辐照对蜂窝夹层结构力学性能的影响
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4) 提高蜂窝夹层结构的抗粒子辐照, 主要在胶粘剂和蜂窝芯子方面。采用高抗辐射胶 粘剂和金属材料的蜂窝芯子, 有益于抗空间辐射, 提高蜂窝夹层结构的寿命。
参 考 文 献
1 尹祥址 1 蜂窝夹层结构的设计与工艺 1 长沙国防科技大学出版社, 1982: 9～ 98 2 Structu ra l Sandw ich Com po sites. M IL 2HDB K223A , 1968. 3 M echan ica l P rop erties and T est M ethods. TB S 120 M echan ica l P rop erties of H EXCEL Honeycom b
46 中 国 空 间 科 学 技 术 2000 年 10 月
3 蜂窝夹层结构辐照后低温拉伸强度的估算
关于蜂窝夹层结构拉伸强度的估算, 有关学者已作了大量研究工作[1～ 3, 5], 但由于蜂窝 夹层结构的不规则性和计算模型的一些假设和近似, 纯粹的数学计算结果偏差较大。 为了 满足设计需求, 可以采用相应方法来估算蜂窝夹层结构辐照后的低温拉伸强度。 分析实例 见表 4。
2000 年 10 月 中 国 空 间 科 学 技 术 47
生了较大变化; 而与胶粘剂关系不紧密的其他性能如压缩强度等, 基本没有变化。 3) 除温度影响外, 粒子辐照和紫外辐照影响最大。根据温度、辐照两者的影响、变化
规律, 利用叠加的方法, 即在拉伸强度数据的基础上叠加常温辐照的变化率和温度影响的 变化率, 可以估算蜂窝夹层结构辐照后的低温拉伸强度, 偏差小于 15%。
由于材料制造的不均匀性和其他有关试验误差, 在进行试验的材料数量有限的情况下, 力学性能试验数据的离散性是难免的。 因此, 这些变化规律有一定的偏差。 但有两点是肯 定的: 辐照使蜂窝夹层结构的拉伸强度急剧下降, 而拉伸模量变化较小; 压缩强度和模量 基本没有变化。 其中, 紫外辐照影响大于粒子辐照的影响。 紫外线辐照和粒子辐照对力学 性能影响较大, 主要原因是: 蜂窝夹层结构是采用碳纤维复合材料或其他金属、 非金属材 料的面板和铝箔或环氧玻璃钢等其他材料的蜂窝芯子, 用胶粘剂粘接而成; 胶粘剂是有机 材料, 对辐照较敏感, 特别是紫外辐照; 相对较大剂量的辐照使有机材料发生了分子断链, 使拉伸强度急剧下降; 而同一剂量的辐照对金属材料即铝箔蜂窝芯子影响较小, 在蜂窝夹 层结构中铝箔蜂窝芯子起主要作用的力学性能就变化小些。 例如铝箔蜂窝芯子起主要作用 的压缩强度。 压缩时, 胶粘剂基本不起作用, 而起作用的是铝箔蜂窝芯子。 辐照对铝箔蜂 窝芯子影响小, 因此压缩强度就基本不变。 而拉伸时, 蜂窝夹层结构的面板和蜂窝芯子的 胶粘剂起主要作用, 胶粘剂被辐照后性能变化较大, 发生了断链, 强度下降, 因此, 蜂窝 夹层结构的拉伸强度急剧下降。 需要说明的是, 温度也是力学性能下降的重要原因。 辐照 后的低温力学性能变化应是低温和辐照两因素的影响的叠加。低温、辐照使拉伸强度下降, 但减少幅度有所不同。 在一定范围内, 辐照剂量超过一定值时, 剂量继续增加, 拉伸强度 仍会下降, 但幅度不会太大。
1) 粒子辐照和紫外辐照对蜂窝夹层结构常温、低温力学性能有一定的影响, 紫外辐照 影响相对较大。其中性能变化最大的是拉伸强度 (可下降约 50% ) , 而变化较小的是压缩强 度和模量 (基本不变)。
2) 影响性能变化的最根本原因是辐照对蜂窝夹层结构中的胶粘剂作用很强, 使胶粘剂 材料发生了分子断链, 拉伸强度急剧下降。 因此, 与胶粘剂有关的性能如拉伸强度等, 发
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153 11106
