空间用聚四氟乙烯材料的原子氧、温度、紫外辐射效应的试验研究

在 IFM原子氧剥蚀效应地面模拟设备中对空间常用材料聚四氟乙烯进行了原子氧剥蚀效应试验,试样温度升高对原子氧效应的影响以及原子氧与紫外辐射复合效应试验,对试验前后试样的质量及表面形貌进行了比较,得出了材料在设备中的反应特点以及温度升高、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律。对原子氧与材料的反应机理也做了相应的分析。同时还测量比较了原子氧暴露试验前后、原子氧与紫外辐射复合作用前后试样的反射率、透射率等光学性质。     

原子氧对Kapton／Al薄膜性能影响研究

模拟空间环境下原子氧辐照条件,通过采用固定的原子氧束流密度进行不同时间辐照试验,研究了温控涂层材料Kapton/Al薄膜的质量损失、光学性能、表面形貌和表面粗糙度的演化规律.试验结果表明,原子氧对材料的剥蚀量与原子氧的作用时间成正比例关系.材料辐照后太阳吸收率发生明显变化,而辐射率几乎不发生变化.辐照后试样表面的粗糙度,是影响太阳吸收率变化主要因素.随着辐照时间的增长,材料表面粗糙度增加,导致太阳吸收率增大.     

微纳粒子对高硅氧/酚醛烧蚀性能的影响

利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪及其分析软件,对含有纳米碳粉、碳纳米管、复合碳纳米管、微米级磁性铁粉和不含微纳粒子的高硅氧纤维增强酚醛树脂复合材料的烧蚀表面进行了测试和分析,研究了材料的烧蚀特性与所引入的微粒子高温结构性能的对应关系.结果表明,微纳粒子自身的高温结构稳定性直接影响材料的烧蚀性能,含有高温结构稳定的纳米碳粉、碳纳米管、复合碳纳米管的试样,其烧蚀性能较不合微纳粒子的试样有明显提高,烧蚀表面粗糙度也有显著改善;含有高温结构稳定性差的微米级磁性铁粉试样的烧蚀性能较不含微纳粒子的试样明显恶化,烧蚀表面的粗糙程度明显增大.其机理是高温结构稳定的微纳粒子通过自身的耐高温特性及其对材料结构的增强作用提高了材料抵抗了高温气流冲刷的能力.     

空间聚四氟乙烯的真空紫外辐射及其与原子氧的复合效应研究

聚四氟乙烯是航天器上常用的一种聚合物材料。在空间环境效应地面模拟试验设备中 ,对这种材料开展了真空紫外辐射、真空紫外辐射与原子氧复合效应的试验研究 ,总结和分析了试验前后试样外观、质量、光学参数和表面成分等方面的变化规律 ,并对真空紫外辐射及其与原子氧复合作用的过程和反应机理做了初步的分析。得出结论 :真空紫外辐射作用下试样表面积累了碳而发生暗化 ,原子氧又将其漂白 ,这两种因素的复合作用 ,可能会使Teflon材料产生更为严重的剥蚀。     

原子氧辐照碳/酚醛复合材料的表面形貌及其演变机理研究

利用原子氧暴露地面模拟实验装置,分别对碳/酚醛复合材料、碳纤维和酚醛树脂进行了20h原子氧辐照,采用扫描电子显微镜(SEM)、傅立叶红外衰减全反射(ATR-FTIR)以及X射线光电子能谱(XPS)技术分析了原子氧对碳/酚醛复合材料的侵蚀行为。结果表明,在原子氧环境中,酚醛树脂和碳纤维及碳/酚醛复合材料均发生质量损失,且碳/酚醛复合材料的质量损失率大于酚醛树脂与碳纤维之和。究其机理可知:复合材料中的孔隙和界面增大了原子氧的剥蚀面积,碳/酚醛树脂和碳纤维与原子氧的作用符合"掏蚀"模型,树脂表面出现孔洞,酚醛树脂中亚甲基和醚键易被原子氧氧化,碳纤维表面的上浆剂在原子氧环境中首先被剥蚀,而后裸露的碳纤维本体与原子氧作用导致纤维截面不再呈圆形,且尺寸减小,表面出现浅而宽的沟槽,最终纤维被氧化生成了大量的—O—CO和—CO基团。     

