相对于 a 太小, 可忽略。使用的铺层 为 AL / 004 /AL, 铝合金薄板的厚度为 0 5 mm, 单 层 T 300 /# 2580预浸料的厚度为 0 2 mm, 则 CFRP 的厚度为 0 8 mm, Ea = 71 GP a, E a = 140 GP a, E c = 140 GP a, 在 T bond ing 为 127 的 情况 下, 由式 ( 3)可计 算出铝合 金薄板中 的残余 热应力 a = 101 9M Pa。 1 2 屈服点测量法
的热膨胀系数。 从式 ( 1) 和式 ( 2) 可以得到:
a = ( a-
c)
T
E cEa A c EcAc + EaAa
( 3)
c =- ( a-
c)
T
E cE aA a E cA c + EaA a
( 4)
T
=
T - T bond ing
room
=
EcA c + E aA a a Ea EcA c ( c - a )
关键词: 复合材料; 碳纤维增强铝合金层 合板; 残 余热应力
中图分类号: V 257
文 献标识码: A
Analysis of Thermal R esidual Stress in CFRP /A l L am inates( CARALL)
XU E Jia1, WANG W en- xue2, XU Y uan- m ing1, PEN G X ing- lin1 ( 1. School of A eronautical Science and Engineering, B eijing Un iversity of
FRML 的研究早在上个世纪 70年代末就已经 在荷兰的 De lft科技大学开始了。芳纶 ( Aram id)纤 维复合板和铝合金薄板粘接而成的纤维增强金属 层合板称为 ARALL ( A ram id F iber R ein forced P las t ics / A lum inum A lloy) , 玻璃纤维复合板和铝合金 薄板粘接而 成的纤 维增强金 属层合板 为 GLARE ( G lass F iber R einforced P lastic / A lum inum A l loy) [ 2, 3] , 这两种纤维增强金属层合板已经由 D elft 科技大学成功开 发出来, 其中 GLARE 作为一种 新材料已经在 A380的生产中得到使用。
图 3 屈服点定义示意图
2 二次加热法降低固化温度
CARALL 的制作工艺和碳纤维复合板很相似 ( 见图 1)。先将碳纤维预浸料和铝合金板按次序 铺放在一 起压 紧, 本 文中 使用的 铺层 为 A l/004 / A L。然 后将 压在 一起 的碳 纤 维 预 浸料 和 铝 合金 板 放入密封袋中, 抽成真空, 放入高压炉中, 加压 加热, 待树脂固化后即可。
图 2 屈服点偏差示意图
!r, a = !y, a - !y, c
( 6)
a = Ea !r, a
( 7)
式中: !y, a 为铝合金 的屈服应变; !y, c 为 CARA LL
的屈服应变; !r, a 为 CARA LL 中铝合金板的残余热
应变; a 为 CARALL 中铝 合金板的残余 热应力。
在纤维增强金属层合板的研制早期, 碳纤维 复合材料由于其相对于芳纶纤维和玻璃纤维更高 的强度和刚度, 被选中与铝合金薄板做成碳纤维 增强铝合金层合板 ( CFRP /AL- FML ) , 简称 CAR ALL ( 见图 1 )。然而, 目前影响到 CARALL 开发 的两大难题还没有得到解决。第一个难题是, 碳 纤维和铝合金自然电势的不同导致碳纤维复合材 料和铝合金薄板之间发生电化学腐蚀。如果不给 予铝合金薄板正确的保护, 电化学腐蚀将会严重 降低铝合金的强度。第二个难题是, 由于碳纤维 复合材料和铝合金热膨胀系数的不同, 导致 CAR ALL 在加热后树脂固化的过程中产生很大的残余 热应力。该残余热应力将会降低 CARALL 的静态 强度和疲劳强度。如何解决好这两大难题已成为 CARALL 发展的关键。第一个难题现已基本得到 解决 [ 2] 。本文从理论和试验两方面分析 CARA LL 中的残余热应力, 并在 CARALL 的固化过程中使 用二次加热法降低树脂的实际固化温度, 从而降 低残余热应力。
于树脂的固化温度。本文使用了加热 - 冷却 - 再 加热的二次加热方法来降低 CARALL 的实际固化 温度, 从而降低残余热应力。
碳纤维预浸料生产厂商推荐的固化温度曲线 如图 4所示。在这种情况下, CARALL 的固化温 度为 127 ; T 为 102 ; 计算得到铝合金板中的 残余热应力为 101 9M P a。
第 5期
薛 佳 等: 碳纤 维增强铝合金层合板的残余热应力分析
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助于改进纤维方向的拉伸性能, 有助于改进纤维 胶粘剂层的 剪切强度、挤FRM I的拉伸强度, 也就是可获得高于单层金 属的疲劳性 能。鉴于此, FRML 主要用在 对疲劳 敏感的结构上, 比如用来制作飞机机翼和机身 [ 1] 。
A eronautics and A stronau tics, Be ijing 100083, China) ( 2. Research Institute for App liedM echan ics, Kyushu U niversity, Fukuoka 816- 8580, Japan)