張辰威，張博明

北京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100191

未來航天器的發(fā)展目標(biāo)是低成本、高運載能力，比如單級入軌（SSTO）、低成本航天器（ELV）、可重復(fù)使用飛行器（RLV）等航天器。要實現(xiàn)這個目標(biāo)首先要解決的是結(jié)構(gòu)減重問題，而推進(jìn)系統(tǒng)是飛行器主要的結(jié)構(gòu)部件之一，也是減重的關(guān)鍵部件［1-6］。美國航空航天局（NASA）的研究表明，要實現(xiàn)航天器可重復(fù)使用的目標(biāo)必須使凈重與發(fā)射總重量比值低于0.092（凈重比）［1］。

環(huán)地球軌道航天器，如大推力運載火箭、載人航天、空間站，以及為深空探測任務(wù)開發(fā)的航天器都需要具有高比沖、低重復(fù)啟動次數(shù)、長期貯運等性能要求，低溫推進(jìn)系統(tǒng)能夠很好地滿足這些要求，因此低溫推進(jìn)系統(tǒng)成為未來航天飛行器動力系統(tǒng)的研究重點［7］。從圖1可以看出相比固體推進(jìn)系統(tǒng)（SRM），低溫推進(jìn)系統(tǒng)（包括液氧/烴類（LOX/Hc）、液氧/液氫（LOX/LH2））具有更低的總重、更高的推進(jìn)效率［1］。

低溫推進(jìn)系統(tǒng)所用容器包括壓力容器和燃料貯箱，其中低溫燃料貯箱作為低溫推進(jìn)系統(tǒng)中所占重量和體積最大的部件，是飛行器降低自重和體積的最主要部件。燃料貯箱用于貯運液氧、液氫、液態(tài)甲烷等燃料，主要特點是體積大、承載壓力低，相比壓力容器，貯箱的工作壓力一般不會超過1 MPa。

美國麥道公司曾對鋁合金與碳纖維復(fù)合材料（CFRPs）貯箱進(jìn)行了重量對比，結(jié)果如圖2所示［8］，復(fù)合材料貯箱相比金屬貯箱減重可以達(dá)到20%～40%，具有十分明顯的減重優(yōu)勢［8-11］。正是由于復(fù)合材料容器在減重方面的優(yōu)勢明顯，因此其成為了航天飛行器低溫推進(jìn)系統(tǒng)重點研發(fā)的部件。

圖1 低溫推進(jìn)系統(tǒng)與固體推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)射質(zhì)量對比［1］Fig.1 Launch mass contrast of cryogenic propellant system and solid propulsion system ［1］

圖2 碳纖維復(fù)合材料液氧貯箱減重效率［8］Fig.2 CFRPs LOX-tank weight reduction efficiency［8］

1 復(fù)合材料低溫容器發(fā)展概況

1.1 MDA公司的復(fù)合材料液氫貯箱

在相關(guān)計劃的支持下，美國開展了在輕型液氫、液氧貯箱等方面的研究工作，并已取得突破性進(jìn)展。1987年，美國Delta和DC-X/DC-XA系列航天器的生產(chǎn)廠家McDonnell Douglas Aerospace-West（MDA-W）開始針對國家航天飛機（NASP）以及SSTO飛行器計劃開展碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料液氫貯箱的研究工作，由于液氫貯箱的體積較液氧貯箱的體積更大，從減輕重量、減少體積的角度考慮效果更突出［12］。MDA公司針對復(fù)合材料液氫貯箱的研究首先放在了復(fù)合材料體系的性能上，主要進(jìn)行了氫分子滲透和復(fù)合材料的低溫力學(xué)性能（液氫沸點：-253℃）兩大方向的攻關(guān)。他們針對幾種玻璃纖維和碳纖維的復(fù)合材料冷熱循環(huán)前后的滲透性和力學(xué)性能進(jìn)行了對比分析。

