航天飞行器用的低成本高性能纤维/金属复合容器

介绍了纤维缠绕复合筒形和近球形压力容器,讨论了低成本、高性能金属内衬和纤维外缠工艺的进展,比较了压力容器的性能,详细叙述了用于未来航天飞行器容器的可能性。     

航天复合材料压力容器研制技术

分析了航天复合材料压力容器技术指标特点。提出了容器金属内衬、增强纤维和树脂基体的选材要求。讨论了金属内衬全金属承压区、薄膜区、封头过渡区、封头/筒体界面、焊接区的结构设计方法,以及圆柱形、球形、近球形、椭球形、环形、锥形容器纤维缠绕复合材料壳体结构特点。简述了结构设计算法,以及包括疲劳寿命、应力断裂寿命、爆破前先泄漏(LBB)安全失效模式等容器安全设计的分析和试验方法。     

碳纤维外缠绕的轻质纤维/金属压力容器

最近研制的轻质纤维/金属复合材料压力容器用的高强度碳纤维已通过了试验鉴定。对碳纤维性能、小试验气瓶性能、圆筒体性能、球体性能和低温贮箱性能等也进行了测量。试验结果与金属压力容器及其它纤维/金属压力容器结构进行了比较。碳纤维/金属圆筒压力容器和球形压力容器与以前性能最好的凯夫拉49/金属复合材料结构相比,其实际性能提高23％以上。     

碳纤维复合材料高压球形容器研制

采用变带距方法对球形容器进行优化设计，并研制了一批产品。试验结果表明，在纤维设计应力相同条件下，采用变带距缠绕的球形容器，其复合材料重量比等带距缠绕的轻２４．５６％，而其容器特性系数高出１０．４％，能同时满足设计提出的强度和重量两方面要求。     

固体火箭发动机壳体特性系数

讨论了固体火箭发动机壳体特性系数的定义,给出了钢壳体和纤维缠绕壳体特性系数的表达式。结果表明,壳体特性系数不仅与壳体材料的比强度有关,还与壳体封头结构及圆筒长径比有关;对纤维缠绕壳体,特性系数还与纤维的体积含量有关。因此,将壳体特性系数作为壳体材料的性能常数是不正确的。在其他条件相同的情况下,增加圆筒长度是提高壳体特性系数的有效方法。     

树脂含量对芳纶纤维/环氧复合材料性能的影响

研究了树脂含量对芳纶纤维／环氧复合材料的性能的影响，主要是浸胶纤维强度，压力容器中纤维强度的发挥系数，容器特性系数pV/Wc。给出了按混合定律计算复合材料强度的修正系数，提出了对容器进行表面处理以改善其内外层含胶量的均匀度，并进行了实验，实验证明，容器内外层树脂含量分布更为均匀，容器的性能得到提高。     

凯夫拉—环氧树脂压力容器在室温和高温下的静态疲劳寿命

本文讨论了50台把凯夫拉-环氧树脂作为壳体基体材料的纤维压力容器的实验情况。1978年以来,在室温条件下对15台球形容器进行了连续加压实验,壳体均没有破坏。另外也叙述了目前正在进行的175℉和200℉下其它壳体试验的一些情况。实验温度高于200℉的20台容器已进行了爆破试验,通过把容器加压到室温下实际平均爆破压力的一半,然后持续置于250℉的环境中,测得球形容器使用寿命为19—31小时,圆筒容器为48—160小时。虽然目前尚不清楚静态疲劳寿命随容器的形状而明显不同的原因,然而本文对所观察到的这种特性提出了一项假设。     

纤维缠绕热塑性树脂基压力容器

本文讨论了耐高温热塑性树脂/碳纤维压力容器的缠绕成型工艺。对ASTMD—2585压力容器的制造设备及设计参数进行了描述。通过水压爆破试验,对环氧/碳纤维和热塑性基体/碳纤维二种复合材料的性能进行了比较,得到了水压爆破的试验数据,包括爆破压力、复合材料和纤维的拉伸强度以及容器的特性系数(PV/W)。另外,对纤维缠绕复合材料的固结成型以及容器的显微照片进行了研究和讨论。     

新兴的金属基复合材料

美国几家大公司正在研究开发金属基复合材料(MMC),许多小公司最近在这方面的积极性也很高。但目前 MMC 还没有大量投放市场。MMC 是复合材料中的一种,另外两种是聚合物基复合材料和陶瓷基复合材料。它们都是由一种基体材料和一种高强度纤维增强材料所复合而成的,其性能综合了两种成分的特性,不仅刚度和强度较高,而且重量较轻。通过控制纤维的类型、长度、数量和走向,可以使复合材料获得特定的性能(例如在某一面上具有高强度),适应特别的要求。聚合物基复合材料发展得比较早,这种复合材料已领先 MMC 十五年。发展得较晚     

一种高性能环氧树脂体系

在某型号高压容器研制过程中，通过实验对比研制出了一种高强高韧的环氧树脂体系。该体系可以用于纤维缠绕、RTM、真空浇注、纤维模压、纤维喷射成型等复合材料生产工艺。尤其应用在纤维缠绕内压容器型复合材料结构件上，其性能显得更为突出。     

航天用改型芳酰胺纤维

纤维缠绕压力容器和火箭发动机壳体所用的芳酰胺纤维,其性能是由纤维强度和纤维一基体粘结力所决定的。用一种新的、强度更高且纤维—基体粘结力最佳的凯夫拉有机纤维,使压力容器的性能提高了50%。压力容器环向应力达到了3.55GPa,特性系数(PV/W)达到了40.4km。这种新纤维有较高的损伤容限。用于压力容器,其损伤容限为高应变石墨纤维(如IM—6)的十倍,是普通凯夫拉有机纤维的两倍。     

