浅析碳纤维复合材料超低温环境力学性能研究

【 摘 要】 碳 纤维增 强环氧树 脂复合材 料作 为在 空天飞行 器的 结构、 低温 燃料贮 箱及输 送管等 方 面替代金 属 的备 选材料， 已受到 国内外研 究人 员的重视 。 由于复合材料 需要长期 在超低 温极 端环境 下服役， 因此超低 温对 于其性 能的影 响备 受关注研 究长期低 温老化对 复合材料性 能的影 响十分 重要 。 同时， 研发 可 重复使 用的 复合材料 超低 温燃料 贮 箱， 将有 助 于有效 降低 飞行 器发 射成 本， 对 于航 空航 天事业 的发展有 巨大的推动 作 用。 【 关 键词 ｌ 碳 纤 维 复合 材料低 温 力学性 能
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经常会碰到脆性过高 、 容 易开 裂的问题 。 解决这一 问题行之有效 的 方法是使环氧树脂柔性化 ， 或是使整个配方体系柔性化 。 而这也 是 如何 降低空间飞行器在发射时的成本 ， 使空 间飞行器 的发射效 我们在 该试验 中在选取材料方面提前做好 的准备。 经过柔化 的环氧 率提高， 一直 以来都是各国进行研究的关键领域之一。 ２ ０ 世纪９ ０ 年代 树 脂 脆 性 降 低 ， 不 易 开 裂 ， 在 工 程 应 用 中表 现 更 加 出色 。 中期 ， 美 国国家航 空航 天局 （ ＮＡＳ Ａ） 开始 了对亚 轨道 可重复使用飞 可重复加工的特点是商 胜能热塑性树 脂具备的特点之一 ， 在 低 行器（ ＲＬ Ｖ） 的研 发试 验 。 温复合材料 中的具有很大的潜在应用价值 。 比如说 ， 碳纤维增强聚 针 对这一 新形 势 ， 我国在 “ 十五” 计划 初期 ， 即开 展 了可 重复 虽然在超低温破坏强度方面表 现 良好 ， 使用飞行器技术 的跟踪 、 探索和研究。 为 了避免在全 球竞 争中出现 醚醚酮复合材料力学性能 ， 但 由于成型 困难 以及巨大的加工成本， 限制了热塑性基体在 低温领 装备跨代 落后 的不利局面 ， 而 加大 了对可重复 使用飞行器 的研发
Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ＆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ Ｏ ｖ ｅ ｒ ｖ ｉ ｅ ｗ 工 艺 设 计 改 造 及 检 测 检 修
浅析碳纤维复合材料超低温环境力学性能 Nhomakorabea究 吴斌双 朱尔隆 潘 建龙 王博翰 （ 大连理工大学 ， 辽宁大连 １ １ ６ ０ ２ ４ ）
力度 。
１碳纤维复合材 料超低温环境力学性能研究背景
域下的应用 。
在本次试验中所应用到的便是改性后的环氧树脂， 改性后使其 由液氢（ － ２ ５ ３ ＂ Ｃ） 、 液 氧（ 一 １ ８ ３ ￣ Ｃ） 、 液氮（ 一１ ９ ６ ￣ Ｃ） 、 液氦（ － ２ ６ ９ ￣ Ｃ） 及 在常温和低温下均具备稳定的力学性能 。 其蒸发气体共 同组成 了主要 的超低温 流体 介质 。 其 中， 液态氢和液 ２ ． ２超低 温 复合 材 料 用增 强 材料 态氧是液体火箭发动机 发射 过程 中， 一种具备比推力大的燃料 ， 并 纤维增强复合材料是 由增强纤维 ， 如玻璃纤维、 芳纶纤维、 碳纤 且不产生污染物质 ； 液Ｈｅ 是作为空 间装置 、 超导 装置 中广 泛应 用的 维等材料与基体经过模压 、 缠 绕或拉挤 等工 艺而形成 的复合材料 。 低温密封介质 ； 液态氮具有惰性特质 、 价格 低廉 并且介于液氢和液 在一些低温工程 中 ， 由于 纤维增强复合材料具有如下特点 ： 氧之 间的热力 学特 点 ， 常应用于低温试验和作为预 冷介质［ ２ １ 。 （ Ｉ ） 比模量大 ， 比强度 高； （ ２ ） 材料具 有可设计 性 ； （ ３ ） 抗腐 蚀性和 在 以液态燃料 作为飞行器动力 系统燃料供应 的设计 中， 液氧 耐久性能 良好 ； （ ４ ） 热膨胀系数与｝ 昆 凝土材料 形似 。 根据他们特性及 （ Ｌ Ｏ ） 燃贮箱及工作系统使用温度为－ １ ８ ３ ￣ Ｃ， 液氢燃料贮箱及工作系 应用最广泛的增强纤维是碳纤维和 统使用温度为－ ２ ５ ３ ￣ Ｃ， 液氢燃料贮箱及供给管系统和液氧燃贮箱及 制备加工工艺方面的综合考虑， 供给管系统工作于低 温环境 。 