低温复合材料贮箱关键技术研究应用进展

利用聚合物基复合材料替代金属材料制造运载火箭低温推进剂贮箱可以显著提高运载火箭的运载能力,并降低发射成本。应用于贮箱的聚合物基复合材料除了满足超低温力学性能要求外,还需满足抗低温介质渗漏和液氧相容性的要求。针对聚合物基复合材料应用于低温贮箱存在的科学问题,对耐低温聚合物和先进复合材料成型工艺等关键技术在低温复合材料贮箱制造中研究应用等方面展开综述,并对复合材料贮箱未来研究方向和发展前景进行展望。

低温对碳纤维复合材料弯曲性能影响试验研究

由于航天运载器的轻量化需求,高性能碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)已经应用于液体燃料贮箱的研制,但其服役环境苛刻,往往要经受-183~-253℃的超低温或多次低温循环过程.目前,对CFRP的低温力学性能,尤其是常-低温循环力学性能的研究仍比较局限,这制约了CFRP燃料贮箱的设计和研制进程.本文针对一种液氧相容的环氧树脂体系,采用热压罐工艺制备了CFRP单向板,并测试其在25℃、-55℃、-120℃和-183℃下的弯曲力学性能.结果表明,弯曲强度和模量均随着温度降低而提高,当温度从25℃降低到-183℃时,弯曲强度提高约66.7%,弯曲模量提高约10.3%.同时,本文也研究了室温-液氧循环50~200次对弯曲力学性能及微裂纹萌生的影响.结果表明,200次循环后,单向板的弯曲强度基本没有降低,并且内部也无微裂纹产生.本文研究表明,该CFRP体系具有较为优异的低温力学性能和耐低温循环性能,在液体燃料贮箱领域有着巨大应用潜力.

含磷液氧相容环氧树脂的热降解行为

碳纤维/环氧树脂复合材料液氧贮箱对重型火箭和空天飞机等新一代航天器减重具有重要意义。然而,环氧树脂与液氧不相容制约了其应用。采用热重分析、Kissinger方法、Coasts-Redfern方法、热重-红外-气质联用技术对10-(2,5-二羟基苯基)-10-氢-9-氧杂-10-磷杂菲-10-氧化物(ODOPB)改性液氧相容环氧树脂(ODOPB-EP)的热降解行为及机制进行了研究。结果表明:ODOPB-EP的热降解机制为相边界反应,对应的降解机制函数g(α)=1−(1−α)^(1/3),α为转化率。在热降解过程中,树脂先从C−N和C−O弱键处断裂,随着温度升高,释放出苯酚及其衍生物等芳香类物质,且ODOPB在树脂中会分解产生联苯等物质,在这个过程中会伴随着含磷自由基的释放,在气相能起到淬灭作用,有利于提高树脂的液氧相容性,为探明聚合物的液氧相容机制提供了理论基础。