劉陽(yáng)同 殷永霞 孫東華

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

0 引言

筒蓋是火星探測(cè)器著陸巡視器傘系減速分系統(tǒng)彈傘筒的重要組成部分，其主要功能是對(duì)降落傘進(jìn)行密封和熱防護(hù)，并在著陸器動(dòng)力下降段彈射拉出減速傘，進(jìn)而降低著陸巡視器速度，穩(wěn)定著陸器姿態(tài)。筒蓋厚10 mm，最大直徑645 mm，主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料蒙皮∕鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式一體成型，外側(cè)邊緣8處開口用室溫膠黏劑粘貼玻璃纖維布和鋁合金連接片，整體噴涂防熱層和熱控漆（結(jié)構(gòu)形式和產(chǎn)品實(shí)物見圖1、圖2）。筒蓋與彈傘筒要有足夠的連接強(qiáng)度，同時(shí)又不能太強(qiáng)，因?yàn)橐ＷC能夠順利被傘包頂開。

圖1 筒蓋結(jié)構(gòu)形式Fig.1 Structure of the cylinder cover

圖2 筒蓋產(chǎn)品實(shí)物Fig.2 Physical product of the cylinder cover

從地面研制到發(fā)射，筒蓋跟隨探測(cè)器經(jīng)過(guò)空間飛行最終到達(dá)火星，經(jīng)歷存儲(chǔ)環(huán)境、近地環(huán)境、行星際環(huán)境和火星環(huán)境［1］，其上使用的樹脂和膠黏劑也將伴隨經(jīng)歷各種相關(guān)環(huán)境因素作用。當(dāng)前太空器結(jié)構(gòu)制造普遍使用的環(huán)氧樹脂具有工藝性好、耐腐蝕、力學(xué)性能高及韌性好等特點(diǎn)，可在130 ℃以下長(zhǎng)期使用。隨著深空探測(cè)任務(wù)帶來(lái)的設(shè)計(jì)要求的提高，環(huán)氧樹脂和膠黏劑耐溫性已不能滿足本任務(wù)的使用要求。聚酰亞胺樹脂可以在280～450℃的溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，但其工藝性明顯低于環(huán)氧樹脂［2］。綜合考慮下，可在175～230 ℃長(zhǎng)期使用的雙馬樹脂復(fù)合材料成為更優(yōu)選擇，其在美國(guó)F-22、F-35等先進(jìn)航空器結(jié)構(gòu)上已有大量應(yīng)用。在這個(gè)背景下，北京空間機(jī)電研究所復(fù)合材料專業(yè)經(jīng)過(guò)一系列新型材料體系應(yīng)用技術(shù)研究和工藝驗(yàn)證，成功采用新型的耐高溫雙馬樹脂體系代替環(huán)氧樹脂，輔以新型耐高溫膠黏劑，將筒蓋的使用溫度提高到200 ℃，該產(chǎn)品已用于“天問(wèn)一號(hào)”火星探測(cè)器［3］。

本文以筒蓋結(jié)構(gòu)用耐高溫樹脂和膠黏劑應(yīng)用研究為背景，分別研究樹脂和膠黏劑的匹配性、T300∕雙馬樹脂復(fù)合材料和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能、耐空間環(huán)境性能，并研發(fā)制品的成型工藝。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

QY8911 雙馬來(lái)酰亞胺樹脂（a 狀態(tài)），中航復(fù)合材料有限公司；T300-3k碳纖維；J-168-1室溫固化膠黏劑、J-245C 改性氰酸酯膠膜、J-245D2改性氰酸酯泡沫膠，黑龍江省科學(xué)院石油化學(xué)研究院；LF2Y 防銹鋁蜂窩，西安雅西復(fù)合材料有限責(zé)任公司。

1.2 性能指標(biāo)要求

根據(jù)任務(wù)環(huán)境條件提出的筒蓋原材料性能及產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)要求如表1所示。

表1 筒蓋原材料及產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求Tab.1 Raw material/product performance requirements of the cylinder cover

此外，經(jīng)歷溫度交變、輻照等空間環(huán)境模擬試驗(yàn)后，原材料及產(chǎn)品的力學(xué)性能保持率應(yīng)高于80%，確保筒蓋的耐空間環(huán)境性能。

1.3 試樣制備

1.3.1 膠黏劑力學(xué)性能試樣

利用J-168-1膠黏劑制備拉伸剪切試樣，利用J-245C 膠膜制備拉伸剪切試樣、90°剝離強(qiáng)度試樣，利用J-245D2泡沫膠制備管剪試樣。

1.3.2 T300/QY8911無(wú)緯布

選用日本東麗T300-3k 高強(qiáng)碳纖維和QY8911雙馬樹脂分別作為增強(qiáng)材料和樹脂基體，采用濕法輥筒式排布法，制備面密度（106±3）g∕m2、含膠量（38±3）%、揮發(fā)分含量≤2%、厚度0.1 mm 的預(yù)浸無(wú)緯布，確保纖維絲束均勻，無(wú)間隙。

