Ｖ０１．３５Ｎｏ．７
・８・
化工新型材料
ＮＥＷＣＨＥＭＩＣＡＬＭＡＴＥＲＩＡＬＳ第３５卷第７期２００７年７月
超低温复合材料的研究进展
王嵘１，３
郝春功１
杨娇萍２
张雄军１
付绍云２
王继辉３
（１．北京玻璃钢研究设计院，北京１０２１０１；２．中国科学院理化技术研究所，北京１０００８０；
３．武汉理工大学材料学院，武汉４３００７０）
摘要本文综述了超低温复合材料的研究背景和国内外最新进展。首先对超低温复合材料所用基体和增强材料
进行了介绍，然后介绍了超低温复合材料的测试手段和主要关注的性能，主要包括结构表征、复合材料界面、力学性能、热循环使用寿命、渗漏性测试、材料损伤检测。同时，还介绍了超低温复合材料的应用。最后，本文展望了超低温复合材料
的发展趋势和研究方向。
关键词超低温，复合材料，研究方法，进展
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超低温环境按照超低温液体介质和超低温真空２种情况料方面有所突破。
分类。其中超低温流体介质主要是液氢（ＬＨｚ），液氧（Ｌ０２），
液氮（ＬＮ。），液氦（ＬＨｅ）及其蒸发气体。其中ＬＨｚ和如是
液体火箭发动机，比推力大且无污染的燃料；ＬＨｅ则是超导装置以及空间装置中常用的低温密封介质，而ＬＮ２由于其惰性特征、价格低廉以及介于ＬＨｚ和Ｌ０２之间的热力学性质而常
１超低温复合材料所用基体及增强材料
１．１超低温复合材料用基体
可以应用在低温环境下的树脂基体主要有：（１）热固性树脂：环氧树脂（ＥＰ），聚酰亚胺（ＰＩ），氰酸酯树脂（ＣＥ）；（２）热塑性树脂：聚醚酰亚胺（ＰＥＩ），聚醚砜（ＰＥＳ），聚醚醚酮（ＰＥＥＫ），聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ），聚砜（Ｐｓ），聚苯硫醚（ＰＰｓ），液晶聚合物（ＬＣＰ）等。
．
用于低温试验和作为预冷介质。低温液体贮运极其重要，目
前低温液体贮运容器大多采用奥氏体不锈钢、铝合金、镍基合金、钛合金等材料。与普通的金属材料贮箱相比，复合材料贮箱的质量可减轻２０％～４０％［１］。
航天运载器实现可重复使用、贮箱的质量减轻是降低航天运输成本、提高运载能力和发射频度的必由之路。１９８６～１９９４年美国国家航天飞机（ＮＡＳＰ）计划和１９９２～１９９６年ＤＣ＿
１．１．１热固性树脂
近些年，高强轻质纤维增强环氧树脂复合材料在超低温环境中逐渐得到应用。Ｆｕｍｉｏｓａ、张等［３１系统研究了低温下所用环氧树脂分子设计。在环氧树脂配方设计中，往往会碰到
ｘ计划都研发了复合材料液氢贮箱，并取得了一定成就。２０００年ｘ．３３计划使用了复合材料液氢贮箱，但由于在试验中热应力引起微裂纹导致液氢渗漏和其他技术问题，最终决定用铝制贮箱代替出问题的复合材料贮箱［２］。２００４年马歇尔航
天飞行中心成功完成了低温复合材料贮箱的有关试验。国内对超低温用树脂基增强复合材料的研究还处于起步阶段，飞行器贮箱一直使用金属材料，因此迫切要求在超低温复合材
脆性过高、易于开裂的问题，解决这一问题行之有效的手段是使环氧树脂柔性化或是使整个配方体系柔性化。Ｒｅｅｄ
ｗａｌｓｈ
Ｒ
Ｒ
Ｐ和
３
