耐高溫復合材料在火星探測器著陸器減速傘筒蓋結構上的應用

劉陽同 殷永霞 孫東華

（北京空間機電研究所，北京 100076）

0 引言

筒蓋是火星探測器著陸巡視器傘系減速分系統彈傘筒的重要組成部分，其主要功能是對降落傘進行密封和熱防護，并在著陸器動力下降段彈射拉出減速傘，進而降低著陸巡視器速度，穩定著陸器姿態。筒蓋厚10 mm，最大直徑645 mm，主體結構采用碳纖維復合材料蒙皮∕鋁蜂窩夾層結構形式一體成型，外側邊緣8處開口用室溫膠黏劑粘貼玻璃纖維布和鋁合金連接片，整體噴涂防熱層和熱控漆（結構形式和產品實物見圖1、圖2）。筒蓋與彈傘筒要有足夠的連接強度，同時又不能太強，因為要保證能夠順利被傘包頂開。

圖1 筒蓋結構形式Fig.1 Structure of the cylinder cover

圖2 筒蓋產品實物Fig.2 Physical product of the cylinder cover

從地面研制到發射，筒蓋跟隨探測器經過空間飛行最終到達火星，經歷存儲環境、近地環境、行星際環境和火星環境［1］，其上使用的樹脂和膠黏劑也將伴隨經歷各種相關環境因素作用。當前太空器結構制造普遍使用的環氧樹脂具有工藝性好、耐腐蝕、力學性能高及韌性好等特點，可在130 ℃以下長期使用。隨著深空探測任務帶來的設計要求的提高，環氧樹脂和膠黏劑耐溫性已不能滿足本任務的使用要求。聚酰亞胺樹脂可以在280～450℃的溫度范圍內長期使用，但其工藝性明顯低于環氧樹脂［2］。綜合考慮下，可在175～230 ℃長期使用的雙馬樹脂復合材料成為更優選擇，其在美國F-22、F-35等先進航空器結構上已有大量應用。在這個背景下，北京空間機電研究所復合材料專業經過一系列新型材料體系應用技術研究和工藝驗證，成功采用新型的耐高溫雙馬樹脂體系代替環氧樹脂，輔以新型耐高溫膠黏劑，將筒蓋的使用溫度提高到200 ℃，該產品已用于“天問一號”火星探測器［3］。

本文以筒蓋結構用耐高溫樹脂和膠黏劑應用研究為背景，分別研究樹脂和膠黏劑的匹配性、T300∕雙馬樹脂復合材料和蜂窩夾層結構的力學性能、耐空間環境性能，并研發制品的成型工藝。

1 實驗

1.1 原材料

QY8911 雙馬來酰亞胺樹脂（a 狀態），中航復合材料有限公司；T300-3k碳纖維；J-168-1室溫固化膠黏劑、J-245C 改性氰酸酯膠膜、J-245D2改性氰酸酯泡沫膠，黑龍江省科學院石油化學研究院；LF2Y 防銹鋁蜂窩，西安雅西復合材料有限責任公司。

1.2 性能指標要求

根據任務環境條件提出的筒蓋原材料性能及產品設計指標要求如表1所示。

表1 筒蓋原材料及產品設計性能指標要求Tab.1 Raw material/product performance requirements of the cylinder cover

此外，經歷溫度交變、輻照等空間環境模擬試驗后，原材料及產品的力學性能保持率應高于80%，確保筒蓋的耐空間環境性能。

1.3 試樣制備

1.3.1 膠黏劑力學性能試樣

利用J-168-1膠黏劑制備拉伸剪切試樣，利用J-245C 膠膜制備拉伸剪切試樣、90°剝離強度試樣，利用J-245D2泡沫膠制備管剪試樣。

1.3.2 T300/QY8911無緯布

選用日本東麗T300-3k 高強碳纖維和QY8911雙馬樹脂分別作為增強材料和樹脂基體，采用濕法輥筒式排布法，制備面密度（106±3）g∕m2、含膠量（38±3）%、揮發分含量≤2%、厚度0.1 mm 的預浸無緯布，確保纖維絲束均勻，無間隙。

