力-热-化多场耦合作用下碳纤维复合材料液氧相容性机理研究

Composite liquid oxygen tanks and pressurized gas cylinders will significantly improve the carrying efficiency of rocket and reduce launch cost, but the compatibility of composites with liquid oxygen is a key issue to be considered before application. Under the actual working conditions of liquid oxygen tank and pressurized gas cylinder, the composite needs to withstand internal pressure, ultra-low temperature and liquid oxygen oxidation. As a result, the liquid oxygen compatibility of composites will become more serious under this mechanical-thermal-chemical coupling fields. In this project, the liquid oxygen impact test will be carried out to study the liquid oxygen compatibility mechanism of composites under mechanical-thermal-chemical coupling fields. Then, the local hot spot formation mechanism of composites under high energy impact will be revealed through the numerical simulation of impact process of composites. In addition, the factors affecting the liquid oxygen compatibility of composites will be analyzed by mathematical statistics analysis method to develop the safety evaluation method for composites used in liquid oxygen environment. The above research work will help provide critical theoretical basis and reliable experimental data for the design, manufacture and safe application of composite liquid oxygen tanks and pressurized gas cylinders.

复合材料液氧贮箱和增压气瓶将显著提高火箭运载效率、降低发射成本，而复合材料与液氧的相容性问题是其应用前首要考虑的关键问题。在液氧贮箱和增压气瓶的实际使用工况下，复合材料需同时承受内压作用、超低温作用和液氧氧化作用，在这种力-热-化多场耦合作用下，复合材料与液氧的相容性问题将更为突出。本项目以力-热-化多场耦合作用下碳纤维复合材料液氧相容性机理作为科学问题，执行高应力-应变状态下复合材料的液氧冲击敏感性实验，开展力-热-化多场耦合作用下复合材料液氧相容性机理研究；建立复合材料三维实体有限元模型，开展高能冲击下复合材料局部热点形成机制研究；分析复合材料液氧相容性的力-热-化影响因素，开展液氧介质中复合材料使用安全性评价方法研究。上述研究工作有助于为我国复合材料液氧贮箱和增压气瓶的设计、制造和安全应用提供关键的理论依据和可靠的实验数据。

贮箱的轻量化对提升火箭运载效率意义重大。与金属贮箱相比，碳纤维增强树脂基复合材料贮箱可实现结构减重20%～40%，综合成本降低25%以上。复合材料的液氧相容性是制约复合材料推进剂贮箱制造的瓶颈。同时，由于复合材料贮箱和增压气瓶在使用过程中需承载较大的内压，导致复合材料需同时承受复杂的热载荷和机械载荷作用。在这种力-热-化耦合作用下，复合材料所面临的液氧相容性问题将更加突出。.本项目首先研究复合材料成型工艺、厚度、纤维铺层方式、液氧浸泡、室温/液氧循环浸泡等对复合材料液氧相容性的影响，揭示力-热-化多场耦合作用影响复合材料液氧相容性的内在本质，并分析揭示了特种元素提高树脂基体液氧相容性的内在机理。其次，采用有限元分析方法研究树脂基体及其复合材料在高能冲击下的破坏模式以及局部热点形成过程，分析复合材料在高能冲击下的局部热点形成机制。最后，表征树脂基体的热稳定性和抗液氧氧化性，筛选出热稳定性、液氧相容性及抗液氧氧化性较好的树脂体系，并通过均匀试验法评价影响复合材料体系液氧相容性的物理因素。所得重要结论如下：冲击过程中树脂内部的温度是逐渐上升的，中心区域温度较低，在边缘区域出现局部热点；正交铺层复合材料的热点产生概率低于单向铺层复合材料；含P元素的树脂分解释放的PO·自由基可捕获高活性H·和OH·自由基，切断链式放热反应，促进树脂与液氧的相容性；C=O的生成是液氧长期浸泡降低复合材料液氧相容性的主要原因；高应力-应变状态下复合材料的冲击敏感性会有所增加；所得回归模型的预测结果与试验测试结果最大误差不超过5%，明确了影响复合材料液氧相容性的关键因素。.随着液氧相容复合材料工程化应用研究的深入，运载火箭推进剂贮箱和增压气瓶将逐渐由复合材料替代传统金属材料，从而大幅提高我国运载火箭的运载效率，为我国未来的深空探测、大型空间站建设、星际往返等大型航天任务提供重要技术支撑。