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纳米改性环氧树脂基复合材料空间环境损伤效应研究

2020-12-06阅读(677)

纳米改性环氧树脂基复合材料空间环境损伤效应研究

论文摘要

本文针对地球同步轨道的空间环境,利用空间环境因素地面模拟器模拟地球同步轨道的质子、电子以及真空热循环环境。低能质子和电子能量为170keV,辐照注量范围为6.39×10156.39×1016/cm2,真空室10-5Pa,环境温度293K;高能电子能量为1MeV,辐照实验在常温常压下进行,辐照注量范围为1.71×10151.71×1016e/cm2;热循环在真空（10-5Pa）环境下进行,热循环的温度范围在173K373K。对M55J/AG80及其纳米TiO2颗粒改性M55J/AG80复合材料在空间环境因素作用下的性能演化规律和微观结构变化进行了比较和研究。建立了材料在真空（10-5Pa）出气、力学性能、热膨胀系数与辐照注量和热循环次数的关系曲线,对纳米粒子的增强效应进行了分析,并对空间环境因素的损伤机理进行了探讨。真空出气实验结果表明,纳米改性前后M55J/AG80复合材料均满足美国材料试验协会（ATSM）标准E 593-84。添加纳米粒子使材料总质量损失（TML）和可凝挥发物（CVCM）均降低。辐照实验结果表明,辐照损伤主要发生在树脂基体内部,辐射交联和降解两个过程往往是同时存在的,但相互制衡。不同辐照因素的损伤效应均与辐照注量有关。170keV质子与质子/电子辐照条件下,纳米改性前后M55J/AG80复合材料的弯曲强度和纵横剪切强度单调增高;M55J/AG80（nano）辐照前后的弯曲强度和纵横剪切强度均低于M55J/AG80; M55J/AG80（nano）辐照前后的层间剪切强度均高于M55J/AG80。1MeV高能电子辐照条件下,M55J/AG80（nano）辐照前后的弯曲强度均低于M55J/AG80;M55J/AG80（nano）的层间剪切强度在辐照注量范围内的变化幅度小于M55J/AG80 ;M55J/AG80（nano）纵横剪切强度总体上比M55J/AG80纵横剪切强度较高,说明纳米粒子的添加可能起到物理交联点的作用。XPS分析表明,辐照注量为6.39×10153.20×1016/cm2范围内170keV质子、质子/电子辐照条件下,随着辐照注量增加,C元素和C-C键含量单调增加,材料表面产生碳富集效应。热循环试验结果表明,随着热循环次数的增加,纳米改性前后M55J/AG80复合材料的弯曲强度,层间剪切强度和纵横剪切强度均呈现先上升后下降的趋势。温度在-100100℃范围内,M55J/AG80（nano）原始试样的0°热膨胀系数低于M55J/AG80。随着循环次数的增加,材料的0°热膨胀系数先上升后下降;M55J/AG80材料的0°热膨胀系数与循环前相比变化不大。纳米改性前后M55J/AG80复合材料的90°热膨胀系数随温度增加呈现单调递增的趋势。AFM分析表明M55J/AG80（nano）原始试样的表面粗糙度均高于M55J/AG80,辐照条件下,随着辐照注量的增加,表面粗糙度Ra增大;真空热循环条件下,随着循环次数的增加,表面粗糙度Ra减低。经过真空热循环后,性能变化主要由于交联密度的变化及界面脱粘程度变化所引起的,没有发生新的化学反应;在质子、高能电子和质子/电子综合辐照作用下,复合材料性能的变化与树脂基体交联密度的变化密切相关。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  • 1.1 课题背景
  • 1.2 空间环境因素及其效应概述
  • 1.2.1 空间真空环境的影响
  • 1.2.2 空间带电粒子辐照
  • 1.2.3 真空热循环
  • 1.3 纳米改性碳/环氧复合材料及其在航天领域的应用
  • 1.3.1 碳纤维及其性能