1.3.3 T300/QY8911復合材料單向板

將制備得到的0.1mm 厚T300∕QY8911預浸無緯布裁剪成尺寸為500 mm×500 mm 的單向布，參照Q∕WB150－2002《碳纖維∕環氧樹脂復合材料層合板制備工藝規范》手工鋪層，確保纖維角度偏差不超過±1°，采用真空袋－熱壓罐法制備厚度為2 mm 的單向板坯料。脫模后按照力學性能測試標準將單向板坯料加工成測試用的標準試件。

1.3.4 T300/QY8911面板－鋁蜂窩夾層結構試件

將厚度為0.1 mm的T300∕QY8911無緯布預浸料按照［0°∕+60°∕-60°］s裁剪鋪層為600 mm×700 mm的層合板，共6層，采用真空袋－熱壓罐法固化成型。出爐修整好的碳面板經表面處理后貼J-245C膠膜，裝配鋁蜂窩封裝，采用真空袋－熱壓罐法固化成型。脫模后按照力學性能測試標準加工成測試用的標準試件。

1.4 性能測試

1.4.1 J-168-1、J-245膠黏劑力學性能

按照表2所示測試項目和測試標準，分別在室溫、-135 和200 ℃環境條件下開展J-168-1、J-245 膠黏劑的力學性能測試。

表2 J-168-1、J-245膠黏劑的力學性能測試項目及標準Tab.2 Mechanical properties test and standard of J-168-1，J-245

1.4.2 T300/QY8911復合材料單向板性能

T300∕QY8911復合材料單向板0°拉伸強度和模量按照《定向纖維增強聚合物基復合材料拉伸性能試驗方法》（GB∕T3354－2014）測試；彎曲強度、彎曲模量按照《定向纖維增強聚合物基復合材料彎曲性能試驗方法》（GB3356－2014）測試；層間剪切強度按照《纖維增強塑料短梁法測定層間剪切強度》（JC∕T773－2010）測試。

1.4.3 T300/QY8911面板－鋁蜂窩夾層結構性能

蜂窩夾層結構的平面壓縮強度按照《膠接鋁蜂窩夾層結構和芯子平面壓縮性能試驗方法》（GJB 130.5—86）測試；彎曲強度和彎曲模量按照《膠接鋁蜂窩夾層結構彎曲性能試驗方法》（GJB 130.9—86）測試。

1.4.4 耐空間環境性能

膠黏劑、T300∕QY8911復合材料單向板和蜂窩夾層結構的耐空間環境性能測試包含三項：（1）耐帶電粒子輻照，測試條件為總吸收劑量1×106rad（Si），模擬源為γ 射線源（60Co）；（2）高低溫交變，溫度范圍在-135～+135 ℃，最高和最低溫度保持4 h，循環25.5次，最后一上升循環升溫至200 ℃；（3）真空放氣性能，參照《真空中材料揮發性能測試方法》（QJ1588－88）測試。試驗完成后，按照上述各試樣力學性能測試標準測試其經空間環境模擬實驗后的室溫力學性能，并評估力學性能保持水平。

2 結果與討論

2.1 J-168-1、J-245膠黏劑力學及耐空間環境性能

表3 為J-168-1、J-245 膠黏劑力學性能測試結果，可見膠黏劑各項性能均滿足指標要求，經帶電粒子輻照試驗后兩種膠黏劑的力學性能略有下降，但力學性能保持率均高于80%；經溫度循環試驗后兩種膠黏劑的力學性能保持率均高于90%。

表3 J-168-1、J-245膠黏劑力學性能及耐空間環境性能Tab.3 Mechanical properties/space environment resistance properties of J-168-1，J-245

J-168-1膠黏劑與當前航天器常用的J-133膠黏劑相比黏度略大，這對于提高結構的膠接性能是有幫助的；該膠黏劑各組分在室溫下充分混合0.5 h 黏度隨時間明顯增加，適用期滿足操作要求。