Surface Morphology and Evolution Mechanism of Carbon Fiber/Phenolic Resin Composites on Atomic Oxygen Irradiation

利用原子氧暴露地面模拟实验装置,分别对碳/酚醛复合材料、碳纤维和酚醛树脂进行了20h原子氧辐照,采用扫描电子显微镜( SEM)、傅立叶红外衰减全反射(ATR-FTIR)以及X射线光电子能谱(XPS)技术分析了原子氧对碳/酚醛复合材料的侵蚀行为.结果表明,在原子氧环境中,酚醛树脂和碳纤维及碳/酚醛复合材料均发生质量损失,且碳/酚醛复合材料的质量损失率大于酚醛树脂与碳纤维之和.究其机理可知:复合材料中的孔隙和界面增大了原子氧的剥蚀面积,碳/酚醛树脂和碳纤维与原子氧的作用符合“掏蚀”模型,树脂表面出现孔洞,酚醛树脂中亚甲基和醚键易被原子氧氧化,碳纤维表面的上浆剂在原子氧环境中首先被剥蚀,而后裸露的碳纤维本体与原子氧作用导致纤维截面不再呈圆形,且尺寸减小,表面出现浅而宽的沟槽,最终纤维被氧化生成了大量的—0—C＝0和—C =0基团.     

模拟原子氧环境下聚酰亚胺材料的侵蚀研究(英文)

用热阴极灯丝放电产生的氧等离子体来研究聚酰亚胺材料在原子氧环境下的侵蚀过程,通过扫描电镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)对试样的质量损失、表面形貌和表面成分进行了表征。结果表明:当聚酰亚胺材料暴露在原子氧环境中,原子氧首先在试样表面产生物理吸附,然后与试样表面基团发生选择性化学反应,生成挥发性有机化合物,试样质量损失呈线性增加,表面形成地毯状形貌。在原子氧暴露初期,原子氧主要与芳环上特定位置的C反应,而后C=O基团的反应速度逐渐加快。原子氧暴露后,O元素含量增加,C、N元素含量减少。与C、O元素相比,含N基团与原子氧的反应速度较慢。     

固体火箭冲压发动机补燃室绝热层烧蚀试验方法

基于自主研发的氧-煤油烧蚀试验系统,发展了一种用于固体火箭冲压发动机补燃室热结构及材料烧蚀研究的试验方法。采用该方法开展了某型室温硫化硅橡胶基绝热材料的烧蚀试验,试验分别在含氧化铝粒子侵蚀和无粒子侵蚀条件下进行,并根据SEM图对比分析了粒子对材料表面微观形貌的侵蚀效应。结果表明:无粒子侵蚀条件下的试样经烧蚀后膨胀并分层,其平均线烧蚀率为-0.025mm/s;而粒子侵蚀条件下的试样平均线烧蚀率为1.901mm/s,试样中心区域的陶瓷层被粒子完全破坏,只留下极薄的热解层和裸露的碳纤维端部,碳纤维周围的基体主胶、颗粒填料及芳纶纤维均被高速焰流氧化剥离,充分说明粒子对绝热层材料的强剥蚀破坏效应;同时也验证了该方法能较好地模拟固冲发动机补燃室内的烧蚀热环境,可用于材料配方的筛选和耐烧蚀性能测试。      

原子氧对Kapton侵蚀及ZnO-有机硅涂层防护效应研究

在原子氧(AO)侵蚀地面模拟试验设备中对聚酰亚胺(Kapton)和涂ZnO-有机硅防护层的样品进行原子氧剥蚀效应试验。用LAMBDA-9分光度计、光电子能谱(XPS)、红外光谱(FTIR)和扫描电镜(SEM)等对试验前后试样的表面形貌、质量及化学结构进行表征研究。AO对Kapton表现了较严重的侵蚀作用,其化学结构、元素百分含量和表面形貌都发生明显变化。而所施用的ZnO-有机硅涂层对AO辐照有较强的防护效果,并具有较好的空间稳定性。因腐蚀产物为SiO2,这对抑制AO的进一步侵蚀起到了关键作用。     

