碳纖維復(fù)合材料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用韌性環(huán)氧樹(shù)脂基體

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1、碳纖維復(fù)合材料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用韌性環(huán)氧樹(shù)脂基體韓　冰（高電壓與絕緣技術(shù)?碩士）??陳　平1前言隨著航空航天工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)材料的要求也日益苛刻，一個(gè)國(guó)家新材料的研制與應(yīng)用水平，在很大程度上體現(xiàn)了一個(gè)國(guó)家的國(guó)防和科研水平，因此許多國(guó)家都把新材料的研制與應(yīng)用放在科研工作的重要地位。1.1先進(jìn)復(fù)合材料用碳纖維及環(huán)氧樹(shù)脂基體的研究進(jìn)展1.1.1碳纖維的研究應(yīng)用進(jìn)展碳纖維是先進(jìn)復(fù)合材料中最重要的增強(qiáng)材料,世界各國(guó)對(duì)發(fā)展碳纖維都給予了高度重視。國(guó)外碳纖維在經(jīng)歷了90年代初期的相對(duì)穩(wěn)定后,進(jìn)入了一個(gè)發(fā)展的新階段,其發(fā)展特點(diǎn)可歸納為以下四個(gè)方面:（1）碳纖

2、維進(jìn)入高速發(fā)展的新時(shí)期80年代,世界上碳纖維的年增長(zhǎng)率約為29。90年代初,隨冷戰(zhàn)的結(jié)束和軍費(fèi)開(kāi)支的削減,碳纖維的需求量一度受到嚴(yán)重影響。近年來(lái),碳纖維需求量又不斷增加。國(guó)外預(yù)測(cè),在今后幾年內(nèi)，碳纖維的需求量隨新應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)將會(huì)成倍增長(zhǎng)。因此,國(guó)外碳纖維主要生產(chǎn)公司都紛紛建立新的生產(chǎn)線,以擴(kuò)大其生產(chǎn)能力。（2）T-700將取代T-300成為最主要的碳纖維品種日本東麗公司是世界上研制生產(chǎn)碳纖維最有代表性的公司。東麗公司過(guò)去生產(chǎn)的T-300是應(yīng)用得最廣泛的代表性碳纖維，已廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)。但T-300將逐步被T-7OOS所取代。東麗公司目

3、前重點(diǎn)開(kāi)發(fā)T-700S和M3OS碳纖維。T-7OOS和M30S都是不打捻碳纖維,屬高強(qiáng)中模型，它們有較好的分散性,加工性能也較好。這兩種碳纖維都有較高的效費(fèi)比。（3）碳纖維價(jià)格大幅度降低碳纖維價(jià)格是制約碳纖維發(fā)展的主要因素。世界上碳纖維生產(chǎn)公司都在致力于降低碳纖維價(jià)格。美國(guó)巖石山研究所(ROCKYMOUNTAININSTITUTE)對(duì)汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用的碳纖維作了研究分析,結(jié)論是:“當(dāng)碳纖維價(jià)格降至每千克16.5美元以下時(shí),碳纖維與鋼材相比就有競(jìng)爭(zhēng)性了”。美國(guó)卓爾泰克(ZOLTEK)公司碳纖維的售價(jià)是當(dāng)前世界上最便宜的。卓爾泰克（ZOLTEK)公司

4、還在進(jìn)一步努力,它的目標(biāo)是到2000年把碳纖維價(jià)格降到每千克約11美元。美國(guó)卓爾泰克(ZOLTEK)公司降低碳纖維價(jià)格的主要措施是降低碳纖維用的原絲成本,該公司已經(jīng)掌握了用一般紡織用的丙烯腈原絲來(lái)生產(chǎn)碳纖維的技術(shù)，這為廣泛應(yīng)用碳纖維創(chuàng)造了條件,也為高速發(fā)展碳纖維奠定了基礎(chǔ)。（4）新的應(yīng)用范圍不斷開(kāi)辟國(guó)外預(yù)測(cè)碳纖維除了在航空航天以及體育用品進(jìn)一步應(yīng)用外,在近年內(nèi)還將擴(kuò)大開(kāi)辟新的應(yīng)用領(lǐng)域,包括土木建筑、交通運(yùn)輸、汽車(chē)、能源等領(lǐng)域?qū)?huì)大規(guī)模采用工業(yè)級(jí)的碳纖維。國(guó)外預(yù)測(cè)認(rèn)為雖然目前宇航級(jí)的碳纖維多于一般工業(yè)用碳纖維,但1999年以后,一般工業(yè)用的碳纖