提高金属内衬容器承载能力的预外压法

具有金属内衬的复合材料容器的承载能力很大程度上取决于金属内衬的弹性变形范围和稳定性。基于三维弹性理论。并结合第四强度理论。研究了在施加外压力时保证金属内衬不失稳的条件下,具有金属内衬的纤维缠绕容器的应力分布情况和承载能力的改善情况。结果表明,给金属内衬施加预外压力,可以提高容器的极限承载能力,更好地发挥纤维层的承载能力。     

预应力复合材料压力容器的疲劳性能

本文介绍的预应力复合材料压力容器,内层为钛合金(Ti6 A14V)、外层为Kevlar—49缠绕的球形容器,是用来承受循环内压的空间压力容器。文中介绍了法德广播电视卫星TDFI/TVSAT計划所用的贮氦先进高压球形贮箱的疲劳性能数据,并讨论其金属衬层的疲劳性质和破坏形式。估計这种压力容器的剩余疲劳强度大约为8000次使用压力循环。     

迭层复合圆筒壳的轴向屈曲及其优化

本文提出了迭层复合圆筒壳轴向屈曲的分析与实验结果。根据结果建议可利用一种优化设计法来确定迭层复合圆筒壳的最佳纤维方向,虽然从这种优化法中并没有导出关于最好的迭层结构的简单结论,但可从此分析中找到一些新的屈曲特性。     

PRD49—Ⅲ/环氧和凯夫拉49环氧复合材料压力容器的老化结果

凯夫拉49/环氧复合材料由于高的比强度,正逐渐用于结构材料。目前已用于三叉戟发动机壳体和航天飞机的各种压力容器。一九七九年我们发表了用凯夫拉49试制品制作的圆筒压力容器的初步老化结果,这种试制纤维称为PRD49—Ⅲ。本文完整地报导了持续十年的老化数据,给出了用凯夫拉19正式产品绕制的球形压力容器老化七年半的数据。     

高性能环氧树脂配方研究

研制出一种用于纤维增强复俣材料基体的环氧树脂配方体系。浇注体力学性能良好，其用于φ１５０ｍｍ压力容器缠绕，得到了比较令人满意的结果，容器特性系数ＰＶ／Ｗ平均值为３７．４０ｋｍ，其最大值为３９．１５ｋｍ。     

连续陶瓷纤维增强Ti-Al系金属间化合物复合材料研究进展

综述了Ti_3Al、TiAl及Al_3Ti三种金属间化合物的特性、应用前景并重点阐述了各自力学性能上存在的不足。为了提高Ti-Al系金属间化合物的性能,提出了一种有效的复合机制,即引入连续陶瓷纤维增强体。介绍了连续陶瓷纤维增强Ti-Al系金属间化合物复合材料的制备技术及研究进展,总结了不同制备方法存在的优缺点。对于复合材料,界面是其中重要的组成部分,详述了纤维与金属间化合物基体的界面反应热力学判据及反应机理等问题。提出了基于该类复合材料的一种新型纤维增强金属间化合物层状复合材料,论述了其研究进展、应用前景及目前存在的问题。最后结合连续陶瓷纤维增强Ti-Al系金属间化合物复合材料的发展提出未来重点研究的几个方向,如纤维/基体界面改性、纤维排布等。     

石墨烯/陶瓷复合材料的研究进展

在陶瓷中引入第二相材料是改善陶瓷材料结构和性能的有效途径.纤维、晶须、颗粒等用于改善陶瓷,但难以满足陶瓷材料的应用要求.石墨烯具有大的比表面积和优异的机械、导电、导热等性能,是制备性能优异的陶瓷复合材料的理想填料.系统总结了石墨烯/陶瓷复合材料的研究成果,综述了石墨烯/陶瓷复合粉体的制备方法、成型工艺和致密烧结工艺技术...     

树脂/纤维界面对凯夫拉压力容器性能的影响

本文报导了凯夫拉-49纤维缠绕的直径为5.75英寸各种压力容器的环向纤维应力特性,在这些容器制作中,分别采用了不同的环氧树脂系统,一种松粘剂预处理的纤维/环氧系统,一种环向纤维材料上不加树脂的系统以及一种未经预处理的系统。树脂系统以三类常用的环氧树脂为代表:刚性环氧树脂、半柔性环氧树脂、及橡胶增韧的粘性环氧树脂。曾通过压力容器试验温度的变化来导致纤维/基体界面的变化。由于纤维/基体的高度偶联,引起了压力容器中纤维拉伸性能的降低,其值为凯夫拉-49浸胶纱带公称拉伸强度的51-77%。本文并提出了解释这些现象的机理。     

法国固体火箭发动机使用的复合材料概述

引言尽可能地减少导弹或运载火箭本身的消极重量,是提高导弹射程或增加运载火箭有效载荷的重要手段。各种纤维增强复合材料的问世,为解决这一问题提供了强有力的武器。纤维复合材料具有高强度、高模量、抗疲劳性能好和易于成型等一系列金属材料所无法比拟的优良性能,是制造固体火箭发动机和其它制品的理想材料。早在六十年代初期,法国就开始用玻璃纤维复合材料取代金属或金属合金材料制造固体