MDA公司測試的材料體系包括玻璃纖維以及IM7、IM6、AS4、T300等碳纖維，樹脂體系包括PI、PEEK、PMI、環(huán)氧、PC等。滲透性測試溫度從室溫到-179℃，熱循環(huán)溫度為從室溫到-269℃，循環(huán)150次。通過對比冷熱循環(huán)前后的滲透性能發(fā)現(xiàn)，玻璃纖維樹脂基復(fù)合材料的抗?jié)B透性能要弱于碳纖維，而且?guī)讉€復(fù)合材料體系均可滿足壓力/溫度循環(huán)后不滲透的要求。對不同材料體系進(jìn)行的力學(xué)性能測試條件包括常溫和-269℃溫度下的拉伸強度，以及冷熱及機械后循環(huán)的拉伸強度測試，循環(huán)次數(shù)為150次。

經(jīng)過對材料體系的充分研究后，MDA公司于20世紀(jì)90年代中期成功制備出無內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料液氫貯箱，如圖3所示［13］。隨后不久，MDA公司與NASA便開始共同合作開展液氧貯箱復(fù)合材料可行性的研究工作，并對一些材料的液氧相容性進(jìn)行了研究。

圖3 DC-XA計劃中的航天器液氫貯箱及內(nèi)部貯箱［13］Fig.3 Aerocraft liquid hydrogen cryotank and intertank in DC-XA program［13］

1.2 美國空軍研究實驗室（AFRL）的產(chǎn)品

AFRL負(fù)責(zé)空軍科學(xué)和技術(shù)方案的規(guī)劃和執(zhí)行，由其組建的Wilson公司負(fù)責(zé)根據(jù)空軍裝備需求進(jìn)行各類復(fù)合材料容器的開發(fā)。其下屬的空間飛行器研究室（AFRL/VS）將可重復(fù)使用飛行器作為未來重點發(fā)展方向，與NASA合作正在進(jìn)行的重大研究項目包括X-37、X-40、X-53、HTV-3X、YAL-1A、戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星計劃，其中X37B可重復(fù)使用無人航天飛行器已經(jīng)制造了2個小型的全復(fù)合材料液氫貯箱、液氧貯箱試驗件，并對兩個貯箱進(jìn)行了泄漏、壓力循環(huán)測試。在第一次測試時發(fā)現(xiàn)貯箱有大面積的泄漏問題，隨后對泄漏點進(jìn)行了修復(fù)，在隨后的測試中通過光譜儀檢測發(fā)現(xiàn)仍然存在微小的泄漏點。他們總結(jié)結(jié)果后認(rèn)為，主要原因可能是在固化過程中沙質(zhì)芯模的損傷所導(dǎo)致。隨后他們又對全復(fù)合材料液氧貯箱進(jìn)行了測試，將貯箱加注液氧后在震動實驗臺上進(jìn)行劇烈的振動測試，測試結(jié)果并未發(fā)生貯箱爆燃，而且振動測試后的貯箱并未發(fā)生明顯的泄漏。測試的成功使得AFRL認(rèn)為發(fā)展低溫復(fù)合材料貯箱可行。

之后 Wilson公司采用韌性環(huán)氧/氰酸酯（CE）作為基體樹脂，采用濕法纏繞工藝制備了復(fù)合材料液氧貯箱。液氧貯箱的主要問題在于液氧是強助燃劑，當(dāng)受到?jīng)_擊、摩擦?xí)r，液氧容易與材料發(fā)生爆炸燃燒，為此美國制定了材料與液氧的安全使用評價標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果材料與液氧接觸后能夠保證在正常使用過程中不發(fā)生爆燃，則稱之為液氧相容，此標(biāo)準(zhǔn)也稱之為液氧相容性標(biāo)準(zhǔn)。

由上可知制備液氧貯箱的材料必須具備與液氧完全相容的特性。Wilson公司通過研究發(fā)現(xiàn)氰酸酯作為一種耐高溫的高性能樹脂，具備良好的液氧相容性，并以此方案制備了全復(fù)合材料液氧貯箱，貯箱直徑為1.2 m，長為1.8 m，壁厚為2.0～2.6 mm，工作壓力為0.69 MPa。他們開發(fā)的復(fù)合材料貯箱制備過程如圖4所示［14］。

