碳/環(huán)氧管件的低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測(cè)試研究

張建可，冀勇夫

（蘭州物理研究所，真空低溫技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

1 引言

碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件是衛(wèi)星研制中使用的重要部件之一，可應(yīng)用于衛(wèi)星天線(xiàn)支撐結(jié)構(gòu)件、紅外相機(jī)鏡筒結(jié)構(gòu)件等[1～3]。低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)是其主要的性能參數(shù)。但是，碳纖維的種類(lèi)、樹(shù)脂的牌號(hào)、碳纖維鋪層排布方式、層數(shù)等因素，直接影響著管件的熱膨脹系數(shù)[4、5]。因此，掌握碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件的低溫?zé)崤蛎浶阅芤?guī)律，對(duì)于制造與使用者都非常重要。對(duì)于碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件的低溫?zé)崤蛎浶阅軠y(cè)試，傳統(tǒng)方法為從管件取樣，將管件試樣裁成長(zhǎng)度100～150 mm，寬度5～10 mm的小條，裝入低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測(cè)試裝置[6]，采用相對(duì)比較法進(jìn)行測(cè)試。但該取樣方法取樣時(shí)從管件上切取樣品，因而改變了樣品在管件上的受力狀態(tài)，因此，采用小樣測(cè)量管件的熱膨脹性能會(huì)大大偏離實(shí)際熱膨脹性能數(shù)據(jù)，其偏差可能超過(guò)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，采用對(duì)部分或整體管件直接進(jìn)行低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測(cè)量應(yīng)該是準(zhǔn)確測(cè)定碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)的有效方法之一。但目前，管件整件進(jìn)行低溫?zé)崤蛎洔y(cè)量的方法和研究很少見(jiàn)報(bào)道。

根據(jù)碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件的特征，其熱膨脹性能特征主要從兩方面考慮:一是管件的軸向，另一個(gè)是管件的徑向。在管件徑向上，由于管件制造時(shí)要求均勻一致，因此在徑向平面內(nèi)各向應(yīng)該一致，所以只要任選一個(gè)方向就可以了。所以，碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件熱膨脹測(cè)試主要考慮2個(gè)方向的測(cè)量方法。

2 管件熱膨脹系數(shù)測(cè)試

2.1 軸向熱膨脹系數(shù)測(cè)試

軸向熱膨脹系數(shù)測(cè)量采用千分表對(duì)碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件熱膨脹尺寸進(jìn)行測(cè)量。由于管件尺寸較大，一般直徑為30～100 mm左右，長(zhǎng)度為400～700 mm，因此，已不能將其裝入一般的低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測(cè)試設(shè)備。在建立新裝置的前提下，可采用外接千分表加頂桿（采用熱膨脹系數(shù)極小或已知熱膨脹系數(shù)的材料制成）的簡(jiǎn)易方法進(jìn)行測(cè)試。低溫軸向熱膨脹測(cè)試裝置示意簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。測(cè)量過(guò)程如下：將管件裝入裝置中后，使用頂桿與千分表連接。頂桿采用碳纖維復(fù)合材料0°方向單層板制成。根據(jù)溫度范圍選擇加入致冷工質(zhì)如冰水、液氮乙醇、液氮、其他溫度的恒溫液體等。致冷工質(zhì)加入后，選擇恒溫時(shí)間較長(zhǎng)的溫度點(diǎn)作為起點(diǎn)（一般恒溫時(shí)間為30 min），記錄此時(shí)的溫度、千分表讀數(shù)。當(dāng)溫度回升（或下降）到另一個(gè)恒溫點(diǎn)，記錄溫度和千分表讀數(shù)，這一溫度段的熱膨脹系數(shù)測(cè)量完成。改變致冷工質(zhì)或改變工質(zhì)溫度，可以進(jìn)行下一溫度點(diǎn)測(cè)量。

