超高温陶瓷改性C/C复合材料抗氧化烧蚀性能研究进展

碳/碳(C/C)复合材料具有高强、轻质和耐温等优势,在航天领域取得广泛应用;但由于其抗氧化性能较差,难以满足高超声速飞行器长时飞行、大气层再入飞行和跨大气层飞行的服役环境。利用超高温陶瓷改性C/C复合材料(C/C-UHTC)可以显著提高C/C复合材料的抗氧化烧蚀性能,有望满足新一代飞行器长时间抗氧化、抗烧蚀及结构强度的要求。本文总结了C/C-UHTC复合材料烧蚀性能的常用测试方法,包括氧-乙炔烧蚀、等离子烧蚀、激光烧蚀和风洞烧蚀,简要介绍了各种烧蚀性能测试方法的特点。此外,对近年来Zr系和Hf系单组元、双组元和三组元C/C-UHTC复合材料的烧蚀性能及烧蚀机理进行详细阐述。

结构/防热一体化?480mm复合材料壳体水压实验的声发射特征

为了满足未来高速高加速战术导弹对壳体承载能力和防热功能的要求,采用干法缠绕工艺制备结构/防热一体化?480 mm复合材料壳体,其中结构层采用T700碳纤维/氰酸酯复合材料,防热层采用复合防热结构,进行壳体内压检验、声发射和水压爆破实验,研究内压作用下壳体的应变变化规律,判断复合材料损伤类型,预测壳体破坏位置,评价外防热材料的结构完整性,考核壳体承受内压载荷的能力。结果表明:结构/防热一体化?480 mm壳体应变与压强呈线性关系,随压强的升高而增大;?480 mm壳体在内压作用下出现树脂开裂、单丝断裂、纤维束断裂和分层等声发射信号,分布在前后封头区域,二次加载后费利西蒂(Felicity)比为0.96;壳体的爆破压强为18.6MPa,容器特性系数达到42.1 km,后封头区域出现宏观纤维断裂现象;防热层材料表面出现少量纤维起毛、断丝和发白现象,未出现分层和脱落,保持较好的结构完整性。

改性双马来酰亚胺结构复合材料及与天然橡胶的原位热粘接性能

以改性双马来酰亚胺(BMI)为基体,高强玻璃纤维为增强体,制备适于固体发动机推力矢量控制系统用增强件复合材料,分析了其与天然橡胶的原位热粘接性能。研究发现,改性BMI树脂的固化是分步进行的,适宜固化制度为130℃/3h+180℃/2h+230℃/3h,固化后材料的玻璃化温度超过250℃。改性BMI/玻纤复合材料的室温拉伸、弯曲强度均在600MPa以上,160℃强度保持率约90%以上。室温压缩、层间剪切强度分别高于300MPa、30MPa,160℃分别下降至250MPa、20MPa。Thinkbond11/26、Thinkbond11/27两种胶粘剂用于改性BMI/玻纤复合材料与天然橡胶界面原位热粘接,界面剪切强度均超过5.8MPa。改性BMI/玻纤复合材料的综合性能均显著优于增强件现用环氧/玻纤复合材料,满足固体火箭发动机柔性喷管矢量控制系统结构件应用需求。

空天动力复合材料技术未来如何发展?

聚焦空天动力复合材料,共同探讨如何推动复合材料先进结构设计的发展和实现更高水平、更高成熟度的空天动力领域复合材料应用,这是2022年8月在辽宁大连召开的“空天动力复合材料及应用专业委员会2022年度学术会议”包括中国科学院、工程院院士在内的近200名专家学者研讨的主题。

