航天飞机轨道器石墨/聚酰亚胺机身襟翼验证段的分析、设计和研究

在航天飞机轨道器上使用先进的复合材料,可使其结构重量减轻,性能提高。石墨/聚酰亚胺(Gr/Pi)复合材料的结构允许温度高达600℉,使用这种材料,可使结构和热防护系统(TPS)总重量减轻20～30％。1975年,美国航宇局选定轨道器机身襟翼为先进航天运输系统复合材料(CASTS)计划的验证部件。从那时起,洛克威尔公司航天飞机轨道器分部就把先进复合材料结构研究的重点放在机身襟翼上。机身襟翼技术验证段(TDS)应用了 Gr/Pi 部件的设计、分析、材料工艺、制造和无损检验(NDE)等方面的成果。技术验证段模拟了一段在翼展方向包括三根翼肋,在翼弦方向自前凹口至后翼梁的轨道器复合材料机身襟翼。设计 TDS的目的是通过大型复杂全粘接蜂窝夹层结构的设计、生产和试验,评估 Gr/Pi 的技术水平。TDS 能成功地经受轨道器气动载荷和-160～600℉的温度极限,这种先进结构方案的可行性也得到了验证。本文给出了航天飞机轨道器先进的结构和防热系统方案,并着重论述了石墨/聚酰亚胺机身襟翼技术验证段的分析、设计和试验。     

石墨/环氧复合材料的温、湿度效应

一、前言随着火箭、导弹和航天飞机等空间技术的发展,重量轻、强度高的各种复合材料大量使用在导弹弹头、壳体、仪器舱级间段和过渡段等结构部件上。尤其由连续石墨纤维作为复合材料加强剂的石墨/环氧复合材料具有卓越的机械性能,它将成为有机复合材料的主要品种。它不但可用于上述结构部件,还有可能成为卫星结构的主要材料:如卫星本体、支架、波导管、太阳能电池帆板、喇叭天线和大型抛物面天线等。这种高强度、高模量及低膨胀系数的     

石墨/聚酰亚胺技术综述及其在航天飞机轨道器上的应用

早期的航天飞机轨道器的研究结果确认,某些结构件,如采用先进复合材料,将大大减轻轨道器的重量并提高它的性能。航天飞机的基本设计包含了许多的这类结构件,如石墨环氧(Gr/Ep)的有效载荷仓门。对其他构件,如垂直尾翼、升降副翼及后身部襟翼等,也开展了先进的高温可用于600℉结构的石墨/聚酰亚胺(Gr/Pi)复合材料的应用研究。Gr/Pi 的结构与基本设计采用的铝结构加防热系统(TPS)相比,其重量总共可以减轻20～30%。本文提出的先进结构及 TPS设计方案将给轨道器带来相应的效益。关于洛克威尔公司航天飞机轨道器分公司独立进行的以及按 NASA 合同开展的 Celion/LARC-160研制工作的技术状况将分下列几部分予以陈述:工艺开发、无损评价技术(NDE)和异常效应、材料性能及疲劳效应、Gr/Pi 身部襟翼段的设计、分析、制造及试验、修补工艺以及短石墨纤维模压件的研制。     

石墨/聚酰亚胺复合材料弹头基体结构的制造方法

本文介绍了用石墨纤维与添加型聚酰亚胺树脂(T300/F178)组成的复合材料制造典型弹头基体结构壳体的方法,确定了缠绕铺层、减小体积和高压釜固化的技术,明确了加工工艺条件对复合材料性能,包括微裂纹的影响,用色谱技术对 F178树脂作了鉴定,这项工作是美国空军材料实验室根据 F33615-76-C-5013合同主持进行的。     

复合材料网格-蒙皮构件缺陷形成机制及控制技术研究

基于缺陷产生机理及多件复合材料网格-蒙皮构件缺陷检测数据统计结果,分析复合材料网格-蒙皮构件常见的缺陷类型及影响制造缺陷的工艺因素与结构因素;采用工艺仿真分析了加压点及压力对缺陷的影响规律,制定了工艺控制措施;通过Ф1 m典型网格-蒙皮构件成型质量及轴压破坏试验验证工艺控制措施有效性及内部质量提高对承载能力的贡献。结果表明:优化网格筋条预压实工艺、提高固化压力能够有效减少复合材料网格-蒙皮构件制造缺陷,提高内部质量及构件承载能力。     

