针对碳纤维复合材料超低温状态下力学研究分析

  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。

  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,聚矾,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- -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。

  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、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。

  碳纤维增强树脂基复合材料,由于它在航空航天军事等领城应用较多,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。

  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。目前航空航天领城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。研究人员发现,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。