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模拟空间环境下碳纤维/双马树脂基复合材料的性能演化及其损伤机理

作　者: 于祺
导　师: 陈平
学　校: 大连理工大学
专　业: 高分子材料
关键词: 碳纤维/双马复合材料真空热循环热应力模拟质子辐照电子辐照
分类号: TB332
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

碳纤维增强双马来酰亚胺树脂基复合材料以其良好的耐高温、耐辐射、耐湿热、热膨胀系数小以及优异的工艺性等一系列优良特性,正在逐步代替传统的碳纤维／环氧树脂复合材料成为新一代航天器的结构用材,在航天领域得到迅速的发展和广泛的应用。空间环境因素对在轨航天器的正常运行和可靠性有着十分重要的影响,是导致航天器结构材料尤其是树脂基复合材料性能退化的主要原因之一。空间环境因素主要包括：高真空、热循环、带电粒子辐照、真空紫外辐照、原子氧及空间碎片等环境因素。各种空间环境因素对航天器材料的影响各不相同,它们不仅能够引起航天器材料性能的变化,决定着航天器材料的损伤与失效机制,甚至对航天器在轨运行的安全与寿命造成严重威胁。基于此,本文通过地面模拟试验装置模拟空间环境因素真空热循环、质子辐照和电子辐照,研究了CF/BMI复合材料在不同空间环境因素作用下的性能演化及其损伤机理。预期研究成果将为CF/BMI复合材料在新型长寿命航天器结构中的应用以及对其在空间环境下的服役性能和服役寿命的评估和预测研究提供必要的理论依据。利用真空热循环试验装置模拟空间环境中的高真空和冷热交替环境对CF/BMI复合材料进行处理,采用动态力学分析(DMA)、热重分析(TGA)、热膨胀分析、质损率测试、原子力显微镜(AFM)和力学性能测试等分析方法研究了真空热循环次数对CF/BMI复合材料性能的影响。结果表明真空热循环能够使树脂基体的交联度和热稳定性得到一定程度的提高,并引发树脂基体的放气行为以及循环热应力,导致复合材料的质量损失和界面脱粘破坏。横向拉伸强度主要受到基体放气效应和界面脱粘效应的联合影响,下降幅度约为9%；弯曲强度和层间剪切强度的变化主要受到树脂基体的固化交联和界面脱粘之间竞争效应的影响,呈现出先升高后降低的变化趋势,并于198次热循环后趋于稳定；质损率在95次循环后趋于稳定值0.35%。利用有限元分析方法模拟热循环过程中CF/BMI复合材料的热应力分布规律,采用抛物线屈服准则分析真空热循环过程中复合材料的潜在破坏区域,并结合生死单元分析方法揭示复合材料在热应力作用下的微裂纹分布情况。结果表明复合材料自由端处的热应力要大于其内部区域,其中在自由端处应力集中的区域位于沿纤维表面,能够引发自由端处纤维与树脂基体间的界面形成微裂纹从而导致界面脱粘破坏,进而使热应力在进一步的热循环作用下得到一定程度的缓解并重新分布。重新分布的热应力逐步由复合材料自由端向内部区域延伸,有可能导致微裂纹的进一步扩展而使界面脱粘程度加重。利用空间综合辐照模拟器分别模拟170 keV的质子辐照和电子辐照环境对CF/BMI复合材料进行处理,分别采用傅里叶变换红外衰减全反射光谱(ATR-FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)、DMA、TGA、力学性能和质量损失测试等方法系统地研究了不同束流量的质子辐照和电子辐照对CF/BMI复合材料表面性能、热性能、力学性能和质损率的影响及其损伤机理。研究结果表明质子辐照能够引发材料表面层化学键的断裂和碳化,并在注入材料的过程中参与化学反应生成新键,导致材料表面分子结构和化学成分的改变,并最终导致材料热性能和力学性能的退化。电子辐照能够引发CF/BMI复合材料表面同时发生辐照交联和辐照降解反应,哪一种作用占主导地位主要依赖于电子辐照束流量的大小。尽管电子的辐照交联作用能够使复合材料的性能得到一定程度的改善,但是随着辐照束流量的持续增加,电子的辐照降解将最终成为导致材料性能退化的决定因素。由于电子在材料中的射程要远大于质子,因此电子辐照与质子辐照对材料表面的损伤形式不同。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 空间环境对碳纤维/双马树脂基复合材料性能影响的研究进展  11-31
  1.1 选题背景及研究目的与意义  11-12
  1.2 碳纤维复合材料在航天领域应用的进展  12-16
    1.2.1 碳纤维复合材料在航天工业中的应用  12-15
    1.2.2 碳纤维复合材料的发展趋势  15-16
  1.3 双马来酰亚胺树脂的研究进展  16-21
    1.3.1 双马来酰亚胺的合成原理  16-19
    1.3.2 双马来酰亚胺的性能  19
    1.3.3 改性双马来酰亚胺树脂及其应用  19-21
  1.4 空间环境因素概述  21-25
    1.4.1 高真空  23
    1.4.2 热循环  23-24
    1.4.3 带电粒子辐照  24
    1.4.4 真空紫外辐照  24
    1.4.5 原子氧  24-25
    1.4.6 空间碎片  25
  1.5 空间环境效应的研究进展  25-29
    1.5.1 飞行暴露试验  26
    1.5.2 地面模拟试验  26-28
