【摘 要】
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壳体是固体火箭发动机的一个关键构件,在工作中承受力、热等复杂载荷的作用,同时壳体应具有较小的重量。先进树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、可设计性、耐疲劳、抗冲击等优点,缠绕成型的碳纤维增强环氧树脂基复合材料能够满足固体火箭发动机壳体高强度、轻量化的需求,已在高性能火箭发动机上得到广泛应用。但环氧树脂的耐热性较低,难以满足新型发动机壳体耐高温的使用需求。常见的耐热型基体树脂如氰酸酯树脂、双马来酰
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壳体是固体火箭发动机的一个关键构件,在工作中承受力、热等复杂载荷的作用,同时壳体应具有较小的重量。先进树脂基复合材料具有高比强度、高比刚度、可设计性、耐疲劳、抗冲击等优点,缠绕成型的碳纤维增强环氧树脂基复合材料能够满足固体火箭发动机壳体高强度、轻量化的需求,已在高性能火箭发动机上得到广泛应用。但环氧树脂的耐热性较低,难以满足新型发动机壳体耐高温的使用需求。常见的耐热型基体树脂如氰酸酯树脂、双马来酰亚胺树脂等通常需要较高的固化温度,限制了其在缠绕工艺中的应用。针对固体火箭发动机壳体对耐高温缠绕复合材料的需求,本文开展了先进耐高温树脂PTA5型聚三唑树脂及其复合材料的性能研究,探索了缠绕成型PTA5型聚三唑树脂复合材料在200 oC温度应用的可行性。本文首先进行了PTA5型聚三唑树脂的结构表征和特性分析。利用分子量测试结合红外光谱分析表征了PTA5型聚三唑树脂的组成结构;将流变测试、DSC测试及二维红外光谱测试结合起来探究了PTA5型聚三唑树脂的固化机理;通过PTA5型聚三唑树脂固化物的TG分析,研究了其耐热性;初步确定了树脂的固化制度。其次进行了碳纤维/聚三唑树脂复合材料成型工艺优化。通过接触角测试表征了碳纤维与聚三唑树脂的浸润性,并利用碳纤维上浆剂的红外光谱进行分析说明;制备了T800/PTA5预浸带及T300碳布/PTA5预浸料并进行性能测试;采用T800/PTA5复合材料层压板以及T300碳布/PTA5复合材料层压板,研究了固化工艺对复合材料玻璃化转变温度Tg、热物理常数、层间剪切强度、弯曲强度等性能的影响,探究聚三唑树脂基复合材料的高温性能与固化温度的相关性,优化了固化工艺。最后制备了T800/PTA5复合材料NOL环及Φ150mm容器,测试了缠绕成型构件的性能。结果表明:PTA5型聚三唑树脂数均分子量为501,分子量较小,结构中含有叠氮基和炔基两种活性基团,分子链中含有苯环以及硅原子,有助于提升树脂耐热性能。PTA5型聚三唑树脂固化反应分为两步,第一步反应在40～130 oC,主要是端炔基与叠氮基进行1,3-偶极环加成反应;第二步反应在180～230 oC,主要是分子链中内炔基与叠氮基的1,3-偶极环加成反应以及过量内炔基的自聚反应。在固化温度为200 oC时,树脂固化物的Td5为333 oC,表现出良好的耐热性。碳纤维与聚三唑树脂的浸润性良好,其原因是碳纤维上浆剂中含有活性基团—OH以及C=C,能够与PTA5型聚三唑树脂形成良好的界面层。PTA5型聚三唑树脂与T800碳纤维制备的预浸带,断裂强度为5250 MPa,符合缠绕工艺要求。缠绕成型的T800/PTA5复合材料单向层压板,层间剪切强度高温性能随固化温度升高增大,在固化温度为200 oC时,Tg达到282.4 oC,复合材料的热性能和力学性能均处在较高水平。铺层成型的T300碳布/PTA5复合材料层压板,层间剪切性能随固化温度提高而增大,但弯曲强度无明显提高。最高固化温度为200 oC的T300碳布/PTA5复合材料层压板,在200 oC温度的导热系数为0.577 W·m-1·K-1,隔热性能良好,且综合力学性能较好。最高固化温度为200 oC的T800/PTA5复合材料NOL环,在200 oC温度的拉伸强度为2010 MPa,层间剪切强度为29.8 MPa,200 oC下的高温性能保留率达到70%以上,耐热性能较好。制备的T800/PTA5复合材料Φ150mm容器爆破压强达到46.67 MPa,容器特性系数PV/W达到53.4 km,性能优异。
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