5、維就會(huì)超過(guò)宇航級(jí)碳纖維,1997～2000年,宇航級(jí)碳纖維的年增長(zhǎng)率估計(jì)是31,而工業(yè)用碳纖維增長(zhǎng)率估計(jì)會(huì)達(dá)到130。1.1.2環(huán)氧樹(shù)脂的研究應(yīng)用進(jìn)展為了適應(yīng)航空航天領(lǐng)域日益苛刻的要求，通用環(huán)氧樹(shù)脂已不能滿足要求，世界各國(guó)都在致力于開(kāi)發(fā)各種高性能環(huán)氧樹(shù)脂，以便于開(kāi)發(fā)同高性能增強(qiáng)材料（如芳綸、碳纖維等）相匹配的樹(shù)脂體系。但總結(jié)起來(lái)，大都是在保證環(huán)氧樹(shù)脂優(yōu)異的工藝性的前提下，實(shí)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂的多官能化，以改善其固化物的耐熱性和粘接性。比較常用的有4，4‘-二氨基二苯甲烷四縮水甘油胺（TGDDM），鑒于性能價(jià)格比，它可能是最實(shí)用的高性能環(huán)氧樹(shù)脂。它具有

6、優(yōu)良的耐熱性，長(zhǎng)時(shí)高溫性能和機(jī)械強(qiáng)度保持率，固化收縮低，化學(xué)和輻射穩(wěn)定性好，還可用于高性能結(jié)構(gòu)膠粘劑，結(jié)構(gòu)層壓板和耐高能輻射材料，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者從事TGDDM環(huán)氧體系的研究與開(kāi)發(fā)工作，并取得了較大成績(jī)。特別值得指出的是，我國(guó)科技工作者經(jīng)多年研究，開(kāi)發(fā)了商品名為T(mén)DE-85的三官能團(tuán)環(huán)氧樹(shù)脂，其化學(xué)名為4，5-環(huán)氧己烷-1，2-二甲酸二縮水甘油酯，其分子中含有兩個(gè)反應(yīng)活性高的縮水甘油酯基和一個(gè)反應(yīng)活性與前者差別很大的脂環(huán)環(huán)氧基。該樹(shù)脂是一種工藝性、耐熱性均很優(yōu)異的高性能環(huán)氧樹(shù)脂，西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱玻璃鋼研究所等單位用TDE-85環(huán)氧樹(shù)脂為基

7、體材料制作的復(fù)合材料，應(yīng)用在某些有特殊需要的產(chǎn)品上已獲得令人滿意的結(jié)果。1.2碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料及其在航空航天中的應(yīng)用復(fù)合材料正在迅速發(fā)展成為航天航空工業(yè)的基本結(jié)構(gòu)材料。高性能聚合物基復(fù)合材料在航空航天工業(yè)的用量占其全部用量的80。由于碳纖維具有高比強(qiáng)度、比模量、低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱性等獨(dú)特性能，因而由其增強(qiáng)的復(fù)合材料用作航空航天結(jié)構(gòu)材料，減重效果十分顯著，顯示出無(wú)可比擬的巨大應(yīng)用潛力。1.2.1在航天飛機(jī)上的應(yīng)用碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料用做航天飛機(jī)艙門(mén)、機(jī)械臂和壓力容器等。1.2.2在火箭與導(dǎo)彈上的應(yīng)用在火箭和導(dǎo)彈上使用碳復(fù)合材料減重

8、效果十分顯著。因此,采用碳纖維復(fù)合材料將大大減輕火箭和導(dǎo)彈的惰性重量，既減輕發(fā)射重量又可節(jié)省發(fā)射費(fèi)用或攜帶更重的彈頭或增加有效射程和落點(diǎn)精度。1.2.3在人造衛(wèi)星上