國產(chǎn)高模碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在太陽翼基板上的應(yīng)用研究

楊淑利 濮海玲 邵立民 羅盼 任守志 高鴻

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

（2 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

（3 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094）

文摘 基板是空間太陽電池陣電池電路的安裝基礎(chǔ)，“上下碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)格面板+鋁蜂窩芯+聚酰亞胺膜”是基板的典型結(jié)構(gòu)。高模量碳纖維作為太陽翼核心關(guān)鍵原材料，必須實(shí)現(xiàn)自主可控，避免受制于人。為此，開展了國產(chǎn)高模碳纖維CCM40J-6K/環(huán)氧復(fù)合材料在太陽翼基板上的應(yīng)用試驗(yàn)研究，提出了CCM40J-6K/環(huán)氧復(fù)合材料在產(chǎn)品應(yīng)用上的宏觀力學(xué)、微觀網(wǎng)格抗拉脫、聚酰亞胺膜粘貼等三個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，針對(duì)性地設(shè)計(jì)并實(shí)施了常溫和高低溫交變力學(xué)性能、網(wǎng)格面板節(jié)點(diǎn)結(jié)合力、聚酰亞胺膜粘貼性能以及基板結(jié)構(gòu)熱循環(huán)性能等5 個(gè)方面的測試驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明：CCM40J-6K 太陽翼基板各項(xiàng)力學(xué)性能與進(jìn)口M40JB-6K 相當(dāng)，可以沿用原M40JB-6K 相關(guān)基板成型工藝，單層及多層鋪層基板試驗(yàn)件能夠經(jīng)受高低溫交變及熱循環(huán)惡劣環(huán)境，試驗(yàn)件試驗(yàn)前后力學(xué)性能無明顯變化，且聚酰亞胺膜無脫粘現(xiàn)象，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)拉伸強(qiáng)度國產(chǎn)碳纖維網(wǎng)格面板相比進(jìn)口碳纖維網(wǎng)格面板高18.9%。說明國產(chǎn)碳纖維CCM40J-6K能夠應(yīng)用于太陽翼基板結(jié)構(gòu)研制。

0 引言

空間太陽電池陣是航天器的核心供電設(shè)備，空間太陽電池陣基板是太陽電池片的安裝基礎(chǔ)［1］。多板展開式空間太陽電池陣采用剛性基板，面密度為1.0～1.5 kg/m2，基板占整個(gè)電池陣總質(zhì)量的45%～60%?！颁X蜂窩芯+碳纖維復(fù)合材料網(wǎng)格面板+聚酰亞胺膜”是剛性基板的典型結(jié)構(gòu)（圖1）?；灞砻嫠迟N的聚酰亞胺膜，用以滿足太陽電池與基板間的絕緣要求。

圖1 太陽翼基板組成示意圖Fig.1 Schematic diagram of the composition of the solar array′s substrate

太陽翼基板為太陽電池電路提供支撐和良好的力學(xué)環(huán)境，要求具有輕質(zhì)、高剛度、高強(qiáng)度、大尺寸穩(wěn)定的特性，這些特性主要取決于構(gòu)成基板主要結(jié)構(gòu)的高模量碳纖維。近年來，進(jìn)口高模量碳纖維等原材料日益受限、成本高漲；另外，關(guān)鍵原材料自主可控是航天技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展的前提，往往作為重大型號(hào)研制的前置條件。因此，研究國產(chǎn)高模碳纖維在太陽翼基板上的應(yīng)用研究越來越迫切［2-3］。

文獻(xiàn)［4］研究 了3 種國 產(chǎn)（CCM40J，CCM40，CCM46J）和1 種進(jìn)口（東麗M40JB）高模碳纖維的表面特性及結(jié)晶結(jié)構(gòu)，并對(duì)高模碳纖維與環(huán)氧樹脂的微觀界面及復(fù)絲力學(xué)性能進(jìn)行了研究，但并未闡述這幾種國產(chǎn)碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料適合應(yīng)用的對(duì)象。文獻(xiàn)［5］針對(duì)太陽翼基板用進(jìn)口HM40-3K/環(huán)氧TDE-86、國產(chǎn)BSCHM40-3K/環(huán)氧TDE-86 兩種復(fù)合材料對(duì)固化吸膠過程吸膠系統(tǒng)的設(shè)定和含膠量進(jìn)行了分析，但也指出不同的纖維、樹脂組合需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整吸膠系統(tǒng)，纖維與樹脂的浸潤性越好，纖維與樹脂的結(jié)合力越大。

