本发明涉及空间相机技术领域，特别涉及一种桁架结构用碳纤维/氰酸酯复合材料管接头及其制备方法。
背景技术：
桁架结构作为空间相机的主流结构，通常希望其具有低热胀系数：在环境温度变化时结构稳定，不影响成像精度、稳定性。
桁架杆结构通常采用复合材料，可以通过选择纤维、树脂以及铺层角度，在杆件轴向获得低或零膨胀。
桁架管接头，由于结构、载荷情况复杂，因此常用材料为铝合金、钛合金、低热胀系数合金。铝合金、钛合金承载能力高，能够加工成复杂形状的管接头，但是材料自身热胀系数大(铝合金热胀系数2.3×10-5/℃，钛合金热胀系数9.4×10-5/℃)。低热胀系数合金，热胀系数低(如殷钢，热胀系数为0)，然而密度较大，比强度低、比刚度低。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术中金属管接头低热胀性与高比强度两方面性能无法兼具的技术缺陷，提供一种新型桁架结构用碳纤维复合材料管接头及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供一种碳纤维/氰酸酯复合材料管接头，所述管接头由低热胀系数碳纤维/氰酸酯复合材料通过预浸料铺放工艺一体成型制得。该复合材料管接头可用于空间相机的桁架结构中。
一些实施例中，所述管接头在管件轴向方向上热涨系数绝对值小于1×10-6/k。
一些实施例中，所述低热胀系数碳纤维/氰酸酯复合材料，在单层0°方向热胀系数为α1，-1×10-6/k＜α1＜1×10-6/k；在单层90°方向热胀系数为α2，15×10-6/k＜α2＜35×10-6/k。
一些实施例中，所述碳纤维/氰酸酯复合材料由高强型碳纤维/氰酸酯材料与高模型碳纤维/氰酸酯材料混合得到。
一些实施例中，所述高强型碳纤维/氰酸酯材料中碳纤维的强度为2000mpa～4000mpa，模量为200gpa～300gpa；所述高模型碳纤维/氰酸酯材料中碳纤维的模量在300gpa以上。
一些实施例中，所述碳纤维/氰酸酯复合材料的铺层角度为(02/±θ)n，60°≤θ≤80°。
一些实施例中，以碳纤维/氰酸酯复合材料的体积为100％，所述碳纤维/氰酸酯复合材料中，碳纤维的体积含量为57％～63％。
再另一方面，本发明提供一种上述的管接头的制备方法，所述制备方法包括：s1、按照铺层角度和顺序，在模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料；s2、通过金属对模或真空袋法压实铺层；s3、整体入炉固化成型得到所述管接头。
一些实施例中，所述模具为金属阳模。
一些实施例中，所述氰酸酯/碳纤维预浸料由高强型碳纤维/氰酸酯预浸料与高模型碳纤维/氰酸酯预浸料两种预浸料混合制得。
本发明的有益效果在于：本发明的低热胀系数碳纤维/氰酸酯复合材料管接头，通过一体成型固化获得，不存在界面问题，能够用于空间光学桁架结构，可提高桁架结构环境稳定性，对于改善环境温度变化对空间光学结构的精度、稳定性影响，具有重要意义。
本发明提供的碳纤维/氰酸酯复合材料管接头中，碳纤维/氰酸酯预浸料采用高强型碳纤维/氰酸酯预浸料与高模型碳纤维/氰酸酯预浸料混杂使用，轴向采用高模型碳纤维贡献低热胀系数，环向采用高强型碳纤维贡献高强度。在兼顾低热胀性能与高比强度性能的同时，更好的解决了在成型过程中管接头中存在内应力可能导致的管接头开裂问题。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供一种桁架结构用碳纤维/氰酸酯复合材料管接头，该管接头由低热胀系数碳纤维/氰酸酯复合材料通过预浸料铺放工艺一体成型制得。一体成型获得的产品无胶接面且纤维连续性好，产品力学性能更优、可靠性更高。
