热固性芳纶织物_环氧树脂支撑管动态特性分析.pdf
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1、81http:/2023年第4期宇航材料工艺测试分析热固性芳纶织物/环氧树脂支撑管动态特性分析顾莉莉!丁海鑫1余建新?(1上海卫星工程研究所,上海201109)(22哈尔滨工业大学分析测试与计算中心,哈尔滨150080)文摘利用热固性树脂基体在玻璃态转变温度(T)前后表现不同的材料特性,制备了Kevlar29芳纶织物E51环氧树脂基复合材料和三根充气展开支撑管。给出了芳纶织物增强环氧树脂支撑管制备工艺,其中基体温度采用电阻丝加热控制,管体固化形状采用聚酰亚胺薄膜内胆充气加压方法控制。研究了支撑的折叠和展开特性,当TT时卷曲折叠并冷却定型用于储存,然后采用二次加热TT和充气加压方法控制展开,最终
2、支撑管形状回复率10 0%。采用模态分析讨论了温度、树脂含量、织物铺层厚度和充气内压等参数对悬臂状态下支撑管的固有频率影响规律。结果表明:随充气压力增加、树脂含量提高、织物铺层厚度增加、基体温度降低,芳纶织物增强环氧树脂支撑管的固有频率增大。采用曲线拟合方法获得固有频率随充气压力和温度的变化规律,结果可为充气展开支撑管设计提供参考。关键词热固性树脂,芳纶织物,充气结构,模态分析,玻璃态转变温度中图分类号:TB33D0I:10.12044/j.issn.1007-2330.2023.04.013Dynamic Characteristics Analysis of Support Booms o
3、f Thermal CuredAramid Fabric/Epoxy ResinGU LiliDING HaixinYU Jianxin?(1 Shanghai Institute of Satllite Engineering,Shanghai 201109)(2Center of Analysis,Measurement and Computing,Harbin Institute of Technology,Harbin150080)AbstractUtilizing different material properties of thermal cured epoxy matrix
4、before and after the glass transitiontemperature(T,),Kevlar29 aramid fabric/E51 epoxy resin based composites and three inflatable unfolded support boomswere prepared.The fabrication process was ilustrated,electrical resistant wire was used to control temperature of thermalcured matrix,and an enclose
5、d Kapton membrane was used for inflatable pressurization to control the final shape of booms.The folding and unfolding characteristics of the support were investigated.The boom was curled and folded when TT.and then cooled and shaped for storage,and the unfolding process was controlled by secondary
6、heating TT,and inflatablepressurization method,and the final support tube shape recovery rate was 100%.Modal analysis was used to discuss theeffect of parameters such as temperature,resin content,fabric layup thickness and internal pressure of inflation on thenatural frequencies of the support boom
