聚酰亚胺/SiO_2纳米复合抗原子氧气凝胶的合成与性能

以3,3′,4,4′-联苯四酸二酐(sBPDA)和2,2′-二甲基-4,4′-二氨基联苯胺(DMBZ)为聚合单体,八(氨基苯基)聚倍半硅氧烷(OAPS)为交联剂,SiO2纳米粒子为填料,采用超临界二氧化碳干燥工艺制备了一系列聚酰亚胺(PI)/SiO2纳米复合气凝胶(CPIA-SiO2-0~CPIA-SiO2-7)。研究表明:SiO2纳米粒子的引入对PI气凝胶的耐热性能未产生显著的影响。然而,随着SiO2纳米粒子含量的增加,PI气凝胶的孔隙率从89.6%逐渐降低至79.4%,BET表面积也随之从425.5m2/g降低至380.2m2/g,纳米泡孔孔径分布呈现出变宽的趋势。SiO2的引入显著提高了PI气凝胶的抗原子氧侵蚀能力,含量为7%(质量分数,下同)的PI/SiO2复合气凝胶CPIA-SiO2-7的原子氧侵蚀率(2.6%)仅为不含SiO2气凝胶CPIA-SiO2-0的原子氧侵蚀率(12.3%)的1/5左右。     

碳纤维薄壁杆件空间热辐射分析

碳纤维复合材料以其高强轻质等显著特点广泛应用于航天器的结构设计,以空间可展天线框架结构中的碳纤维复合材料薄壁杆件为研究对象,对其空间热辐射环境下的温度场和热变形进行数值模拟;采用分层实体单元和层合板壳单元两种模型进行计算,比较了两种尺度下的温度场和热变形结果,验证了采用层合板整体正交异性热参数和等效壳单元进行计算的适用性,进而可以为整体结构和复杂杆件的计算提供依据;同时也表明:薄壁构件的在轨温度场下的热变形水平满足空间可展天线的形面精度要求。     

形状记忆可展桁架在轨热变形分析研究

本文借助I-DEAS软件建立了针对形状记忆可展桁架的热-结构耦合分析模型,并试验验证了分析模型的准确性。在此基础上,采用多层隔热复合材料作为热控措施,计算分析有/无热控措施及预紧力大小对桁架温度与热变形的影响。结果表明,包覆多层隔热材料效果明显,可将桁架在轨周期内的温度差减小85%,位移差减小80%,有利于对可展桁架进行温控,实现展开与收拢,减小运行期间振动的影响。桁架变形大小由预紧力和热应力共同决定,随着预紧力增大,桁架位移差逐渐减小。     

织物复合材料空间可展桁架模态试验与分析

航天器正朝着大型化、轻量化和模块化的方向发展。由织物复合材料制成的空间可展桁架结构,作为航天器的组成结构有广泛的应用前景。以一个由织物复合材料制成的空间可展桁架结构为研究对象,开展了微重力环境下的模态试验和仿真分析。结构主要由空心圆管、三角形隔板和斜加劲索组成。模态试验采用气动-电磁悬挂系统实现结构重力卸载,模拟微重力环境。仿真分析中,空心圆管由织物复合材料构成,假设为正交各向异性材料结构;三角形隔板由铺层复合材料构成,假设为各向同性材料结构;考虑斜加劲索的预应力对结构刚度及斜加劲索自身有效弹性模量的影响。最终得到的仿真结果与试验对应关系良好,对大型预应力空间可展桁架研究具有参考价值。     

Prony级数形式的形状记忆聚合物有限应变黏弹性本构模型

为考察形状记忆聚合物（SMPs）的有限应变力学特性,将SMPs材料的弹性响应采用Neo-Hookean超弹性本构方程描述,黏性响应采用Prony级数描述,从经典遗传积分形式的黏弹性本构方程出发,推导出有限应变格式的黏弹性本构方程和相应的材料参数拟合公式.采用环氧基形状记忆树脂（ESMP）进行拉伸-松弛试验,利用推导的公式进行非线性拟合得到本构方程的参数.对不同温度下ESMP的黏弹性力学特性进行试验研究,表明在试验温度范围内随温度升高ESMP的初始模量降低,初始模量中黏性部分所占比例降低,但弹性部分模量值基本不变.针对三维的SMPs结构分析问题,基于所推导本构,应用ABAQUS软件建立数值模拟方法.对拉伸-松弛试验进行数值模拟,结果表明所推导的本构方程用于SMPs的大应变分析中具有较高准确性.此外,所推导的有限应变黏弹性本构方程及参数拟合公式也适用于具有黏弹性特点的其他各向同性高聚物.     

基于形状记忆复合材料的空间可展桁架结构研究

形状记忆复合材料具有形变恢复力大、恢复率高、恢复稳定性与可靠性好等优点,可广泛应用于空间可展开结构.本文对形状记忆复合材料及其在空间可展桁架结构中的应用进行了初步研究.利用碳纤维增强形状记忆环氧树脂得到的热致型形状记忆复合材料玻璃化转变温度Tg为94℃,可实现"记忆起始态→固定变形态→恢复起始态"循环过程10次以上.基于所研制的形状记忆复合材料,设计了空间桁架、收拢与展开过程及形状记忆铰接头,并提出了悬挂式桁架展开系统设计方案.     

形状记忆环氧树脂及其四枚缎纹碳纤维织物增强环氧树脂的动态力学性能

采用动态力学分析仪对研制的形状记忆环氧树脂(Shape memory epoxy polymer,SMEP)及三种四枚缎纹碳纤维织物增强环氧树脂复合材料的动态力学性能进行了测试,测出了玻璃化转变温度Tg、储能模量E和损耗角正切值tanδ。试验表明,SMEP及四枚缎纹碳纤维织物增强环氧树脂复合材料均有显著的相变力学行为特征,相变前后E差异超过一个量级,表明其具有良好形状记忆能力。在SMEP中植入碳纤维织物增强复合材料会导致Tg和tanδ降低,而E显著增强;对同一种编织物的形状记忆复合材料经向和纬向的Tg和tanδ基本相同,但E相差较大。     

航天器可展开支撑杆的研制及其收拢展开特性研究

复合材料豆荚杆是一种质量轻、刚度较大、收拢效率高、展开过程可靠的可展开管状杆结构。本工作对豆荚杆进行优化设计,并对多种豆荚杆试件进行性能测试与评估,选取其中综合性能优异的材料体系研制了2m长豆荚杆样机。利用研制的豆荚杆收展控制机构对豆荚杆的收拢-展开性能进行了测试,结果显示玻璃布/FEB豆荚杆可实现多次收拢-展开,其综合性能可基本满足空间可展开结构的性能需求。     

空间可展薄膜阵列天线构型设计与验证

面向空间天线大型化、轻量化需求,设计了杆膜一体卷曲展开薄膜阵列天线可展结构,实现了我国首个薄膜阵列天线在轨验证。首先,采用瑞利-里兹法建立了考虑张力作用的薄膜天线一阶弯、扭、摆振动频率近似解析模型,推导了薄膜天线框架结构的一阶扭转振动频率近似解,指导了薄膜天线结构动力学特性的快速分析与参数设计,相比于非线性有限元法,具有高效便捷的特点。其次,研究了薄膜天线主梁截面半径、框架长宽比、张力大小等特性参数对天线振动频率的影响,给出了结构参数的优选范围,通过仿真和试验方法验证了参数设计的合理性。最后,介绍了薄膜天线在轨展开验证情况,试验表明在卫星姿态机动扰动下天线结构保持稳定,验证了结构设计的可行性。