碳纤维复合材料支撑结构被越来越多地用于空间承力结构，以满足空间工程苛刻的减重要求。如美国X-33验证机上连接发动机与两个液氢贮箱的碳纤维/环氧复合材料多功能推力架结构，连接液氧贮箱和液氢贮箱的IM7/APC2热成型架结构等，通过金属接头连接在两个钛合金端框上，有效承载能力达到了200t左右。

　　由于设计能力及工艺水平的限制，目前我国运载火箭箱间段全部采用金属支撑结构。某型在研运载火箭拟采用液氢/液氧作为推进剂，箱间段拟采用复合材料支撑杆以利于减重和降低漏热。将复合材料应用于低温贮箱的支撑结构，必须重点考核材料在低温下的力学性能。比较几种纤维复合材料单向板的性能，碳纤维复合材料在低温下具有最佳的性能表现，但还有必要对碳纤维复合材料进行试验研究。

　　本文采用低温树脂制作了碳纤维复合材料单向板， 增强纤维选用T700SC-12K和T800HB-12K，测试其在298K和77K温度下的力学性能。并以此数据作为输入条件，设计复合材料低温贮箱支撑杆。并采用静力学仿真方法分析杆件在298K和77K温度下对应的强度，以验证设计的可行性。

　　通过试验测试，在298K温度下，T800单向板的0°拉伸强度和0°拉伸模量均高于T700单向板。在低温性能方面，T700单向板77K温度下的0°拉伸强度低于298K温度，而T800单向板77K温度下的0拉伸强度则高于298K温度。两种材料77K温度下的拉伸模量均高于298K温度。

　　在298K温度下，T800单向板的0°压缩强度和0°压缩模量均高于T700单向板。在低温性能方面，两种材料在77K温度下的压缩强度和压缩模量均高于298K温度，T800单向板在77K温度下的压缩强度和压缩模量高于T700单向板。

　　依据某型运载火箭总体技术方案，支撑杆为管型构件，选择T800HB-12K作为增强纤维，且纤维铺层角度接近0°，有助于提高支撑杆的拉压性能。T800HB-12K碳纤维铺层的单层厚度为0.139mm，对于壁厚为10mm的支撑杆，需要72层铺层才能满足其尺寸要求。假设碳纤维铺层的主角度为X°，同时考虑到层间剪切和脱模的影响，增加45°铺层，支撑杆的铺层方式设计为[（±45/±X4）7，/±45]，共72层。以T800单向板力学性能测试数据作为输入条件，计算分析了碳纤维铺层主角度为0°~18°时，支撑杆在298K时的拉伸和压缩强度。

　　计算结果表明支撑杆的拉伸和压缩破坏都随主角度的增大而降低，并且主角度越大，破坏强度下降得越快。因此，为使支撑杆获得尽可能大的拉伸和压缩强度，应尽可能使用小的主角度。综合考虑缠绕成型的工艺可行性和纤维的使用率，选择9°作为支撑杆的主角度。

　　以碳纤维复合材料单向板的力学性能测试数据作为输入条件，建立铺层主角度为9°的低温贮箱支撑杆的仿真模型，使用有限元方法分析其在298K和77K下的拉伸强度。根据最大应力准则，在298K温度下，当支撑杆拉伸应力为2102MPa时，其9°铺层拉伸应力为2655~2666MPa，达到了通过力学性能测试获得的T800单向板的拉伸强度，因此可以认为支撑杆的拉伸强度为2102MPa。同理，在77K温度下，当支撑杆拉伸应力为2190MPa时，其9°铺层拉伸应力为2777~2790MPa，达到拉伸强度，因此可以认为支撑杆的拉伸强度为2190MPa。

　　在298K和77K温度下，相对于370MPa的最大拉应力设计要求，支撑杆的拉伸强度都能够予以满足，且留有较大的设计余量。在298K温度下，支撑杆的拉伸强度为2102MPa，压缩强度为1323MPa；在77K温度下，支撑杆的拉伸强度为2190MPa，压缩强度为1420MPa，均可满足设计要求。

　　阅读延伸：《碳纤维复合材料在超低温-186℃下的力学性能》