Ｐ［４］对环氧树脂和氰酸酯树脂在２９５Ｋ、７６Ｋ和４Ｋ
种温度下的力学性能进行了系统研究，研究表明：低温极限拉伸强度高于室温，并且在３种温度下，具有高模量的树脂体系倾向于具有低强度。氰酸酯树脂的特点是集耐热性、韧性和
优良加工性于一身，同时还具有极低的介电损耗和耐烧蚀等
作者简介：王嵘（１９６８一），男，高级工程师，工学博士，从事玻璃钢／复合材料相关科研和管理工作。
万方数据
第７期王嵘等：超低温复合材料的研究进展
・９・
特性，可作为液氧贮箱复合材料的基体［５’６］。聚酰亚胺薄膜材
料在低温工程领域可作为绝缘材料在超导磁体中获得应用，添加无机（纳米）填料明显改善材料的低温力学性能和绝缘性能，其中颗粒的含量、大小、分散性对复合材料性能有很大的影响。
中科院理化所研究人员采用柔性胺固化剂（Ｄ２３０）改性
环氧树脂，当肛２３０用量为２１％时，可明显改善体系的室温及低温韧性‘７’８］。黄鹏程嘲用一种新型含氮杂萘酮结构的聚醚腈酮（ＰＰＥＮＫ）及其与环氧聚醚的混合体系增韧环氧树脂，研究表明：虽然聚醚对增加ＰＰＥＮＫ改性环氧树脂体系的室温韧性贡献不大，但却明显提高了其超低温韧性。１．１．２热塑性树脂
高性能热塑性树脂具有可重复加工的特点，在低温复合材料中的应用具有很大的潜在价值。ＡｈｌｂｏｒｎＫ［１０３研究了碳纤维增强聚醚醚酮（ＰＥＥＫ）复合材料力学性能，表现出良好的低温破坏强度，但由于较难成型和高额的加工成本，限制了热塑性基体在低温环境下的应用。聚四氟乙烯可作为超低温润滑材料基体。
１．２超低温复合材料用增强材料
在一些低温工程中，纤维增强复合材料因其具有优异的
力学性能而得到越来越广泛的关注，其中应用最广泛的就是
碳纤维和玻璃纤维，表１列出了几种典型纤维复合材料的力学性能ｕ１｜。
表１几种典型纤维复合材料的力学性能
纤维种类
型号
树脂体系
温度／Ｋ—ｉ瓦兰堡！！！苎菘Ｆ
氧化铝纤维
ＰＥＥＫ
２９５９６ｏ．５２７６
１０２Ｏ．８０４
１０１Ｏ．８８
玻璃纤维
ｓ
Ｅｐｏｘｙ
２９３５９．５７６６３．２４
６４．６
碳纤维
Ｔ１３００
Ｅｐｏｘｙ
２９３ｏ．８２７７
Ｏ．７７
４
Ｏ．７３
１．２．１玻璃纤维
试验研究发现［１“，低温下纤维的拉伸强度和拉伸模量都
有不同程度的提高，玻璃纤维ｗｅｉｂｕｌｌ分布尺度参数有很大的
增加，Ｂ９１ａｓｓ从室温到４Ｋ其杨氏模量提高１５％，９９ｌａｓｓ从
２９５Ｋ刭４Ｋ其杨氏模量提高提高１０％。
１．２．２碳纤维
关于碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天军事等领域应用较多，也是科研工作者研究的热点。Ｒｅｅｄ［１２３等发现采用中模高强碳纤维作为超低温复合材料的增强材料，与室温时相比强度和模量变化很小，是理想的超低温增强材料。Ｖｅｒ—ｎｏｎ等［１３］研究了碳纤维增强树脂基复合材料，考察了基体，纤维铺层方式等对材料裂纹性能的影响。Ｋｉｍ等［１４１研究Ｔ－７００增强环氧树脂复合材料表明：拉伸强度在低温条件下要比常温下高。碳纤维的表面通常采用氧化处理、表面涂层处理、等
离子体处理等改性方法，能够明显改善纤维和树脂的界面结
合，提高复合材料的层间剪切强度。
万
方数据２超低温复合材料的研究方法