本文以進(jìn)口M40JB-6K碳纖維為對(duì)比對(duì)象，分析國產(chǎn)CCM40J-6K 碳纖維材料在太陽翼碳纖維網(wǎng)格基板上應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)以及對(duì)應(yīng)的工藝驗(yàn)證、環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證項(xiàng)目，給出試驗(yàn)樣件的研制及驗(yàn)證結(jié)果，以此為基礎(chǔ)明確國產(chǎn)碳纖維應(yīng)用驗(yàn)證項(xiàng)目，擬為產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 兩種碳纖維性能數(shù)據(jù)對(duì)比

M40JB-6K 由日本東麗公司生產(chǎn)，國產(chǎn)CCM40J-6K 由威海拓展纖維有限公司生產(chǎn)，通過國產(chǎn)CCM40J-6K 與M40JB-6K 兩種纖維性能對(duì)比（表1），CCM40J-6K 碳纖維拉伸模量比M40JB-6K 碳纖維高3%，拉伸強(qiáng)度高14%，延伸率優(yōu)于M40JB-6K 碳纖維，CCM40J-6K 碳纖維與M40JB-6K 碳纖維體密度相同。

表1 兩種碳纖維性能對(duì)比表Tab.1 Performance comparison of two kinds of carbon fibers

2 關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)及驗(yàn)證矩陣

根據(jù)M40JB-6K碳纖維應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，高模量碳纖維產(chǎn)品設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)主要包括：不同溫度條件下的整體力學(xué)性能（剛度和強(qiáng)度）、網(wǎng)格面板節(jié)點(diǎn)微觀抗拉脫性能、聚酰亞胺膜粘貼性能等。

為進(jìn)一步證明CCM40J-6K 碳纖維應(yīng)用于太陽翼基板的可行性，根據(jù)前文所述太陽翼基板設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，圖2 給出了開展的工藝驗(yàn)證矩陣，需要從CCM40J-6K 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料試驗(yàn)件常溫力學(xué)性能、高低溫交變后的力學(xué)性能、網(wǎng)格面板節(jié)點(diǎn)性能、聚酰亞胺膜粘貼性能、基板試驗(yàn)件熱循環(huán)性能5個(gè)方面進(jìn)行測試及試驗(yàn)，獲得基于CCM40J-6K/環(huán)氧復(fù)合材料的太陽翼基板成型工藝參數(shù)，使之能適應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射段的力學(xué)載荷，以及在軌-170～120 ℃的真空高低溫交變影響［5-8］。

圖2 CCM40J-6K網(wǎng)格纖維試驗(yàn)件驗(yàn)證矩陣Fig.2 Verification matrix of test pieces based on grid pattern of carbon fiber/epoxy

3 CCM40J-6K 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料試驗(yàn)件常溫力學(xué)性能

該項(xiàng)試驗(yàn)主要檢驗(yàn)CCM40J-6K 碳纖維構(gòu)成基板結(jié)構(gòu)后的力學(xué)性能是否滿足總體要求，要求試件結(jié)構(gòu)、成型工藝與真實(shí)產(chǎn)品一致。

CCM40J-6K/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備采用纏繞鋪疊成型工藝，即在控制纏繞張力、纏繞速度和預(yù)定線型的條件下，將連續(xù)的高模量碳纖維絲束浸漬環(huán)氧樹脂膠液、連續(xù)地纏繞在相應(yīng)制品尺寸的芯模上，然后對(duì)其進(jìn)行裁剪下料、鋪疊成型，最后在加熱條件下使之固化制成相應(yīng)尺寸的CCM40J-6K/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料網(wǎng)格面板制品。

試驗(yàn)件為碳纖維網(wǎng)格面板鋁蜂窩芯夾層結(jié)構(gòu)，上下面板為單層正交碳纖維網(wǎng)格面板（CCM40J-6K碳纖維/環(huán)氧樹脂），夾層為鋁蜂窩（高度24 mm），如圖3及圖4所示。

圖3 太陽翼基板試驗(yàn)件規(guī)格Fig.3 Specification of solar array’s substrate

圖4 力學(xué)性能試驗(yàn)件Fig.4 Test pieces of solar array’s substrate for mechanical property test