圖1 碳管低溫軸向熱膨脹測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖

2.2 徑向熱膨脹系數(shù)的測(cè)量

徑向熱膨脹測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖2。管件試樣采用槽型支架定位，防止管件試樣滑動(dòng)、移位。測(cè)量過(guò)程與2.1節(jié)所述基本相同。

圖2 碳管低溫徑向熱膨脹測(cè)試裝置簡(jiǎn)圖

需要指出的是，為了減少溫度對(duì)測(cè)量頂桿和千分表的影響，減小測(cè)試誤差，采用低溫致冷劑如液氮乙醇、冰水混合物等對(duì)管件試樣冷卻時(shí)，盡量避免致冷劑與測(cè)量頂桿和測(cè)量千分表直接接觸。管壁可以放置或纏繞加熱器，用來(lái)提高管件和致冷劑的溫度。上述方法只能進(jìn)行從某致冷劑溫度到室溫的平均熱膨脹，測(cè)試時(shí)要保證管件在低溫溫度點(diǎn)的熱平衡，以及到室溫時(shí)的熱平衡。

另外，致冷劑的液面以剛淹沒(méi)管件為宜，液面較高時(shí)會(huì)使頂桿發(fā)生溫度變化。雖然頂桿熱膨脹系數(shù)較小，但因碳纖維復(fù)合材料管件熱膨脹較小，因而控制溫度對(duì)其產(chǎn)生的影響也非常重要。

3 測(cè)試數(shù)據(jù)和誤差影響因素分析討論

3.1 測(cè)試數(shù)據(jù)分析

測(cè)試管件為 M40 石墨纖維與 TDE－85 環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合制成。碳纖維的鋪層方式為±30°～±35°、0°、±30°～±35°三層鋪層，每層厚度1 mm，管壁厚度約3 mm，管件直徑60 mm，長(zhǎng)度630 mm。測(cè)試數(shù)據(jù)均為一溫度區(qū)間的平均值。根據(jù)熱膨脹計(jì)算公式

式中 l0為室溫下的長(zhǎng)度即管件長(zhǎng)度；ΔT為變化溫差；Δl為對(duì)應(yīng)溫差ΔT變化的長(zhǎng)度變化。

測(cè)試的軸向熱膨脹數(shù)據(jù)如圖3所示。線(xiàn)膨脹系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明管件在低溫下為“熱縮冷脹”，這一特性與管件的碳纖維鋪層有直接的關(guān)系。碳管徑向熱膨脹數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4所示。該數(shù)據(jù)為正值，符合一般規(guī)律。

圖3 碳管試件軸向熱膨脹系數(shù)曲線(xiàn)

圖4 碳管試件徑向熱膨脹系數(shù)曲線(xiàn)

結(jié)果表明：測(cè)試數(shù)據(jù)可以達(dá)到約10－8數(shù)量級(jí)。這一結(jié)果是與一般試樣測(cè)試不同的。理論上，管件的線(xiàn)膨脹系數(shù)是試件自身的性質(zhì)，但從測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，整管測(cè)試與從管件中取樣測(cè)試，2種測(cè)試數(shù)據(jù)相差較大，有的數(shù)據(jù)甚至相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。這是因?yàn)閺墓芗薪厝悠返氖芰顟B(tài)與完整狀態(tài)下管件樣品的受力狀態(tài)是不同的，因此熱膨脹的狀態(tài)也不同。因而，要精確測(cè)量管件的熱膨脹狀況，應(yīng)進(jìn)行整個(gè)管件的熱膨脹性能測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量后碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件熱膨脹數(shù)據(jù)逐漸減小。這說(shuō)明經(jīng)過(guò)冷熱循環(huán)后，材料經(jīng)過(guò)“老化”鍛煉，消除了管件內(nèi)部的應(yīng)力，因而使其熱膨脹系數(shù)逐漸變小。這與碳纖維復(fù)合材料板材試樣的熱膨脹測(cè)試規(guī)律也是相同的[7]。由此，也說(shuō)明了碳/環(huán)氧復(fù)合材料部件成型后，若經(jīng)過(guò)一定的高低溫處理工藝，可以較大幅度的減小部件的低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)。