超低温复合材料主要应用在航空航天、军事等领域，其主要成型工艺有热压罐成型和纤维缠绕成型等。洛马公司Ｍｉ—
ｃｈｏｕｄＯｐｅｒａｔｉｏｎｓ分部已成功应用纤维缠绕成型方法制造低
温高压贮箱，其液氧贮箱已成功应用在ｘ１３４航天飞机上［１…。
超低温复合材料的测试手段和主要关注的性能包括结构表征、复合材料界面、力学性能、热循环使用寿命、渗漏性测试、材料损伤检测。
２．１结构表征
低温时传统树脂系统变得很脆，超低温环境下基体脆性表现得更强烈，因此树脂体系柔性化改性成为了必然。差示扫描量热法（ＤＳＣ）是测定体系玻璃化转变温度（Ｔ奢）的１种方法，我们知道简单的均聚物和无规共聚物表现出１个主要的玻璃化转变，而互穿聚合物网络结构却出现２个主要的玻璃化转变温度，可以明确表征出树脂体系的改性情况。
２．２增强材料界面改性表征
ｘ射线光电子能谱分析（ＸＰｓ）：将样品表面用Ｘ射线照射后，原子的内层电子被激发，从样品表层释放光电子。通过测定被释放出的光电子运动能，可以鉴定试验材料表面所存
在的元素，分析其表面改性情况。红外光谱分析（ＩＲ），可以对纤维表面进行定性分析。通过扫描电子显微镜可以观察材料
的断裂情况以表征界面改性情况。
２．３低温力学性能表征
超低温力学测试环境的创造是测试的难点，目前还没有相关的标准，都是经自己改装过的电子拉力测试仪。Ｋｉｍ等人ｕ４］研究了Ｔ－７００增强环氧树脂复合材料在室温、一５０℃、一１００℃、一１５０℃的拉伸性能，表明：拉伸强度在低温条件下与常温下相比变化不大，但拉伸模量有明显的提高，其拉伸模量在一１５０℃比室温高出１６％。ＮＡＳＡ系统研究了Ｃａｒｂｏｎ＿Ｆｉ—
ｂｅｒ／Ｅｐｏｘｙ－Ｒｅｓｉｎ复合材料的超低温力学性能［１６］：体系的拉伸强度和剪切强度都随着温度的降低而增加。
２．４复合材料热循环使用寿命
采用液Ｎ２／室温、液Ｈｅ／室温、液Ｎ２／高温，分别经若干循
环后检测裂纹情况及渗透性和力学性能的变化，进而判断材料的使用寿命。Ｂｅｃｈｅｌ［１３’１７３研究了材料经ｏ、１５、３０、７５、１２５、１７５、２５０、３２５、４００、５００、７５０、１０００和１２５０次循环后产生裂纹
情况，研究表明［ｏ／９０］ｚｓ、［ｏ／９０／４５／一４５］ｓ铺层方式比［ｏ／４５／一４５／９０］ｓ效果要好，进而影响复合材料的寿命。
２．５复合材料渗漏性测试
渗漏有２种形式，１种是分子扩散，另１种是材料在低温
环境下内应力引起微裂纹引起的渗漏，有时２种形式同时存
在。关于分子扩散渗漏不在我们研究的范围之内，人们着重
与树脂的热膨胀系数（ＣＴＥ）差异大，当复合材料冷却到低温时，显著的内应力要在树脂基体中积累。低温时传统树脂系研究裂纹引起的渗漏。在碳纤维增强复合材料中，由于纤维
统变得很脆，失效应变显著降低。降低的应变能力与来自
ｃＴＥ差异的热应变一起，能引起层压板微裂纹。ｘ－３３复合材料贮箱的研制失败就是因为低温内应力引起裂纹致使液氢渗
・１０・
化工新型材料
第３５卷
漏ｍ］。Ｙｏｋｏｚｅｋｉ等‘１９１研究了裂纹角度对渗漏的影响，并建立了相关数学模型。美国Ｍｃ￡ｂｎｎｅｌｌＤｏｕ讲ａｓＡｅｒｏｓｐａｃｅ（ＭＤＡ）
公司在１９８７年对石墨纤维／环氧树脂复合材料超低温液氢贮箱的研究‘２…，成功地攻克了氢分子渗透和低温下力学强度两大难题。