測量太陽翼基板試驗(yàn)件彎曲剛度采用三點(diǎn)外伸法。彎曲強(qiáng)度測試采用四點(diǎn)加載，按《夾層結(jié)構(gòu)及芯子性能試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示?？傻贸鋈缦陆Y(jié)論：

表2 CCM40J-6K碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料試驗(yàn)件常溫測試結(jié)果1）Tab.2 Results of test pieces based on carbon fiber/epoxy composite at room temperature1）

（1）對(duì)于網(wǎng)格間距均為6 mm×4 mm 的試驗(yàn)件，鋁蜂窩L向沿長邊比鋁蜂窩W向沿長邊的試驗(yàn)件彎曲剛度高2.4%，剪切剛度高52%，破壞載荷高7.6%，彎曲強(qiáng)度高7.5%；

（2）對(duì)于網(wǎng)格間距均為5.3 mm×3.8 mm 的試驗(yàn)件，鋁蜂窩L向沿長邊比鋁蜂窩W向沿長邊的試驗(yàn)件彎曲剛度高8.1%，剪切剛度高71%，破壞載荷高0.4%，彎曲強(qiáng)度高0.5%；

（3）在同一網(wǎng)格間距下，鋁蜂窩L向沿試驗(yàn)件長邊方向可大幅提升試驗(yàn)件的剪切剛度，而彎曲剛度、破壞載荷、彎曲強(qiáng)度有小幅增大；

（4）對(duì)于鋁蜂窩L向均沿長邊方向，網(wǎng)格間距5.3 mm×3.8 mm相比網(wǎng)格間距6 mm×4 mm 的試驗(yàn)件彎曲剛度高10.3%，剪切剛度高7.4%，破壞載荷高5%，彎曲強(qiáng)度高5%；

（5）對(duì)于鋁蜂窩W向均沿長邊方向，網(wǎng)格間距5.3 mm×3.8 mm相比網(wǎng)格間距6 mm×4 mm 的試驗(yàn)件彎曲剛度高4.5%，剪切剛度高4.7%，破壞載荷高12.5%，彎曲強(qiáng)度高12.2%；

（6）綜上，在鋁蜂窩方向一致的情況下，網(wǎng)格間距越密，其彎曲剛度、強(qiáng)度、剪切剛度、破壞載荷都有一定程度的增大，相應(yīng)的質(zhì)量也有所增加。這種變化趨勢與進(jìn)口M40JB-6K 碳纖維應(yīng)用情況一致，表明國產(chǎn)CCM40J-6K碳纖維的常溫力學(xué)環(huán)境是滿足設(shè)計(jì)要求及工藝要求的。并且設(shè)計(jì)碳纖維網(wǎng)格間距時(shí)，仍需要綜合考慮基板的力學(xué)性能與質(zhì)量間的最優(yōu)解。

4 CCM40J-6K 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料試驗(yàn)件高低溫交變后的力學(xué)性能

該項(xiàng)試驗(yàn)是在常溫試驗(yàn)基礎(chǔ)上，模擬太陽電池陣在軌進(jìn)出高溫交變環(huán)境，主要檢驗(yàn)CCM40J-6K 碳纖維+環(huán)氧樹脂構(gòu)成基板結(jié)構(gòu)的抗溫度交變及溫度梯度性能，保證經(jīng)歷空間惡劣環(huán)境之后的結(jié)構(gòu)完整性和主要力學(xué)性能。

選取試驗(yàn)件A 及試驗(yàn)件C 各5 件，在液氮罐內(nèi)（～-196℃）浸泡15 min；在室溫停留 10 min；在保溫箱達(dá)到（120±5）℃，保溫120 min；在室溫停留 60 min（恢復(fù)常溫即可進(jìn)行下一循環(huán)試驗(yàn)）；以上過程進(jìn)行6次循環(huán)。

高低溫交變后，按《夾層結(jié)構(gòu)及芯子性能試驗(yàn)方法》測試其彎曲剛度、強(qiáng)度、剪切剛度等力學(xué)性能，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 CCM40J-6K碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料試驗(yàn)件常溫/高低溫交變后的測試結(jié)果1）Tab.3 Results of test pieces based on carbon fiber/epoxy composite at room temperature/high and low temperature1）

由表3可得出如下結(jié)論：

（1）對(duì)于試驗(yàn)件A，高低溫交變后，相比常溫狀態(tài)，其彎曲剛度高3.5%，剪切剛度高11%，破壞載荷低7.1%，彎曲強(qiáng)度低7.2%；