1.3.3 T300/QY8911復(fù)合材料單向板

將制備得到的0.1mm 厚T300∕QY8911預(yù)浸無(wú)緯布裁剪成尺寸為500 mm×500 mm 的單向布，參照Q∕WB150－2002《碳纖維∕環(huán)氧樹脂復(fù)合材料層合板制備工藝規(guī)范》手工鋪層，確保纖維角度偏差不超過(guò)±1°，采用真空袋－熱壓罐法制備厚度為2 mm 的單向板坯料。脫模后按照力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)將單向板坯料加工成測(cè)試用的標(biāo)準(zhǔn)試件。

1.3.4 T300/QY8911面板－鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)試件

將厚度為0.1 mm的T300∕QY8911無(wú)緯布預(yù)浸料按照［0°∕+60°∕-60°］s裁剪鋪層為600 mm×700 mm的層合板，共6層，采用真空袋－熱壓罐法固化成型。出爐修整好的碳面板經(jīng)表面處理后貼J-245C膠膜，裝配鋁蜂窩封裝，采用真空袋－熱壓罐法固化成型。脫模后按照力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)加工成測(cè)試用的標(biāo)準(zhǔn)試件。

1.4 性能測(cè)試

1.4.1 J-168-1、J-245膠黏劑力學(xué)性能

按照表2所示測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，分別在室溫、-135 和200 ℃環(huán)境條件下開展J-168-1、J-245 膠黏劑的力學(xué)性能測(cè)試。

表2 J-168-1、J-245膠黏劑的力學(xué)性能測(cè)試項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Mechanical properties test and standard of J-168-1，J-245

1.4.2 T300/QY8911復(fù)合材料單向板性能

T300∕QY8911復(fù)合材料單向板0°拉伸強(qiáng)度和模量按照《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料拉伸性能試驗(yàn)方法》（GB∕T3354－2014）測(cè)試；彎曲強(qiáng)度、彎曲模量按照《定向纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料彎曲性能試驗(yàn)方法》（GB3356－2014）測(cè)試；層間剪切強(qiáng)度按照《纖維增強(qiáng)塑料短梁法測(cè)定層間剪切強(qiáng)度》（JC∕T773－2010）測(cè)試。

1.4.3 T300/QY8911面板－鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)性能

蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平面壓縮強(qiáng)度按照《膠接鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)和芯子平面壓縮性能試驗(yàn)方法》（GJB 130.5—86）測(cè)試；彎曲強(qiáng)度和彎曲模量按照《膠接鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗(yàn)方法》（GJB 130.9—86）測(cè)試。

1.4.4 耐空間環(huán)境性能

膠黏劑、T300∕QY8911復(fù)合材料單向板和蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的耐空間環(huán)境性能測(cè)試包含三項(xiàng)：（1）耐帶電粒子輻照，測(cè)試條件為總吸收劑量1×106rad（Si），模擬源為γ 射線源（60Co）；（2）高低溫交變，溫度范圍在-135～+135 ℃，最高和最低溫度保持4 h，循環(huán)25.5次，最后一上升循環(huán)升溫至200 ℃；（3）真空放氣性能，參照《真空中材料揮發(fā)性能測(cè)試方法》（QJ1588－88）測(cè)試。試驗(yàn)完成后，按照上述各試樣力學(xué)性能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試其經(jīng)空間環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)后的室溫力學(xué)性能，并評(píng)估力學(xué)性能保持水平。

2 結(jié)果與討論

2.1 J-168-1、J-245膠黏劑力學(xué)及耐空間環(huán)境性能

表3 為J-168-1、J-245 膠黏劑力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果，可見膠黏劑各項(xiàng)性能均滿足指標(biāo)要求，經(jīng)帶電粒子輻照試驗(yàn)后兩種膠黏劑的力學(xué)性能略有下降，但力學(xué)性能保持率均高于80%；經(jīng)溫度循環(huán)試驗(yàn)后兩種膠黏劑的力學(xué)性能保持率均高于90%。

表3 J-168-1、J-245膠黏劑力學(xué)性能及耐空間環(huán)境性能Tab.3 Mechanical properties/space environment resistance properties of J-168-1，J-245

J-168-1膠黏劑與當(dāng)前航天器常用的J-133膠黏劑相比黏度略大，這對(duì)于提高結(jié)構(gòu)的膠接性能是有幫助的；該膠黏劑各組分在室溫下充分混合0.5 h 黏度隨時(shí)間明顯增加，適用期滿足操作要求。

經(jīng)歷輻照后，J-245C膠膜90°剝離強(qiáng)度出現(xiàn)一定程度的提高，這是由于膠黏劑在受輻照后發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致聚合物形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，物理表現(xiàn)為膠黏劑的拉伸彈性模量和硬度增加［4］。

