碳纤维树脂基复合材料液氧相容性研究开题报告

全文总字数：3781字

1. 研究目的与意义（文献综述）

目前，航天领域中推进剂所采用的燃料氧化剂几乎都是液氧(lo₂)，使得在航天飞行器中，液氧贮箱成为一个必不可少的结构部件。而现在航天器将以低成本和高运载能力为目标，要达到这个目标，首先就需要减重，液氧贮箱是飞行器的关键结构之一，也是减重的关键^[1-3]。通过利用高比强度、高比模量、抗疲劳、耐腐蚀、可设计性强^[4]等特点的碳纤维复合材料，液氧压力容器的质量将比使用金属合金大为降低。美国麦道航空公司曾对铝合金料与复合材料制备的贮箱进行了重量对比，结果如图所示，相比金属材料贮箱复合材料贮箱减重可达 20～30%，具有十分明显的减重优势^[5]。因而开展复合材料低温贮箱研究具有巨大的应用前景。然而由于液氧的强氧化性,当复合材料受到冲击、碰撞、摩擦、静电等外界作用统称为“点火源”时,则有可能发生急剧的化学反应,引起爆鸣、火光甚至爆炸，即复合材料与液氧的不相容性^[6]。

在1987年，美国delta和mda开始进行碳纤维增强环氧树脂复合材料低温贮箱的研究，开始他们的研究对象为液氢贮箱。随后，mda与nasa开始共同合作进行与液氧相容的低温复合材料压力容器的研究。2001年8月，nasa与lm成功研制出液氧复合材料贮箱，用以取代铝合金燃料贮箱，该成果被称为航天技术的一个重要的里程碑^[7]。美国 astm 2512—95 标准进行复合材料液氧相容性测试，将一定质量的重锤从特定高度自由落下，击中完全浸渍在液氧中的复合材料试样，观察试样在液氧冲击下发生反应的敏感性^[8]。根据复合材料液氧冲击过程中的现象，对不同反应强度分别给予一定的加权系数，计算冲击反应敏感性(iＲs)，从而综合反应次数和反应强度两个因素，反映出材料的液氧冲击敏感性。加权系数规定为:爆炸燃烧为1;爆炸为0.9；火花为0.7；火星为0.6；烧痕为 0.4，通过测试计算iＲs≤10.0%即可认为该液氧贮箱符合相容性要求^[9]。

目前国内对液氧低温压力容器复合材料的研究，大都集中在低温下复合材料宏观力学性能测试以及树脂基体与液氧的相容性等方面，其中对于树脂基体的研究主要是对现有已广泛应用的树脂进行改性。环氧树脂因具有力学性能优异、收缩率低、粘接性强、耐腐蚀性能优良等特点，常作为低温复合材料压力容器的基体材料^[10-11]，但是当处于纯净的氧气环境中时，体系中拥有数量较大的抗氧化性性能较差的集团(-oh)，导致其耐氧化性能不太好，所以需要对环氧树脂体系进行改性。而氰酸酯力学性能和热性能都非常优异。氰酸酯固化物有非常高的玻璃化转变温度(250℃-300℃)，良好的力学性能，比较高的断裂韧性和非常低的吸水率^[12-13]。因此将氰酸酯和环氧树脂共聚再进行改性，可得到液氧相容性较好的基体树脂^[14]。国防科大的王戈针对液氧相容性进行了一些研究，主要从材料热氧老化、阻燃、闪点等角度入手，提出了液氧相容性的本质是材料的热氧老化过程，通过实验总结出树脂基体的热分解温度是材料液氧相容性的重要影响因素之一。她通过向树脂体系中添加阻燃剂、抗氧化剂等提高了树脂体系的热分解温度、闪点、阻燃性，同时也降低了材料对液氧的敏感性，提高了液氧相容性。哈尔滨工业大学的刘丽楠^[15]计了以环氧树脂(ep)和氰酸脂(ce)为主体的基体树脂，并分别使用抗氧化剂 k1010 和苯并噁嗪(boz)对其进行改性，设计了改性树脂体系的配制工艺，改性后的树脂的液氧相容性有了显著的提高。

2. 研究的基本内容与方案

2.1基本内容

1）选择液氧相容性较好的环氧树脂与氰酸酯改性的树脂基体，通过真空辅助的方法制备一系列碳纤维增强复合材料；

2）对碳纤维复合材料液氧相容性研究，研究碳纤维铺层设计、树脂与碳纤维的界面性对碳纤维复合材料液氧相容性的影响；

3. 研究计划与安排

第1-3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告。

第4-7周：选择液氧相容性较好并且与碳纤维浸润性较好的树脂基体，通过真空辅助的方法制备一系列碳纤维增强复合材料。

第8-10周：通过对碳纤维的铺层设计，测试碳纤维复合材料的液氧相容性和低温性能。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]陈祥宝.先进树脂基复合材料的发展和应用[j]. 航空材料学报, 2003, 23(10):198-220.

[2]陈绍杰, 申屠年.先进复合材料的近期发展趋势[j].材料工程.2004,29(1): 1-7.

[3]刘雄亚,晏石林.复合材料制品设计及应用[m].化学工业出版社,2002: 1-5.