耐高温对位芳纶纸基材料增强工艺的研究

对位芳纶纸基材料因其分子链刚性结构以及纤维表面化学惰性导致其力学性能较差,即使通过环氧树脂增强,其综合性能仍然不能达到航空航天等耐高温结构材料的要求。为了获得优异力学性能和耐高温性能的纸基材料,高强,高模及耐高温树脂聚酰亚胺作为增强树脂被采用,而其制品的力学性能受到成型加工工艺的影响。采用100℃预固化,250℃,20MPa热压成型的工艺将获得最佳力学性能,其裂断长达到8350m。通过DSC及TGA分析,其玻璃化转变温度及初始分解温度分别为275、550℃,有望作为航空航天等领域耐高温结构材料使用。     

用于先进导弹和空间运输系统的高温复合材料

通过研究,已经可以用测定所选择的层压板在-250℉～600℉范围内的机械性能及热物理性能来表征石墨/聚酰亚胺复合材料目前的技术发展水平。研究的材料是Celion3000/PMR-15。通过测定拉伸、压缩、剪切强度和热膨胀系数,获得了材料的性能数据。试验的环境条件是:固化/后固化、600℉等温老化、-250℉～600℉热循环和湿度条件。这项研究已经提供了石墨/聚酰亚胺复合物系统的一批原始数据。该复合物系统能用于500/600℉的条件下。     

电子束固化可加速复合材料加工

电子束固化可加速复合材料加工一种利用电子束加速器的新固化工艺有可能简化并扩展生产复杂的、高性能的复合材料部件。与目前基于高压釜的固化工艺相比，新的固化工艺估计总费用可节省２５％～５０％。然而，数百万美元的价格标签和电子束加速器的巨大尺寸仍是存在的问题...     

石墨/聚酰亚胺的发展前景及其在空间技术上的应用

石墨/聚酰亚胺复合材料是在七十年代后期研制出的一种新型树脂基耐高温复合材料,是由NASA兰利研究中心及其几家合同单位专为“先进空间运输系统工程”共同研制成的。它具有极为突出的热氧化稳定性(这一特性是目前正在采用的任何一种树脂基复合材料所不具备的)。并且还具有重量轻、机械性能高和加工性能好等全面优越的性能。目前还没有一种材料(无论是金属或非金属)能在这些重要性能指标上被全面评为优良,因此,石墨/聚酰亚胺已被认为是空间运输系统极为先进的复合材料,是航天飞机及运载火箭等空间结构的极有潜力的候选材料。     

树脂基复合材料热压罐成型工艺固化变形模拟

碳纤维增强树脂基复合材料固化变形的预测,对准确设计工装、提高制件成型精度有重要作用。通过热传递模型、固化动力学模型、固化应变及残余应力模型建立了一种热压罐成型碳纤维增强树脂基复合材料固化变形模拟。基于ANSYS有限元模拟软件的二次开发完成了变形模拟计算程序。通过模拟结果和实验结果对比,证明该模拟方法有较高的精度。     

SiC_p/Al功能梯度材料拉伸性能研究

在总结传统制备工艺的基础上,改进粉末冶金法,用一次热压成型工艺制备增强体尺寸分别为5,7,10μm的SiCp/Al功能梯度复合材料,并对拉伸力学性能进行研究。结果表明:一次真空热压粉末冶金法制备的SiCp/AlFGM性能良好,可减少二次加工的成本;5μmSiCp/AlFGM的拉伸力学性能较好;用ANSYS软件对其拉伸力学性能进行数值模拟,模拟结果与实验结果基本一致。     

法国超燃冲压发动机主动冷却耐高温结构部件研究进展

概述了超燃冲压发动机主动冷却热防护设计的难点和国外主要主动冷却复合材料结构部件计划;介绍了法国超燃冲压发动机主动冷却结构部件已有的技术积累和支撑设备;对PTAH-SOCAR项目的进展进行了详细介绍,阐述了PTAH-SOCAR项目在冷却结构板制备、小型复合材料冷却板、大型复合材料冷却板、圆柱形高压冷却部件以及在液体火箭发...     