7、under cantilever condition.The results show that the natural frequencies of thesupport tube of the aramid fabric reinforced epoxy resin increase as the inflation pressure increases,the resin contentincreases,the fabric layup thickness increases,and the substrate temperature decreases.A curve fitting
8、 method is usedto obtain the variation law of the natural frequencies with the inflation pressure and temperature,and the results can providereference for the design of the inflatable unfolded support boom.Key wordsThermal cured epoxy,Aramid Fabric,Inflatable structure,Modal analysis,Glass transitio
9、n temperature0引言充气展开结构是由聚酰亚胺薄膜及其复合材料制收稿日期:2 0 2 2-0 7-13第一作者简介:顾莉莉,198 9年出生,硕士,工程师,主要从事设备整体布局、设备结构与机构技术研究工作。E-mail:l i l y c c d m 12 6.c o m通信作者:余建新,198 4年出生,硕士,高级工程师,主要从事充气展开结构及材料力学测试方法的研究工作。E-mail:y u j i a n x i n 0 32 42 16 3.c o m82成的新型太空结构,这种结构在发射初期以折叠的形式储存在运载火箭发射舱,进入到太空后通过内部充人气体而使结构展开,达到预先设计
10、的形状,并实现其功能要求。1996 年美国宇航局成功将直径14m的天线送人太空,进行了在轨充气展开试验,此次试验代表之前十多年充气展开技术的最高水平。它验证了充气展开结构在太空中应用的可行性,也将充气展开结构技术推向了一个里程碑式的高峰。与传统的金属桁架空间结构相比,充气展开结构具有更小的存储空间、更低的成本、更轻的质量以及更高的展开可靠性等优势。早期研究的充气展开结构通过增加封闭腔体压力来提高薄膜刚度,但过大的管内压力容易导致薄膜破裂。同时在太阳风、粒子辐射、昼夜大温差等空间环境下,难以保证薄膜结构的气密性。因此,研究人员开展了刚化技术和刚化材料研究。美国的JPL实验室通过薄膜管内壁布置4根
11、钢卷尺提高支撑刚度2 ,为了适应国内微小卫星平台磁场环境限制,WEI等3 采用碳纤维增强树脂基复合材料制作增强条替代钢性卷尺,加工制作了长度为3m重力梯度杆,完成了在轨充气展开测试(4。LIN等5 提出了可刚化网格增强支撑管的结构形式。谢志民等6 发明了一种复合材料绳,并研究了其在充气展开可刚化管状结构上的应用。刘宇艳7 和曹旭8 比较了热固性复合材料、热塑性复合材料、铝/聚合物薄膜的优缺点,对空间充气展开结构用刚化材料和刚化技术的研究现状进行总结。其中热固性复合薄膜材料由浸润过热固性聚合物树脂的纤维增强材料组成,可以通过嵌入加热系统进行化学固化或交联,从而控制和优化刚化过程,采用热固性材料制
12、备的支撑管具有一定的刚度,能够实现独立支撑。冷劲松等9总结了形状记忆驱动关节和形状记忆聚合物天线的应用。刘宇艳10 对比了碳纤维和Kevlar芳纶纤维的弯折情况,其中Kevlar芳纶纤维比碳纤维具有更好的弯折特性,更适合折叠展开的空间结构。另一方面,结构动态特性也是航空结构的关注重点,2 0 0 8 年3月美国NASA空军试验室通过航天飞机搭载热固性自钢化支撑管,进行在轨展开、直线度、动态特性测试,发现支撑管的固有频率随时间变化。本文加工制备热固性芳纶织物增强环氧树脂支撑管,进行折叠-展开试验,验证充气控制系统和电阻丝温度控制系统进行结构展开和固化的可行性。采用试验模态分析方法研究固化温度、充
13、气压力、树脂含量、铺层厚度等参数对支撑管固有频率的影响规律1环氧树脂制备采用E51热固性环氧树脂、柔性伯胺-12 胺(PA)和间苯二甲胺(MXDA)固化剂制备树脂基体,由于环氧树脂本身是一种热塑性低分子量的预聚体,加人固化剂和增韧剂后,可促进环氧树脂发生化学反应,使线型树脂转变成三向网状立体聚合物,呈现不溶不熔状态。胺类固化剂固化环氧树脂的反应过程如下:(1)环氧树脂具有环氧基,胺类固化剂也有氨基,两者结合生成伯氨基就成为仲氨基;(2)环氧基开环,生成氢基,并且释放热量,同时分子链生长;(3)在新生成的分子链上,仲胺和另一个环氧树脂反应就形成了叔胺侧链结构,侧链末端的环氧基和邻近分子链的氨基反