經歷輻照后，J-245C膠膜90°剝離強度出現一定程度的提高，這是由于膠黏劑在受輻照后發生交聯反應，導致聚合物形成三維網狀結構，物理表現為膠黏劑的拉伸彈性模量和硬度增加［4］。

2.2 T300/QY8911 復合材料單向板力學及耐空間環境性能

單向板制備過程中發現，QY8911雙馬樹脂膠液密度在0.95～0.96 g∕mL時制備的無緯布含膠量可以達到40%左右，同時無緯布的外觀質量較好，通過鋪貼試驗發現無緯布粘性較好，易于鋪貼。制備得到的2 mm單向板試件表面平整、無翹曲，厚度均勻（1.9～2.1 mm）。觀察拋開后的試件發現內部質量良好、致密，無氣泡和孔隙，質量法測試其纖維體積分數為60.8%～62.1%。

表4 為T300∕QY8911 復合材料單向板力學性能和經空間環境試驗后的性能。由此可見，T300∕QY8911 復合材料單向板的0°拉伸強度、模量、彎曲模量、層間剪切強度均高于設計指標要求?？臻g環境對樹脂基體的影響較大，因此選取彎曲性能和層間剪切性能兩項測試項目來考核空間環境試驗前后的室溫復合材料力學性能的變化，并從結果來看，經歷空間環境試驗后復合材料的力學性能保持率均高于90%，滿足使用指標要求。

表4 T300/QY8911復合材料單向板力學性能Tab.4 Mechanical properties of T300/QY8911 CFRP unidirectional laminates

對于試樣的彎曲性能來說，由于復合材料整體受輻照、溫循后變硬、變脆及層間粘接性能下降，因此，彎曲強度有所增加而模量有所下降。對于試樣的層間剪切強度來說，由于輻照、溫循后試樣脆性增加，使復合材料的層間粘接較易破壞，進而導致層間剪切強度略有下降，但降幅極小。

2.3 蜂窩夾層結構力學性能及耐空間環境性能

表5 為T300∕QY8911 面板－鋁蜂窩夾層結構力學性能和經空間環境試驗后的性能。由于蜂窩夾層結構的平壓強度由蜂窩芯子的規格決定，經歷空間環境試驗后的性能基本不變，滿足指標要求。蜂窩夾層結構的彎曲剛度和剪切剛度可以直觀反映T300∕QY8911 復合材料與J-245C 膠膜的適用匹配性，從測試結果可以看出，力學性能與同類型產品基本一致，經歷空間環境試驗后的力學性能保持率也均高于80%，滿足使用指標要求。

表5 蜂窩夾層結構力學性能Tab.5 Mechanical properties of honeycomb sandwich structure

2.4 復合材料真空放氣性能

表6為膠黏劑及T300/QY8911復合材料單向板真空放氣性能。從表6可以看出J-168-1膠黏劑、J-245系列膠黏劑和T300∕QY8911復合材料總的質量損失、可凝揮發物含量和水蒸汽回收率均滿足指標要求，表明膠黏劑和復合材料在真空條件下有一定質量損失，這是復合材料制備時殘留的微量有機溶劑和在空氣中吸附的水分在真空中揮發導致的［5］。

表6 膠黏劑及T300/QY8911復合材料單向板真空放氣性能1）Tab.6 Vacuum performance of adhesive and T300/QY8911 CFRP unidirectional laminates

3 結論

（1）T300∕QY8911無緯布裁剪、鋪層、模壓等工藝可行性良好，復合材料層合板制備工藝性良好。

（2）膠黏劑的可操作性良好，各項性能測試結果均滿足設計要求，與QY8911 雙馬樹脂的耐溫匹配性良好，可以用于耐高溫航天器結構復合材料成型。

（3）筒蓋蜂窩夾層結構的成型工藝可行性良好，力學性能穩定，耐高溫、耐空間環境性良好，最高瞬時使用溫度可達200 ℃，滿足火星探測任務各階段的環境和力學性能要求，對后續型號任務的材料及工藝制定提供了良好選擇。