针刺C/C复合材料结构-工艺-性能一体化软件平台

针刺C/C复合材料的纤维排布方式和针刺工艺对其性能具有重要影响,结合材料信息学开发了一套基于Web界面的针刺C/C复合材料结构-工艺-性能一体化软件平台,包含材料数据库和机器学习模型两个模块。将实验、工业生产或数值模拟得到的“结构-工艺-性能”的材料数据存入到已开发的数据库模块中进行有效存储和管理,并利用这些数据,基于神经网络回归算法训练机器学习模型,建立结构-工艺-性能之间的映射关系。针对目前实验数据昂贵且稀缺,采用高通量有限元数值模拟得到针刺C/C复合材料结构-工艺-性能(有效弹性力学参数)的材料参数数据,训练了预测力学性能的机器学习模型,并部署在软件平台中;通过Web用户界面调用机器学习模型,对特定结构和工艺参数条件下的针刺C/C复合材料的有效弹性力学参数进行预测。结果表明,预测值相对误差小于2%,验证了软件平台的功能和用途。利用这一软件平台,有望进一步基于实验数据和对应的机器学习模型对针刺C/C复合材料性能进行预测,从而为设计和优化针刺C/C复合材料的结构参数和工艺参数提供理论指导。

针刺C/C复合材料拉伸强度预测的深度学习模型

针刺C/C复合材料利用针刺工艺,将炭布和网胎中的面内纤维引入到铺层厚度方向,在增强层间强度的同时,针刺工艺导致针刺C/C复合材料成品中针刺位置的分布具有显著的随机性,即使在针刺密度和针刺深度相同的条件下,针刺C/C复合材料中不同针刺位置的分布,也会对其拉伸强度等力学性能造成很大的影响。利用有限元(FEM)数值模拟的方法,基于一种针刺C/C复合材料的实验数据,通过高通量计算,获得了100000个相同针刺密度、针刺深度和不同针刺位置分布的有限元模型及其对应的拉伸强度,揭示了针刺C/C复合材料中不同针刺位置分布对其拉伸强度影响的细观机理。随后,利用深度学习算法训练了预测模型,可以对任意针刺位置分布所对应的复合材料的拉伸强度进行预测,从而为优化针刺C/C复合材料中针刺位置的分布提供理论工具。

悬浮改性耐高温环氧树脂基复合材料的性能与增韧机制

针对热塑性树脂改性环氧树脂体系黏度迅速增加的问题,本工作采用酚酞基聚芳醚酮(PEK⁃C)悬浮增韧改性耐高温环氧树脂,研究了PEK⁃C悬浮法和溶解法增韧对改性树脂体系的流变性能、增韧效果和耐热性能的影响。结果表明,PEK⁃C悬浮体系的稳定性能较好,规避了PEK⁃C溶解体系黏度高的问题,在室温下的黏度满足湿法缠绕的要求。PEK⁃C在环氧树脂悬浮体系中的溶解性能优异,对环氧树脂本身固化反应和PEK⁃C相分离过程的影响较小。本工作将改性树脂体系和原树脂体系湿法缠绕成型碳纤维复合材料层压板,证明PEK⁃C的引入提升了复合材料的力学性能,通过扫描电子显微镜(SEM)和显微镜表征了层压板拉伸断面的微观结构,探究了PEK⁃C改性碳纤维复合材料的增韧机制。

国产T800S级碳纤维表面特性对复合材料界面性能影响研究

对两种国产T800S级碳纤维与进口T800S碳纤维表面特性及其复合材料界面性能的关联性进行了研究。通过扫描电镜(SEM)与原子力显微镜(AFM)对三种碳纤维的表面形貌与粗糙度进行了表征;采用X射线光电子能谱(XPS)对三种碳纤维表面化学官能团比例进行了分峰计算;通过碳纤维表面静态接触角对纤维表面浸润性进行了分析。制备并表征了碳纤维NOL环与单向复合材料的力学性能与微观破坏形貌,通过对比分析确定了影响复合材料界面性能的关键性因素,对复合材料界面性能的进一步提升具有指导意义。

固体发动机柔性接头材料及制造技术研究进展

综述了固体发动机柔性接头橡胶弹性件材料和增强件材料的研究现状,其中橡胶弹性件材料主要有低模量弹性件材料和宽温域弹性件材料两种发展方向,增强件材料主要研究使用复合材料以简化柔性接头结构设计和降低质量。介绍了柔性接头3种成型技术,即模压冷黏成型、模压热黏成型和注射成型并进行了对比分析。提出能够快速、高精度和高可靠成型柔性接头的注射成型是未来柔性接头制造技术的发展趋势。

