《Journal of Composite Materials》：Braided reinforcements in orbiting bodies: The effect of UV photodegradation on the tensile properties of 2D tubular braided composites intended for space applications
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摘要
管状编织复合材料（TBCs）具有高比刚度、损伤容限和可定制的热膨胀特性，使其成为轻质航天结构的有吸引力的选择。目前，关于TBCs在空间相关紫外光谱下耐久性的研究仍然有限。本研究首次考察了AM0紫外、可见及近红外辐射（350–1200 nm）对碳/环氧和
摘要
管状编织复合材料（TBCs）具有高比刚度、损伤容限和可定制的热膨胀特性，使其成为轻质航天结构的有吸引力的选择。目前，关于TBCs在空间相关紫外光谱下耐久性的研究仍然有限。本研究首次考察了AM0紫外、可见及近红外辐射（350–1200 nm）对碳/环氧和Kevlar?/环氧二维TBCs拉伸行为的影响。试样以三种编结角（35°、45°和55°）制造，并暴露于0天和14天（约336小时）的连续低地球轨道辐照下，分别在0、7和14天时测量质量，随后进行拉伸试验以确定力学性能。碳/环氧TBCs显示出可忽略的质量变化（±0.1%），表明紫外线损伤局限于薄层环氧树脂表面。碳纤维45°和55°TBCs的拉伸模量（最高增加76%）和极限抗拉强度（UTS）（最高增加46%）提高，屈服应变降低，表明紫外线诱导了基体及纤维-基体界面的硬化和脆化。Kevlar?/环氧TBCs损失了约1%的初始质量，并出现表面变色。Kevlar?35°TBCs的模量（约增加10%）和屈服强度（约增加14%）显著提高，但屈服应变和UTS未发生变化。Kevlar?45°和Kevlar?55°未显示拉伸性能变化，支持了自屏蔽机制。总体而言，AM0暴露提高了碳纤维TBCs的刚度和拉伸强度，同时降低了变形能力，而Kevlar?TBCs表现出较小且依赖编结角的拉伸变化，突显了纤维类型和编织架构在紫外线暴露编织复合材料部件空间应用中的重要性。
论文解读
**一、研究背景与意义**
纤维增强聚合物复合材料（FRPCs）因其轻质、高比刚度及可设计性，已在航天结构中得到广泛应用。管状编织复合材料（TBCs）作为FRPCs的一种特殊形式，通过编结预制体与聚合物基体复合形成连续互锁结构，在特定编结角下可实现近零纵向热膨胀系数（CTE），并兼具良好的损伤容限和抗分层性能，因而被视为有前景的轻质空间结构材料。然而，低地球轨道（LEO）环境中的紫外线（UV）辐射会对聚合物基体乃至增强纤维造成光氧化降解，导致材料刚度、强度、颜色、质量及表面完整性发生变化。尽管层合FRPCs的紫外降解行为已被广泛研究，但TBCs在空间相关紫外光谱下的耐久性此前未见报道。该研究正是针对这一空白，首次系统考察AM0紫外、可见及近红外辐射（350–1200 nm）对不同编结角碳/环氧与Kevlar?/环氧二维TBCs拉伸性能及质量变化的影响，为TBCs在航天结构中的工程应用提供关键实验依据。该论文发表在《Journal of Composite Materials》。
**二、主要技术方法**
研究人员采用水平maypole编结机（K80/HS80 Series 1，Steeger GmbH and Co.，德国伍珀塔尔）在直径7/16英寸（11.1 mm）的心轴上制造单层二维菱形管状编织预制体，分别使用1420旦Kevlar? 49纤维（杜邦公司，美国特拉华州威尔明顿）和3K HexTow? AS4C-GP碳纤维（Hexcel公司，美国康涅狄格州）。基体体系为Epon 826树脂（Hexion Inc.，美国俄亥俄州）与Epikure W固化剂（Miller-Stephenson Chemical Co.，美国丹伯里），按100:27.2质量比混合后采用热压罐程序固化（80°C 1小时、121°C 1小时、177°C 2小时）。每种纤维类型和编结角组合制造10个试样，其中5个暴露于AM0辐照336小时，5个作为未暴露对照。UV暴露采用LED太阳模拟器（SunBrick，G2V公司，加拿大埃德蒙顿），匹配AM0光谱350–1200 nm波段（辐照度1016 W/m2），并根据空间辐照均匀性对试样进行位置轮换以减小系统偏差。质量测量采用分析天平（MS204TS/00，Mettler Toledo，分辨率0.1 mg）在0、168和336小时进行。拉伸测试参照改进的ASTM D3039方法，采用Instron 1000万能试验机以2 mm/min位移控制加载，同时使用立体数字图像相关（DIC）系统（两台AVT GT3400相机，德国Stadtroda Allied Vision Technologies）测量轴向应变，获得全场应变数据并计算工程应力-应变曲线。