圖4 Wilson公司全復(fù)合材料貯箱制備示意圖［14］Fig.4 Fabrication of a prototype linerless composite tank of Wilson［14］

Andrews Space公司作為AFRL的另一個合作方，于2009年為AFRL提供了一套液氧貯箱產(chǎn)品，主要是為Pathfinder飛行器的液氧/煤油發(fā)動機提供配套貯箱［15］。Pathfinder計劃2013年進(jìn)行測試，是美國快速進(jìn)入太空環(huán)境技術(shù)（Future-Responsive Access to Space Technologies，F(xiàn)AST）計劃的一部分。包括關(guān)于美國空軍預(yù)研下一代可重復(fù)使用助推系統(tǒng)（RBS），RBS計劃是為了在2025年前取代美國空軍現(xiàn)有的運載火箭而開發(fā)的改進(jìn)型一次性運載火箭（EELV），目標(biāo)是通過采用可重復(fù)使用的第一級和一次性的上面級將發(fā)射成本降低50%。此貯箱長為3 192 mm，直徑為1 460 mm（如圖5所示［15］），貯箱采用了承載式結(jié)構(gòu)。

圖5 Andrews Space公司的液氧貯箱產(chǎn)品［15］Fig.5 Liquid oxygen composite tank by Andrews Space［15］

1.3 洛克希德馬丁公司（LM）的產(chǎn)品

LM公司是美國航天飛機外貯箱的制造商，在航天飛機低溫貯箱制造領(lǐng)域已經(jīng)有25年的歷史，具有豐富的低溫貯箱制造經(jīng)驗。LM公司在國內(nèi)外最早發(fā)布過應(yīng)用于具體型號的全復(fù)合材料低溫貯箱的報道［12］。LM公司為X33設(shè)計制造了復(fù)合材料液氫貯箱，并為X34制造了液氧貯箱。同時LM公司還針對此2款可重復(fù)使用飛行器設(shè)計了貯箱及壓力容器配套的低溫供給管線系統(tǒng)，均采用了全復(fù)合材料設(shè)計。相比航天飛機大型外貯箱，這兩款貯箱為小型貯箱，設(shè)計上為非承載結(jié)構(gòu)，為了保證飛行期間容器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，貯箱工作壓力大于0.5 MPa。

LM公司首先制備了縮比尺寸的液氫貯箱，并仿照服役條件進(jìn)行了低溫壓力循環(huán)測試，在貯箱充滿液氫的條件下進(jìn)行了13個壓力循環(huán)測試，測試后對貯箱進(jìn)行切片，并觀測層合板之間的微裂紋密度，用以對貯箱損傷進(jìn)行評價。通過測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，復(fù)合材料完全可以滿足高應(yīng)變條件下對液氫的密封要求。隨后為X33設(shè)計并制備了雙葉型液氫貯箱。液氫貯箱的桶身段采用鋪放成型，封頭為手工鋪設(shè)制備，然后與桶身粘接共固化成型。隨后對貯箱進(jìn)行了78次高低溫循環(huán)測試，結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)泄漏，但在最后X33地面測試時發(fā)生了泄漏，因此終止了X33的計劃。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，主要是由于粘接結(jié)構(gòu)在經(jīng)過多次高低溫循環(huán)后容易產(chǎn)生缺陷，因此導(dǎo)致液氫的泄漏。

圖6 LM公司的復(fù)合材料液氧貯箱外觀及液氧加注測試［12］Fig.6 Liquid oxygen composite tank and charging test of LM［12］