3.2 測(cè)試誤差影響因素分析

在碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件2個(gè)方向低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)測(cè)量中，存在影響較大的外界因素是與試樣和千分表連接的頂桿受溫度影響時(shí)會(huì)影響到測(cè)量數(shù)據(jù)。解決方法之一，采用熱膨脹系數(shù)較小的材料或已知熱膨脹系數(shù)的材料來(lái)制作，如采用石英玻璃、殷鋼等。采用0°方向的碳纖維復(fù)合材料單層板也是一個(gè)較好的方法，它在－196～＋20℃內(nèi)其熱膨脹系數(shù)為10－81/℃。由于頂桿長(zhǎng)度約為50 mm，小于管件試樣的1/10，而且經(jīng)受溫度為梯度分布，其影響可以忽略。如果要求測(cè)量精度較高，對(duì)于徑向熱膨脹系數(shù)測(cè)量，可以進(jìn)行修正，即將頂桿在管件同樣溫度范圍的變化量與管件變化量相加，式（1）中Δl＝Δl1＋Δld改為對(duì)應(yīng)溫差變化的管件長(zhǎng)度變化和頂桿變化之和。值得提出的是，當(dāng)頂桿長(zhǎng)度變化與管件變化相反時(shí)，其變化總量應(yīng)該相減。

4 結(jié)論

（1）作者提出的測(cè)試方法可用于低溫下大型工件的低溫?zé)崤蛎洔y(cè)試，在沒(méi)有其他較好的測(cè)量方法時(shí)，這種試驗(yàn)方法可以解決實(shí)際管件的低溫?zé)崤蛎洔y(cè)試問(wèn)題。即使存在一定的誤差，但比起管件整體測(cè)量和管件取樣測(cè)量的差別來(lái)說(shuō)卻是相對(duì)較小的，應(yīng)為那種誤差可以超過(guò)數(shù)量級(jí)的大小。當(dāng)溫度較低時(shí)，須考慮低溫對(duì)于千分表和頂桿的影響和修正，采用熱膨脹系數(shù)較小的材料或已知熱膨脹系數(shù)的材料來(lái)制作頂桿是個(gè)較好的方法。

（2）對(duì)于碳/環(huán)氧復(fù)合材料管件或其他成形工件，要準(zhǔn)確了解其熱膨脹性能，應(yīng)進(jìn)行整個(gè)管件的熱膨脹測(cè)試。從工件中取樣測(cè)試與對(duì)整個(gè)工件測(cè)試數(shù)據(jù)存在很大差別。

（3）碳纖維復(fù)合材料及部件，經(jīng)過(guò)高低溫循環(huán)“老化”鍛煉后，熱膨脹系數(shù)變小。這種“老化”可作為一種處理工藝，用于降低碳纖維材料和部件的熱膨脹系數(shù)。

[1]沃西源.國(guó)外先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展及其在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].航天返回與遙感,1994,15（3）:53～62.

[2]田海英，關(guān)志軍，丁亞林，等.碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于航天光學(xué)遙感器遮光鏡筒[J].光學(xué)技術(shù)，2003，29（6）：704～706.

[3]沃西源，涂彬。碳/環(huán)氧復(fù)合材料薄壁細(xì)長(zhǎng)管件的研制與試驗(yàn)[J].航天返回與遙感,2006,27（3）:47～50.

[4]張建可.樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的熱物理性能之一——熱膨脹[J]，中國(guó)空間科學(xué)技術(shù)，1987，（5）：45～50.

[5]張建可.樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的低溫性能[J]，低溫工程，1989，（4）：49～55.

[6]韓軍，冀勇夫，朱賢，等.固體材料低溫?zé)崤蛎浵禂?shù)的測(cè)定[J]，低溫工程，1980，（3）：1～6.

[7]朱賢，冀勇夫，張建可.幾種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在-196℃～12℃的線(xiàn)脹[J]，真空與低溫，1987，（2）：17～21.