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纤维增强聚合物基复合材料超低温线膨胀系数的测定
编制说明
(征求意见稿)
目录
一、工作简况,包括任务来源、制定背景、起草过程等 1
1.1任务来源 1
1.2制定背景 1
1.3任务分工 4
1.4起草过程 4
二、国家标准编制原则、主要内容及其确定依据 6
2.1编制原则 6
2.2主要内容及其确定依据 6
三、试验验证的分析报告,预期的经济效益、社会效益 9
四、与国际、国外同类标准技术内容的对比情况 16
五、以国际标准为基础的起草情况,并说明未采用国际标准的原因 16
六、与有关法律、行政法规及相关标准的关系 16
七、重大分歧意见的处理经过和依据 16
八、涉及专利的有关说明 17
九、实施国家标准的要求,以及实施日期的建议等措施建议 17
十、其他应当说明的事项 17
参考文献 17
1
纤维增强聚合物基复合材料超低温线膨胀系数的测定
一、工作简况,包括任务来源、制定背景、起草过程等
1.1任务来源
根据国标委发【2023】58号文《国家标准化管理委员会关于下达2023年第三批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》要求,由中国科学院理化技术研究所作为主编单位,中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所、北京玻钢院检测中心有限公司、北京玻钢院复合材料有限公司、上海康碳复合材料科技有限公司、斯坦德检测集团股份有限公司等作为参编单位,完成国家标准化管理委员会推荐性国家标准《纤维增强聚合物基复合材料超低温线膨胀系数的测定》的编制工作。项目计划号T-609,完成年限2025年5月。
1.2制定背景
纤维增强聚合物基复合材料(以下简称复合材料)因其物理性能优异、耐低温且具有易成型等特点,近年来在航空航天、军民用大型低温工程、新能源等低温乃至超低温领域(一般10℃~-180℃称为低温,-180℃~-269℃称为超低温,-269℃~-273℃称为极低温,目前低温界无明确定义。一般通过液氦蒸发制冷或制冷机制冷来获得超低温度。)存在巨大的应用需求。如重型运载火箭出于自身减重对复合材料液氢/液氧贮箱的应用需求、深空探索对关键承力复合材料结构件(包括太阳能帆板、通讯天线、探测设备等支撑系统)的需求、探月/探火/小天体探测等关键部件对复合材料的需求、大型低温工程(如ITER中液氦温区磁体绝缘材料、高铁超导电机复合材料低温杜瓦)、新能源领域液氢燃料复合材料储罐的需求、低温医学SQUID用无磁杜瓦等。实际上,在众多的低温应用场景中,复合材料与金属材料或其他非金属材料总是复合使用。然而,实际应用场景温度的变化总会引起材料构件尺寸的变化,不同材质构件尺寸变化的不匹配可能导致整个结构装置在低温下失效,进而影响设备整体运行安全。因此,复合材料单独或与其他材质材料在低温下复合使用时,需要提前获取复合材料的低温线膨胀系数,为整体装置的先期设计提供低温变形参考数据。
2
目前,复合材料的低温线膨胀系数测试还是采用比较传统的顶杆示差法,即:通过石英顶杆测量试样长度随温度的变化来计算复合材料的平均线膨胀系数。然而,顶杆示差法也存在其不能测量复合材料低温线膨胀系数的场景,主要表现在以下几个方面:
(1)其所能测量的最低温度只能达到-180℃,无法测量超低温度下的复合材料线膨胀系数。当前市场上成熟的顶杆示差法装置均是采用液氮作冷源,所能达到的最低测量温度多数在-150℃,少部分可以达到-180℃。之所以不能达到更低的测量温度除了与冷源的沸点有关外,最主要还是由顶杆示差法的石英套筒测量结构所导致。当测量温度降低到超低温度时,测量装置的石英套筒间会出现部分气体凝结“结冰”,冻住并阻碍石英顶杆移动,进而影响试样变形的测量。需要强调的是:鉴于液氮(198.9KJ/Kg)和液氦(20.7KJ/Kg)的汽化潜热存在巨大的差别,超低温环境的实现需要通过液氦蒸发制冷,因此顶杆示差法的测量装置无法满足超低温下液氦控温和保温的需求。
(2)顶杆示差法试样的尺寸要求严格(圆柱形或方条形),复合材料结构件的曲面或连接部位变形无法测量。为控制试样内部的温度梯度分布,顶杆示差法的试样尺寸要求较严(φ10mm×50mm或10mm×10mm×50mm)。目前在超低温领域应用的复合材料构件绝大部分不是规则件,存在大量的弧面结构和交接结构,鉴于顶杆示差法设备的结构,其无法测量上述结构的线膨胀系数。
(3)目前复合材料多数采用多向纤维铺层方式,且纤维径向与轴向的热膨胀行为不同,顶杆示差法不能同时测定复合材料各个方向的膨胀行为,不能
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