**三、研究结果**
**质量测量结果**
碳纤维TBCs在14天AM0暴露后质量变化可忽略（±0.1%以内），表明紫外线损伤主要局限于环氧基体薄表层，碳纤维本身具有抗紫外降解特性。相比之下，Kevlar?TBCs在7天后即出现约1%的质量损失（K35为?1.25%，K45为?1.39%，K55为?1.06%），与聚合物链断裂和化学基团损失相关。碳纤维TBCs暴露后仅出现基体轻微变暗并产生芳香气味，而Kevlar?TBCs则呈现明显且随暴露时间加深的变色，符合光氧化产物和生色团形成的特征。较高编结角产生更厚的基体富集表面层，提供更强的紫外线屏蔽效应；而较平坦的35°编织结构暴露更多纤维面积，降低环氧表层有效厚度。
**碳纤维TBC拉伸测试结果**
C35试样暴露14天后拉伸模量从2.44增至3.46 GPa（约42%，p=0.035），屈服应力从19.43增至22.66 MPa（约19%），屈服应变从8.64降至6.31 mm/m（约?27%），UTS从23.47增至33.12 MPa（约41%）。C45试样模量变化轻微（?1.6%），屈服强度下降约5.7%，屈服应变下降约11%，UTS增加约26%。C55试样模量从1.15增至2.02 GPa（约76%，p<0.001），屈服应力增加约13%，屈服应变从3.73降至2.81 mm/m（约?25%，p=0.008），UTS增加约33%。双因素方差分析显示UV暴露（p=0.011）和编结角（p<0.001）对模量的影响显著，但交互项不显著（p=0.06）。力学性能变化与断裂形态观察一致：C35呈脆性纤维主导断裂，C45和C55出现“瓶颈”现象，基体失效而纤维保持完整，表明基体和纤维-基体界面是紫外损伤的主要区域。
**Kevlar? TBC拉伸测试结果**
K35试样暴露14天后模量从4.72增至5.21 GPa（约10%，p=0.040），屈服强度从47.5增至53.9 MPa（约14%，p=0.030），但屈服应变（10.5至10.8 mm/m）和UTS（74.6至78.9 MPa）变化不显著。K45和K55试样在模量、屈服应力、屈服应变和UTS方面均无统计学显著变化。双因素方差分析显示编结角对模量影响显著（p<0.001），UV暴露处于临界水平（p=0.072），交互项显著（p=0.014），说明UV对模量的影响依赖编结角。K35表现出更长的颈缩区域，而K45和K55的颈缩区域更短，失效以基体开裂和界面损伤为主。结果支持自屏蔽机制：35°平坦编织架构使Kevlar?纱线暴露面积增大，紫外线穿透更深；而45°和55°情况下纱线更紧密聚集，形成更大有效纱束，提供更好的互屏蔽效果。
**碳与Kevlar? TBC交叉比较**
碳/TBCs在C35和C55中模量和UTS大幅增加伴随屈服应变显著降低，符合环氧表层硬化和纤维-基体界面负荷增加的机制。K35仅表现出温和的模量（4.72至5.21 GPa）和屈服强度（47.5至53.9 MPa）增加，而屈服应变和UTS保持不变。在45°编结角下，C45和K45模量均保持不变，但C45屈服应变下降11%，而K45仅下降6.3%，表明较刚性的碳纤维增强体会将更多应变传递至紫外脆化的基体和界面，而Kevlar?体系则保持更柔顺的载荷分担。
**四、结论与展望**
研究首次提供了AM0紫外、可见及近红外光谱（350–1200 nm）对二维TBCs质量和拉伸行为影响的实验数据。碳纤维TBCs质量变化可忽略（±0.1%），C35和C55在暴露后模量和UTS显著增加伴随屈服应变降低，表明紫外诱导了环氧表层及纤维-基体界面的硬化和脆化。Kevlar?TBCs损失约1%初始质量并产生表面变色，K35显示模量和屈服强度显著增加但屈服应变和UTS基本不变，而K45和K55无显著拉伸性能变化，支持自屏蔽机制的存在。对于空间编织结构，碳纤维TBCs在紫外老化后能保持或提升拉伸承载能力，但变形能力降低；Kevlar?TBCs则通过自屏蔽和编结角控制更好地保留拉伸承载能力和弹性，使纤维选择和编织架构成为关键设计变量。未来研究应结合局部应变映射技术表征细观损伤演化，采用傅里叶变换红外光谱等表面分析手段量化化学变化，并通过窄带波长对比和延长暴露时间建立波长及剂量依赖关系。