2004年LM公司宣布成功研制出碳纖維全復(fù)合材料液氧貯箱（如圖6所示［12］），這被認(rèn)為是液氧貯箱研究領(lǐng)域的革命性進(jìn)展。此貯箱采用無內(nèi)襯的全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計，復(fù)合材料層即屏蔽層。LM公司從最初的復(fù)合材料入手，開發(fā)出了專門用于液氧貯箱的環(huán)氧樹脂，此樹脂具有優(yōu)良的液氧相容性、耐低溫開裂性、防滲透性等特點。此貯箱循環(huán)充液氧52次未出現(xiàn)任何泄漏、開裂等問題，并且通過了模擬實際使用狀態(tài)的測試。相關(guān)資料顯示，該復(fù)合材料貯箱采用碳纖維通過纏繞工藝制備而成，直徑為1.2 m，長度為2.7 m，貯箱的總質(zhì)量為225 kg，較金屬貯箱質(zhì)量減輕了18%。LM公司碳纖維全復(fù)合材料液氧貯箱的成功開發(fā)說明復(fù)合材料低溫貯箱相比于傳統(tǒng)金屬貯箱具有巨大優(yōu)勢。

1.4 波音公司的產(chǎn)品

2013年7月2日波音公司為NASA制備的低溫貯箱（如圖7所示［16］）在馬歇爾太空飛行中心進(jìn)行了液氫灌充測試，貯箱直徑為2.4 m，是波音公司在2012年制造完成并提供給NASA進(jìn)行測試的，測試包括在-253℃、0.1 MPa壓力下進(jìn)行了20個循環(huán)。這個貯箱測試成功后，波音公司計劃制造直徑為5.5 m的大型低溫貯箱，可作為大型運載火箭的液氫貯箱［16］。

圖7 波音公司的復(fù)合材料低溫貯箱［16］Fig.7 Composite cryogenic tank of Boeing［16］

1.5 其他公司的產(chǎn)品

美國的諾斯羅普·格魯曼公司（Northrop Grumman Corp.Los Angeles，Calif.）也在投資進(jìn)行高壓釜生產(chǎn)大尺寸、低壓、低溫復(fù)合材料貯箱的研制工作。諾格公司是F35復(fù)合材料機身的研制公司。諾格公司設(shè)計的低溫貯箱采用厚為0.025 mm的鋁箔襯里作為液體介質(zhì)的屏蔽層，外層為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層。采用了多層層壓方式制備屏蔽層，可以有效地對氫氣分子進(jìn)行屏蔽。為了避免微氣孔，諾格公司開發(fā)了一種防滲透膜，采用在薄鋁箔兩側(cè)粘接環(huán)氧膜的方式制備。

英國維珍公司旗下的XOR航空航天公司總技術(shù)負(fù)責(zé)人Dan認(rèn)為復(fù)合材料液氧貯箱是提高未來可重復(fù)飛行器的重要技術(shù)，公司于2005年左右根據(jù)美國宇航局的探索系統(tǒng)研究和技術(shù)方案簽訂了一項總價為700萬美元的復(fù)合材料液氧罐發(fā)展的綜合示范合同［17］。他們采用杜邦公司開發(fā)的氟樹脂，與Aiken公司開發(fā)的S-玻纖制備了復(fù)合材料液氧貯箱。Dan介紹采用此體系的復(fù)合材料具有很低的熱膨脹系數(shù)（CTE），同時還具有很高的強度。由于氟樹脂具有低溫下20%的斷裂伸長率，因此可以有效地避免微裂紋的產(chǎn)生，同時由于氟樹脂對液氧的惰性，因此制備的復(fù)合材料體系具有優(yōu)良的液氧相容性。貯箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)層采用氟乙烯制備，采用碳纖維/環(huán)氧體系制備外部的保護(hù)殼體，中間絕熱層采用聚甲基丙烯酰亞胺（PMI）絕熱泡沫。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所的王榮國、劉文博教授所在課題組在國內(nèi)首次針對液氧推進(jìn)劑制備了碳纖維復(fù)合材料液氧貯箱樣件，并進(jìn)行了低溫壓力測試，貯箱采用了鋁合金內(nèi)襯結(jié)構(gòu)設(shè)計，并帶有泡沫絕熱層。同時針對復(fù)合材料液氧貯箱涉及到的關(guān)鍵技術(shù)開展了研究，包括低溫貯箱纏繞優(yōu)化設(shè)計、液氧相容性、復(fù)合材料氣體阻隔性以及材料改性等。

