树脂复合基材料

摘要

文章简述了树脂基复合材料在卫星结构中应用概况, 着重对树脂基复合材料应用中的一些问题作了简要分析。 关键词

树脂基复合材料应用分析 前言

树脂基复合材料自犯年美国诞生以来, 至今 已有多年历史。一年二次大战期间, 美

国首次用玻璃纤维增强树脂基复合材料以手糊工艺 制造出军用雷达罩和远程飞机油箱, 为树脂基复合 材料在各个领域应用开辟了道路。年真空袋

成型工艺技术研究成果使手糊成型产品质量得到一 定提高, 且先后研制成功玻璃纤维预浸料, 利用传统 的对模法制造出表面光洁的玻璃纤维增强复合材料 零件。世纪年代美国又用纤维缠绕成型工艺

成功研制“ 北极星’, 导弹发动机壳体, 此后压力容 器和压力管相继问世。年德国研制成功片状 模塑料, 使模压成型工艺达到新的水平。拉 挤成型工艺技术始于世纪年代初, 到年代

拉挤成型技术有重大突破, 可连续化生产棒材、管 件、工字形和槽形等截面制品。

热塑性复合材料于年代初期得到发展, 其生

产工艺主要是注射成型和拉挤成型, 主要用于研制 生产短纤维增强复合材料。年美国公司

研制成功热塑性片状模塑料, 产品可以回收利用, 这 种热塑性复合材料成功的用于汽车制造和城建工程 等, 技术经济效益颇为显著。

据有关资料介绍和实践工作表明, 从生产工艺 难易程度和产品成本分析, 树脂基复合材料的成型 工艺最为成熟, 其产品的成本较低, 因而其增长速度 也最快。众所周知, 早期树脂基复合材料主要选用 玻璃纤维作为增强材料, 为了进一步提高复合材料 结构件的比强度和比刚度先后采用了研制成功的芳 纶纤维、碳纤维等高性能纤维增强材料, 采用高性能纤维制备先进树脂基复合材

料, 其比强度和比模量有大幅度提高, 除了高性能增 强纤维外, 高性能的树脂基体材料也是制备先进树 脂基复合材料的基础。当前国内外应用最多的仍是 环氧树脂, 进行改性后提高其综合性能。目前高性 能树脂基体正在向增韧、耐高温、多品种方向发展, 以满足各个领域的要求。

国外从原材料、成型工艺和设备、性能分析、检 测技术等方面已经形成完整体系, 随着树脂基复合 材料发展, 各种制品广泛的应用于国民经济各个领

域, 尤其解决了卫星结构中的一些技术难题, 对促进 国防建设和国民经济建设发挥了重要的作用, 本文 参阅了有关资料且根据多年工作经验, 着重对树脂 基复合材料在卫星结构中应用概况和树脂基复合材 料应用中的一些问题进行了肤浅分析。

树脂基复合材料在卫星结构中应用

树脂基复合材料在卫星结构中应用的部位一般 归纳为类

卫星本体结构, 包括卫星外壳、中心承力筒、 各种仪器安装结构板

太阳电池阵结构, 包括太阳电池基板和连接 架

天线结构, 包括反射器、支撑结构和馈源结构 等

析架结构, 包括接头和杆件等。

上述类卫星结构件广泛应用树脂基复合材

料, 主要有碳环氧复合材料、凯芙拉环氧复合材料 和蜂窝夹层结构件蜂窝夹层结构件又包括铝面板 一铝蜂窝夹层结构、玻璃钢面板一铝蜂窝夹层结构、 碳面板一铝蜂窝夹层结构、凯芙拉面板一蜂 窝夹层结构等, 在

卫星复合材料使用环境条件与其它航天器复合国内外在提高卫星结构性能方面除优化结构设

材料的要求有明显区别, 卫星结构设计要解决的主计外, 主要在选用高性能增强纤维材料和高性能树

要问题是在满足强度条件下主要解决刚度问题, 为脂基体材料、采用新的成型工艺方法来提高产品性

了减轻卫星结构重量, 结构设计人员往往采取改变能, 提高工艺水平、加强质量控制、扩大应用范围等

结构形式的方法, 使卫星结构的形式变得颇为复杂, 方面取得一定成效。 这样便会增大了复合材料成型工艺的技术难度。 树脂基复合材料应用中一些问题分析

树脂基复合材料设计应用涉及到复合材料力 学、材料工艺性能、检测等内容, 关于比强度和比刚度大问题分析

以碳纤维、凯芙拉纤维等作为增强材料与聚合 物基树脂为基体材料, 采用不同成型工艺方法复合 成的树脂基复合材料与铝合金、钦合金以及合金钢 相比, 在纵向受拉的情况下, 其比强度单位重量的 强度。高和比模量单位重量的弹性模量夕