国产T800级碳纤维本征特性研究进展

综述了近年来对国产T800级碳纤维本征特性的相关研究进展,包括纤维的力学性能、微观物理特性和表面化学特性等,并与东丽T800碳纤维对比,指出了国产T800级碳纤维性能上存在的一些问题。

室温固化-高温反应增强型硅橡胶涂料

针对固体火箭发动机外防热需求,采用α,ω-二羟基聚硅氧烷为基体树脂,添加酚醛树脂粉及其他耐烧蚀填料,制备室温固化-高温反应增强型的硅橡胶涂料,研究聚硅氧烷分子链长、酚醛树脂粉含量对耐烧蚀涂料性能的影响,并进行配方优化制备轻质防隔热耐烧蚀硅橡胶涂料。采用力学性能分析、热物理常数测试、热失重分析、扫描电镜、氧-乙炔焰烧蚀等方法对涂层性能进行表征。研究表明,酚醛树脂粉可显著提升涂层的力学性能、耐烧蚀性能,涂层具备室温固化-高温反应增强特性,微观具有互相穿插的双重交联网络结构。通过对涂料进行系列配方优化,获得了综合性能较优异的防隔热耐烧蚀涂料,其具备可室温固化、轻质、隔热性好、与基底附着力强、力学性能优异、耐烧蚀、耐高温、易于施工等特点。

预聚时间对CE/EP树脂体系固化行为的影响

采用酚醛型环氧改性氰酸酯树脂(CE),通过预聚工艺解决CE树脂的室温结晶和析出问题。利用凝胶时间、差示扫描量热(DSC)、红外光谱(IR)、流变仪和凝胶色谱(GPC)等分析手段跟踪CE/EP树脂体系的预聚反应过程,研究预聚时间对凝胶时间、固化反应、分子结构、流变行为、相对分子质量和复合材料金相结构的影响,获得CE/EP树脂体系的预聚工艺参数。结果表明,CE/EP树脂体系的固化反应包括1个吸热区和2个放热区,生成不同化学结构的生成物。CE/EP树脂体系的固化度、粘度和相对分子质量随预聚时间的延长而逐渐增大,而凝胶时间却随预聚时间的延长显著降低。预聚时间还影响碳纤维复合材料的金相结构,孔隙率随预聚时间的延长逐渐降低。通过研究,掌握CE/EP树脂体系粘度和相对分子质量的控制方法,降低固化温度,改善CE树脂与碳纤维间的浸润性和粘接性,为制备高性能碳纤维预浸料和工程化应用提供高性能树脂基体。

热熔型BA221氰酸酯树脂的固化动力学及流变行为

氰酸酯(CE)树脂具有高度对称的化学结构和强结晶性,固化反应温度高,固化物脆性大,容易从预浸料中结晶析出并悬浮于表面,严重影响了预浸料的表观质量、制备工艺和力学性能。文中采用F-51酚醛环氧改性CE树脂,通过预聚工艺制备了一种室温下为半固态、成膜性好、适用期长、适用于热熔法预浸料工艺的热熔型CE树脂(代号BA221)。采用差示扫描量热法研究了BA221树脂的固化动力学和固化反应参数,获得了固化动力学方程,优化了固化制度,活化能较CE树脂降低了66.9%。采用流变法研究了BA221树脂的黏度变化规律,确定了热熔型BA221树脂的制膜温度为80℃,获得了成膜性和延展性良好的热熔胶膜。BA221树脂固化物的玻璃化转变温度为268.4℃,拉伸强度和延伸率分别为79.7 MPa和3%,弯曲强度和冲击强度分别为122 MPa和21 k J/m2,较CE树脂分别提高了96.3%,134.4%,76%和270%。扫描电镜结果表明BA221树脂固化物为韧性断裂。F-51酚醛环氧改性CE树脂效果显著,实现了CE树脂在120℃预聚、80℃成膜和180℃后固化的工程化应用目标,为制备热熔法预浸料提供了一种耐高温CE树脂。