三维整体编织碳/酚醛复合材料烧蚀表面状态测试与分析

为了更好地研究三维整体纺织碳／酚醛复合材料的成型工艺对材料烧蚀性能的影响，选用不同纤维体积分数和不同编织结构的碳／酚碳复合材料试样，进行烧蚀试验，利用TalyScan150型表面粗糙度测试仪对试样烧蚀后的表面进行测试，并采用多种分析方法对测试结果进行分析。从分析结果可以看出三维四向结构的碳／酚醛复合材料随着纤维体积分数的增加，烧蚀性能变好，较低纤维体积分数（50％）的三维五向结构碳／酚醛复合材料具有较好的烧蚀性能。     

Preparation and Properties of Organically Modified Sepiolite/High-performance Epoxy Nanocomposites

Fibrous organic sepiolites (OSEP) and novel epoxy/OSEP nanocomposites were prepared, and different methods were investigated to produce an intercalated/exfoliated structure of OSEP. Experimental results show that the modifier molecules can be easily adsorbed by the sepiolite, but the layer space (d001) of the sepiolite, linked by means of covalent bond, remains unchanged. A proper method to solve this problem appears to exert large shearing force on the original sepiolite followed by its organic modification (OSEP2). The morphol-ogy observation shows that there are formed an even dispersion of nano-sized OSEP2 fibers in epoxy resin and a structure intercalated by epoxy molecules, which lead to significantly improved mechanical properties. Impact strength of the epoxy/OSEP2 nanocomposite increases from 32.1 kJ/m2 to 44.4 kJ/m2, 38.3% higher than that of pristine matrix with 3 wt% OSEP2 content. It is also noted that the flexural strength of the OSEP/epoxy composites has risen by about 3% higher than that of the pure epoxy resin.     

Erosion of a Polyimide Material Exposed to Simulated Atomic Oxygen Environment

Oxygen plasma source generated by thermal cathode filament discharge has been used to study the erosion process of polyimide (PI) materials in atomic oxygen (AO) environment, and their mass loss, surface morphology and surface chemical compositions have been examined by scanning electron microscope (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) after exposure to incremental AO flux. The data indicate that the physical adsorption of AO at the samples' surface results in the increase of oxygen concentration when polyimide is exposed to AO flux. Then selective chemical reactions of groups of polyimide materials with AO yield volatile organic compounds, sample mass loss is on linear increase and carpet-like surface morphology forms. In the initial exposure to AO, the reaction occurs mainly between AO and carbon in specific location of aromatic ring, then the reaction rate of C=O groups gradually increases. After AO exposure, the oxygen concentration increases while nitrogen and carbon concentration decreases. Reaction rate of groups containing nitrogen is slower compared with carbon and oxygen.     

碳纳米管的表面功能化研究:接枝环氧基聚合物

通过共价键修饰将酸化的多壁碳纳米管(MWNTs)与环氧树脂进行接枝反应,并通过傅立叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD),拉曼光谱(Raman spectra),热失重分析(TGA)和透射电镜(TEM)对其进行表征.研究发现,酸化处理在多壁碳纳米管管壁产生羧基、羟基,并检测到环氧树脂是通过共价键接枝到多壁碳纳米管管壁上,其接枝率达到39%.差示扫描晕热仪(DSC)显示改性的多壁碳纳米管对环氧树脂的固化反应有显著的影响.     

KH550修饰碳纳米管增韧环氧树脂的研究

利用偶联剂KH550对多壁碳纳米管(MWCNTs)进行化学修饰,并制备了MWCNTs/环氧树脂纳米复合材料.研究了不同含量的MWCNTs对纳米复合材料力学性能的影响.研究结果表明,MWCNTs表面成功接枝上了一定量的KH550,将其加入环氧树脂基体可大幅提高复合材料的力学性能.当添加量达到0.5%时,复合材料的力学性能最好,冲击韧度和弯曲强度较纯环氧树脂分别提高了85.3%和21.6%.扫描电镜结果显示,复合材料由脆性断裂转变为韧性断裂.     

