国产高模量碳纤维M40级及其复合材料性能研究

admin · 发表于 2022-5-26 09:53:59

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碳纤维／热固性树脂基复合材料具有比强度和比模量高，可设计性好，抗疲劳性好，耐腐蚀，结构尺寸稳定性好等特点，广泛应用于民用、军工和航空航天领域。针对进口碳纤维供应紧张，严重制约国内航空航天等特殊领域的发展。目前国内已自主研制成国产高模量碳纤维M40级。为推动和加速国产高模量碳纤维在航天器结构中的应用，开展了国产高模量碳纤维M40级及其与热固性树脂复合材料的性能研究，为建立国产高模量碳纤维材料规范，为国产高模量碳纤维替代相应的进口碳纤维的研究提供研究方法和基础数据。本文以国产高模量碳纤维M40级(BHM3)、(GSMK)为研究对象，以进口M40、T300碳纤维作参照，选择航天器复合材料结构中普遍采用的环氧类4211树脂和新型高性能环氧改性氰酸酯树脂(BS-4)，制备碳纤维单向增强复合材料和卫星典型五波纹结构试验件。文中第三章采用场发射扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、X射线光电子能谱(XPS)、傅立叶红外光谱、石英示差膨胀计和万能试验机对碳纤维表面物理、化学特性、碳纤维热膨胀性能和复丝力学性能进行研究；第四章采用示差量热扫描仪(DSC)、动态热机械分析仪(DMTA)和流变仪对4211、BS-4树脂基体的固化特性、流变特性进行研究，确定了树脂固化工艺参数；第五章对碳纤维单向增强复合材料、卫星典型五波纹试验件的力学性能进行了系统研究。论文研究结果表明： BHM3碳纤维的复丝力学性能达到并优于M40，性能稳定，离散系数小于7%，与4211、BS-4树脂的界面结合力以及复合材料单向层合板的力学性能与M40相当，且BS-4树脂能更好地发挥高模量碳纤维的优异性能；BHM3碳纤维的表面物理形貌和官能团种类与M40类似，与4211树脂复合工艺性满足卫星结构用预浸料的制备要求，具备开展航天器结构中的替代应用研究。采用BHM3／4211复合材料制备的五波纹结构件，压缩破坏载荷为60.688kN，与M40/4211静力试验结果相当，两种材料的拉伸破坏载荷均大于50kN，远高于设计要求。

国产高模量碳纤维M40级及其复合材料性能研究

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