（2）對(duì)于試驗(yàn)件C，高低溫交變后，相比常溫狀態(tài)，其彎曲剛度高9.6%，剪切剛度低1.6%，破壞載荷低4.0%，彎曲強(qiáng)度低4.2%；

（3）試驗(yàn)件在經(jīng)歷高低溫交變后，其彎曲性能、剪切性能、破壞性能略微增加或降低?？偟膩碚f，與高低溫交變前相比，CCM40J-6K 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料試驗(yàn)件的力學(xué)性能未明顯降低，一定次數(shù)的冷熱循環(huán)之后，樹脂或界面的變形已能有效地松弛熱應(yīng)力，力學(xué)性能會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。證明國產(chǎn)碳纖維產(chǎn)品成型后與環(huán)氧樹脂結(jié)合良好，能夠耐受空間高低溫交變的考核。

5 網(wǎng)格面板節(jié)點(diǎn)性能

碳纖維構(gòu)成的網(wǎng)格面板節(jié)點(diǎn)的結(jié)合牢固性體現(xiàn)出材料微觀抗拉脫性能，是保證網(wǎng)格面板結(jié)構(gòu)完整性及平面度的關(guān)鍵。為測試國產(chǎn)碳纖維網(wǎng)格面板節(jié)點(diǎn)抗拉脫性能，需要測試網(wǎng)格十字節(jié)點(diǎn)的拉伸強(qiáng)度。網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)示意圖如圖5所示。節(jié)點(diǎn)拉伸強(qiáng)度=p/(a×b)，式中，p為節(jié)點(diǎn)破壞力，a為節(jié)點(diǎn)長度，b為節(jié)點(diǎn)寬度。

圖5 網(wǎng)格十字節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram of grid cross node

對(duì)兩種碳纖維CCM40J-6K 和M40JB-6K 纖維網(wǎng)格面板進(jìn)行節(jié)點(diǎn)拉伸性能測試，結(jié)果如表4所示。

由表4可得出如下結(jié)論：

表4 網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)拉伸性能測試結(jié)果1）Tab.4 Results of tensile Performance for mesh nodes1）

（1）對(duì)于國產(chǎn)碳纖維CCM40J-6K，環(huán)氧樹脂含膠量31%相比34%，其網(wǎng)格面板的節(jié)點(diǎn)破壞力平均高44.8%，平均節(jié)點(diǎn)拉伸強(qiáng)度高6.1%，因此，環(huán)氧樹脂含膠量越小，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)拉伸強(qiáng)度越大，但環(huán)氧樹脂含量的多少還與碳纖維表面狀態(tài)有關(guān)，在滿足碳纖維能夠完全浸潤的情況下，盡量控制環(huán)氧樹脂含膠量；

（2）在相同環(huán)氧樹脂含膠量情況下，進(jìn)口碳纖維網(wǎng)格面板的節(jié)點(diǎn)破壞力平均高31.3%，平均節(jié)點(diǎn)拉伸強(qiáng)度低18.9%。

6 聚酰亞胺膜粘貼性能

選取試驗(yàn)件共2件（試驗(yàn)件上下碳纖維面板均為單層鋪層，網(wǎng)格間距為4 mm×6 mm），在液氮罐內(nèi)（～-196 ℃）浸泡15 min；在室溫停留10 min；在保溫箱達(dá)到（120±5）℃，保溫120 min；在室溫停留60 min（恢復(fù)常溫即可進(jìn)行下一循環(huán)試驗(yàn)）；以上工藝進(jìn)行9 次循環(huán)，如圖6所示。

完成試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)件表面狀態(tài)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)：試驗(yàn)件中2件試驗(yàn)件背面面板網(wǎng)格十字節(jié)點(diǎn)及基板正面（貼聚酰亞胺膜面）均未發(fā)現(xiàn)有脫粘現(xiàn)象，證明國產(chǎn)碳纖維成型基板后的微觀表面特性滿足聚酰亞胺粘貼要求，能夠?yàn)殡姵仉娐钒惭b提供可靠的安裝基礎(chǔ)。

7 基板試驗(yàn)件熱循環(huán)性能

在材料級(jí)小尺寸試件通過考核基礎(chǔ)上，必須進(jìn)一步驗(yàn)證國產(chǎn)碳纖維在大尺寸基板構(gòu)件應(yīng)用上的適應(yīng)性，為最終在全尺寸太陽翼基板上的應(yīng)用提供證據(jù)。

