碳纤维复合材料火箭发动机壳体用韧性环氧树脂(2)
2017-09-22 01:34
导读：1.2 碳纤维增强树脂基复合材料及其在航空航天中的应用 复合材料正在迅速发展成为航天航空产业的基本结构材料。高性能聚合物基复合材料在航空航天产
1.2 碳纤维增强树脂基复合材料及其在航空航天中的应用
复合材料正在迅速发展成为航天航空产业的基本结构材料。高性能聚合物基复合材料在航空航天产业的用量占其全部用量的80。由于碳纤维具有高比强度、比模量、低热膨胀系数和高导热性等独特性能，因而由其增强的复合材料用作航空航天结构材料，减重效果十分明显，显示出无可相比的巨大应用潜力。
1.2.1在航天飞机上的应用
碳纤维增强树脂基复合材料用做航天飞机舱门、机械臂和压力容器等。
1.2.2在火箭与导弹上的应用
在火箭和导弹上使用碳复合材料减重效果十分明显。因此,采用碳纤维复合材料将大大减轻火箭和导弹的惰性重量，既减轻发射重量又可节省发射用度或携带更重的弹头或增加有效射程和落点精度。
1.2.3在人造卫星上的应用
人造卫星展开式太阳能电池板多采用碳复合材料制作。
1.2.4在航空产业上的应用
随着碳纤维和基体树脂性能的不断进步,碳纤维增强树脂基复合材料的耐湿热性和断裂延伸率得到明显改善和进步。在飞机上的应用已由次承力结构材料发展到主承力结构材料,拓宽了在飞机产业中的应用。
1.2.5隐身材料
新型隐身材料对于飞机和导弹屏蔽或衰减雷达波或红外特征，进步自身生存和突防能力，具有至关重要的作用。在雷达波隐身材料方面，除涂层外，复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注，主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料（如c/ep、c/pi或c/bmi）和热塑性树脂基复合材料（如c/peek，c/pps），目前已经得到了某些应用。
1.3固体火箭发动机壳体的研究进展
固体火箭发动机是当今各种导弹武器的主要动力装置，在航空航天领域也有相当广泛的应用。标志高性能固体发动机的主要特征是：“高能、轻质、可控”，这三者都是以先进材料为基础和支柱框连起来的，固体火箭发动机壳体自开发应用至今，大致经过了以下几个阶段。
内容来自www.nseac.com 1.3.1金属材料
金属材料是最早应用的固体火箭发动机壳体材料，其中主要是低合金钢.其优点是本钱低、工艺成熟、便于大批量生产,特别是后来在断裂韧性方面有了重大突破,因此即便新型复合材料发展迅速,但在质量比要求不十分苛刻的发动机上仍大量使用。
1.3.2玻璃钢
利用纤维缠绕工艺制造固体发动机壳体,是近代复合材料发展史上的一个重要里程碑,但玻璃钢比强度仍不是很高,弹性模量也偏低,继后已逐渐为芳纶及碳纤维复合材料取代。
1.3.3芳纶复合材料
芳纶是芳族有机纤维的总称,最早问世的是美国的凯夫拉-49,属于全对位的聚芳酰胺纤维。它的强度是铝的2倍,而密度仅为其1/2,弹性模量是e玻璃纤维的2倍。因此自70年代问世后立即用于美国mx、"潘兴-2"等战略战术导弹和各种航天用固体发动机,一度居于统治地位。
前苏联也开发了多个芳纶品种,如cbm、apmoc性能优于美国。apmoc纤维强度比凯夫拉高38,模量高20,是目前实际使用中性能最高的芳纶纤维,达到美国第三代碳纤维水平,已用于前苏联ss-24,ss-25等洲际导弹。据报道近年来又有新的发展,强度已达到6.9gpa,模量接近200gpa。
1.3.4碳纤维复合材料
80年代中期以来，碳纤维开发迅猛发展,性能水平大幅度进步,抗拉强度由初期的2.5gpa进步到目前的7.0gpa,并且有了优良的表面处理剂和树脂基体的配合，强度转化率进步到85～95,碳纤维的应用使壳体强度和刚度大为改观,而大规模生产又使碳纤维价格有了较大幅度的下降，因此当前先进固体发动机均优先选用碳纤维复合材料壳体。固体发动机壳体使用的大都是高强中模碳纤维。根据键能和键密度计算得出的单晶石墨理论强度高达15ogpa,因此碳纤维进一步开发的潜力是巨大的,它将是来世纪初固体发动机壳体的主要材料。
（科教论文网 lw.NsEac.com编辑整理） 1.3.5树脂基体
环氧树脂由于性能优异,数十年来一直是火箭发动机壳体用复合材料树脂基体的主体,预计今后相当长时间内仍将如此.这些年来曾经历过刚性环氧-柔性环氧-刚性环氧的再熟悉过程,但居主导地位的一直是刚性双酚a二缩水甘油醚的环氧混合物。环氧树脂的固有缺点是耐冲击损伤能力差,耐热性能也较低(小于170℃),火箭发动机在高速下飞行,外表面必须良好尽热,以防御气动加热影响,这样则加大了发动机的惰性质量。多年来各国都在努力改进环氧树脂性能,例如进步韧性或耐热性，以不断进步发动机的性能。很多研究工作表明环氧树脂改进仍有很大潜力。
