碳纤维复合材料在航天压力容器中的应用

  随着航天工业的不断发展,复合材料压力容器的应用越来越普遍。由于复合材料的诸多优点,目.前航天系统中大多数飞行器,如人造卫星、航天飞机、运载火箭以及空间站等等都使用复合材料压力容器用于储存燃料、生命保障和科学实验等。碳纤维具有密度小、比强度、比模量高的特点,是目前最主要采用的增强材料,包括加入低模量纤维(纤维玻璃凯夫拉纤维)改进抗冲击性能的压力容器。

  新型航天器不断追求高效能、低成本、长寿命、高可靠性。其中低成本的要求更是重中之重。无内衬复合材料压力容器在这种需求下应运而生。这种新型无内衬复合材料压力容器取消了传统的金属内衬,使其在增加容积的同时减轻约25%左右的质量。如果设计适当,可以降低操作风险和维护费用,增加使用次数。

  无内衬压力容器在进行结构设计时,需要考虑复合材料层微裂纹产生、破坏和传播和液体渗透的机理。不仅要设计纤维的缠绕铺层方式,而且发明新的增强树脂配方及固化工艺来满足无内衬压力容器工作条件的需要。

  德克萨斯大学采用了CTD公司生产的无内衬储箱,与其原来使用的铝合金内衬储箱相比,结构质量减少了40%,而容积增大了18%。 储箱储存大约1.03MPa氬气,用于卫星推进器系统。

  纳米硅酸盐树脂基高聚物无内衬复合材料压力容器,用于低温储箱有很多优点,如轻质、高强度、高稳定性等。但是由于树脂基体本身会产生微裂纹而导致气体渗漏。而加入薄层金属内衬会由于热胀系数不同而产生应力不匹配,从而导致储箱在缠绕层和内衬层界面破坏失效。所以引入纳米硅酸盐来提高储箱的整体渗透性。性能可以提高80%。

  从复合材料发展趋势和航天工业需求可以看出,复合材料压力容器轻量化是其追求的永恒主题。对于我国航天工业来说,由于起步较晚,发展较慢,复合材料压力容器的探索之路任重而道远。不仅需要进行更多轻量化复合材料压力容器的研究工作,同时还应该进一步完善当前正在服役中的压力容器的性能,降低风险,提高可重复使用次数,使其更好的为我国航天工业的发展服务。