２．６材料损伤检测
在复合材料的无损检测领域中，声发射技术具有检测和分析复合材料破坏过程和断裂机理的优越性，使人们能够在弄清断裂过程的基础上改进构件的机械性能。通过预测物理性能，使用性能和起始破坏等手段，更合理地在工程中应用于检测复合材料。Ｓｈｉｎｄｏ等［ｚ１３在研究ＧＦＲＰ中，采用了声发射测试手段研究了在超低温环境下的破坏情况。
３超低温复合材料的应用
由于耐低温复合材料具有高比强度、高比模量、优异的断
裂韧性、独特的低温热物理性能以及灵活的可设计性，因此受到了低温工程领域的广泛重视：①低温容器：重复使用航天运
载器液氢、液氧贮箱，液氦容器等，车用液氢燃料杜瓦低温容
器同样引起人们的重视；②低温超导技术：超导装置的构件、
热和电绝缘部件、密封件，例如聚酰亚胺薄膜已在低温超导磁
体中得到应用雎２３；③低温结构元件：低温容器的悬链、低温设备支撑压杆等；④低温风洞：轮、叶，我院对超导无磁低温容
器、Ｓｃ！ＵＤ（超导量子干涉器件）无磁杜瓦和受控核反应的玻
璃钢容器、超低温玻璃钢绝缘子以及耐氦渗漏制品进行了研
究，在成型工艺和防渗结构等方面取得很好的研究结果。
４研究展望
（１）开发高性能超低温用理想树脂体系，并深入探讨其结
构特性；
（２）增强材料的选用和结构铺层设计；
（３）深入研究超低温复合材料的力学行为及其理论解释，研究材料在超低温环境下由于内应力而产生的裂纹致使小分
子渗漏及处理措施，建立微裂纹理论模型并分析预测复合材料的渗透性能；
（４）完善超低温环境下的测试及分析手段。
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超低温复合材料的研究进展
作者：作者单位：
王嵘， 郝春功， 杨娇萍， 张雄军， 付绍云， 王继辉， Wang Rong， Hao Chungong，Yang Jiaoping， Zhang Xiongjun， Fu Shaoyun， Wang Jihui
王嵘,Wang Rong(北京玻璃钢研究设计院,北京,102101;武汉理工大学材料学院,武汉
,430070) ， 郝春功,张雄军,Hao Chungong,Zhang Xiongjun(北京玻璃钢研究设计院,北京,102101) ， 杨娇萍,付绍云,Yang Jiaoping,Fu Shaoyun(中国科学院理化技术研究所,北京,100080) ， 王继辉,Wang Jihui(武汉理工大学材料学院,武汉,430070)化工新型材料
NEW CHEMICAL MATERIALS2007,35(7)1次
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Ｖ０１．３５Ｎｏ．７
・８・
化工新型材料
ＮＥＷＣＨＥＭＩＣＡＬＭＡＴＥＲＩＡＬＳ第３５卷第７期２００７年７月
超低温复合材料的研究进展
王嵘１，３
郝春功１
杨娇萍２
张雄军１
付绍云２
王继辉３
（１．北京玻璃钢研究设计院，北京１０２１０１；２．中国科学院理化技术研究所，北京１０００８０；
３．武汉理工大学材料学院，武汉４３００７０）
摘要本文综述了超低温复合材料的研究背景和国内外最新进展。首先对超低温复合材料所用基体和增强材料