热塑性酚醛树脂的改性研究进展

综述了近年来有关热塑性酚醛树脂改性研究最新进展,包括热固性树脂改性、硅材料改性、热塑性聚合物改性及纳米材料改性等方法,概述了改性机理、改性条件和改性技术,分析了不同改性方法对热塑性酚醛树脂的玻璃化转变温度、热分解行为、力学性能、残炭率等相关性能的影响。并对各种改性方法的特点和存在的问题进行系统地比较,展望了改性热塑性酚醛树脂的发展前景。

酚酞基聚芳醚酮增韧改性环氧树脂的结构与性能

针对耐高温环氧树脂韧性低的问题,采用酚酞基聚芳醚酮(PEK-C)增韧改性耐高温环氧树脂。研究了PEK-C相对分子质量和含量对改性树脂的固化反应、增韧效果和耐热性能的影响。结果表明,PEK-C的加入对固化反应、耐热性能的影响较小,但会显著提升环氧树脂的韧性,且在一定范围内,PEK-C的相对分子质量和添加量越大,增韧效果越好。15%相对分子质量为8×104的PEK-C改性树脂具有最佳的力学性能,其拉伸强度和断裂伸长率分别达到了80 MPa和3.1%,较未改性树脂分别提高了68%和121%,冲击韧性高达23.3 kJ/m2,较未改性树脂提升了99%。采用透射电子显微镜表征了不同PEK-C含量改性树脂的微观相结构,结果表明,随PEK-C含量增加,依次观测到了从海岛相到双连续再到相反转的相结构转变。

硅橡胶耐高温改性研究进展

综述了火箭发动机领域近年来有关硅橡胶的耐高温改性研究进展,包括对硅橡胶分子链改性,使用合适的交联剂和加入耐热添加剂等方法,有效抑制了硅橡胶的主链降解和侧链氧化,从而提高硅橡胶的耐高温性能。同时展望了硅橡胶的发展前景,并提出了其今后的研究方向。

表面改性空心玻璃微珠对隔热涂料性能的影响

针对固体火箭发动机壳体的外热防护需求,采用环氧改性有机硅为基体树脂,添加表面改性空心玻璃微珠及其他填料,制备可室温固化的轻质隔热涂料,研究空心玻璃微珠表面改性及其含量对环氧改性有机硅涂料性能的影响。采用力学性能分析、热物理常数测试、红外光谱、扫描电镜等方法对涂料的性能进行了表征。HGM-3空心玻璃微珠堆积密度低、且表面富含-NH2基团,3#涂料中微珠与基体树脂界面相容性好,涂料具备可室温固化、轻质(ρ~0.71g/cm3)、隔热性好(λ~0.11W/(m·K))、粘接性好(拉剪强度~3.91MPa)等特点。随着微珠含量增加,涂层隔热性能显著提高,但会影响其断裂延伸率,应根据实际使用环境对涂层性能要求选择相应的微珠含量。通过对隔热涂料进行系列配方优化,获得了综合性能较优异的隔热涂料,其具备可室温固化、轻质、隔热性好、与基底附着力强、力学性能优异、耐高温、易于施工等特点。

热塑性树脂改性环氧体系反应诱导相分离研究进展

热塑性树脂改性环氧体系是一种典型的反应诱导相分离体系,随着固化反应的进行,环氧体系从均相开始相分离,形成不同的相形态。影响热塑性树脂改性环氧体系相分离形态的主要因素有:热塑性树脂的种类和结构、含量、分子质量以及固化温度和填料等。文中综述了以上各因素对相形态影响的最新研究进展。

环氧树脂增韧方法及机理研究进展

综述了近年来国内外环氧树脂增韧改性研究最新进展及增韧机理,涉及橡胶弹性体、无机纳米粒子、嵌段共聚物、热塑性树脂、超支化聚合物,互穿网络增韧等方法,并对未来发展方向进行了展望。