    1.5.3 理论方法与数值模拟  28-29
  1.6 本课题主要研究内容  29-31
2 实验材料及实验方法  31-39
  2.1 主要实验原材料及实验仪器  31-33
    2.1.1 实验原材料  31-32
    2.1.2 实验仪器  32-33
  2.2 复合材料制备  33
  2.3 空间环境模拟试验  33-35
    2.3.1 真空热循环试验  33-34
    2.3.2 质子辐照试验  34
    2.3.3 电子辐照试验  34-35
  2.4 性能测试  35-39
    2.4.1 X射线光电子能谱(XPS)分析  35
    2.4.2 傅里叶变换红外衰减全反射光谱(ATR-FTIR)分析  35
    2.4.3 原子力显微镜(AFM)  35
    2.4.4 动态力学分析(DMA)  35
    2.4.5 热重分析(TGA)  35-36
    2.4.6 热膨胀分析  36
    2.4.7 力学性能测试  36-37
    2.4.8 质损率测试  37
    2.4.9 复合材料热应力的分析方法  37-39
3 真空热循环对碳纤维/双马树脂基复合材料性能的影响及热应力模拟  39-73
  3.1 真空热循环对CF/BMI复合材料热性能的影响  39-47
    3.1.1 真空热循环对CF/BMI复合材料动态力学性能的影响  39-42
    3.1.2 真空热循环对CF/BMI复合材料热稳定性的影响  42-45
    3.1.3 真空热循环对CF/BMI复合材料线膨胀行为的影响  45-47
  3.2 真空热循环对CF/BMI复合材料质损率的影响  47-48
  3.3 真空热循环对CF/BMI复合材料表面形貌和表面粗糙度的影响  48-52
  3.4 真空热循环对CF/BMI复合材料力学性能的影响  52-57
    3.4.1 真空热循环对CF/BMI复合材料横向拉伸强度的影响  52-54
    3.4.2 真空热循环对CF/BMI复合材料弯曲强度的影响  54-55
    3.4.3 真空热循环对CF/BMI复合材料层间剪切强度的影响  55-57
  3.5 真空热循环过程中CF/BMI复合材料的热应力模拟  57-71
    3.5.1 CF/BMI复合材料的有限元分析模型  58-60
    3.5.2 CF/BMI复合材料热应力的分布规律  60-64
    3.5.3 CF/BMI复合材料的潜在破坏区域分析  64-68
    3.5.4 CF/BMI复合材料热应力的重新分布  68-71
  3.6 本章小结  71-73
4 质子辐照对碳纤维/双马树脂基复合材料性能的影响  73-92
  4.1 质子辐照对CF/BMI复合材料表面性能的影响  73-82
    4.1.1 质子辐照对CF/BMI复合材料表面官能团的影响  74-76
    4.1.2 质子辐照对CF/BMI复合材料表面化学成分的影响  76-80
    4.1.3 质子辐照对CF/BMI复合材料表面形貌和表面粗糙度的的影响  80-82
  4.2 质子辐照对CF/BMI复合材料热性能的影响  82-87
    4.2.1 质子辐照对CF/BMI复合材料动态力学性能的影响  82-85
    4.2.2 质子辐照对CF/BMI复合材料热稳定性的影响  85-87
  4.3 质子辐照对CF/BMI复合材料力学性能的影响  87-89
    4.3.1 质子辐照对CF/BMI复合材料弯曲强度的影响  87-88
    4.3.2 质子辐照对CF/BMI复合材料层间剪切强度的影响  88-89
  4.4 质子辐照对CF/BMI复合材料质损率的影响  89-90
  4.5 本章小结  90-92
5 电子辐照对碳纤维/双马树脂基复合材料性能的影响  92-108
  5.1 电子辐照对CF/BMI复合材料表面性能的影响  92-99
    5.1.1 电子辐照对CF/BMI复合材料表面化学成分的影响  93-96
    5.1.2 电子辐照对CF/BMI复合材料表面官能团的影响  96-97
    5.1.3 电子辐照对CF/BMI复合材料表面形貌和表面粗糙度的影响  97-99
  5.2 电子辐照对CF/BMI复合材料热性能的影响  99-103
    5.2.1 电子辐照对CF/BMI复合材料动态力学性能的影响  99-102
    5.2.2 电子辐照对CF/BMI复合材料热稳定性的影响  102-103
  5.3 电子辐照对CF/BMI复合材料力学性能的影响  103-105
    5.3.1 电子辐照对CF/BMI复合材料弯曲强度的影响  103-104
    5.3.2 电子辐照对CF/BMI复合材料层间剪切强度的影响  104-105
  5.4 电子辐照对CF/BMI复合材料质损率的影响  105-106
  5.5 本章小结  106-108
结论  108-110
创新点摘要  110-111
参考文献  111-119
作者简介  119
攻读博士学位期间发表学术论文情况  119-121
致谢  121-122

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