进行了介绍，然后介绍了超低温复合材料的测试手段和主要关注的性能，主要包括结构表征、复合材料界面、力学性能、热循环使用寿命、渗漏性测试、材料损伤检测。同时，还介绍了超低温复合材料的应用。最后，本文展望了超低温复合材料
的发展趋势和研究方向。
关键词超低温，复合材料，研究方法，进展
ＲｅｓｅａＩ℃ｈａｄＶａｎｃｅｓｉｎｃＩ．ｙｏｇｅｎｉｃ
ＷａｎｇＲｏｎ９１・３
ＨａｏＣｈｕｎｇｏｎ９１
ＹａｎｇＪｉａｏｐｉｎ９２
ｃ响ｐｏｓｉｔｅｓ
ＦｕＳｈａｏｙｕｎ２
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Ａｂｓｔｒａｃｔ
ｔｉｃａｒｌｄ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＴｅｃｈｎ０１０９ｙ，Ｗｕｈａｎ
４３００７０）
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ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ
ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ，ｒｅｓｅａｒｃｈｍｅｔｈｏｄ，ｐｒｏｇｒｅｓｓ
超低温环境按照超低温液体介质和超低温真空２种情况料方面有所突破。
分类。其中超低温流体介质主要是液氢（ＬＨｚ），液氧（Ｌ０２），
液氮（ＬＮ。），液氦（ＬＨｅ）及其蒸发气体。其中ＬＨｚ和如是
液体火箭发动机，比推力大且无污染的燃料；ＬＨｅ则是超导装置以及空间装置中常用的低温密封介质，而ＬＮ２由于其惰性特征、价格低廉以及介于ＬＨｚ和Ｌ０２之间的热力学性质而常
１超低温复合材料所用基体及增强材料
１．１超低温复合材料用基体
可以应用在低温环境下的树脂基体主要有：（１）热固性树脂：环氧树脂（ＥＰ），聚酰亚胺（ＰＩ），氰酸酯树脂（ＣＥ）；（２）热塑性树脂：聚醚酰亚胺（ＰＥＩ），聚醚砜（ＰＥＳ），聚醚醚酮（ＰＥＥＫ），聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ），聚砜（Ｐｓ），聚苯硫醚（ＰＰｓ），液晶聚合物（ＬＣＰ）等。
．
用于低温试验和作为预冷介质。低温液体贮运极其重要，目
前低温液体贮运容器大多采用奥氏体不锈钢、铝合金、镍基合金、钛合金等材料。与普通的金属材料贮箱相比，复合材料贮箱的质量可减轻２０％～４０％［１］。
航天运载器实现可重复使用、贮箱的质量减轻是降低航天运输成本、提高运载能力和发射频度的必由之路。１９８６～１９９４年美国国家航天飞机（ＮＡＳＰ）计划和１９９２～１９９６年ＤＣ＿
１．１．１热固性树脂
近些年，高强轻质纤维增强环氧树脂复合材料在超低温环境中逐渐得到应用。Ｆｕｍｉｏｓａ、张等［３１系统研究了低温下所用环氧树脂分子设计。在环氧树脂配方设计中，往往会碰到
ｘ计划都研发了复合材料液氢贮箱，并取得了一定成就。２０００年ｘ．３３计划使用了复合材料液氢贮箱，但由于在试验中热应力引起微裂纹导致液氢渗漏和其他技术问题，最终决定用铝制贮箱代替出问题的复合材料贮箱［２］。２００４年马歇尔航