具体实施例中，本发明的管接头在管件轴向方向上热涨系数绝对值小于1×10-6/k。具体通过采用具有典型的负的热膨胀系数的碳纤维，与树脂基体组成单层后，0°方向热胀系数为α1，-1×10-6/k＜α1＜1×10-6/k，在单层90°方向热胀系数为α2，15×10-6/k＜α2＜35×10-6/k，通过设计铺层，可使层合板x向热胀系数绝对值小于1×10-6/k，使得管接头在管件轴向方向上热涨系数绝对值小于1×10-6/k。
其中，碳纤维/氰酸酯复合材料由高强型碳纤维、高模型碳纤维与氰酸酯树脂基体通过热熔预浸法获得两种单独的预浸料，高模型碳纤维/氰酸酯预浸料作为0°层，高强型碳纤维/氰酸酯预浸料作为θ°层，按照设计好的铺层角度和顺序铺放成型，合模(或真空袋法)固化。具体的，高强型碳纤维选自日本高丽公司t300b、t400hb、t700sc、t800hb或hf40a型碳纤维中的至少一种，高模型碳纤维选自日本高丽公司m35jb、m40jb、m46jb、m55jb或m60jb型碳纤维中的至少一种，选择这样的复合材料搭配使用，制得的管接头既能具有低热膨胀性，又能具有高的比强度。
具体实施例中，碳纤维/氰酸酯复合材料的铺层角度为(02/±θ)n，60°≤θ≤80°，通过采用这样的铺层角度能够降低工艺实施过程中铺层角度误差对产品轴向热膨胀系数的影响。同时，配合使用以上选择的两种碳纤维/氰酸酯预浸料能够减小成型固化后产品内部纤维与树脂界面的径向内应力。本发明通过采用碳纤维/氰酸酯复合材料，其可设计性强，通过调整铺层角度，可在特定方向上获得低膨胀特性。
碳纤维/氰酸酯复合材料选择的铺层角度以及选用的碳纤维是本发明的发明人通过付出创造性劳动获得，能够降低工艺实施过程中铺层角度误差对产品轴向热膨胀系数的影响、减小成型固化后产品内部纤维与树脂界面的径向内应力。
本发明的管接头所用到的碳纤维/氰酸酯复合材料中，以碳纤维/氰酸酯复合材料的体积为100％，碳纤维的体积含量为57％～63％，能够使得最终获得的复合材料的各项力学性能指标达到最优，使拉压、层间剪切性能得到均衡。
再另一方面，本发明提供一种上述的管接头的制备方法，制备方法包括：s1、按照铺层角度和顺序，在模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料，具体的预浸料通过热熔预浸法制备；s2、通过金属对模或真空袋法压实铺层；s3、整体入炉固化成型得到管接头。具体的，步骤s1中所用模具为金属阳模，铺放的氰酸酯/碳纤维预浸料由高强度碳纤维/氰酸酯预浸料与高模量碳纤维/氰酸酯预浸料两种预浸料混合制得，使得制得的管接头既能具有低热膨胀性，又能具有高的比强度。
本发明的碳纤维/氰酸酯复合材料，在制备过程中通过采用预浸料铺放工艺，相比缠绕工艺而言，能够更好地控制纤维体积含量，从而提高产品力学性能。
本发明的低热胀系数碳纤维/氰酸酯复合材料管接头，通过一体成型固化获得，不存在界面问题，能够用于空间光学桁架结构，可提高桁架结构环境稳定性，对于改善环境温度变化对空间光学结构的精度、稳定性影响，具有重要意义。
本发明提供的碳纤维/氰酸酯复合材料管接头中，碳纤维/氰酸酯预浸料采用高强度碳纤维/氰酸酯预浸料与高模量碳纤维/氰酸酯预浸料混杂使用，轴向采用高模量碳纤维贡献低热胀系数，环向采用高强度碳纤维贡献高强度，在兼顾低热胀性能与高比强度性能的同时，更好的解决了在成型过程中管接头中存在内应力可能导致的管接头开裂问题。
以下结合具体实施例予以详细说明。
实施例1