2 復(fù)合材料低溫貯箱的關(guān)鍵技術(shù)

發(fā)展復(fù)合材料低溫貯箱已經(jīng)是未來航天器減重的主要發(fā)展方向，它的優(yōu)勢已經(jīng)被廣泛認(rèn)可。但是與已經(jīng)十分成熟的金屬貯箱相比，開發(fā)復(fù)合材料低溫貯箱存在很多需要解決的技術(shù)難題。最大的問題是低溫條件下復(fù)合材料的性能（包括力學(xué)性能、重復(fù)使用性能、滲漏性能、與貯存介質(zhì)的相容性、健康監(jiān)測等），要解決這些問題需要涉及到聚合物材料制備、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)分析、先進(jìn)檢測技術(shù)、先進(jìn)成型工藝等多個領(lǐng)域。

2.1 低溫條件下的復(fù)合材料性能

NASA與美國空軍根據(jù)未來項目的需要，于20世紀(jì)70年代便開展了復(fù)合材料低溫力學(xué)性能的研究工作。20世紀(jì)90年代，隨著一系列低溫貯箱項目的上馬，針對樹脂基碳纖維復(fù)合材料低溫性能的研究又迎來了一波高潮。根據(jù)不同型號的貯箱所用材料體系，進(jìn)行了一系列低溫力學(xué)性能測試，包括熱固性、熱塑性樹脂，玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維等不同體系的低溫力學(xué)性能?？傮w來說，樹脂基復(fù)合材料在低溫條件下的強度、模量會有明顯的提高，但韌性、斷裂伸長率下降較為明顯。低溫條件下力學(xué)性能的變化直接影響到貯箱的設(shè)計。

美國華盛頓大學(xué)的Timmerman和Matthew［18］考察了樹脂基體的固化工藝、固化劑、增韌劑、CTE等與復(fù)合材料微裂紋的關(guān)系。研究結(jié)果表明，采用具有柔性分子鏈段的韌性樹脂會導(dǎo)致玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg的下降，但同時增大了低溫下CFRPs的微裂紋密度。橡膠增韌劑的使用也會明顯降低微裂紋密度。他們還采用蒙脫土對環(huán)氧EPON828進(jìn)行了插層改性，用改性后的樹脂制備了T300碳纖維層合板，同時還采用尺寸為5μm的氧化鋁改性的環(huán)氧體系制備了碳纖維層合板，用兩種體系分別與純環(huán)氧樹脂制備的層合板進(jìn)行比較?？疾炝瞬煌w系復(fù)合材料的CTE、力學(xué)性能。同時考察了復(fù)合材料從-196℃到室溫循環(huán)后的性能變化，并進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，在一定摻雜量的條件下，納米改性CFRPs可以有效提高材料在低溫條件下的韌性，降低微裂紋密度。

2.2 復(fù)合材料的滲透率

對于全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的低溫貯箱，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層既要起到承載作用還需要對介質(zhì)有密封的作用。尤其對于液氫貯箱，由于氫分子的體積更小，更容易透過材料，而且對于重復(fù)使用貯箱，經(jīng)過熱震循環(huán)后，材料很容易產(chǎn)生微裂紋，內(nèi)部微裂紋可以形成滲漏通道，導(dǎo)致材料密閉失效。從Wilson、LM公司制備的液氫貯箱資料介紹可以看出，復(fù)合材料完全可以滿足密閉要求。目前國外也提出了很多改進(jìn)復(fù)合材料密閉性的技術(shù)途徑，包括納米摻雜、層間增韌等，總體思路是降低微裂紋密度、增加氣體滲透路徑長度。

韓國 的 Kim 等［19］采 用 復(fù) 壁 碳 納 米 管（MWNT）改性環(huán)氧樹脂制備碳纖維復(fù)合材料，并進(jìn)行了低溫測試。常溫及-150℃條件下的測試結(jié)果表明，經(jīng)過改性后的復(fù)合材料，I型層間斷裂韌性在低溫下有所降低，經(jīng)過改性的復(fù)合材料的斷裂韌性相比未改性體系有所提高，經(jīng)過MWNT改性的復(fù)合材料斷裂過程的裂紋分布也有所改變。在一定含量內(nèi)，隨著MWNT含量的提高，微裂紋密度有所降低，結(jié)果如圖8所示［19］。