大是正确的, 其中。和为单向复合材料在纵向的 拉伸强度和拉伸模量, 尸为比重单位体积的重量,

但是单向复合材料的横向拉伸强度和拉伸模量、横 向压缩强度和压缩模量, 各种剪切强度和剪切模量, 由于受基体材料和界面性能的控制, 它们的强度和 模量远远低于纵向拉伸强度和拉伸模量。因而, 它 们的比强度和比模量就比铝合金、钦合金、合金钢小 的多, 这说明复合材料沿纤维方向的比强度和比刚 度大的一面, 而未说明其它方向还存在比刚度和比 强度低的一面, 这是复合材料设计和应用中值得重 视的一个问题。

就其性能数据而言, 正交铺层板一般只有 单向板的左右, 需要说明的是随着各种高性能 纤维增强材料的树脂基体材料品种不断增多, 性能 还会不断提高, 表中各种纤维增强复合材料的性 能必将还会有一定的增长趋势。

表各种纤维增强复合材料正交铺层的数据 关于面内剪切强度特别是层间剪切强度低的 问题

由于复合材料的面内剪切强度特别是层间剪切

强度较低所引起的一些问题, 通过适当的铺层分析, 可以在一定范围内和一定程度上弥补沿纤维方向的 剪切强度和垂直于纤维方向拉伸强度低的问题。据 有关资料介绍在一些必要的部位, 采用缝合工艺方 法可提高其层间剪切强度性能。对于加强板壳结构 常发生筋条和面板分离现象, 且大多发生在筋条端 部区域, 这主要是抗层间拉伸应力和层间剪切应力 不足引起的。当前在工艺上主要采取在这些部位采 用混合连接工艺增加铆接或螺接, 也有的采用改 性树脂基体配方和工艺来改善抗层间拉伸应力和层 间剪切应力不足。还有的采用缝合编织工艺方法来 改进层间剪切强度不足的弱点等, 需要注意的是采 用上述各途径, 有可能使主要承载方向的强度和刚 度会出现下降。

对于机械连接经分析会产生挤压破坏、剪切

破坏、局部脱层等问题, 这些与层间剪切强度低因素 有关。

在叠层板的自由边界包括开孔和开裂等

部位上, 由于边界效应, 在此附近的局部区域内, 常 产生脱层破坏, 边界上的脱层可能向中心区域扩展 而造成复合材料层板的破坏, 这也是由于层间拉伸 强度和层间剪切强度远小于其拉伸强度和弯曲强度 有关。

关于复合材料应力集中问题

对于金属材料, 当应力水平升高时, 由于材料的 应力应变进人非线性阶段以后, 应力集中系数要明

显下降, 当金属材料进人理想塑性屈服阶段, 应力集 中系数可以接近于应接近截面积来计算平均应 力, 这时材料对缺口和孔洞的应力集中处于最不敏 感阶段。

对于叠层复合材料和单向复合材料, 在所受到 的应力水平较低时, 计算得出的应力集中系数是有 效的当应力水平升高时, 树脂体、界面和增强纤维 的非线性因素, 就使应力集中系数有所下降当应力 水平继续升高时, 复合材料中将发生界面脱粘、树脂 基体开裂和层间脱开甚至增强纤维断裂等各种形式 的损伤, 而损伤的出现, 就使复合材料局部刚度发生 沃西源等关于树脂基复合材料应用中的一些问题分析 变化, 从而引起应力场的变化, 复合材料的应力集中 系数和缺口敏感系数就下降了, 由此可见复合材料 的应力集中的问题很复杂。从复合材料的设计与应 用实际出发, 通常按实际情况作相应试验来进行分 析复合材料应力集中问题, 这样做可有效节省时间 和经费。

关于成型工艺对复合材料力学性能的影响 复合材料成型工艺技术是将原材料转化为结

构, 将设计思想转变为产品的必经之路。采用不同 的成型工艺方法, 如整体成型共固化、分阶段固化和 采用胶接连接等所研制的复合材料结构件, 在力学 性能上会有一定差异, 其生产效率也不完全相同, 所 以从成型工艺角度考虑, 对具体各种不同类型的复 合材料结构件, 其最佳成型工艺方法也是不一样的, 由此可充分显示出复合材料成型工艺方法的可选择 性。

从实际工作表明, 复合材料结构设计和工艺设

计应尽可能采用整体成型技术, 减少机械连接, 以充 分发挥纤维的连续性和承载能力, 且要减少应力集 中现象。此外应尽量减少各种连接件, 以达到减重 效果。

综上所述有关内容, 关于成型工艺对复合材料 力学性能的影响笔者从实际工作出发, 主要归纳如 下几个方面

要使纤维均匀地按设计要求分布在制品的

各个部分。因为纤维增强复合材料的力学性能主要 取决于纤维分布状态和含量, 纤维含量不足或不均 匀均会在局部区域形成薄弱环节, 严重影响复合材 料力学性能。

要使树脂基体均匀的分布在制品各个部位,

并达到一定的固化度。树脂含量过高或过低都是不 合适的, 均会影响复合材料力学性能。树脂基体的