s1、按照[02/±66]4的铺层角度和顺序，在金属阳模模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料，0°铺层为高模型碳纤维/氰酸酯预浸料，厚度0.15mm，66°铺层为高强型碳纤维/氰酸酯预浸料，厚度均为0.125mm；其中，高模型碳纤维采用日本东丽公司m55jb，高强度碳纤维为日本高丽公司t800hb；s2、通过金属对模压实铺层；s3、将整体入炉固化成型得到管接头。
经测试，制得的管接头的管件轴向热胀系数为-0.337×10-6/k，环向刚度为55.02gpa，成型过程中管接头未出现开裂现象。
实施例2
s1、按照[02/±68]4的铺层角度和顺序，在金属阳模模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料，0°铺层为高模型碳纤维/氰酸酯预浸料，厚度0.15mm，68°铺层为高强型碳纤维/氰酸酯预浸料两种预浸料按照，厚度均为0.125mm；其中，高模量碳纤维采用日本高丽公司m55jb，高强度碳纤维为日本高丽公司t700sc；s2、通过金属对模压实铺层；s3、将整体入炉固化成型得到管接头。
经测试，制得的管接头的管件轴向热胀系数为-0.296×10-6/k，环向刚度为58.03gpa，成型过程中管接头未出现开裂现象。
实施例3
s1、按照[02/±61]3的铺层角度和顺序，在金属阳模模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料，0°铺层为高强型碳纤维/氰酸酯预浸料，厚度0.2mm，61°铺层为高模型碳纤维/氰酸酯预浸料，厚度均为0.1mm；其中，高模量碳纤维采用日本高丽公司m40jb，高强度碳纤维为日本高丽公司t700sc；s2、通过金属对模压实铺层；s3、将整体入炉固化成型得到管接头。
经测试，制得的管接头的管件轴向热胀系数为-0.0687×10-6/k，环向刚度为28.57gpa，成型过程中管接头未出现开裂现象。
实施例4
s1、按照[02/±80]4的铺层角度和顺序，在金属阳模模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料，0°铺层为高强型碳纤维/氰酸酯预浸料，厚度0.15mm，80°铺层为高模型碳纤维/氰酸酯预浸料，厚度均为0.1mm；其中，高模量碳纤维采用日本高丽公司m55jb，高强度碳纤维为日本高丽公司t700sc；s2、通过金属对模压实铺层；s3、将整体入炉固化成型得到管接头。
经测试，制得的管接头的管件轴向热胀系数为-0.158×10-6/k，环向刚度为47.75gpa，成型过程中管接头未出现开裂现象。
实施例5
s1、按照[02/±60]3的铺层角度和顺序，在金属阳模模具上铺放氰酸酯/碳纤维预浸料，0°铺层为高强型碳纤维/氰酸酯预浸料，厚度0.15mm，60°铺层为高模型碳纤维/氰酸酯预浸料，厚度均为0.15mm；其中，高模量碳纤维采用日本高丽公司m40jb，高强度碳纤维为日本高丽公司t700sc；s2、通过金属对模压实铺层；s3、将整体入炉固化成型得到管接头。
经测试，制得的管接头的热胀系数为-0.222×10-6/k，环向刚度为36.57gpa，成型过程中管接头未出现开裂现象。
综上可见，本发明提供的碳纤维/氰酸酯复合材料管接头中，碳纤维/氰酸酯预浸料采用高强度碳纤维/氰酸酯预浸料与高模量碳纤维/氰酸酯预浸料混杂使用，轴向采用高模量碳纤维贡献低热胀系数，环向采用高强度碳纤维贡献高强度，在兼顾低热胀性能与高比强度性能的同时，更好的解决了在成型过程中管接头中存在内应力可能导致的管接头开裂问题。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。