圖8 微裂紋密度隨MWNT含量的趨勢圖及橫向裂紋的光學(xué)圖［19］Fig.8 Crack densities vs weight percent of MWNT and optical photograph of transverse cracks［19］

美國空軍研究室的Vernon等［20］采用環(huán)氧和雙馬來酰亞胺兩種樹脂作為基體，制備了IM7碳纖維增強復(fù)合材料，并對不同鋪層結(jié)構(gòu)層合板進(jìn)行了-197～170℃的熱循環(huán)測試，并對測試后的層合板進(jìn)行了滲透測試，結(jié)果表明兩個材料體系［0/90］正交層合板經(jīng)過1 250次循環(huán)后，滲透率并無明顯改變，而采用［0/45/-45/90］鋪層的層合板滲透率提高較為明顯。Vernon等［21］還將電紡聚丙烯腈（PAN）基碳纖維與環(huán)氧樹脂混合，制成薄膜，放置于層合板的鋪層中，并在低溫液氮-196℃與177℃溫度之間循環(huán)，觀察裂紋的擴(kuò)展情況。結(jié)果表明，位于鋪層中的薄層有效地阻止了微裂紋擴(kuò)展的趨勢，增強了層間的粘接強度，有效地阻止了分層的發(fā)生，使材料抗?jié)B漏的能力大大增加。

首爾大學(xué)的Kim等［22］采用復(fù)壁碳納米管與順丁橡膠對環(huán)氧樹脂進(jìn)行改性，用改性樹脂制備碳纖維單向板，并測試了常溫與150℃下試樣的I型層間斷裂韌性，結(jié)果表明深冷下復(fù)合材料臨界斷裂能量釋放率（GIR）有顯著的降低，采用橡膠改性后的復(fù)合材料GIR比碳納米管改性后的韌性有所提高。

所有的研究結(jié)果都證明復(fù)合材料的損傷破壞是導(dǎo)致滲漏的直接原因。在容器內(nèi)部氣體壓力較大時，由于氣體對內(nèi)壁壓力的增加，在層合板中會形成微裂紋，這種微裂紋一般都是沿著纖維方向，不同鋪層的角度不同，如果相鄰層合板的微裂紋相互重疊，就會產(chǎn)生微裂紋的交叉點，氣體的滲漏路徑就會由此形成［23］，即氣體分子通過層合板之間的微裂紋和孔隙進(jìn)行滲透。在高壓承載層合板中，由于形變產(chǎn)生大量的微裂紋和孔隙聚集形成通道，使得氣體分子可以沿著微裂紋形成的通道滲漏。

低溫下材料強度的提高可以有效提高貯箱的工作壓力，但如果要采用全復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，微裂紋是一定要避免的，而低溫條件下由于材料韌性和斷裂伸長率下降，使材料更容易萌生微裂紋。因此在材料設(shè)計上需要多考慮層間韌性，避免或減少微裂紋的生成，同時可以考慮功能化，例如采用增加屏蔽功能層等措施提高貯箱的抗泄漏能力。

2.3 液氧相容性

材料的液氧相容性是復(fù)合材料液氧貯箱必須具備的性能。相比金屬材料，樹脂基復(fù)合材料具有更強的抗氧化能力，但燃點、閃點、熱分解溫度等性能均低于金屬，美國研究機構(gòu)通過相關(guān)研究表明，復(fù)合材料只要選用合適的樹脂還是可以滿足液氧相容性的要求。例如LM公司為X34研制的液氧貯箱采用了聚醚酰胺（PEAR）樹脂作為基體樹脂，Wilson公司的液氧貯箱采用了氰酸酯作為基體樹脂，這兩種樹脂都是高性能樹脂，具有良好的液氧相容性。