当飞行器返 回时 ， 可重复使用运载器 玻璃纤维 。 对于玻璃纤维 ， 研究表明 ， 低温下纤维的拉伸 强度 和拉 伸模 量 贮箱及供 给管要 承受 １ ７ ０ ￣ Ｃ的高温考验 ， 燃料贮箱工作温度范 围很 玻璃纤维Ｗｅ ｉ ｂ ｕ ｌ １ 分布尺度参数有很大 的提 大， 因此在设计 时必须综合考虑在此温度范围内应用复合材料贮箱 均有不 同程 度的增 加 ， 升。 玻璃纤维 ， Ｅ — ｇ ｌ ａ ｓ ｓ 从室温到４ Ｋ， 它 的杨 氏模量 提高 １ ５ ％， Ｓ －ｇ 的 可 靠 性 。 ａ ｓ ｓ 从２ ９ ５ Ｋｇ ｊ ｌ ４ Ｋ其杨 氏模量提高 １ ０ ％。 上世纪８ ０ 至９ ０ 年代 ， 研 发复合材料液氢贮箱 的课题在美国国家 ｌ 碳纤维增强树脂基复合材料 ， 由于它在航空航天军事等领域应 航天飞机（ Ｎ ＡＳ Ｐ ） 计划 以及ＤＣ Ｘ计划都涉及 ， 并取得 了一些成就 。 ｘ ～ 用较多 ， 因而也成为科研工作者研究 的热点。 试验发现， 将模高强碳 ３ ３ 计划则直接计划使用 复合材料 液氢贮箱 ， 但 由于在实验 中， 热应 纤维作为超 低温复合材料的增强材料 ， 强度和模量 与室温时相 比变 力引起微裂纹导致液氢渗漏以及其他技术方面问题 ， 最终决定用铝 化很小 ， 是 比较理想 的超 低温增强 材料 。 制贮箱将出问题 的复合材料贮 箱代替下来。 相 比其国外研究机构对 ２ ． ３树 脂基 复 合材 料 制造 工 艺 飞行器贮箱材料方面 的尝试 ， 国内对超低温用树 脂基增强复合材料
依据不同类型的复合材料 ， 不 同形状 的构件以及对构件质量 和 的研究还处于起步 阶段 ， 出于保 险考虑 ， 贮箱一直采用金属材料， 在 性 能的不同要 求 ， 先进树脂基复合 材料 可采 用不 同的成型工艺 。 目 超低 温复 合材 料方 面技术性 的突破成为国 内研究的重点课题 。 前航空航天领域先进树脂基 复合材料主要成型工艺包括 ： 热压罐成 ２国内外对碳纤维复合材料超低温力学性能的研究现状 型工艺 、 ＲＴ Ｍ成形工艺 、 缠绕成 型工艺、 拉挤成型工艺 、 热压成型工 目前 ， 在工 程 中有着非常 广泛应用的树脂 基复合材料 主要包 艺 、 自动铺放工艺等 。 括： 连续纤维增强环 氧 双 马和 聚酰亚胺复合材料 。 他们具有较高的 通过对 上世纪六十年代至九十年代不同组织及个 人对 各类 常 比强度和 比模量 ， 能够有效的抗疲劳 、 耐腐 蚀 ， 并且可设 计性较强 ， 用纤维复合材料常 、 低温 力学性能测试的结果做 出总结与 比较 。 Ｒ． 便于大面积整体成 型， 并且 ， 他们还具有特殊 电磁性能等特点 。 先进 Ｐ． Ｒｅ ｅ ｄ 、 Ｍ． Ｇｏ ｌ ｃ ｌ ａ 、 Ｊ ． Ｂ． Ｓ ｃ ｈ ｕ ｔ ｚ ￣人 发现 ： 低温状态 下， 芳族 聚酰胺 树脂基复合材料 已经成为继铝合金、 钛合金和钢之后的最重要航 空 纤维复合材料的低温拉伸强度与常温 时比较变化较小 ， 而其他各类 结构 材料之一 。 纤维复合 材料 的低温拉伸 强度 均 比常温状态 时有所提高 。 先进树脂基复合材料在 飞行器材料应用上表现出色 ， 目前 已经 参 考 文 献： 在部 分机型上 实现减重效益 ， 这是使用其它材料所不能 比拟 的。 因 ［ １ ］ 王嵘。 郝春功， 杨娇 萍， 张雄军， 付绍云， 王继辉． 超低 温复合材料 的 此， 先进树脂基复合材料的用量 比例 已经成为航空结构先进性 的重 研 究进 展 ． 化 工 新 型材 料 。 ２ ０ ０ ７ ． 要标志之一 。 ［ ２ ］ 陈积伟． 《 工 程材 料 》 机械 工程 出版 社． ２ ． １超 低 温 复合 材料 用基体 ［ ３ ］ 周翼． 《 高分子材 料基础 》 国防工业 出版 社． 据 了解 ， 应用在超低温环境 下的树脂基 体主 要有 ： （ １ ） 热固性树脂包 括 ： 环氧树脂 ， 氰酸酯树脂 ， 聚酰 亚胺等 ； （ ２ ） 热塑性树脂包括 ： 聚醚酰亚胺 ， 聚醚醚酮， 聚四氟 乙烯 ， 聚醚 砜， 聚苯硫醚 ， 聚砜 ， 液 晶聚合物 等。 配方 的设计对于树脂基体制备非常重要 。 对 于环 氧树脂材料 ，