可折叠复合材料豆荚杆的制备与验证.pdf

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1、航空学报ActaAerOnauticaetAstrOnauticaSinicaJuIy252011VoI．32No．71217—1223ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：∥hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn文章编号：1000—6893(2011)07—1217一07可折叠复合材料豆荚杆的制备与验证白江波1’2，熊峻江1’*，高军鹏2，益小苏2，张子龙2，何先成2，刘志真2，李雪芹21．北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京1001912．北京航空材料研究院先进复合材料

2、国防科技重点实验室，北京100095摘要：为研制可折叠、自动展开复合材料豆荚杆，对其设计、制备技术进行了探索，并完成了功能实验验证研究。根据豆荚杆使用条件和环境，确定了超薄复合材料结构，通过真空袋法和胶结工艺，制备了豆荚杆。采用有限元法进行了轴向压缩承载能力分析计算，验证了制件可以满足设计指标要求；完成了其在室温下的压扁、卷曲和自动恢复形状的功能实验验证；通过扫描电镜(SEM)照片和红外(IR)图谱，分析和讨论了其功能机理。研究结果表明，超薄可折叠复合材料豆荚杆满足功能要求。关键词：复合材料；豆荚杆；承载能力，功能实验；可

3、折叠中图分类号：V258；TB332；0242文献标识码：A复合材料与传统材料相比，具有性能与功能可设计性等特点，通过合理设计，可得到性能高、功能优异的复合材料制件[1q]。高性能复合材料制件由于重量轻、性能高、功能优异，在航天器上正得到日益广泛的应用[5。]，可折叠、并依靠自身弹性能自动展开的复合材料薄壁支撑结构就是一个例子，它由德国宇航中心(DLR)最先开发，由两个“Q”型壳结构通过胶接而成的可收拢的薄壁管状件。该结构最大的特点是可以依靠收拢时储存的弹性能自动展开，并能存放在很小的空间内，还具有超轻质量、高弯曲和高扭转

4、刚度等特点，因此，豆荚杆被更多地应用于航天领域，特别是为航天器大尺寸可展开支撑结构的应用提供新的重要技术手段[8。1扪。可折叠和自动展开的豆荚杆结构虽然比较简单，但在制备工艺和功能验证上却有工程技术难题需要解决，如材料(树脂、纤维和胶粘剂)的选择要满足：①大变形卷曲后不破坏；②自动展开后具有高刚度；③适应太空环境；④工艺可行性等。功能验证实验测试方面包括地面、地球轨道和太空测试，每一项测试均有各自的技术难度。尽管DLR和美国宇航局喷气推进实验室(NASA／JPL)在此方面做了大量的工作[11’13以5‘，但对于豆荚杆的材料

5、选取、制备工艺和验证技术方面的详细报道不多。本文工作就是以复合材料豆荚杆作为对象，系统地研究了材料选取、工艺选择以及功能实验验证技术，并分析了其功能机理。1制备过程复合材料豆荚杆属于薄壁的长尺寸结构，从收稿日期：2010-11-19：退修日期：2010-12．31：录用日期：2011-03—28；网络出版时间：20”-04·1215：28：44网络出版地址：www．∞¨net／kcms／detai

6、／111929V．20110412．1528001．htmIDOI：CNKl：11·1929／V．20”0412．1528．0

7、01基金项目：国家“973”计划(2010cB631100)；国家自然科学基金(印50603)；航空科学基金(20095251024)*通讯作者．Tel．；010·82316203E-ma¨：jjxiong@bu∞．edu．∞寻

8、用謦武l白江波．熊峻江．高军鹅．等。可折叠复合材辩置荚杆的刺备与验证[J]．航空学报。2011。32(7)：1217-1223．8aIJiang·bo．xiongJunj

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17、_∞etAstrOnaut}casinIca。20¨．32(7)；1217-1223．航空学报JuIy252011VoI．32№．7工艺可行性和成本等因素考虑，不适合采用树脂传递模塑成型(RTM)工艺，比较适合使用热压罐或者真空袋法等工艺。豆荚杆的使用条件为太空环境，温度范围在一80～100℃之间。在太空使用展开前，豆荚杆处于折叠收拢状态，存在较大的变形，综合以上因素，选择韧性和温度范围均符合要求的经过热塑性树脂增韧[16。17]的一种高温环氧体系树脂基复合材料，

18、长期使用温度范为一55～100℃(主要针对航空环境设定的温度范围)，可承受的最低温度可以更低。选择成型方法除了考虑制备高质量的豆荚杆外，还需要尽量降低成本，因此，提出用真空袋法成型：先制作半片，然后胶接成豆荚杆(几何尺寸如图1所示)。具体制备工艺流程为：在模具上铺覆预浸料(如图2(a)所示)；铺覆完毕后