碳纤维复合材料由于具有比强度和比模量高，良好的尺寸稳定性和阻尼减振性等优点，已在航天领域得到广泛应用。在空间环境因素的长期作用下，碳纤维增强环氧复合材料的各项性能将发生变化，进而对航天器在轨服役期间的可靠性及寿命产生影响。碳纤维复合材料在空间综合环境作用下会产生析气和质损，可凝挥发物会污染航天器外表面及其相邻的部分，特别是对光学器件、热控涂层、电路系统和滑动摩擦副等产生不利影响。

　　质子是空间带电粒子的主要成分，其对材料造成的辐照损伤是在轨服役航天器材料的主要损伤形式之一。电子与航天器材料相互作用主要引起电离能量损失、辐射能量损失和多次散射。目前对复合材料在电子和质子综合作用下的性能变化规律及损伤机理研究很少。本文主要研究了M55J碳纤维复合材料在电子和质子综合辐照作用下的性能变化规律及作用机理。

　　利用空间带电粒子综合辐照环境模拟设备进行辐照试验。通过测试发现随着辐照注量的增加，层间剪切强度呈先上升后下降的趋势。这是由于聚合物受带电粒子辐照后表面产生交联和断链综合作用所致。材料受综合辐照后自由基发生交联和韧化，使树脂基体发生一定程度的后固化，同时基体受到辐照影响的地区成为一体网络结构，导致材料强度提高；辐照引起局部化学键断键和分子链断链，使得树脂基体的分子量减少，界面脱粘程度发生变化，从而导致强度降低。当辐照注量低于0.5×10^16cm^-2时，交联效应占优，所以材料的强度增加；高于0.5×10^16cm^-2的辐照注量后，断链效应占优，引起强度降低；辐照注量增加到1×10^16cm^-2之后，两种效应趋于平衡，从而材料层间剪切强度降低速率变缓。

　　随着辐照注量的增加，质量损失率先快速升高后趋于平缓。综合辐照引起材料的质量损失主要是由两个过程控制：其一是辐照时基体树脂表层一些化学键发生断裂，生成的可挥发小分子产物被真空带走，从而使质损率增加；其二是基体表层的碳富集使质损率减小。辐照注量小于2.0×10^16cm^-2时，前者占优势，而辐照注量大于2.0×10^16cm^-2时，后者占优势。表层的碳富集会对基体树脂起到保护作用，阻止辐照对树脂基体的进一步破坏，从而使质损率不再随辐照注量增加而进一步增加。

　　经XPS测试得到的辐照前后材料中元素的变化。可见经过综合辐照后，环氧树脂表层元素N和O元素的比重减少，C元素的比重增加。由红外分析可知O-H基团在综合辐照后发生断键造成O元素的减少，但减少的比重并不多，是因为树脂中含羟基杂质基团较少；而N元素的减少一方面是因为在综合辐照过程中表面残留的微量有机溶剂在真空环境中逐渐挥发而引起的，另外是C-N在综合辐照作用下受到破坏，降解生成含有N元素的小分子从表面逸出所致。

　　阅读延伸：《M40碳纤维卫星承力筒研制技术》