Nanofillers modification of Epocast 50-A1/946 epoxy for bonded joints

Epocast 50-A1/946 epoxy was primarily developed for joining and repairing of composite aircraft structural components. The objective of the present work is to modify the Epocast epoxy resin by different nanofillers infusion. The used nanofillers include multi-walled carbon nanotubes（MWCNTs）, SiC and Al2O3 nanoparticles. The nanofillers with different weight percentages are ultrasonically dispersed in the epoxy resin. The sonication time and amplitude for MWCNTs are reduced compared to Al2O3 and SiC nanoparticles to avoid the damage of MWCNTs during sonication processes. The fabricated neat epoxy and twelve nanocomposite panels were characterized via standard tension and in-plane shear tests. The experimental results show that the nanocomposites materials with 0.5wt% MWCNTs, 1.5wt% SiC and 1.5wt% Al2O3 nanoparticles have the highest improvement in the tensile properties compared to the other nanofiller loading percentages.The improvements in the shear properties of these nanocomposite materials were respectively equal to 5.5%, 4.9%, and 6.3% for shear strengths, and 10.3%, 16.0%, and 8.1% for shear moduli. The optimum nanofiller loading percentages will be used in the following papers concerning their effect on the bonded joints/repairs of carbon fiber reinforced composites.     

高性能树脂基纳米复合材料的发展新动向

纳米材料的高表面活性使其易于团聚,这为其分散和高性能纳米复合材料的制备工艺带来挑战。本文主要介绍了有关多元复合型高性能树脂基纳米复合材料、纳米复合材料的制备与分散工艺、纳米杂化树脂基体与纤维复合以及功能化纳米复合材料研究方面的最新进展。     

Ground-based Investigations of Atomic Oxygen Erosion Behaviors of Silver and Ion-implanted Silver

Silver foils and ion-implanted silver foils exposed to atomic oxygen (AO) generated in a ground simulation facility were investi-gated by the quartz crystal microbalance (QCM), the scanning electron microscopy (SEM) and the X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The experimental results show the presence of Ag2O and AgO in an oxidation process of the silver foil having exposure to AO. As soon as silver comes under the bombardment of atomic oxygen, the oxidation process starts with a thick film forming on the silver surface. Because of the development of stresses, the oxide layer gets cracked and spalled, which leads to appearance of a new silver surface intensifying further oxidation. At last, AgO begins to form on the outer surface of the oxide film. The analytical results of the XPS and the AES attest to formation of a continuous high-quality protective oxide-based layer on the surface of ion-implanted silver films after exposure to AO. This layer can well protect materials in question from erosion.     

高浓度颗粒冲刷条件下高硅氧酚醛烧蚀实验

利用高过载模拟烧蚀实验发动机，开展了高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料烧蚀机理的实验研究。研究表明：高浓度颗粒流冲刷条件下高硅氧酚醛材料的烧蚀比常规条件下要严重的多，其机理主要是高浓度颗粒流冲刷对炭化层具有强烈的剥蚀效应；相同条件下高硅氧酚醛材料抗颗粒流冲刷的性能明显比石棉酚醛模压材料差；增强绝热材料炭化层的致密性和韧性是提高绝热材料抗颗粒冲刷能力的有效途径。提出了建立高浓度颗粒冲刷条件下绝热层烧蚀建模的思路，为高过载条件下热防护研究提供了理论基础。     

MWCNT/ E 复合材料的制备及性能

利用三辊研磨分散技术制备了MWCNT/ E 复合材料。通过调节三辊研磨机入料辊和中辊的间
距,使MWCNT 在环氧树脂中均匀分散。所制备的MWCNT/ E 复合材料与纯环氧树脂相比,拉伸强度提高了
22%,弯曲强度提高了15%,导电性和导热性都得到明显改善。     

抗原子氧有机/无机氧化硅复合涂层的研究

以正硅酸乙酯（TEOS）和γ-（甲基丙稀酰氧）丙基三甲氧基硅烷（MEMO）为前驱体,在聚酰亚胺基底上制备了氧化硅涂层,采用扫描电镜（SEM）、傅里叶红外衰减全反射光谱（FTIR-ATR）和X光电子能谱（XPS）对其表面形貌、结构和成分进行了分析.结果表明MEMO的加入增加了氧化硅涂层的韧性,并赋予其憎水性能,表面化学成分由MEMO以及TEOS＋MEMO的水解和缩聚过程决定.用地面模拟设备对氧化硅涂层进行原子氧暴露试验,结果表明其具有很好的防原子氧性能,使基体原子氧侵蚀速率下降了一个数量级.