高性能树脂基复合材料在空天环境下的现状

   随着飞行器结构中碳纤维增强树脂基复合材料用量的迅速增加,其应用范围从非主承力构件逐渐扩展到主承力构件,复合材料结构中的疲劳、低速冲击和高速撞击等动态力学问题已经引起了国内外研究者的广泛关注。本文综述了典型空天环境因素与碳纤维增强树脂基复合材料的交互作用,重点探讨了其在疲劳、低速冲击和高速撞击载荷作用下的行为,简述了环境损伤与动态载荷耦合对碳纤维增强树脂基复合材料动态力学性能的影响,以期为聚合物基复合材料在空天飞行器上的应用提供有益的参考。

 
  高性能树脂基复合材料可使飞行器结构减重25%-30%,在航空航天领域得到了大量应用,可用于制备机翼、前机身、尾翼、机用雷达天线罩、发动机外涵道机匣、管道等结构件。这些结构件大多直接裸露于空天环境下,经受各种空天环境因素的综合作用。空天交变温度场一般在-140-140℃范围内变化。由于增强纤维与基体树脂之间的热膨胀系数相差一个数量级以上,在这种交变温度场的作用下,复合材料内部会产生交变热应力和热应变,导致材料受到损伤。空天飞行器运行环境的气体压力一般小于10-3Pa。真空环境导致复合材料产生析气效应,使其力学性能降低。高温、低温和湿热环境同样会对聚合物基复合材料的性能产生明显影响。
 
  空天飞行器面临的服役环境比普通飞机更加苛刻,环境损伤与动态载荷进行耦合后,会加剧复合材料构件变形、失效的进程,从而成为制约整机可靠性与寿命的瓶颈。为了提高空天飞行器的可靠性与寿命,必须对其主要的环境因素-真空、高低温交变、湿热与树脂基复合材料的交互作用进行深入研究,探寻复合材料动态力学性能演化规律及损伤机理,为设计选材提供依据及指导,同时为建立我国的空天材料性能数据库提供支撑。