李 军

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

复合材料近零膨胀研究

李 军

(哈尔滨玻璃钢研究院，哈尔滨 150036)

本文研究了铺层对复合材料热膨胀性能的影响。针对3种优化典型铺层，通过理论计算、有限元分析及试验检测对比，得出复合材料的热膨胀系数及模量与复合材料铺层关系的综合设计方法。希望对复合材料的铺层设计指导。

近零膨胀；复合材料铺层；模量；复合材料

1 引 言

材料的热膨胀是尺寸稳定性的一个重要指标，相对于金属材料热膨胀系数固定而言，纤维增强复合材料的热膨胀系数随铺层的不同而变化。在一定范围内复合材料的热膨胀系数是可设计的[1-3]。

在太空环境下，飞行器承受着剧烈的温度变化，在高精度的仪器中应当尽量的避免由于温度变化引起的尺寸变化。通过复合材料的热膨胀设计可以使得材料的热膨胀系数接近于零。另外，在复合材料满足热膨胀的要求下，有时还需要具有较高的模量。这使得在复合材料的铺层设计时，需要考虑多方面因素。

2 数值仿真

2.1 计算方法

根据复合材料力学可以推导出层合板的热膨胀系数为[4]：

选取M40/TDE85单向板数据，材料参数见表1。

表1 材料参数

选用以上参数，选取3种铺层，研究铺层角的变化对热膨胀系数及模量的影响。

2.2 不同铺层对热膨胀系数的影响

2.2.1 铺层[θ,-θ]s

铺层[θ,-θ]s的热膨胀系数及模量随角度的变化如图1所示。

从图1中可以看出：复合材料热胀系数随角度的变化先减少后增加，在θ=43.81°时，层合板纵向的热膨胀系数为零，纵向的模量为21.04GPa，剪切模量为51.28GPa。……