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从表 4 可以看到, 以拉伸强度在 103Gy 剂量辐照前后的变化为例: 以常温常规试样的 拉伸强度数据为基准, 在常温 296K, 粒子辐照使拉伸强度下降 44% ; 在低温下, 213K 时, 温度使拉伸强度下降为 14% ; 粒子辐照使拉伸强度下降为 41% , 辐照引起性能变化率与常 温下辐照引起性能变化率之差为 3% ; 153K 时, 温度使拉伸强度下降 28% , 粒子辐照使拉 伸强度下降为 33% , 辐照引起性能变化率与常温下辐照引起性能变化率之差为 11%。说明 蜂窝夹层结构辐照后拉伸强度在不同低温下变化比例大致相同。 根据常温辐照后的拉伸强 度性能变化率和常温常规试样的低温性能变化规律, 利用叠加的方法, 即在常温拉伸强度 数据的基础上叠加常温辐照引起的性能变化率和低温对性能影响的变化率或在低温拉伸强 度数据的基础上叠加常温辐照引起的性能变化率, 均可估算蜂窝夹层结构辐照后的低温拉 伸强度, 偏差小于 15%。
2000 年 10 月 中 国 空 间 科 学 技 术 43
第 5 期 CH IN ESE SPA CE SC IEN CE AND T ECHNOLO GY
辐照对蜂窝夹层结构力学性能的影响
张建可 冀勇夫
(兰州物理研究所, 兰州 730000)
摘要 通过对一种碳纤维复合材料面板铝蜂窝夹层结构辐照前后力学性能的 试验, 得到了辐照影响该种蜂窝夹层结构力学性能的变化规律。在试验的基础上, 讨论分析了空间辐照对碳纤维面板铝蜂窝夹层结构力学性能的影响机理。 通过试 验和比对, 从中找出了具有一定普遍性的规律, 提出了如何提高该蜂窝夹层结构 抗空间辐照的研究方向。
103Gy
Co 60辐照剂量 106Gy
紫外线辐射剂量 6 000J cm 2
拉伸强度
11546
01860
01725
01616
拉伸模量
24158
24178
25147
23180
剪切强度
01281
01284
01286
01289
剪切模量
61091
61125
61241
51896
压缩强度
01602
01590
01600
T em p era tu res. C ryogen ics and R efrigera tion2P roceedings of ICCR ’98: 470～ 473
作者简介 张建可 1954 年生, 1980 年毕业于北京科技大学物理化学专业。副研究员。主要从事 各种航天材料研制与测试工作, 获国家、 部科技进步奖 4 项, 执笔发表论文 36 篇。
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01822
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32183
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M Pa
紫外线辐射剂量 6 000J cm 2
01523 34188 01416 91415 01828 34188
从表中可以看出, 常温 296K, 粒子辐照使拉伸强度下降而剪切强度和压缩强度基本没 有变化, 拉伸模量和剪切模量略有上升, 压缩模量基本不变。紫外辐照使拉伸强度、模量、 压缩模量明显下降, 其中拉伸强度下降 60%。在低温 213K, 除压缩强度基本不变, 粒子辐 照使拉伸强度、剪切强度都有所下降, 其中拉伸强度下降 57% , 模量变化较小。紫外辐照 使拉伸、剪切强度下降, 压缩强度和其他模量均基本没变化。在 153K, 粒子辐照下力学性 能变化情况相似, 其中拉伸强度下降 46%。紫外辐照使拉伸、剪切强度下降, 压缩强度基 本没变化, 模量均有所增加。
主题词 蜂窝结构 结构分析 力学性能 辐照 蜂窝夹层结构具有质量轻、 强度高、 刚性好等特点, 通过改变夹层结构材料、 结构尺 寸、 结构工艺可广泛用于航天、 航空等工程领域。 在常规条件下, 对其力学性能及变化规 律和影响因素进行了广泛的研究和讨论[1～ 3], 但对于使用在空间辐照环境下的力学性能及 变化规律研究较少。 本文以一种碳纤维网状面板铝蜂窝夹层结构为特例, 对其辐照前后力 学性能进行测试研究。由于蜂窝夹层结构种类繁多, 性能受工艺、结构、材料影响较大, 加 上试验条件有限, 只能从中找出一些具有普遍意义的规律性东西, 供研究参考。
蜂窝夹层结构辐照后的其它力学性能, 大多与蜂窝芯子、 胶粘剂的辐照情况有关。 在 这里, 根据试验, 粒子辐照对铝箔蜂窝芯子的蜂窝夹层结构其他性能影响较小, 基本不变。 因此, 其他性能可以直接用常规试样的低温拉伸模量、 压缩强度、 模量和剪切强度、 模量 变化规律, 直接估算辐照后的低温性能。