14、应形成网络。表1为热固性树脂的制备过程,采用7 5%的12胺和2 5%的间苯二甲胺对环氧树脂E51进行固化表1热固性树脂制备Tab.1Fabrication of thermal cured epoxy试剂名称作用状态操作环氧树脂E51热固性树脂胶状液体90恒温30 min间苯二甲胺固化剂液体无12胺增韧剂固体90恒温30 min2动态热机械分析玻璃态转变温度(T)是非晶态树脂的重要参数,采用动态热机械分析仪(DMAQ800)测量树脂在升温过程中储能模量和tano变化,并根据tano峰值判断玻璃态转变温度,根据T温度前后材料储能模量下降的相对程度评价材料的耐热性,tano的峰宽表示链段松弛运动
15、的温区,温区宽分散性大,链段松弛运动过程长。图1为含固化剂的E51环氧树脂的动态机械分析图,树脂的玻璃态化转变温度为7 8.5。当TT,时材料处于玻璃态,材料的形状稳定,室温下环氧树脂的储能模量为2.45GPa,随着温度的升高,树脂体系软化使其储能模量迅速降低,当温度超过T时,储存模量值降低到0.13CPa,随着温度继续升高,树脂体系处于稳定的高弹态。形状记忆聚合物材料在玻璃态转变温度前后表现不同的材料特性,可用于空间可展开结构。理想情况下,要想获得具有优良的形状记忆性能和折叠性能,聚合物的储能模量在玻璃化转变温度区间有两个数量级的变化,并且具有稳定高弹态。该树脂在玻璃态下的储能模量和高弹态下
16、的储能模量相差18 8 倍,说明树脂材料具有较好的形状记忆特性。当温度超过T后,模量不再降低,高弹态下较低的储存模量有利于赋型3.00.82.578.5%一储能模量-lan0.62.01.510.4UPI1.010.20.500.0-0.5020406080100 120140160/图1E51树脂动态热机械分析Fig.1DMAofE51epoxy宇航材料工艺http:/2023年第4期2023年http:/83第4期宇航材料工艺3芳纶织物增强环氧树脂支撑管制备工艺热固性支撑管主要由内胆聚酰亚胺薄膜气密层、Kevlar29芳纶织物增强层、电阻丝加热层和最外面的聚酰亚胺薄膜保护层组成。下面以单层
17、织物增强环氧树脂支撑管制备为例介绍制作芳纶织物增强环氧树脂支撑管制备工艺裁剪聚酰亚胺薄膜制成圆柱形内胆,两端用轻质铝合金端盖密封,并设计充气孔和气管。然后在平面工作台平铺聚酰亚胺薄膜,上方铺设Kevlar芳纶织物,将加入固化剂混合均匀的环氧树脂均匀涂抹芳纶织物,同时2 0 mm等间隔平铺电阻丝导线,上面覆盖聚酰亚胺薄膜,防止树脂溢出,最后卷曲在聚酰亚胺薄膜内胆。通过气泵加压,压力表监测管内压力,并通过红外测温仪测量电阻丝加热温度。在8 0 和10 kPa压力下固化1h,然后撤去压力和温度成型(图2)。图2 热固性支撑管Fig.2Thermal cured support booms制备了三根热
18、固性支撑管,表2 为支撑管铺层参数。为了对比分析,考虑了单层和双层织物厚度,以及35%和50%两种树脂含量。表2 支撑管铺层参数Tab.2The lay-up parameters of support booms厚度树脂含量/%(w)铺层双层50Kapton/Kevlar/电阻丝/Kevlar/Kapton单层50Kapton/Kevlar/电阻丝/Kapton单层35Kapton/Kevlar/电阻丝/Kapton4折叠一展开测试当形状记忆聚合物材料被紧密折叠时,容易出现塑性褶皱变形,在形状恢复力作用下只能回复到初始形状的90%95%,不满足高精度要求。对支撑管进行卷曲折叠和充气展开测试,
19、用于验证充气展开控制方式的可行性和可靠性,分析支撑管展开精度,支撑管的回复过程见图3。折叠时先将芳纶织物增强环氧树脂支撑管两端导线接到加热电源,用电阻丝控制树脂温度,加热到100使整个支撑管软化。然后将整个管卷曲折叠。123654图3支撑管形状回复过程Fig.3Shape recovery process of support boom迅速停止加热,将其放人冰箱内冷却定型展开时先将定型后的芳纶织物增强环氧树脂支撑管重新加热,结合内部充气逐渐回复到折叠前的形状,最终使得形状恢复达到10 0%。可见通过加热树脂基体温度高于T,同时对内部封闭腔体充气,可以提高芳纶织物/热固性树脂支撑管的形状回复率。
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