Currie等［24］研究了沖擊過程中沖擊柱應(yīng)力集中對材料液氧沖擊敏感性的影響，實驗證明應(yīng)力集中會明顯導(dǎo)致敏感性的提高。Currie等還研究了表面粗糙、硬質(zhì)雜質(zhì)顆粒等對聚合物沖擊敏感性的影響，結(jié)果證明沖擊柱表面的粗糙度增大以及硬質(zhì)顆粒的加入都會降低材料的液氧敏感性。

Vernon等［25］采用沖擊力、閃光傳感器對聚合物基碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行了一系列液氧沖擊測試，發(fā)現(xiàn)材料在受到?jīng)_擊后形成的沖擊力并不是恒定值，而是由一系列大小不一的沖擊力所組成。而通過對沖擊過程閃光的追蹤發(fā)現(xiàn)材料與液氧的反應(yīng)主要發(fā)生在沖擊過程較大的沖擊力峰值附近，有一定的延遲性。該結(jié)果說明，在材料受到?jīng)_擊后存在一個能量的集中過程，在此過程中材料表面會形成熱點，并引發(fā)與液氧的反應(yīng)。

國防大學(xué)的 Wang等［26］針對雙酚A環(huán)氧以及氰酸酯固化物進(jìn)行了液氧相容性測試，結(jié)果表明，隨著氰酸酯含量的提高，樹脂的液氧相容性也隨之提高。他對熱氧條件下兩種樹脂進(jìn)行了氧化處理，之后分析了熱失重（TGA）、紅外及核磁光譜，結(jié)果顯示樹脂在高溫高氧的環(huán)境下會有吸收氧的過程，隨著氰酸酯含量的提高，吸氧量減少，證明樹脂抗氧性能也有所提高，因此他認(rèn)為復(fù)合材料的液氧反應(yīng)前期會存在一個熱氧老化的過程。

2.4 先進(jìn)成型工藝

復(fù)合材料低溫貯箱作為復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件，需要先進(jìn)的制造成型技術(shù)。例如LM公司采用英格索爾機床公司制造的最新型的纖維鋪放機（Automated Fiber Placement Machine），采用此機器可以實現(xiàn)自動切割、縫制預(yù)浸料，達(dá)到最優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。機器主要通過頭部的加熱以及壓力裝置，以此盡量避免制造過程中導(dǎo)致的氣泡、局部膠團(tuán)聚等缺陷。用此機器可以直接制造所需的結(jié)構(gòu)件，而不需要真空袋成型或者熱壓罐成型。波音公司的大尺寸復(fù)合材料貯箱同樣采用了鋪放成型技術(shù)，如圖9所示。

圖9 波音公司采用鋪放技術(shù)制造的復(fù)合材料低溫貯箱Fig.9 Composite cryogenic tank using automated fiber placement by Boeing

3 結(jié) 論

低溫推進(jìn)系統(tǒng)的高推重比以及復(fù)合材料貯箱的高效減重特點，決定了復(fù)合材料低溫貯箱成為未來的發(fā)展方向。復(fù)合材料應(yīng)用于貯箱的制造需要解決低溫疲勞、熱震損傷、泄漏、液氧相容性以及先進(jìn)制造技術(shù)等技術(shù)難題。這些技術(shù)問題涉及到復(fù)合材料微觀力學(xué)、高分子材料、復(fù)合材料設(shè)計、先進(jìn)制造技術(shù)等多學(xué)科，是一項復(fù)雜的工程。

從現(xiàn)有研究來看，新材料的發(fā)展和應(yīng)用直接推動著低溫貯箱的發(fā)展。未來復(fù)合材料低溫貯箱發(fā)展會向著大型化、輕量化、多元化發(fā)展。隨著液氫、液氧貯箱技術(shù)的突破，液態(tài)甲烷貯箱也將隨著甲烷推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展而得到應(yīng)用?？梢源_定的是，一旦復(fù)合材料低溫貯箱獲得應(yīng)用，將為航天飛行器的未來發(fā)展帶來深遠(yuǎn)的影響。

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