《耐烧蚀复合材料用碳纤维多向预成型体结构设计、控制、制备及应用》

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项目属复合材料领域,涉及碳纤维预成型体的结构设计、控制、制备及在耐烧蚀复合材料中的应用。高性能复合材料是支撑航空航天飞行器的重要物质基础,在各种类型飞机上的用量日益增加,如787飞机复合材料用量达重量的50%:再如极速飞行在几千度甚至超万度高温环境的航天飞行器,需耐烧蚀类复合材料。针对国外碳纤维(碳布)缠绕复合材料层间力学性能低,易出现烧蚀剥落、冲刷分层问题,国内早先设计了碳纤维三方向垂直正交的预成型体树脂基复合材料,成功应用于航天飞行器。随着战略飞行器增加射程和速度,复合材料在减薄厚度、减轻质量,增加长度的同时,需增加预成型体的纤维体积百分含量,从而提高耐烧蚀性能。研制耐烧蚀性更优的纤维多方向斜交预成型体结构,如碳纤维三维五向预成型体成为耐烧蚀复合材料的研究重点。为适应材料形状,设计的随形状尺寸变化而改变单元数量的预成型体内部存在单元缺失,复合成的材料布满富树脂区,形成贯穿性烧蚀通道。因此,研究三维五向预成型体结构与性能关系、构建单元数量不随外形变化的预成型体设计技术、控制单元缺陷、提高纤维体积百分含量和均匀性成为研制耐烧蚀复合材料的关键、共性技术难题。针对上述研究背景和技术难题,以耐烧蚀复合材料用碳纤维三维五向预成型体研究为目标,研究单元尺寸可变、单元数量不随预成型体变化的结构设计技术,系统解决设计、控制、制备及应用技术难题,获得了如下技术发明:1.发明基于三维五向预成型体纱束运动规律的递减纱束细度,设计单元数量不变、单元尺寸改变的锥形预成型体结构。2.发明多种单元纤维体积百分含量计算方法,开发锥形预成型体纱束轨迹与单元构成、纤维体积百分含量计算和预成型体密度分布的结构优化设计软件,发明不同形状预成型体单元与密度数字化、可视化控制技术。3.设计开发预成型体设备;发明制备拐角预成型体和截面尺寸可扩展预成型体制备方法,实现了碳纤维单元数不变锥形预成型体和石英纤维组合形状预成型体的高质量制备。新研制的锥体取代原三向锥体,纤维体积百分含量提高约11%,小端厚度减薄33.75%,大端厚度减薄51.25%,长度增加50%以上,为航天飞行器小型化、增程50%发挥了关键作用。组合形状预成型体为飞行器机动飞行提供了保障。项目发明的技术提高了中国耐烧蚀复合材料研究水平和应用性能,增强了国防防御能力和威慑力量,意义深远,效益巨大。项目获授权发明专利4项,登记软件著作权4项;发表研究论文10余篇。成果通过中国建筑材料联合会组织的技术鉴定,以中国工程院院士、航天飞行器设计专家刘连元为组长的专家组认定:综合技术达到国际先进水平,其中开发的可变单元技术居国际领先;成果还通过国防科工局组织的鉴定,专家组认定:综合水平达到国际先进。其中,减细纤维束编织技术,锥形预成型体微结构研究,纤维体积百分含量计算与可视化技术,锥形预成型体均匀性控制技术处于国际领先水平。

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