含超薄金属内衬复合材料燃料贮箱变形协调控制机理研究

近空间高超声速飞行器复合材料燃料贮箱，占其总体积的三分之二以上，重量要求苛刻，工作压力高并重复使用，是高超声速飞行器的关键部件。本项目引入界面层设计理论，针对含超薄金属内衬的复合材料燃料贮箱变形协调控制机理进行了研究。提出了利用界面层对二者进行变形协调控制的方法；建立含铝合金、界面层和复合材料的三元分析模型，采用辛差分法分析其各组元应力与温度和载荷间的关系，研究含超薄金属内衬复合材料燃料贮箱变形协调控制条件与机理。在此基础上，进行界面层设计与制备，研究界面形成与作用机制，完成高度支化的纳米聚合物的分子设计、制备与表征；通过分子模拟和试验研究，验证含超薄金属内衬复合材料燃料贮箱变形协调的可控性。研究成果为可重复使用轻量化复合材料燃料贮箱的研制与应用奠定基础。

含超薄铝合金内衬轻量化复合材料压力容器在充压/卸压的过程中，复合材料结构层始终为弹性变形，超薄铝合金内衬则产生了不可恢复的塑性变形，重复使用过程中易导致内衬屈曲，造成超薄铝合金内衬与复合材料结构层间的界面脱粘失效。对此，本项目自立项以来主要从以下四个方面开展了大量的研究工作：（1）建立了超薄铝合金内衬/界面层/复合材料结构层三组元分析模型，对超薄铝合金内衬层/复合材料结构层间的界面失效力学行为进行了数值模拟，揭示了界面层的失效机理，获得了铝合金内衬/复合材料结构界面层失效门槛值；（2）提出了基于稳定缠绕理论的结构刚度优化设计方法，通过对缠绕纤维与芯模表面间滑线系数的精确表征，准确求解出可稳定缠绕范围，并通过对可稳定缠绕范围内每一缠绕角对应的纤维轨迹，进行厚度预测和刚度优化设计，有效控制复合材料压力容器结构的整体变形，保障整体结构变形均匀；（3）采用化学修饰的方法，将碳纳米管接枝到碳纤维的表面，有效提高了复合材料的界面性能，界面强度提高了1.5倍，改善了复合材料的整体性能，使得复合材料压力容器在承载内压过程中的整体变形得到有效控制；（4）以铝合金内衬/复合材料结构界面层失效门槛值为基准，利用“壁虎脚仿生”原理，通过对铝合金内衬/复合材料结构界面层的设计与制备，使得超薄铝合金内衬与复合材料结构层间界面强度提高了28%，保证了超薄金属内衬与复合材料结构层的变形协调。共计发表论文18篇，其中SCI收录16篇，EI收录18篇。获授权发明专利5项，软件著作权1项。荣获2012年度国家技术发明二等奖1项、2011年度黑龙江省技术发明一等奖1项。研究成果支撑了2项国家标准的制定。