2. 中航复合材料有限责任公司, 北京 101300
2. AVIC Composite corporation ltd, Beijing 101300
连续碳纤维增强树脂基复合材料以其轻质、高比强、高比模、高尺寸稳定性、性能可设计及综合性能优异等特点在航空、航天、兵器等领域备受关注。在航天领域碳纤维复合材料广泛用于卫星中心承力桶、结构板、桁架结构、天线支架、太阳翼基板及相机遮光罩等结构和载荷部件的制备[1]。但是随着航天型号的快速发展,航天器各有效载荷对结构/功能一体化和智能化结构复合材料需求日趋强烈[2-3]。例如天线分系统需要碳纤维复合材料在轻质、高强基础上兼顾导电性能,用于替代传统的金属材料,以满足航天器的减重需求。但传统碳纤维增强树脂基复合材料的树脂基体均为绝缘材料,在厚度方向导电性较低,无法满足型号对材料轻质、高强及导电的综合需求,因此需选择导电填料改性的树脂以进一步提高碳纤维复合材料在厚度方向的导电特性。相比于传统的导电填料,碳纳米管表面P电子形成的离域π键使碳纳米管具有良好的导电性能,同时碳纳米管又具有极强的机械性能和热学性能,作为树脂填料制备碳纤维复合材料具有很大的应用潜能[4-7]。因此本文选取碳纳米管改性的5229D导电环氧树脂为基体,T700碳纤维为增强材料的复合材料为研究对象,针对航天产品功能需求和航天器在轨特殊的真空、高低温、辐照等空间环境进行材料耐热、力学、电学、真空污染特性分析,以及温度循环、总剂量辐照等环境对材料力学和电学性能影响研究。
1 实验 1.1 试验材料试验对象为中航复合材料有限责任公司生产的5229D导电环氧树脂和5229D/T700导电环氧碳纤维预浸料。树脂为5229D导电环氧树脂,纤维为东丽生产T700,纤维体积分数:(65±3)%。
5229D导电环氧树脂和5229D/T700导电环氧碳纤维预浸料铺层后的单向板固化工艺:180℃,固化3 h,以不高于1.5℃/min的速率冷却至室温。
1.2 基本性能测试设备及方法拉伸、压缩、弯曲、层间剪切均采用INSTRON 4467万能试验机进行测试,拉伸性能测试依据GB/T 3354—2014,压缩性能测试依据GB/T 3856—2005,弯曲性能测试依据GB/T 3356—2014,层间剪切强度测试依据JC/T 773。Tg采用Q800动态热机械分析仪(DMA)进行测试,频率1 MHz,升温速率5℃/min;Td5采用TGA—2050热失重分析仪(TGA)进行测试,测试温度范围20~850℃,升温速率10℃/min,氮气保护,流量20 mL/min;厚度方向电阻率按照文献[8]采用高精度万用表进行测试;真空污染特性按照QJ 1558A—2012测试材料的真空总质损,可凝挥发物和水汽回吸量,测试温度包括125和150℃两种。
1.3 环境性能试验设备及方法 1.3.1 温度循环试验将5229D/T700导电环氧复合材料单向板样件置于常压温度循环设备中,进行低温-110℃,高温110℃的温度循环试验。试验过程中用测温电阻监测样品温度,当温度达到预定温度后,将样品由低温试验箱转移到高温试验箱(或由高温试验箱转移到低温试验箱),转移时间小于10 s,温度循环100次,测试温度循环试验后试样力学和电学性能的变化。
1.3.2 总剂量辐照试验使用60Coγ射线辐照源,辐照剂量率为50 rad(Si)/s,总辐照剂量为50 Mrad(Si)。总剂量辐照试验后测试5229D/T700导电环氧复合材料单向板样件力学和电学性能的变化。
2 结果与讨论 2.1 热性能分析图 1为5229D导电环氧树脂在氮气条件下热失重曲线。可以看出5229D导电环氧树脂Td5为351℃,表明5229D导电环氧树脂具有很好的耐热特性。图 2为5229D/T700导电环氧复合材料单向板DMA曲线,可以看出5229D/T700导电环氧复合材料Tg为236℃,与航天领域常用的耐高温环氧树脂AG80的Tg相当[9],可见5229D/T700导电环氧复合材料与AG80一样具有优异的耐温特性,在高温下将表现出较高的力学强度保持率。
2.2 力学性能分析表 1列出了5229D/T700导电环氧复合材料力学性能,5229D/T700导电环氧复合材料在150℃弯曲强度保持率为85%,层间剪切强度保持率为65%,表明5229D/T700导电环氧复合材料高温下具有较高的弯曲强度和层间剪切力学性能,主要归因于复合材料Tg高达236℃,在150℃高温下仍然具有较高的内聚强度。与弯曲强度相比,高温下层间剪切强度衰减较快,分析其原因为弯曲强度主要考察复合材料抗弯曲性能, 测试过程中载荷主要由复合材料内部的碳纤维承担,层间剪切强度主要考察复合材料层与层之间结合强度,主要取决于树脂强度,而与碳纤维相比树脂对温度更为敏感,所以高温下层间剪切强度衰减更快。
测试条件 | 0°拉伸 | 90°拉伸 | 0°压缩 | 90°压缩 | 弯曲 | 层剪强度 /MPa |
|||||||||
强度/MPa | 模量/GPa | 强度/MPa | 模量/GPa | 强度/MPa | 模量/GPa | 强度/MPa | 模量/GPa | 强度/MPa | 模量/GPa | ||||||