4 结论
2 测试结果与讨论分析
试样均采用通常的试验方法[3], 试样尺寸 60mm ×60mm ×25mm。对这些材料进行粒子
辐照、 紫外线辐照等, 对其力学性能在辐照的前、 后进行测试、 比较。 结果见表 1～ 表 3。
表 1 蜂窝夹层结构在 296K 时的力学性能 (平均值)
M Pa
力学性能
常 规
Co 60 辐照剂量
对于近地轨道飞行器, 在高度为 400～ 600km 轨道时, 一般经受的带电粒子辐照年吸收 剂量约为 103Gy, 其粒子能量为 1～ 2M eV [4]。针对这种辐照环境, 从方便试验的角度出发, 采用 60Co 放射性同位素, 它的射线平均能量为 1125M eV 。 采用这种辐照方式, 有利于大 面积辐照试样, 可有效的模拟试样的空间环境。为了进一步考察试样, 分别进行了 103Gy、 106Gy 剂量的辐照试验。 紫外线辐射剂量, 根据需求选用了 6 000J cm 2。 辐照光谱波长为 1×10- 8～ 4×10- 7m , 环境真空为 113×10- 2Pa。
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01368
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29126
30103
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M Pa
紫外线辐射剂量 6 000J cm 2
01562 28110 01349 81045 01714 28109
2000 年 10 月 中 国 空 间 科 学 技 术 45
1 试样结构及辐照环境
选用的试样结构及试样方向示意图见图 1。
图 1 试样结构及试样方向示意图
收稿日期: 2000201210。 收修改稿日期: 2000203206
44 中 国 空 间 科 学 技 术 2000 年 10 月
试样两面是M 40 碳纤维和环氧 648 复合的单向排布层板组成的正交网格, 网孔尺寸为 3mm ×3mm , 面板厚度约为 012mm。蜂窝层是美国 H EXCEL 公司生产的[3], 采用了 5056 铝合金, 铝箔厚度为 01017 8mm , 蜂窝为正六边形, 对角线尺寸为 91525mm , 蜂窝等效密 度为 16kg m 3。
表 4 分析实例
温度 K
常规拉伸 103Gy 剂量辐照 后拉伸
强度 M Pa 强度 M Pa
温度引起 试样性能 变化 (% )
辐照和温度 引起的性能 变化 (% )
辐照引起性 能变化 (% )
辐照引起性能变 化率与常温下辐照
引起性能变化率 之差 (Fra Baidu bibliotek )
296 11546
01860
0
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44
0
213 11326
01596
压缩模量
26161
27158
26149
23182
力学性能
拉伸强度 拉伸模量 剪切强度 剪切模量 压缩强度 压缩模量
表 2 蜂窝夹层结构在 213K 时的力学性能 (平均值)
常 规
Co 60 辐照剂量
103Gy
Co 60辐照剂量 106Gy
11326
01694
01571
28119
28161
M a teria ls, H EXCEL Co rpo ra tion, 1992: 7～ 14 4 张建可, 冀勇夫等 1 粒子辐照对碳纤维复合材料力学性能影响 1 中国空间科学技术, 1998, 18 (1) : 57
～ 59 5 Zhang J ianke, J i Yongfu, L i Zh ihua. M echan ica l P rop erties of Honeycom b Sandw ich Panels a t L ow
力学性能
拉伸强度 拉伸模量 剪切强度 剪切模量 压缩强度 压缩模量
表 3 蜂窝夹层结构在 153K 时的力学性能 (平均值)
常 规
Co 60 辐照剂量
103Gy
Co 60辐照剂量 106Gy
11106
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01543
34165
