【技术干货】高模碳纤维/氰酸酯复合材料及其在欧洲太空计划中的应用

摘要

高强高模碳纤维又称石墨纤维，是一种含碳量99%以上高性能碳纤维，相比较于沥青基碳纤维中沥青呈易石墨化特质，PAN是一种难石墨化材料，因此PAN基高强高模碳纤维的制备难度极高。

但PAN基高强高模碳纤维具有优异特性，如高模量可赋予其结构件高刚度，低膨胀特性可实现高低温环境下零变形，因此目前国内外航天卫星系统广泛采用PAN基高强高模碳纤维材料。

在航天卫星器领域与高强高模碳纤维搭配最常用的树脂体系为氰酸酯树脂，本文主要介绍氰酸酯树脂体系特征、树脂基体机械性能、吸湿性能；最后介绍了欧洲太空计划中常用的高强高模碳纤维和氰酸酯树脂牌号。

氰酸酯树脂材料概述

氰酸酯树脂是目前常用热固性树脂体系如环氧树脂、双马树脂等的很好补充，它可以为飞机和航天器结构提供优异的物理特性，与环氧树脂相比，氰酸酯树脂优异性能体现在：

※ 韧性好；

※ 吸湿性低；

※ 对微裂纹抵抗力加强，尤其是在超高模量碳纤维复合材料中。

上述优异性能与Code 69、Fiberite934等第一代脆性环氧树脂相比，性能优势尤为显著。而与第二代环氧树脂相比，氰酸酯增韧性能改进并不明显。但是由于氰酸酯树脂的密度比环氧树脂低，因此可使最终复合材料密度下降约5％。

国外主要氰酸酯树脂生产厂家的树脂牌号、工艺参数及应用领域如表1所示。

表1 国外氰酸酯树脂牌号及应用领域

氰酸酯树脂力学性能

2.1 力学性能

氰酸酯树脂的刚度和强度可与传统环氧树脂相媲美，其主要区别在于氰酸酯发生破坏应变较高，一般在2％至5％的范围内。从理论上讲，结合这种特性通过提高横向铺层的抗破坏和抗分层能力可赋予复合材料良好的韧性。

2.2 吸湿性

由于环氧树脂具有较高的吸湿性能，高水分吸收后的环氧树脂相当于Tg下降和湿膨胀系数（coefficient of moisture expansion，CME）较高。而高湿膨胀系数对于尺寸稳定性要求高的结构件是非常不利的，因此氰酸酯的出现就可以很好解决该问题。

表2比较了YLA RS3型氰酸酯树脂和第一代脆性环氧树脂Fiberite 934的吸湿性，从中可以看出，RS3树脂的吸湿量仅为934的20％，吸湿曲线如图1所示。

表2 氰酸酯树脂与环氧树脂吸湿量对比

图1 氰酸酯树脂与环氧树脂吸湿曲线

常见树脂体系吸湿量如下：第一代环氧树脂（如Fiberite 934和Code 69）为7％；第二代（增韧）环氧树脂如 Vicotex M18为5％；氰酸酯如 Fiberite 954和YLA RS3为2％；高稳定热塑性树脂如PEEK为1.5%。

2.3 抗微裂纹性

在反复交变的高低温环境下，如从‐180°C到 130°C，超高模量碳纤维增强环氧树脂基复合材料（UHM CFRP）会产生微裂纹，而这对高刚度、尺寸稳定要求高的结构会产生有害效应。

在固化的层压板中，微裂纹通常出现在90°层和0°层。有数据表明，氰酸酯复合材料的微裂纹较之环氧树脂会大大降低。但由于氰酸酯树脂与沥青基高模碳纤维（如XN50A）之间的界面粘合力，可能与PAN基高模碳纤维（如东丽M55J）制成的复合材料不同。

碳纤维增强氰酸酯树脂基复合材料内部的微裂纹程度主要取决于：层压加工；层压板的结构和厚度；极端温度；热循环次数等。

欧洲太空计划中的碳纤维与氰酸酯体系

对于航天飞行器中的尺寸稳定结构，如天线，反射镜和光学设备等，均需要使用具有超高模量碳纤维（拉伸模量＞500GMPa，如东丽M55J模量为540GPa）的预浸料体系。

在欧洲太空计划中，已经应用或正在研究应用的超高模量碳纤维复合材料主要体系型号包括：954-3 / M55J，RS3 / M55J，M22 / M55J，954-3 / K135，M22 / K135等。

常用的超高模量碳纤维除了熟悉的M55J级碳纤维拉伸强度4.02GPa、拉伸模量540GPa外，K135是由日本三菱提供沥青基碳纤维，拉伸强度3.6GPa、拉伸模量620GPa。树脂采用的是 954-3以及RS3 、RS3 型氰酸酯。

此外，在飞行器发射过程中，高强中模碳纤维增强氰酸酯复合材料也获得了一定的应用，如低温燃料箱。

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