  • 1.3.2 环氧树脂的分类及其性能
  • 1.3.3 纳米粒子的特性
  • 1.3.4 纳米改性碳/环氧复合材料研究进展
  • 1.4 空间辐照因素与材料的交互作用
  • 1.4.1 质子对物质的作用
  • 1.4.2 电子对物质的作用
  • 1.4.3 空间辐照因素对聚合物及其复合材料的影响
  • 1.5 热循环与复合材料的交互作用
  • 1.6 研究目的及内容
  • 第2章 材料及研究方法
  • 2.1 试验材料
  • 2.2 聚合物复合材料辐照实验方法
  • 2.2.1 辐照能量的选择
  • 2.2.2 辐照注量的选择
  • 2.3 试验设备
  • 2.3.1 空间真空热循环模拟设备
  • 2.3.2 空间辐照模拟设备
  • 2.3.3 高能电子模拟设备
  • 2.4 真空出气测试
  • 2.5 力学性能测试
  • 2.5.1 弯曲性能测试
  • 2.5.2 层间剪切性能测试
  • 2.5.3 纵横剪切性能测试
  • 2.6 热膨胀分析
  • 2.7 微观结构分析
  • 2.7.1 扫描电子显微镜（SEM）
  • 2.7.2 原子力显微镜（AFM）
  • 2.7.3 X-射线光电子能谱（XPS）
  • 第3章 纳米改性前后M55J/AG80 真空出气测试
  • 3.1 M55J/AG80 真空出气测试
  • 3.2 M55J/AG80 （nano）真空出气测试
  • 3.3 纳米改性前后复合材料真空出气性能对比
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 纳米改性前后M55J/AG80 复合材料质子辐照损伤效应
  • 4.1 力学性能
  • 4.1.1 弯曲强度
  • 4.1.2 层间剪切强度
  • 4.1.3 纵横剪切强度
  • 4.2 断口形貌
  • 4.2.1 弯曲断口形貌
  • 4.2.2 层间剪切断口形貌
  • 4.2.3 纵横剪切断口形貌
  • 4.3 表面形貌
  • 4.4 XPS 分析
  • 4.5 本章小结
  • 第5章 纳米改性前后M55J/AG80 复合材料高能电子辐照损伤效应
  • 5.1 力学性能
  • 5.1.1 弯曲强度
  • 5.1.2 层间剪切强度
  • 5.1.3 纵横剪切强度
  • 5.2 断口形貌
  • 5.2.1 弯曲断口形貌
  • 5.2.2 层间剪切断口形貌
  • 5.2.3 纵横剪切断口形貌
  • 5.3 表面形貌
  • 5.4 XPS 分析
  • 5.5 高能电子辐照损伤机理分析
  • 5.6 本章小结
  • 第6章 纳米改性前后M55J/AG80 复合材料质子与电子综合辐照损伤效应
  • 6.1 力学性能
  • 6.1.1 弯曲强度
  • 6.1.2 层间剪切强度
  • 6.1.3 纵横剪切强度
  • 6.2 断口形貌
  • 6.2.1 弯曲断口形貌
  • 6.2.2 层间剪切断口形貌
  • 6.2.3 纵横剪切断口形貌
  • 6.3 表面形貌
  • 6.4 XPS 分析
  • 6.5 质子电子综合辐照损伤机理分析
  • 6.6 本章小结
  • 第7章 纳米改性前后M55J/AG80 复合材料真空热循环损伤效应
  • 7.1 力学性能
  • 7.1.1 弯曲强度
  • 7.1.2 层间剪切强度
  • 7.1.3 纵横剪切强度
  • 7.2 断口形貌
  • 7.2.1 弯曲断口形貌
  • 7.2.2 层间剪切断口形貌
  • 7.2.3 纵横剪切断口形貌
  • 7.3 表面形貌
  • 7.4 热膨胀系数
  • 7.5 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢

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