33193
34137
01420
01428
01424
91265
91637
参 考 文 献
1 尹祥址 1 蜂窝夹层结构的设计与工艺 1 长沙国防科技大学出版社, 1982: 9～ 98 2 Structu ra l Sandw ich Com po sites. M IL 2HDB K223A , 1968. 3 M echan ica l P rop erties and T est M ethods. TB S 120 M echan ica l P rop erties of H EXCEL Honeycom b
46 中 国 空 间 科 学 技 术 2000 年 10 月
3 蜂窝夹层结构辐照后低温拉伸强度的估算
关于蜂窝夹层结构拉伸强度的估算, 有关学者已作了大量研究工作[1～ 3, 5], 但由于蜂窝 夹层结构的不规则性和计算模型的一些假设和近似, 纯粹的数学计算结果偏差较大。 为了 满足设计需求, 可以采用相应方法来估算蜂窝夹层结构辐照后的低温拉伸强度。 分析实例 见表 4。
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生了较大变化; 而与胶粘剂关系不紧密的其他性能如压缩强度等, 基本没有变化。 3) 除温度影响外, 粒子辐照和紫外辐照影响最大。根据温度、辐照两者的影响、变化
规律, 利用叠加的方法, 即在拉伸强度数据的基础上叠加常温辐照的变化率和温度影响的 变化率, 可以估算蜂窝夹层结构辐照后的低温拉伸强度, 偏差小于 15%。
由于材料制造的不均匀性和其他有关试验误差, 在进行试验的材料数量有限的情况下, 力学性能试验数据的离散性是难免的。 因此, 这些变化规律有一定的偏差。 但有两点是肯 定的: 辐照使蜂窝夹层结构的拉伸强度急剧下降, 而拉伸模量变化较小; 压缩强度和模量 基本没有变化。 其中, 紫外辐照影响大于粒子辐照的影响。 紫外线辐照和粒子辐照对力学 性能影响较大, 主要原因是: 蜂窝夹层结构是采用碳纤维复合材料或其他金属、 非金属材 料的面板和铝箔或环氧玻璃钢等其他材料的蜂窝芯子, 用胶粘剂粘接而成; 胶粘剂是有机 材料, 对辐照较敏感, 特别是紫外辐照; 相对较大剂量的辐照使有机材料发生了分子断链, 使拉伸强度急剧下降; 而同一剂量的辐照对金属材料即铝箔蜂窝芯子影响较小, 在蜂窝夹 层结构中铝箔蜂窝芯子起主要作用的力学性能就变化小些。 例如铝箔蜂窝芯子起主要作用 的压缩强度。 压缩时, 胶粘剂基本不起作用, 而起作用的是铝箔蜂窝芯子。 辐照对铝箔蜂 窝芯子影响小, 因此压缩强度就基本不变。 而拉伸时, 蜂窝夹层结构的面板和蜂窝芯子的 胶粘剂起主要作用, 胶粘剂被辐照后性能变化较大, 发生了断链, 强度下降, 因此, 蜂窝 夹层结构的拉伸强度急剧下降。 需要说明的是, 温度也是力学性能下降的重要原因。 辐照 后的低温力学性能变化应是低温和辐照两因素的影响的叠加。低温、辐照使拉伸强度下降, 但减少幅度有所不同。 在一定范围内, 辐照剂量超过一定值时, 剂量继续增加, 拉伸强度 仍会下降, 但幅度不会太大。
1) 粒子辐照和紫外辐照对蜂窝夹层结构常温、低温力学性能有一定的影响, 紫外辐照 影响相对较大。其中性能变化最大的是拉伸强度 (可下降约 50% ) , 而变化较小的是压缩强 度和模量 (基本不变)。
2) 影响性能变化的最根本原因是辐照对蜂窝夹层结构中的胶粘剂作用很强, 使胶粘剂 材料发生了分子断链, 拉伸强度急剧下降。 因此, 与胶粘剂有关的性能如拉伸强度等, 发
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从表 4 可以看到, 以拉伸强度在 103Gy 剂量辐照前后的变化为例: 以常温常规试样的 拉伸强度数据为基准, 在常温 296K, 粒子辐照使拉伸强度下降 44% ; 在低温下, 213K 时, 温度使拉伸强度下降为 14% ; 粒子辐照使拉伸强度下降为 41% , 辐照引起性能变化率与常 温下辐照引起性能变化率之差为 3% ; 153K 时, 温度使拉伸强度下降 28% , 粒子辐照使拉 伸强度下降为 33% , 辐照引起性能变化率与常温下辐照引起性能变化率之差为 11%。说明 蜂窝夹层结构辐照后拉伸强度在不同低温下变化比例大致相同。 根据常温辐照后的拉伸强 度性能变化率和常温常规试样的低温性能变化规律, 利用叠加的方法, 即在常温拉伸强度 数据的基础上叠加常温辐照引起的性能变化率和低温对性能影响的变化率或在低温拉伸强 度数据的基础上叠加常温辐照引起的性能变化率, 均可估算蜂窝夹层结构辐照后的低温拉 伸强度, 偏差小于 15%。
