浅析碳纤维复合材料超低温环境力学性能研究

吴斌双 朱尔隆 潘建龙 王博翰

(大连理工大学,辽宁大连 116024)

浅析碳纤维复合材料超低温环境力学性能研究

吴斌双 朱尔隆 潘建龙 王博翰

(大连理工大学,辽宁大连 116024)

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。

碳纤维 复合材料低温力学性能

1 碳纤维复合材料超低温环境力学性能研究背景

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率提高，一直以来都是各国进行研究的关键领域之一。20世纪90年代中期，美国国家航空航天局(NASA)开始了对亚轨道可重复使用飞行器(RLV)的研发试验。

针对这一新形势，我国在“十五”计划初期，即开展了可重复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力度。

由液氢(-253℃)、液氧(-183℃)、液氮(-196℃)、液氦(-269℃)及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]。

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(LO2)燃贮箱及工作系统使用温度为-183℃，液氢燃料贮箱及工作系统使用温度为-253℃，液氢燃料贮箱及供给管系统和液氧燃贮箱及供给管系统工作于低温环境。当飞行器返回时，可重复使用运载器贮箱及供给管要承受170℃的高温考验，燃料贮箱工作温度范围很大，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的可靠性[3]。

上世纪80至90年代，研发复合材料液氢贮箱的课题在美国国家航天飞机(NASP)计划以及DCX计划都涉及，并取得了一些成就。X-33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。

2 国内外对碳纤维复合材料超低温力学性能的研究现状

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，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结构材料之一。

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要标志之一。

2.1 超低温复合材料用基体

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，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。经过柔化的环氧树脂脆性降低，不易开裂，在工程应用中表现更加出色。

可重复加工的特点是高性能热塑性树脂具备的特点之一，在低温复合材料中的具有很大的潜在应用价值。比如说，碳纤维增强聚醚醚酮复合材料力学性能，虽然在超低温破坏强度方面表现良好，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，改性后使其在常温和低温下均具备稳定的力学性能。

2.2 超低温复合材料用增强材料

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。

在一些低温工程中，由于纤维增强复合材料具有如下特点：

(1)比模量大，比强度高；(2)材料具有可设计性；(3)抗腐蚀性和耐久性能良好；(4)热膨胀系数与混凝土材料形似。根据他们特性及制备加工工艺方面的综合考虑，应用最广泛的增强纤维是碳纤维和玻璃纤维。

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均有不同程度的增加，玻璃纤维Weibull分布尺度参数有很大的提升。玻璃纤维，E-glass从室温到4K，它的杨氏模量提高15%，S-g lass从295K到4K其杨氏模量提高10%。

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化很小，是比较理想的超低温增强材料。

2.3 树脂基复合材料制造工艺

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：热压罐成型工艺、RTM成形工艺、缠绕成型工艺、拉挤成型工艺、热压成型工艺、自动铺放工艺等。

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.P.Reed、M.Golda、J.B.Schutz等人发现：低温状态下，芳族聚酰胺纤维复合材料的低温拉伸强度与常温时比较变化较小，而其他各类纤维复合材料的低温拉伸强度均比常温状态时有所提高。

[1]王嵘,郝春功,杨娇萍,张雄军,付绍云,王继辉.超低温复合材料的研究进展.化工新型材料,2007.

[2]陈积伟.《工程材料》机械工程出版社.

[3]周翼.《高分子材料基础》国防工业出版社.