金属基复合材料的模压铸造工艺

主要介绍连续纤维(如石墨、碳化硅纤维)增强金属基复合材枓的模压铸造工艺,讨论模压铸造的质量控制、材料性能及该工艺的优点和存在的问题;简要介绍模压铸造金属基复合材料在航空航天工业中的应用。     

耐高温聚苯并咪唑复合材料在导弹上的应用

高速导弹要求材料能承受650℃的高温。目前所用的聚酰亚胺不能承受这样高的温度,而聚苯并咪唑(PBI)在650℃下短期使用时具有令人满意的性能。过去,使用昂贵的高压罐加工工艺来制造聚苯并咪唑复合材料结构,这种工艺制造出的典型结构,其孔隙率超过允许的范围。然而,利用成本低的非高压罐加工工艺能够将聚苯并咪唑制成质量高、孔隙率低的结构。本文讨论了聚苯并咪唑复合材料的化学性能,流变性能以及加工工艺。     

可用于MEMS加工的金属粉末注射成型工艺

为了促进MEMS在引信中的推广应用,针对引信界对MEMS零件加工工艺了解不多的现状,综述了金属粉末注射成型工艺。该工艺具有适合于各种金属、陶瓷、复合材料成型,精度可满足引信零件要求,大批量生产成本低廉等特点,已在航空、航天、汽车、电子、医疗、机械等许多行业得到应用。据此,提出了该技术应用于引信MEMS及其他微小型零件加工的建议。     

苏联的隐身技术

在1985年巴黎航空展览会上,苏联首次展出了安东诺夫设计局的安—24型运输机的各种部件,其中很多部件使用了复合材料,包括石墨/环氧机身大梁和aramid/环氧复合材料机舱和货舱门。整个飞机表面结构大约使用了6t复合材料。这会使飞机的重量大大减轻,同时,它将明显地减小其雷达散射截面。后一点尤为重     

聚酰亚胺在先进导弹上的应用

目前,许多导弹系统所采用的树脂多是1965年初所选择和签定的。先进的芳香/杂环聚合物(如聚酰亚胺)树脂,在60年代初、中期还处于不成熟的研究阶段,所以没有考虑它的应用。近几年来,由于芳香/杂环聚合物的重要性能和加工王艺的改进,以及聚酰亚胺的工业化生产,使这些聚合物成为许多导弹应用的重要备选材料。所选用的聚酰亚胺能够克服目前导弹部件中所采用的树脂材料所存在的某些缺点。例如,常温固化和热熔加工适用性好的聚酰亚胺可用于纤维缠绕制造坚韧的整体发动机结构壳体或防潮的衬里等。线性和交联性芳香聚酰亚胺之所以可以使用,这是由于它能显著地提高碳/碳结构件的加工重现性,并且可能比酚醛和沥青节约成本。本文将叙述和讨论一些可用的聚酰亚胺聚合物类型和技术数据,以及加工参数.     

飞行器的复合材料和复合结构

一.概述回顾十年先进复合材料的飞行器结构历史,复合材料的发展经过了从玻璃纤维环氧树脂开始到硼、石墨和克芙拉(Kevlar)混合纤维聚酯氢化物的探索的道路。在工业上采用的典型复合材料的工艺和加工方法是为大量生产而发展起来的各种技术。     

SiC晶须改性紫外光敏树脂的研究

采用紫外光固化快速成型工艺制备了SiC晶须/树脂基复合材料,并研究其微观结构和力学性能。微观结构观察表明:SiC晶须的引入使得材料的断裂发生从脆性断裂到韧性断裂的转变。实验结果表明:使用酸化的丙酮偶联剂溶液对晶须进行表面处理有利于复合材料性能的提高;SiC晶须的加入可明显提高材料的力学性能,但同时会使固化速度变慢。     

拓扑互锁易碎复合材料结构研究

设计出一种新型易碎复合材料结构。它由若干子构件按拓扑互锁原理组合成一种可承载的整体结构,结构中各子构件接触面无粘结,当约束被解除时整个结构即可散落,完成触发碎裂的工作机制。采用高精度模压成型制备出了直角三角板形的拓扑互锁复合材料结构,通过试验研究了该结构在不同横向力作用下的力学行为及其承载能力,并采用有限元法对其进行数值分析。试验结果表明：拓扑互锁易碎复合材料结构在垂直于结构平面的集中载荷作用下,力与位移呈非线性变化。有限元分析结果与试验结果吻合。