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影响【环氧板】材料残余热应力的因素

不同增强体和基体的热膨胀系数相差较大,如SiC纤维增强Al基环氧板材料中,Al基体的热膨胀系数(21.6X10-*/K)是SiC纤维(2.3X10-*/K)的9倍多。较小的温度变化就会导致在环氧板材料中产生大的残余应力。因此,在进行环氧板材料设计时,增强体和基体的热膨胀系数是需要考虑的重要问题,最好选用热膨胀系数接近的材料。温度变化是残余热应力产生的外部因素。即使较小的温度变化也能产生较大的残余热应力。对于金属基环氧板材料,可以在适当的温度进行热处理来减小残余热应力。

在其他条件相同的情况下,增强体体积分数是影响环氧板材料残余热应力的主要因素。增强体体积分数越高,
环氧板材料残余热应力越大。如果纤维体积分数过高,环氧板材料在制备过程中界面残余应力就会过大,这将导致环氧板材料内部出现损伤。即使没出现损伤,大的残余应力也会显著影响环氧板材料的力学性能。对于金属基环氧板材料,随着纤维体积分数的增加,基体内的残余热应力会使环氧板材料拉伸和压缩时屈服强度的差值增加。对于陶瓷材料,则可能会使基体产生裂纹,产生更为不利的影响。

基体的屈服强度影响残余热应力主要与应力松弛有关。环氧板材料基体应力超过其屈服强度后,基体即可发生塑性变形以松弛残余热应力。显然,基体屈服强度越高,应力越难松弛,残余热应力就越大;基体屈服强度越低,应力就越容易松弛,残余热应力就较小。增强体尺寸和长径比影响残余热应力也与基体应力松弛有关。当增强体长径比较大时,位错运动容易受到阻碍,导致基体应力松弛程度减小,
环氧板材料的残余热应力增大。

对于连续纤维增强的环氧板材料,残余热应力还与纤维的取向有关。不同方向的环氧板材料残余热应力有所不同,甚至可能出现较大差别。这主要与纤维轴向和径向热膨胀系数不同有 关。例如,碳纤维的轴向热膨胀系数约为-0. 14X10-°~ 1.7X10-*/C,而径向热膨胀系数可 达8. 85X10-*/C.对于晶须或短纤维增强的环氧板材料,残余热应力还和增强体排列规则程度有关。从平均残余热应力来看,增强体混乱分布时的残余热应力略低于增强体规则分布材料的残余热应力。

对于聚合物基
环氧板材料,影响残余热应力大小的因素除上述几个因素外还有环境湿度和时间因素。环境湿度主要通过影响聚合物基体的吸潮来影响其性能。在拉伸应力下,聚合物基体的吸潮速度会增加。这将造成基体肿胀,导致应力状态改变。吸潮还能造成聚合物基体的塑性增加,进而影响界面残余应力。空气的湿度也对界面相产生一定的影响.如改变其微结构,进一步影响残余应力。反过来,残余应力也会影响吸湿量,通常残余应力越大.吸湿量越大。另外,聚合物基环氧板材料界面的热残余应力还具有时间依赖性。这主要是因为聚合物基体和纤维/基体界面相具有黏弹性,其性能具有时间依蓑性。随着时间延长,基体会表现出应力应变松弛或蠕变行为。研究表明.聚合物基环氧板材料在制备过程中产生的残应热应力会随着常温湿热条件下的存储时间延长而降低。
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