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摘 要
高強(qiáng)高模碳纖維又稱石墨纖維，是一種含碳量99%以上高性能碳纖維，相比較于瀝青基碳纖維中瀝青呈易石墨化特質(zhì)，PAN是一種難石墨化材料，因此PAN基高強(qiáng)高模碳纖維的制備難度極高。
但PAN基高強(qiáng)高模碳纖維具有優(yōu)異特性，如高模量可賦予其結(jié)構(gòu)件高剛度，低膨脹特性可實(shí)現(xiàn)高低溫環(huán)境下零變形，因此目前國(guó)內(nèi)外航天衛(wèi)星系統(tǒng)廣泛采用PAN基高強(qiáng)高模碳纖維材料。
在航天衛(wèi)星器領(lǐng)域與高強(qiáng)高模碳纖維搭配常用的樹脂體系為氰酸酯樹脂，本文主要介紹氰酸酯樹脂體系特征、樹脂基體機(jī)械性能、吸濕性能；后介紹了歐洲太空計(jì)劃中常用的高強(qiáng)高模碳纖維和氰酸酯樹脂牌號(hào)。
1氰酸酯樹脂材料概述
氰酸酯樹脂是目前常用熱固性樹脂體系如環(huán)氧樹脂、雙馬樹脂等的很好補(bǔ)充，它可以為飛機(jī)和航天器結(jié)構(gòu)提供優(yōu)異的物理特性，與環(huán)氧樹脂相比，氰酸酯樹脂優(yōu)異性能體現(xiàn)在：
※ 韌性好；
※ 吸濕性低；
※ 對(duì)微裂紋抵抗力加強(qiáng)，尤其是在超高模量碳纖維復(fù)合材料中。
上述優(yōu)異性能與Code 69、Fiberite934等代脆性環(huán)氧樹脂相比，性能優(yōu)勢(shì)尤為顯著。而與第二代環(huán)氧樹脂相比，氰酸酯增韌性能改進(jìn)并不明顯。但是由于氰酸酯樹脂的密度比環(huán)氧樹脂低，因此可使終復(fù)合材料密度下降約5％。
國(guó)外主要氰酸酯樹脂生產(chǎn)廠家的樹脂牌號(hào)、工藝參數(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域如表1所示。
表1 國(guó)外氰酸酯樹脂牌號(hào)及應(yīng)用領(lǐng)域
2氰酸酯樹脂力學(xué)性能
2.1 力學(xué)性能
氰酸酯樹脂的剛度和強(qiáng)度可與傳統(tǒng)環(huán)氧樹脂相媲美，其主要區(qū)別在于氰酸酯發(fā)生破壞應(yīng)變較高，一般在2％至5％的范圍內(nèi)。 從理論上講，結(jié)合這種特性通過提高橫向鋪層的抗破壞和抗分層能力可賦予復(fù)合材料良好的韌性。
2.2 吸濕性
由于環(huán)氧樹脂具有較高的吸濕性能，高水分吸收后的環(huán)氧樹脂相當(dāng)于Tg下降和濕膨脹系數(shù)（coefficient of moisture expansion，CME）較高。 而高濕膨脹系數(shù)對(duì)于尺寸穩(wěn)定性要求高的結(jié)構(gòu)件是非常不利的，因此氰酸酯的出現(xiàn)就可以很好解決該問題。
表2比較了YLA RS3型氰酸酯樹脂和代脆性環(huán)氧樹脂F(xiàn)iberite 934的吸濕性，從中可以看出，RS3樹脂的吸濕量?jī)H為934的20％，吸濕曲線如圖1所示。
表2 氰酸酯樹脂與環(huán)氧樹脂吸濕量對(duì)比
圖1 氰酸酯樹脂與環(huán)氧樹脂吸濕曲線
常見樹脂體系吸濕量如下：代環(huán)氧樹脂（如Fiberite 934和Code 69）為7％；第二代（增韌）環(huán)氧樹脂如 Vicotex M18為5％；氰酸酯如 Fiberite 954和YLA RS3為2％；高穩(wěn)定熱塑性樹脂如PEEK為1.5%。
2.3 抗微裂紋性
在反復(fù)交變的高低溫環(huán)境下，如 從‐180°C到+ 130°C，超高模量碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料（UHM CFRP）會(huì)產(chǎn)生微裂紋，而這對(duì)高剛度、尺寸穩(wěn)定要求高的結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生有害效應(yīng)。
在固化的層壓板中，微裂紋通常出現(xiàn)在90°層和0°層。有數(shù)據(jù)表明，氰酸酯復(fù)合材料的微裂紋較之環(huán)氧樹脂會(huì)大大降低。但由于氰酸酯樹脂與瀝青基高模碳纖維（如XN50A）之間的界面粘合力，可能與PAN基高模碳纖維（如東麗M55J）制成的復(fù)合材料不同。
碳纖維增強(qiáng)氰酸酯樹脂基復(fù)合材料內(nèi)部的微裂紋程度主要取決于：層壓加工；層壓板的結(jié)構(gòu)和厚度；極端溫度；熱循環(huán)次數(shù)等。
3歐洲太空計(jì)劃中的碳纖維與氰酸酯體系
對(duì)于航天飛行器中的尺寸穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如天線，反射鏡和光學(xué)設(shè)備等，均需要使用具有超高模量碳纖維（拉伸模量＞500GMPa，如東麗M55J模量為540GPa）的預(yù)浸料體系。
在歐洲太空計(jì)劃中，已經(jīng)應(yīng)用或正在研究應(yīng)用的超高模量碳纖維復(fù)合材料主要體系型號(hào)包括：954-3 / M55J，RS3 / M55J，M22 / M55J，954-3 / K135，M22 / K135等。
常用的超高模量碳纖維除了熟悉的M55J級(jí)碳纖維拉伸強(qiáng)度4.02GPa、拉伸模量540GPa外，K135是由日本三菱提供瀝青基碳纖維，拉伸強(qiáng)度3.6GPa、拉伸模量620GPa。樹脂采用的是 954-3以及RS3 、RS3 型氰酸酯。
此外，在飛行器發(fā)射過程中，高強(qiáng)中模碳纖維增強(qiáng)氰酸酯復(fù)合材料也獲得了一定的應(yīng)用，如低溫燃料箱。