天飞行中心成功完成了低温复合材料贮箱的有关试验。国内对超低温用树脂基增强复合材料的研究还处于起步阶段，飞行器贮箱一直使用金属材料，因此迫切要求在超低温复合材
脆性过高、易于开裂的问题，解决这一问题行之有效的手段是使环氧树脂柔性化或是使整个配方体系柔性化。Ｒｅｅｄ
ｗａｌｓｈ
Ｒ
Ｒ
Ｐ和
３
Ｐ［４］对环氧树脂和氰酸酯树脂在２９５Ｋ、７６Ｋ和４Ｋ
种温度下的力学性能进行了系统研究，研究表明：低温极限拉伸强度高于室温，并且在３种温度下，具有高模量的树脂体系倾向于具有低强度。氰酸酯树脂的特点是集耐热性、韧性和
优良加工性于一身，同时还具有极低的介电损耗和耐烧蚀等
作者简介：王嵘（１９６８一），男，高级工程师，工学博士，从事玻璃钢／复合材料相关科研和管理工作。
万方数据
第７期王嵘等：超低温复合材料的研究进展
・９・
特性，可作为液氧贮箱复合材料的基体［５’６］。聚酰亚胺薄膜材
料在低温工程领域可作为绝缘材料在超导磁体中获得应用，添加无机（纳米）填料明显改善材料的低温力学性能和绝缘性能，其中颗粒的含量、大小、分散性对复合材料性能有很大的影响。
中科院理化所研究人员采用柔性胺固化剂（Ｄ２３０）改性
环氧树脂，当肛２３０用量为２１％时，可明显改善体系的室温及低温韧性‘７’８］。黄鹏程嘲用一种新型含氮杂萘酮结构的聚醚腈酮（ＰＰＥＮＫ）及其与环氧聚醚的混合体系增韧环氧树脂，研究表明：虽然聚醚对增加ＰＰＥＮＫ改性环氧树脂体系的室温韧性贡献不大，但却明显提高了其超低温韧性。１．１．２热塑性树脂
高性能热塑性树脂具有可重复加工的特点，在低温复合材料中的应用具有很大的潜在价值。ＡｈｌｂｏｒｎＫ［１０３研究了碳纤维增强聚醚醚酮（ＰＥＥＫ）复合材料力学性能，表现出良好的低温破坏强度，但由于较难成型和高额的加工成本，限制了热塑性基体在低温环境下的应用。聚四氟乙烯可作为超低温润滑材料基体。
１．２超低温复合材料用增强材料
在一些低温工程中，纤维增强复合材料因其具有优异的
力学性能而得到越来越广泛的关注，其中应用最广泛的就是
碳纤维和玻璃纤维，表１列出了几种典型纤维复合材料的力学性能ｕ１｜。
表１几种典型纤维复合材料的力学性能
纤维种类
型号
树脂体系
温度／Ｋ—ｉ瓦兰堡！！！苎菘Ｆ
氧化铝纤维
ＰＥＥＫ
２９５９６ｏ．５２７６
１０２Ｏ．８０４
１０１Ｏ．８８
玻璃纤维
ｓ
Ｅｐｏｘｙ
２９３５９．５７６６３．２４
６４．６
碳纤维
Ｔ１３００
Ｅｐｏｘｙ
２９３ｏ．８２７７
Ｏ．７７
４
Ｏ．７３
１．２．１玻璃纤维
试验研究发现［１“，低温下纤维的拉伸强度和拉伸模量都
有不同程度的提高，玻璃纤维ｗｅｉｂｕｌｌ分布尺度参数有很大的
增加，Ｂ９１ａｓｓ从室温到４Ｋ其杨氏模量提高１５％，９９ｌａｓｓ从
２９５Ｋ刭４Ｋ其杨氏模量提高提高１０％。
１．２．２碳纤维
关于碳纤维增强树脂基复合材料在航空航天军事等领域应用较多，也是科研工作者研究的热点。Ｒｅｅｄ［１２３等发现采用中模高强碳纤维作为超低温复合材料的增强材料，与室温时相比强度和模量变化很小，是理想的超低温增强材料。Ｖｅｒ—ｎｏｎ等［１３］研究了碳纤维增强树脂基复合材料，考察了基体，纤维铺层方式等对材料裂纹性能的影响。Ｋｉｍ等［１４１研究Ｔ－７００增强环氧树脂复合材料表明：拉伸强度在低温条件下要比常温下高。碳纤维的表面通常采用氧化处理、表面涂层处理、等