一般采用具有綜合接口的試驗(yàn)件進(jìn)行驗(yàn)證，研究工作所制作的2件基板試驗(yàn)件如圖7所示。

圖7 基板試驗(yàn)件示意圖Fig.7 Schematic diagram of multi-layer substrate

（1）區(qū)域1為一層網(wǎng)格間距4 mm×6 mm（頂層）。

（2）區(qū)域2 為兩層（頂層+第二層6 mm×4 mm）正交網(wǎng)格。

（3）區(qū)域3 為三層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm ）正交網(wǎng)格。

（4）區(qū)域 4 為四層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm+第四層6 mm×4 mm）正交網(wǎng)格。

（5）區(qū)域5 為三層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm）正交網(wǎng)格。

（6）區(qū)域6 為三層（頂層+第二層6 mm×4 mm+第三層4 mm×6 mm）正交網(wǎng)格且加密蜂窩芯。

選取試驗(yàn)件共2件進(jìn)行測試，如圖8所示。

圖8 基板試驗(yàn)件熱循環(huán)試驗(yàn)Fig.8 The solar array’s substrate for thermal-cycle test

（1）高溫：單點(diǎn)溫度保持在（120±5）℃，且正面監(jiān)控點(diǎn)平均溫度大于120 ℃。

低溫：平均溫度低于-170 ℃（低溫時(shí)不作均勻性要求）。

（2）降溫速率：從高溫工況到低溫工況以設(shè)備的最大能力降溫。

（3）升溫速率：從-165 到80 ℃升溫時(shí)間應(yīng)在45 min左右，最大升溫速率不大于40 ℃/min。

（4）循環(huán)次數(shù)：共12.5次循環(huán)，循環(huán)從低溫開始。

完成試驗(yàn)后對(duì)試驗(yàn)件表面狀態(tài)進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)：2件試驗(yàn)件正反兩個(gè)面的碳纖維正交節(jié)點(diǎn)處的膠接狀態(tài)良好，無脫粘節(jié)點(diǎn)，碳纖維與鋁蜂窩芯的膠接狀態(tài)和聚酰亞胺膜與碳纖維的粘貼狀態(tài)良好，無脫粘和虛粘接問題，證明了國產(chǎn)碳纖維在大尺寸結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用的可行性。

8 結(jié)論

（1）國產(chǎn)CCM40J-6K 碳纖維可以用于太陽翼基板的生產(chǎn)，原有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工藝設(shè)計(jì)滿足產(chǎn)品性能要求，綜合性能與進(jìn)口M40JB-6K相當(dāng)。

（2）在同一網(wǎng)格間距下，鋁蜂窩L向沿試驗(yàn)件長邊方向可大幅提升試驗(yàn)件的剪切剛度，而彎曲剛度、破壞載荷、彎曲強(qiáng)度有小幅增大。

（3）在鋁蜂窩方向一致的情況下，網(wǎng)格間距越密，其彎曲剛度、強(qiáng)度、剪切剛度、破壞載荷都有一定程度的增大，相應(yīng)地，質(zhì)量也有所增加，因此設(shè)計(jì)碳纖維網(wǎng)格間距時(shí)，要綜合考慮基板的力學(xué)性能與質(zhì)量間的最優(yōu)解。

（4）試驗(yàn)件在經(jīng)歷高低溫交變后，其彎曲性能、剪切性能、破壞性能略微增加或降低?？傮w來說，與高低溫交變前相比，CCM40J-6K 碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料試驗(yàn)件的力學(xué)性能未明顯降低，一定次數(shù)的冷熱循環(huán)之后，樹脂或界面的變形已能有效地松弛熱應(yīng)力，力學(xué)性能會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

（5）網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)拉伸強(qiáng)度國產(chǎn)碳纖維網(wǎng)格面板相比進(jìn)口碳纖維高18.9%；環(huán)氧樹脂含膠量越小，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)拉伸強(qiáng)度越大。但環(huán)氧樹脂含量的多少還與碳纖維表面狀態(tài)有關(guān)，在滿足碳纖維能夠完全浸潤的情況下，盡量控制環(huán)氧樹脂含膠量。

（6）國產(chǎn)CCM40J-6K 碳纖維基板試驗(yàn)件順利通過了高低溫?zé)嵫h(huán)試驗(yàn)，且試驗(yàn)前后碳纖維表面均無脫粘。