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第 5 期 CH IN ESE SPA CE SC IEN CE AND T ECHNOLO GY
辐照对蜂窝夹层结构力学性能的影响
张建可 冀勇夫
(兰州物理研究所, 兰州 730000)
摘要 通过对一种碳纤维复合材料面板铝蜂窝夹层结构辐照前后力学性能的 试验, 得到了辐照影响该种蜂窝夹层结构力学性能的变化规律。在试验的基础上, 讨论分析了空间辐照对碳纤维面板铝蜂窝夹层结构力学性能的影响机理。 通过试 验和比对, 从中找出了具有一定普遍性的规律, 提出了如何提高该蜂窝夹层结构 抗空间辐照的研究方向。
103Gy
Co 60辐照剂量 106Gy
紫外线辐射剂量 6 000J cm 2
拉伸强度
11546
01860
01725
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拉伸模量
24158
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剪切强度
01281
01284
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剪切模量
61091
61125
61241
51896
压缩强度
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01590
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T em p era tu res. C ryogen ics and R efrigera tion2P roceedings of ICCR ’98: 470～ 473
作者简介 张建可 1954 年生, 1980 年毕业于北京科技大学物理化学专业。副研究员。主要从事 各种航天材料研制与测试工作, 获国家、 部科技进步奖 4 项, 执笔发表论文 36 篇。
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01833
01822
01831
32183
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M Pa
紫外线辐射剂量 6 000J cm 2
01523 34188 01416 91415 01828 34188
从表中可以看出, 常温 296K, 粒子辐照使拉伸强度下降而剪切强度和压缩强度基本没 有变化, 拉伸模量和剪切模量略有上升, 压缩模量基本不变。紫外辐照使拉伸强度、模量、 压缩模量明显下降, 其中拉伸强度下降 60%。在低温 213K, 除压缩强度基本不变, 粒子辐 照使拉伸强度、剪切强度都有所下降, 其中拉伸强度下降 57% , 模量变化较小。紫外辐照 使拉伸、剪切强度下降, 压缩强度和其他模量均基本没变化。在 153K, 粒子辐照下力学性 能变化情况相似, 其中拉伸强度下降 46%。紫外辐照使拉伸、剪切强度下降, 压缩强度基 本没变化, 模量均有所增加。
主题词 蜂窝结构 结构分析 力学性能 辐照 蜂窝夹层结构具有质量轻、 强度高、 刚性好等特点, 通过改变夹层结构材料、 结构尺 寸、 结构工艺可广泛用于航天、 航空等工程领域。 在常规条件下, 对其力学性能及变化规 律和影响因素进行了广泛的研究和讨论[1～ 3], 但对于使用在空间辐照环境下的力学性能及 变化规律研究较少。 本文以一种碳纤维网状面板铝蜂窝夹层结构为特例, 对其辐照前后力 学性能进行测试研究。由于蜂窝夹层结构种类繁多, 性能受工艺、结构、材料影响较大, 加 上试验条件有限, 只能从中找出一些具有普遍意义的规律性东西, 供研究参考。
蜂窝夹层结构辐照后的其它力学性能, 大多与蜂窝芯子、 胶粘剂的辐照情况有关。 在 这里, 根据试验, 粒子辐照对铝箔蜂窝芯子的蜂窝夹层结构其他性能影响较小, 基本不变。 因此, 其他性能可以直接用常规试样的低温拉伸模量、 压缩强度、 模量和剪切强度、 模量 变化规律, 直接估算辐照后的低温性能。