离子体处理等改性方法，能够明显改善纤维和树脂的界面结
合，提高复合材料的层间剪切强度。
万
方数据２超低温复合材料的研究方法
超低温复合材料主要应用在航空航天、军事等领域，其主要成型工艺有热压罐成型和纤维缠绕成型等。洛马公司Ｍｉ—
ｃｈｏｕｄＯｐｅｒａｔｉｏｎｓ分部已成功应用纤维缠绕成型方法制造低
温高压贮箱，其液氧贮箱已成功应用在ｘ１３４航天飞机上［１…。
超低温复合材料的测试手段和主要关注的性能包括结构表征、复合材料界面、力学性能、热循环使用寿命、渗漏性测试、材料损伤检测。
２．１结构表征
低温时传统树脂系统变得很脆，超低温环境下基体脆性表现得更强烈，因此树脂体系柔性化改性成为了必然。差示扫描量热法（ＤＳＣ）是测定体系玻璃化转变温度（Ｔ奢）的１种方法，我们知道简单的均聚物和无规共聚物表现出１个主要的玻璃化转变，而互穿聚合物网络结构却出现２个主要的玻璃化转变温度，可以明确表征出树脂体系的改性情况。
２．２增强材料界面改性表征
ｘ射线光电子能谱分析（ＸＰｓ）：将样品表面用Ｘ射线照射后，原子的内层电子被激发，从样品表层释放光电子。通过测定被释放出的光电子运动能，可以鉴定试验材料表面所存
在的元素，分析其表面改性情况。红外光谱分析（ＩＲ），可以对纤维表面进行定性分析。通过扫描电子显微镜可以观察材料
的断裂情况以表征界面改性情况。
２．３低温力学性能表征
超低温力学测试环境的创造是测试的难点，目前还没有相关的标准，都是经自己改装过的电子拉力测试仪。Ｋｉｍ等人ｕ４］研究了Ｔ－７００增强环氧树脂复合材料在室温、一５０℃、一１００℃、一１５０℃的拉伸性能，表明：拉伸强度在低温条件下与常温下相比变化不大，但拉伸模量有明显的提高，其拉伸模量在一１５０℃比室温高出１６％。ＮＡＳＡ系统研究了Ｃａｒｂｏｎ＿Ｆｉ—
ｂｅｒ／Ｅｐｏｘｙ－Ｒｅｓｉｎ复合材料的超低温力学性能［１６］：体系的拉伸强度和剪切强度都随着温度的降低而增加。
２．４复合材料热循环使用寿命
采用液Ｎ２／室温、液Ｈｅ／室温、液Ｎ２／高温，分别经若干循
环后检测裂纹情况及渗透性和力学性能的变化，进而判断材料的使用寿命。Ｂｅｃｈｅｌ［１３’１７３研究了材料经ｏ、１５、３０、７５、１２５、１７５、２５０、３２５、４００、５００、７５０、１０００和１２５０次循环后产生裂纹
情况，研究表明［ｏ／９０］ｚｓ、［ｏ／９０／４５／一４５］ｓ铺层方式比［ｏ／４５／一４５／９０］ｓ效果要好，进而影响复合材料的寿命。
２．５复合材料渗漏性测试
渗漏有２种形式，１种是分子扩散，另１种是材料在低温
环境下内应力引起微裂纹引起的渗漏，有时２种形式同时存
在。关于分子扩散渗漏不在我们研究的范围之内，人们着重
与树脂的热膨胀系数（ＣＴＥ）差异大，当复合材料冷却到低温时，显著的内应力要在树脂基体中积累。低温时传统树脂系研究裂纹引起的渗漏。在碳纤维增强复合材料中，由于纤维
统变得很脆，失效应变显著降低。降低的应变能力与来自
ｃＴＥ差异的热应变一起，能引起层压板微裂纹。ｘ－３３复合材料贮箱的研制失败就是因为低温内应力引起裂纹致使液氢渗
・１０・
化工新型材料
第３５卷
