碳纤维复合材料在超低温-186℃下的力学性能

  可重复使用的航天运载器(RLV)是当前航天领域发展的迫切需求,作为运载器的关键结构的超低温液体推进剂的贮箱在质量上和体积上在运载器中占极大的比例,制造轻质高强的燃料贮箱对运载器发展有重大意义。低温液氧推进剂贮箱在实际工作时其温度为-183℃,复合材料制备的液氧贮箱必须能够在长期此超低温环境下工作。碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有较高的比强度和比模量和良好的热学性能,是制备超低温贮箱的首选材料之一。

  采用T700/TDE-85碳纤维复合材料按照0°铺层和正交对称铺层(0、°90°)两种方式经热压成型为层压板。分别在常温与超低温-186℃环境下按照国标进行拉伸、弯曲等力学实验。

  实验结果表明:在常温条件下,T700碳纤维复合材料单向板拉伸强度均值为1883.93MPa;常温弹性模量均值为150.44GPa;在超低温环境下(-183℃),复合材料单向板拉伸强度均值为1534.51MPa,弹性模量均值为159.75GPa。在低温环境下复合材料单向板拉伸强度下降,下降幅度约为18.5%,而拉伸弹性模量上升,上升幅度约为6.2%。超低温环境对拉伸强度影响较大,而对弹性模量影响相对较小。

  在常温条件下,T700碳纤维复合材料0°单向板弯曲强度均值为700.22MPa;弯曲模量均值为68.73GPa;在超低温环境下,复合材料单向板弯曲强度均值为1093.57MPa,弯曲模量均值为76.73GPa,。在低温环境下复合材料单向板弯曲强度和弯曲模量均有上升,弯曲强度上升幅度约为56.18%,弯曲模量上升幅度约为11.64%。超低温环境对弯曲强度影响较大,相对对弯曲模量影响较小。

  在常温条件下(25℃),T700碳纤维复合材料正交板(0°、90°)拉伸强度均值为1344.85MPa;常温弹性模量均值为69.94GPa;在超低温环境下,复合材料正交板拉伸强度均值为1176.41MPa,弹性模量均值为74.41GPa。超低温环境会造成复合材料正交对称层合板试样强度下降,下降幅度约12.5%,而弹性模量略微上升,上升约为6.8%。超低温环境会对复合材料正交对称层合板拉伸强度造成不利影响。

  在室温条件下(25℃),T700碳纤维复合材料正交铺层(0°、90°)的板材弯曲强度均值为456.24MPa,弯曲模量为40.82GPa;在超低温条件下弯曲强度为596.MPa,弯曲模量为54.55GPa。在超低温条件下,正交复合材料的弯曲强度、弯曲模量均有较大的提高,弯曲强度大约升高30.8%,弯曲模量大约升高33.6%。

  实验结果可知在超低温环境下,单向和正交碳纤维复合材料材料的弹性模量上升,拉伸强度下降;而单向和正交复合材料材料弯曲模量和弯曲强度均有大幅度上升。

         阅读延伸:《大丝束碳纤维与T300-3k的力学性能对比