聚合物基纳米复合材料的理论研究进展

讨论了国内外关于聚合物基纳米复合材料的理论研究,包括聚合物/层状结构硅酸盐PLS(Polymer-Layer Silicate)纳米复合材料的热力学、动力学和微观力学,以及聚合物/颗粒状无机纳米复合材料的纳米微粒分散原理、纳米粒子尺寸与复合材料性能之间的关系等.      

聚合物基复合材料凸头螺栓连接研究进展

机械连接是聚合物基复合材料最典型的连接方式,因其在连接工艺性和可靠性方面的优势,使其在航空航天制造领域得到了广泛应用。对凸头螺栓连接聚合物基复合材料接头的研究进展进行综述。回顾了复合材料接头的机械连接形式,讨论了在拉伸加载下的失效过程,详细论述了复合材料接头的损伤模式;重点讨论了复合材料接头力学性能影响因素的研究进展,包括复合材料性能（纤维类型、增强体结构形式、纤维与金属混杂层板、铺层角度及比例、固化工艺、初始材料缺陷）、紧固件性能（紧固件刚度、钉头型式、螺栓直径、螺纹密封、间隙配合、干涉配合、紧固件缺失）、连接板性能、侧向约束（拧紧力矩、预紧面积、补偿垫片、接触面摩擦因素）、几何效应（复合材料板尺寸、板厚与孔直径比、层合板宽度与孔直径比、孔端距与孔直径比、螺孔形状、螺孔质量、螺孔位置误差）、载荷（静载荷、动态载荷、疲劳载荷、蠕变、松弛、温湿载荷）等;对聚合物基复合材料凸头螺栓连接的未来研究方向进行了展望。     

复合材料结构三维有限元分析的材料参数

在调研现有文献复合材料结构三维数值分析中材料参数的基础上,阐述了基于单层板材料性能数据建立复合材料三维材料参数的方法.通过对复合材料π接头结构的三维数值模拟和试验,研究了三维材料参数中不确定参数对结构刚度预测的影响;分别采用三维修正的最大应力准则、最大应变准则、蔡-胡准则和Hashin准则评价π接头的初始破坏,结合试验数据,研究不同失效准则对复合材料π接头结构的适用范围以及材料参数对初始破坏强度预测的影响.研究工作可为一般层合复合材料结构的三维建模提供参考,并为深入理解复合材料π接头结构力学性能、准确预测其破坏强度提供理论支持.     

空心微珠用于环氧树脂抗原子氧剥蚀试验研究

提出一种新的航天器用树脂基材料抗原子氧剥蚀的方法,即在航天器用树脂基材料中添加与原子氧不反应的超细颗粒材料,用于提高其抗原子氧剥蚀的性能.在制备出超细空心微珠颗粒增强的环氧树脂复合材料的基础上通过原子氧暴露实验,发现空心微珠的加入可以有效地提高环氧树脂抗原子氧剥蚀的性能.同时,空心微珠的表面性态对制备的复合材料抗原子氧剥蚀性能具有重要的影响,经过表面改性处理可以进一步提高复合材料抗原子氧剥蚀的性能.      

典型空间聚合物介质的抗内带电改性技术

消除航天器介质内带电所产生脉冲放电威胁的最佳方式,除有效屏蔽外,就是研制不会产生脉冲放电的介质材料和绝缘结构件.通过对航天器用聚酰亚胺、环氧树脂和聚四氟乙烯等几种典型聚合物的改性研究发现,采用微米级无机粉料对聚合物介质材料进行改性,只要添加剂的电导率显著低于聚合物的电导率,该复合介质材料即可产生显著的非线性电阻率特性,可以实现在介质内带电程度达到放电阈值时迅速以非脉冲电导电流方式释放掉所储存的危险电荷,有可能达到消除脉冲放电的目标;当该添加剂含有微量"施主"杂质时甚至还可以提高介质材料在正常情况下的电阻率.对复合介质非线性电阻特性的产生机理进行了分析.      

复合材料板件热分层分析及试验验证

针对飞行器用复合材料层合板件的热应力分层问题,进行了试验与数值模拟方面的研究.采用双线性内聚力单元用于模拟层合复合材料的分层现象;通过二次交互应力准则判断复合材料刚度降阶的起始点;并同时使用幂指数准则作为材料在混合破坏模式下的失效准则.数值模型中单层复合材料的力学性能和热膨胀性能分别由在高温（70℃）、室温（23℃）、低温（-50℃）环境下的相应测试进行确定.各复合材料层合试验件在仪器DIL-402C中经历了相同的温度变化过程,最大温差相差120℃.试验后发现,对于给定铺层的试验件,其两端中间层发生了层间分层.将数值模拟的结果与试验结果进行对比,对比结果表明数值分析与试验结果吻合良好,由此也可证明此分析方法的可行性与正确性.     