漏ｍ］。Ｙｏｋｏｚｅｋｉ等‘１９１研究了裂纹角度对渗漏的影响，并建立了相关数学模型。美国Ｍｃ￡ｂｎｎｅｌｌＤｏｕ讲ａｓＡｅｒｏｓｐａｃｅ（ＭＤＡ）
公司在１９８７年对石墨纤维／环氧树脂复合材料超低温液氢贮箱的研究‘２…，成功地攻克了氢分子渗透和低温下力学强度两大难题。
２．６材料损伤检测
在复合材料的无损检测领域中，声发射技术具有检测和分析复合材料破坏过程和断裂机理的优越性，使人们能够在弄清断裂过程的基础上改进构件的机械性能。通过预测物理性能，使用性能和起始破坏等手段，更合理地在工程中应用于检测复合材料。Ｓｈｉｎｄｏ等［ｚ１３在研究ＧＦＲＰ中，采用了声发射测试手段研究了在超低温环境下的破坏情况。
３超低温复合材料的应用
由于耐低温复合材料具有高比强度、高比模量、优异的断
裂韧性、独特的低温热物理性能以及灵活的可设计性，因此受到了低温工程领域的广泛重视：①低温容器：重复使用航天运
载器液氢、液氧贮箱，液氦容器等，车用液氢燃料杜瓦低温容
器同样引起人们的重视；②低温超导技术：超导装置的构件、
热和电绝缘部件、密封件，例如聚酰亚胺薄膜已在低温超导磁
体中得到应用雎２３；③低温结构元件：低温容器的悬链、低温设备支撑压杆等；④低温风洞：轮、叶，我院对超导无磁低温容
器、Ｓｃ！ＵＤ（超导量子干涉器件）无磁杜瓦和受控核反应的玻
璃钢容器、超低温玻璃钢绝缘子以及耐氦渗漏制品进行了研
究，在成型工艺和防渗结构等方面取得很好的研究结果。
４研究展望
（１）开发高性能超低温用理想树脂体系，并深入探讨其结
构特性；
（２）增强材料的选用和结构铺层设计；
（３）深入研究超低温复合材料的力学行为及其理论解释，研究材料在超低温环境下由于内应力而产生的裂纹致使小分
子渗漏及处理措施，建立微裂纹理论模型并分析预测复合材料的渗透性能；
（４）完善超低温环境下的测试及分析手段。
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收稿日期：２００７一０２—２７修稿日期：２００７一０４一０９
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超低温复合材料的研究进展
作者：作者单位：
王嵘， 郝春功， 杨娇萍， 张雄军， 付绍云， 王继辉， Wang Rong， Hao Chungong，Yang Jiaoping， Zhang Xiongjun， Fu Shaoyun， Wang Jihui
王嵘,Wang Rong(北京玻璃钢研究设计院,北京,102101;武汉理工大学材料学院,武汉
,430070) ， 郝春功,张雄军,Hao Chungong,Zhang Xiongjun(北京玻璃钢研究设计院,北京,102101) ， 杨娇萍,付绍云,Yang Jiaoping,Fu Shaoyun(中国科学院理化技术研究所,北京,100080) ， 王继辉,Wang Jihui(武汉理工大学材料学院,武汉,430070)化工新型材料
NEW CHEMICAL MATERIALS2007,35(7)1次
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_hgxxcl200707003.aspx