4 结论
2 测试结果与讨论分析
试样均采用通常的试验方法[3], 试样尺寸 60mm ×60mm ×25mm。对这些材料进行粒子
辐照、 紫外线辐照等, 对其力学性能在辐照的前、 后进行测试、 比较。 结果见表 1～ 表 3。
表 1 蜂窝夹层结构在 296K 时的力学性能 (平均值)
M Pa
力学性能
常 规
Co 60 辐照剂量
对于近地轨道飞行器, 在高度为 400～ 600km 轨道时, 一般经受的带电粒子辐照年吸收 剂量约为 103Gy, 其粒子能量为 1～ 2M eV [4]。针对这种辐照环境, 从方便试验的角度出发, 采用 60Co 放射性同位素, 它的射线平均能量为 1125M eV 。 采用这种辐照方式, 有利于大 面积辐照试样, 可有效的模拟试样的空间环境。为了进一步考察试样, 分别进行了 103Gy、 106Gy 剂量的辐照试验。 紫外线辐射剂量, 根据需求选用了 6 000J cm 2。 辐照光谱波长为 1×10- 8～ 4×10- 7m , 环境真空为 113×10- 2Pa。
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M Pa
紫外线辐射剂量 6 000J cm 2
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2000 年 10 月 中 国 空 间 科 学 技 术 45
1 试样结构及辐照环境
选用的试样结构及试样方向示意图见图 1。
图 1 试样结构及试样方向示意图
收稿日期: 2000201210。 收修改稿日期: 2000203206
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试样两面是M 40 碳纤维和环氧 648 复合的单向排布层板组成的正交网格, 网孔尺寸为 3mm ×3mm , 面板厚度约为 012mm。蜂窝层是美国 H EXCEL 公司生产的[3], 采用了 5056 铝合金, 铝箔厚度为 01017 8mm , 蜂窝为正六边形, 对角线尺寸为 91525mm , 蜂窝等效密 度为 16kg m 3。
表 4 分析实例
温度 K
常规拉伸 103Gy 剂量辐照 后拉伸
强度 M Pa 强度 M Pa
温度引起 试样性能 变化 (% )
辐照和温度 引起的性能 变化 (% )
辐照引起性 能变化 (% )
辐照引起性能变 化率与常温下辐照
引起性能变化率 之差 (Fra Baidu bibliotek )
296 11546
01860
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压缩模量
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力学性能
拉伸强度 拉伸模量 剪切强度 剪切模量 压缩强度 压缩模量
表 2 蜂窝夹层结构在 213K 时的力学性能 (平均值)
常 规
Co 60 辐照剂量
103Gy
Co 60辐照剂量 106Gy
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01694
01571
28119
28161
M a teria ls, H EXCEL Co rpo ra tion, 1992: 7～ 14 4 张建可, 冀勇夫等 1 粒子辐照对碳纤维复合材料力学性能影响 1 中国空间科学技术, 1998, 18 (1) : 57
～ 59 5 Zhang J ianke, J i Yongfu, L i Zh ihua. M echan ica l P rop erties of Honeycom b Sandw ich Panels a t L ow
力学性能
拉伸强度 拉伸模量 剪切强度 剪切模量 压缩强度 压缩模量
表 3 蜂窝夹层结构在 153K 时的力学性能 (平均值)
常 规
Co 60 辐照剂量
103Gy
Co 60辐照剂量 106Gy
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