室温 | 1788 | 140 | 50.3 | 9.44 | 1501 | 127 | 222 | 10.2 | 1498 | 112 | 87.1 | ||||
150℃ | - | - | - | - | - | - | - | - | 1278 (保持率85%) |
- | 56.6 (保持率65%) |
本文分别对0.5和2 mm厚5229D/T700导电环氧复合材料进行了厚度方向电阻率测试,分别为5.8和7.0 mΩ·cm,试验结果表明其厚度方向电阻率随着厚度增加而呈现上升趋势。分析其原因为5229D导电环氧树脂为碳纳米管改性环氧树脂,其导电性显著低于复合材料中的T700碳纤维,因此随着复合材料厚度的增加,厚度方向不良导体5229D导电环氧树脂的厚度越大,导致5229D/T700导电环氧复合材料厚度方向电阻率随着复合材料厚度增加而升高,但仍然满足航天器天线分系统对复合材料厚度方向导电性要求。
2.4 真空污染性能分析5229D导电环氧树脂125℃真空出气测试结果为真空总质损(TML)0.66%,可凝挥发物(CVCM)0.06%,水汽回吸量(WVR)0.46%,满足航天器对材料TML不大于1%,CVCM不大于0.1%的要求。此外考虑到5229D/T700导电环氧复合材料中增强材料T700碳纤维为无机纤维,5229D/T700导电环氧复合材料的真空污染特性将低于5229D导电环氧树脂,特开展5229D/T700导电环氧复合材料在更高温度150℃下的真空出气测试,其TML、CVCM、WVR分别为0.44%、0.05%、0.19%,表明5229D/T700导电环氧复合材料具有极低的真空污染特性,在航天产品上使用时可显著降低对周围光学和热控等敏感表面的污染,确保周围单机或分系统运行的可靠性。
2.5 耐温度循环和总剂量辐照性能分析分别对温度循环试验(-110~110℃, 100次)和50 Mrad(Si)总剂量辐照试验后5229D/T700导电环氧复合材料单向板样件进行力学及厚度方向电阻率测试(表 2),可以看出5229D/T700导电环氧复合材料除0°压缩强度出现了轻微降低(强度保持率约为90%)外,其余力学性能受温度循环和总剂量辐照影响均不显著,而其厚度方向电阻率,在100次温度循环试验后由7.0 mΩ·cm变为6.6 mΩ·cm,可见温度循环对厚度方向导电性无明显影响,50 Mrad(Si)总剂量辐照试验后由7.0 mΩ·cm变为5.9 mΩ·cm,出现了轻微降低,表明总剂量辐照后5229D/T700导电环氧复合材料导电性略有提高。推测可能的原因为与碳纳米管和碳纤维相比,复合材料体系内绝缘的树脂基体的耐辐照特性最为薄弱,在辐照作用下树脂基体的化学键会发生断裂而产生一定程度的降解[10-11],因此辐照后复合材料体系内导电组分占比略有增加,外在表现为辐照后复合材料的厚度方向电阻率出现些许下降,即辐照后材料导电性略有提高,说明导电环氧复合材料具有良好的空间环境适应性。
环境试验 | 0°拉伸 | 90°拉伸 | 0°压缩 | 90°压缩 | 弯曲 | 层剪强度 /MPa |
电阻率 /mΩ·cm |
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强度 /MPa |
模量 /GPa |
强度 /MPa |
模量 /GPa |
强度 /MPa |
模量 /GPa |
强度 /MPa |
模量 /GPa |
强度 /MPa |
模量 /GPa |
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试验前 | 1788 | 140 | 50.3 | 9.44 | 1501 | 127 | 222 | 10.2 | 1498 | 112 | 87.1 | 7.0 | ||||
温循后 | 1857 | 139 | 49.3 | 9.14 | 1361 | 125 | 216 | 10.1 | 1532 | 112 | 90.4 | 6.6 | ||||
辐照后 | 1784 | 142 | 53.6 | 9.27 | 1368 | 121 | 228 | 10.5 | 1569 | 113 | 91.7 | 5.9 |
(1) 5229D导电环氧树脂具有很好的耐热特性,氮气条件Td5下为351℃,该树脂与T700复合后DMA测试其Tg为236℃,高温下有较高的力学性能保持率(150℃弯曲强度保持率为85%,层间剪切强度保持率为65%)。
(2) 2 mm厚5229D/T700导电环氧复合材料厚度方向电阻率为7.0 mΩ·cm,满足航天器天线分系统对复合材料的导电性要求。
(3) 5229D/T700导电环氧复合材料具有极低的真空污染特性,真空150℃下其TML为0.44%,CVCM为0.05%,满足航天器对材料低真空污染特性的要求。
(4) 5229D/T700导电环氧复合材料力学性能几乎不受温度循环(-110~110℃, 100次)和总剂量辐照[(50 Mrad(Si))]的影响,厚度方向导电性在总剂量辐照后出现了轻微的升高,表明其具有优异的空间环境适应性。
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