2.2 T300/QY8911 復(fù)合材料單向板力學(xué)及耐空間環(huán)境性能

單向板制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，QY8911雙馬樹脂膠液密度在0.95～0.96 g∕mL時(shí)制備的無(wú)緯布含膠量可以達(dá)到40%左右，同時(shí)無(wú)緯布的外觀質(zhì)量較好，通過(guò)鋪貼試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)無(wú)緯布粘性較好，易于鋪貼。制備得到的2 mm單向板試件表面平整、無(wú)翹曲，厚度均勻（1.9～2.1 mm）。觀察拋開后的試件發(fā)現(xiàn)內(nèi)部質(zhì)量良好、致密，無(wú)氣泡和孔隙，質(zhì)量法測(cè)試其纖維體積分?jǐn)?shù)為60.8%～62.1%。

表4 為T300∕QY8911 復(fù)合材料單向板力學(xué)性能和經(jīng)空間環(huán)境試驗(yàn)后的性能。由此可見，T300∕QY8911 復(fù)合材料單向板的0°拉伸強(qiáng)度、模量、彎曲模量、層間剪切強(qiáng)度均高于設(shè)計(jì)指標(biāo)要求?？臻g環(huán)境對(duì)樹脂基體的影響較大，因此選取彎曲性能和層間剪切性能兩項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目來(lái)考核空間環(huán)境試驗(yàn)前后的室溫復(fù)合材料力學(xué)性能的變化，并從結(jié)果來(lái)看，經(jīng)歷空間環(huán)境試驗(yàn)后復(fù)合材料的力學(xué)性能保持率均高于90%，滿足使用指標(biāo)要求。

表4 T300/QY8911復(fù)合材料單向板力學(xué)性能Tab.4 Mechanical properties of T300/QY8911 CFRP unidirectional laminates

對(duì)于試樣的彎曲性能來(lái)說(shuō)，由于復(fù)合材料整體受輻照、溫循后變硬、變脆及層間粘接性能下降，因此，彎曲強(qiáng)度有所增加而模量有所下降。對(duì)于試樣的層間剪切強(qiáng)度來(lái)說(shuō)，由于輻照、溫循后試樣脆性增加，使復(fù)合材料的層間粘接較易破壞，進(jìn)而導(dǎo)致層間剪切強(qiáng)度略有下降，但降幅極小。

2.3 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及耐空間環(huán)境性能

表5 為T300∕QY8911 面板－鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能和經(jīng)空間環(huán)境試驗(yàn)后的性能。由于蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的平壓強(qiáng)度由蜂窩芯子的規(guī)格決定，經(jīng)歷空間環(huán)境試驗(yàn)后的性能基本不變，滿足指標(biāo)要求。蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的彎曲剛度和剪切剛度可以直觀反映T300∕QY8911 復(fù)合材料與J-245C 膠膜的適用匹配性，從測(cè)試結(jié)果可以看出，力學(xué)性能與同類型產(chǎn)品基本一致，經(jīng)歷空間環(huán)境試驗(yàn)后的力學(xué)性能保持率也均高于80%，滿足使用指標(biāo)要求。

表5 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能Tab.5 Mechanical properties of honeycomb sandwich structure

2.4 復(fù)合材料真空放氣性能

表6為膠黏劑及T300/QY8911復(fù)合材料單向板真空放氣性能。從表6可以看出J-168-1膠黏劑、J-245系列膠黏劑和T300∕QY8911復(fù)合材料總的質(zhì)量損失、可凝揮發(fā)物含量和水蒸汽回收率均滿足指標(biāo)要求，表明膠黏劑和復(fù)合材料在真空條件下有一定質(zhì)量損失，這是復(fù)合材料制備時(shí)殘留的微量有機(jī)溶劑和在空氣中吸附的水分在真空中揮發(fā)導(dǎo)致的［5］。

表6 膠黏劑及T300/QY8911復(fù)合材料單向板真空放氣性能1）Tab.6 Vacuum performance of adhesive and T300/QY8911 CFRP unidirectional laminates

3 結(jié)論

（1）T300∕QY8911無(wú)緯布裁剪、鋪層、模壓等工藝可行性良好，復(fù)合材料層合板制備工藝性良好。

（2）膠黏劑的可操作性良好，各項(xiàng)性能測(cè)試結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，與QY8911 雙馬樹脂的耐溫匹配性良好，可以用于耐高溫航天器結(jié)構(gòu)復(fù)合材料成型。

（3）筒蓋蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的成型工藝可行性良好，力學(xué)性能穩(wěn)定，耐高溫、耐空間環(huán)境性良好，最高瞬時(shí)使用溫度可達(dá)200 ℃，滿足火星探測(cè)任務(wù)各階段的環(huán)境和力學(xué)性能要求，對(duì)后續(xù)型號(hào)任務(wù)的材料及工藝制定提供了良好選擇。