低掺量石墨水泥基材料的压敏特性

通过减水剂将少量石墨加入水泥基材料中制成石墨水泥基材料试样,采用交流分压电路测量其电阻率,研究其在一次性加载破坏试验中的压敏特性.试验结果表明,低掺量石墨粉作为导电组份加入水泥基材料后会导致其强度降低,但可以使水泥基材料具有一定程度的压敏特性.随着石墨掺量的增加,各组试样电阻率的离散性变小,材料的压敏特性提高,在加载过程电阻率的波动变小.在本试验的测量方法下得到的石墨水泥基材料的压敏特性曲线与混凝土材料的应力应变曲线有相关性,试样的电阻率随着应力的增大而产生变化的过程大体可分为3个阶段,即波动阶段、稳定下降阶段和急剧下降阶段,分别对应混凝土材料应力应变关系的弹性变化、非弹性变化和应变迅速增大阶段.      

原子氧环境对聚合物及其复合材料性能的影响

在选择卫星结构材料时,必须要对所选材料在宇宙空间环境中的可靠性进行评定,重要的是了解空间环境对材料性能的影响。文章阐述了空间低地球轨道环境中原子氧对聚合物及其复合材料性能的影响;介绍了模拟评定试验材料性能的方法;分析了作用原理、防护措施及选择聚合物复合材料应考虑的原则。     

电化学技术在复合材料腐蚀研究中的应用

用循环伏安曲线和交流阻抗谱测试技术研究了不同溶液浸泡对复合材料性能的影响,探讨了电化学表征参数与复合材料腐蚀程度之间的相关性.实验结果显示,随着浸泡时间的延长,试样的反应电阻逐渐减小,双电层电容逐渐增大,并且浸泡于酸性探针和碱性探针溶液中的试样的电化学参数比浸泡于中性探针溶液中的试样的电化学参数变化幅度更大.实验结果表明利用电化学参数的变化可以反映碳纤维增强环氧树脂基复合材料的腐蚀程度,即可以用阻抗值和电流值的大小变化表征复合材料的耐蚀性.      

非晶态NiSiB薄膜电阻的弛豫

用射频溅射制备了一组厚度不同的NiSiB非晶态薄膜.在不同温度下,用不同时间对薄膜进行了循环退火.实验测量了循环退火后的薄膜电阻随温度的变化,得到可逆和不可逆两组曲线.厚度较大(>1 000)的薄膜,电阻随温度的增加而增大,厚度较小(<400)的薄膜,电阻随温度的增加而减小.电阻温度系数有正有负.从非晶态材料的结构弛豫出发,应用激活能谱模型和推广的Ziman理论讨论了实验所得的结果.     

应用LTCC工艺的基片集成波导开关矩阵

文章首次应用低温共烧陶瓷(Low-temperature Co-fired Ceramic,LTCC)工艺和基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术,实现了星载高频段开关矩阵。首先详细讨论了不同层间SIW 通道的连接过渡方式,并分析了通道间隔离度特性。在此基础之上,应用单刀双掷开关芯片作为通道选择器件,多层SIW 通道作为射频信号传输、连接和交叉通道,实现了基于LTCC技术的高隔离度、低插损的K 频段4x4开关矩阵,在20~21GHz频带内实测的通道插入损耗小于8dB,通道间隔离度大于38dB。从而解决LTCC高频开关矩阵设计受限于传统带状线特性而导致得到的开关矩阵插入损耗大、隔离度低的技术瓶颈。     

EVA的形状记忆功能探讨

首先对形状记忆功能高分子的特性进行了分析,提出了形状记忆性能的评价指标,即形状回复率、形状固定率、形状回复速度等.并进一步探讨了乙烯-醋酸乙烯基共聚物(EVA)的形状记忆功能特性,研究发现,用过氧化二异丙苯(DCP)可对EVA进行适度交联,控制二者组分结构,从而控制EVA的交联程度,可使EVA具有优异的记忆功能特性,如形状回复率和形状固定率均可达95%以上;进一步分析了EVA的化学结构,讨论了分子结构与形状记忆性能的影响,并结合DMTA等热分析技术,对交联EVA的交联密度进行计算,结果表明EVA的交联点间分子量随DCP用量增加而下降,并且其交联程度与EVA的记忆特性存在着某种内在的必然联系,进一步研究分析发现其形状固定性与室温和橡胶态模量的比值呈线性关系,初步揭示了形状记忆机理.     

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

非晶态(Fe_(0.5)Ni_(0.5))_(80-x)Cr_xP_(14)B_6合金薄带的磁场敏感特性的研究

本文对非晶态(Fe_(0.5)Ni_(0.5))_(80-x)Cr_xP_(14)B_6(x=0,1,2,3,4,6,10)合金薄带样品的室温直流磁场敏感特性进行了测量。结果表明,在几十个A/m范围的外磁场内,样品具有开关型磁场敏感特性。对影响开关特性的三个因素进行了一些讨论。     

氧气A(0,0)波段气辉体发射率和临边辐射强度模拟与分析

临近空间大气参数如温度、密度、风场等对预报模型精度及航天器运行安全等有较大的影响，而气辉的辐射模拟是大气参数反演的重要过程.本文基于光化学模型计算了氧气A（0，0）波段气辉的体发射率和临边辐射强度.基于氧气A（0，0）波段气辉的光化学反应机制、大气动力学和光化学反应理论，建立产生O₂（b1Σ_g+）的光化学模型.计算气辉体发射率，基于临边探测几何路径进行气辉辐射强度模拟.体发射率计算结果与AURIC模型结果的辐射值及辐射高度均一致.基于计算和模拟结果，对氧气A波段气辉体发射率和辐射强度的影响因素进行了分析.      

