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Cf/改性环氧复合材料低温界面性能及液氧相容性研究

舒鹏  
【摘要】:未来航天器的发展主要以低成本、高运载能力为目标,例如,低成本航天器(ELV)、比如单级入轨(SSTO)、可重复使用飞行器(RLV)等。要达到这个目标首先要解决的是结构减重问题,而液氧贮箱是飞行器主要的结构部件之一,也是减重的关键部件。碳纤维复合材料(CFRP)属于各向异性材料,具有抗疲劳性优良、破坏后无二次损伤的特点,从诞生起便在航空航天领域获得飞速的发展。因此发展复合材料液氧贮箱是航天器实现减重目标的关键技术之一。本文对复合材料在液氧(183℃)低温条件下的界面性能、层间断裂韧性、液氧相容性进行研究,希望能为复合材料液氧贮箱在低温下的使用性能和可靠性提供理论基础和技术支持。 通过对树脂体系与碳纤维动态接触角测试,研究结果表明树脂胶液能够较好地润湿纤维,形成良好的界面粘结,并且固化反应过程中,在120℃温度保持1h对纤维和树脂的润湿起到了很好的促进作用。 采用微滴脱粘法对复合材料界面强度进行表征,结果发现在低温条件下界面强度(IFSS)会有明显的提高。利用Scheer-Nairn脱粘模型的剪滞方程计算了微滴脱粘的能量释放率(Gdc),结果证明IFSS的提高以及热应力都可以导致Gdc的提高。通过对三元体系碳纤维复合材料II型层间断裂能量释放率(GIIc)的测试发现,低温条件下GIIc有明显的提高,通过对比Gdc与树脂的冲击强度认为深冷下GIIc的提高主要是由于界面强度的提高带来的更高的破坏能。 复合材料液氧冲击敏感性测试结果显示单次以及重复2次冲击结果液氧敏感系数(IRS)值均小于2%,对边缘冲击结果为6%,对表面有缺陷的冲击结果显示为不相容,说明缺陷会大大提高复合材料液氧冲击敏感系数;通过对复合材料层合板的冷震循环测试证明高低温循环在50次以内的界面强度基本没有变化。对一定次数冷热循环后的试样进行液氧冲击敏感测试,结果发现,25次之内的冷热循环试样液氧敏感系数相比于循环前会有所升高,但是仍满足液氧相容性;而25次冷热循环后,复合材料液氧冲击敏感性大大升高,表现为与液氧不相容。


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