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                    航天碳纖維管的斷裂失效分析
                    來源:鑫達輝 | 作者:xindahuiboqian | 發布時間: 2022-04-22 | 234 次瀏覽 | 分享到:
                    碳纖維管?復合材料相比于金屬材料密度小、比強度和比剛度高,并且在真空條件下質損率低、熱膨脹系數小,更加符合現代航天器的要求,被廣泛應用于航天領域中的衛星天線、衛星本體、太陽電池陣基板結構等航天器重要組成部分。

                    碳纖維管復合材料相比于金屬材料密度小、比強度和比剛度高,并且在真空條件下質損率低、熱膨脹系數小,更加符合現代航天器的要求,被廣泛應用于航天領域中的衛星天線、衛星本體、太陽電池陣基板結構等航天器重要組成部分。

                    碳纖維管廠家

                    一、碳纖維管性能試驗分析

                    衛星天線結構為驗證其展開功能和承載能力,在其研制過程中需經歷多次展開、收攏和力學試驗,使其承受循環載荷、壓彎組合變形、振動等復雜的力學環境。該天線結構在完成收攏狀態力學振動試驗后,進行第60次展開試驗的過程中,其重要組件碳纖維管發生了折損。該碳纖維管為碳纖維復合材料,碳纖維管長1492.7mm、壁厚0.6mm、內徑(24±0.05)mm,該碳纖維管采用7層鋪層結構,5層纏繞層(±15層°和90°層)和2層鋪覆層(0°層)。纏繞層采用M40J碳纖維絲束浸漬環氧樹脂通過纏繞工藝制備。

                    本研究通過失效件與比對件的彎曲試驗、宏觀觀察、金相分析等,確定碳纖維管的失效模式,并對其失效原因進行分析。

                    二、碳纖維管失效分析

                    對分解下來的失效碳纖維管進行目視觀察發現碳纖維管發生了向下彎曲變形開裂,彎曲角度約25°,圓管變形呈扁平狀,斷裂處的裂紋沿鋪層方向擴展,彎曲部位內側表面約3/4周范圍存在斷裂及層間開裂現象,斷裂處附近沿軸向長約40mm(彎裂處兩側各約20mm)的范圍內可見不同程度的層間開裂現象,斷裂處纖維束參差不齊,部分呈翹起、錯位狀態;采用游標卡尺對失效碳纖維管壁厚進行測試,結果為0.61~0.70mm,符合設計要求。

                    為了考核失效碳纖維管其他部位的彎曲性能,在失效碳纖維管未開裂區域和比對碳纖維管(同種加工工藝,未使用碳纖維管)上分別截取部分試件進行三點彎曲性能試驗,加載后試件發生彎曲變形,卸載后試樣彎曲破壞位置趨向恢復原態。對試驗后的2個三點彎曲試件分別進行宏觀形貌觀察,可見,其宏觀形貌基本一致,且與失效件破壞特征基本相同。2個彎曲試樣的彎曲性能測試,結果表明失效碳纖維管未開裂區域與比對碳纖維管三點彎曲破壞載荷相當,未見明顯差異。

                    在失效碳纖維管及比對碳纖維管上分別取樣制備成金相試樣進行內部結構觀察,結果表明2個試樣橫截面上均可見7層明顯鋪層、纖維分布較均勻,未見明顯分層及層間開裂現象,但均存在少量孔隙。采用圖像分析儀對2個試樣纖維體積含量及孔隙率分別進行測試,結果表明,2個試樣的纖維體積含量均符合設計要求(≥55%)。此外,軍品用樹脂基復合材料的孔隙率要求一般小于2%,失效件與比對件的孔隙率均在此范圍內,但失效件的孔隙率較比對件明顯偏高,個別的孔隙較大。

                    三、總結

                    碳纖維管在第60次試驗之前已經發生鋪層層間損傷及局部開裂或斷裂。由于經過了多次反復的應力作用,源區狀態已發生變化,已無法判定源區是否有原始缺陷存在。但碳纖維復合材料碳纖維管在制備過程中不可避免會存在一定的氣孔缺陷,且失效件明顯高于比對件。當其在后續進行收攏態振動及反復展開、收攏試驗的過程中,碳纖維管承受循環載荷、壓彎組合變形、振動等復雜的力學環境,在應力作用下開始萌生裂紋并逐步發生擴展,尤其是在反復展開、收攏的試驗過程中,碳纖維管在反復加載的軸向壓縮-彎曲載荷的作用下發生彎曲變形,在變形集中區缺陷發生擴展并逐步形成分層開裂損傷,使局部區域剛度下降,在后續使用中分層開裂損傷進一步加劇,導致碳纖維管的整體剛度逐漸下降,最終在第60次展開試驗中發生彎曲失穩破壞。

                    以上就是航天碳纖維管的斷裂失效分析的介紹,如果想要了解更多關于碳纖維管的信息,歡迎聯系我們。

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