An extension of HZETRN for cosmic ray initiated electromagnetic cascades

Safe and efficient mission operations in space require an accurate understanding of the physical interactions of space radiation. As the primary space radiation interacts with intervening materials, the composition and spectrum of the radiation environment changes. The production of secondary particles can make a significant contribution to radiation exposure. In this work, the NASA space radiation transport code, HZETRN, is extended to include the transport of electrons, positrons, and photons. The production of these particles is coupled to the initial cosmic ray radiation environment through the decay of neutral pions, which produce high energy photons, and through the decay of muons, which produce electrons and positrons. The photons, electrons, and positrons interact with materials producing more photons, electrons and positrons generating an electromagnetic cascade. The relevant cross sections, transport equation, and solution method are introduced. Electron and positron production in Earth’s atmosphere is investigated and compared to experimental balloon-flight measurements. Reasonable agreement is seen between HZETRN and data.     

Microscopic approach to analyze solar-sail space-environment effects

Near-sun space-environment effects on metallic thin films solar sails as well as hollow-body sails with inflation fill gas are considered. Analysis of the interaction of the solar radiation with the solar-sail materials is presented. This analysis evaluates worst-case solar radiation effects during solar-radiation-pressure acceleration. The dependence of the thickness of solar sail on temperature and on wavelength of the electromagnetic spectrum of solar radiation is investigated. Physical processes of the interactions of photons, electrons, protons and α-particles with sail material atoms and nuclei, and inflation fill gas molecules are analyzed. Calculations utilized conservative assumptions with the highest values for the available cross sections for interactions of solar photons, electrons and protons with atoms, nuclei and hydrogen molecules. It is shown that for high-energy photons, electrons and protons the beryllium sail is mostly transparent. Sail material will be partially ionized by solar UV and low-energy solar electrons. For a hollow-body photon sail effects including hydrogen diffusion through the solar-sail walls, and electrostatic pressure is considered. Electrostatic pressure caused by the electrically charged sail’s electric field may require mitigation since sail material tensile strength decreases with elevated temperature. It also can substitute inflation-gas pressure loss due to gas diffusion and perforation by micrometeoroids impact to keep the sail inflated.     

Radiation and thermal stabilities of adenine nucleotides.

We have investigated in detail radiation and thermal stabilities and transformations of adenosine mono- and triphosphates in liquid and frozen solid aqueous solutions within a wide range of absorbed radiation dose (up to 75 kGy) and temperature (up to 160 degrees C). Dephosphorylation is the main pathway of high temperature hydrolysis of adenine nucleotides. Basic thermodynamic and kinetic parameters of this process have been determined. Radiolysis of investigated compounds at room temperature results in scission of N-glycosidic bond with a radiation yield about of 1 mol/100 eV. Solution freezing significantly enhances radiation stability of nucleotides as well as other biomolecules. This circumstance is essential in the discussion of panspermia concepts.     

Viscoelastic characterization of polymers for deployable composite booms

Deployable space structures are being built from thin-walled fiber-reinforced polymer composite materials due to their high specific strength, high specific stiffness, and designed bistability. However, the inherent viscoelastic behavior of the resin matrix can cause dimensional instability when the composite is stored under strain. The extended time of stowage between assembly and deployment in space can result in performance degradation and in the worst case, mission failure. In this study, the viscoelastic properties of candidate commercial polymers consisting of difunctional and tetrafunctional epoxies and thermoplastic and thermosetting polyimides were evaluated for deployable boom structures of solar sails. Stress relaxation master curves of the candidate polymers were used to predict the relaxation that would occur in 1 year at room temperature under relatively low strains of about 0.1%. A bismaleimide (BMI) showed less stress relaxation (about 20%) than the baseline novolac epoxy (about 50%). Carbon fiber composites fabricated with the BMI resin showed a 44% improvement in resistance to relaxation compared to the baseline epoxy composite.     

微射流强化混合对喷流红外辐射特性的影响

计算了微射流强化混合喷流在3~5μm波段的红外辐射特性,并与无微射流强化混合的喷流红外辐射特性进行了比较,分析了微射流强化混合对喷流红外辐射特性的影响.喷流的流场及温度场结果采用有限体积法求解N-S方程得到,采用Tam-Thies湍流模型模拟喷流.红外辐射特性的计算采用有限体积法求解吸收-发射性介质条件下的三维辐射传输方程得到.计算结果表明,在中等亚音速条件下,微射流可以达到较好的强化混合效果,射流流量占主流流量1%时,喷流的红外辐射强度比基准喷流的红外辐射强度降低15%左右,射流流量达到主流流量的3%时,喷流的红外辐射强度可以降低27%左右.