[论文解读] Composite materials with uncured epoxy matrix exposed in stratosphere during NASA stratospheric balloon flight

Alexey Kondyurin, Irina Kondyurina+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 31, 2010

Silicone and Siloxane Chemistry参考文献 11被引用 4

一句话总结

本研究在2010年4月16日至18日期间，通过美国国家航空航天局（NASA）的高空气球任务，将未固化的环氧树脂基复合材料暴露于平流层（40公里高空），持续72小时，经历极端低温（-76 °C）和低压（2.1 Torr）。主要发现是，平流层中类空间辐射诱导了未固化的环氧树脂基体发生交联反应，而地面对照组则发生了聚缩合反应；飞行后，基体仍保持反应活性，可在地球上完全固化，表明该现象对轨道任务中在轨复合材料固化的可行性具有重要意义。

ABSTRACT

A cassette of uncured composite materials with an epoxy resin matrix was exposed in the stratosphere (40 km altitude) over 3 days. Temperature variations of -76...+32.50C and pressure up to 2.1 Torr were recorded during flight. An analysis of the chemical structure of the composites showed, that the polymer matrix exposed in the stratosphere becomes crosslinked, while the ground control materials react by way of polycondensation reaction of epoxy groups. The space irradiations are considered to be responsible for crosslinking of the uncured polymers exposed in the stratosphere. The composites were cured on Earth after landing. Analysis of the cured composites showed, that the polymer matrix remains active under stratospheric conditions. The results can be used for predicting curing processes of polymer composite in a free space environment during an orbital space flight.

研究动机与目标

• 研究未固化的环氧树脂基体在类空间环境平流层条件下的化学反应活性。
• 确定平流层中的类空间辐射和极端条件是否能引发未固化复合材料的聚合反应。
• 评估环氧树脂基体在暴露于平流层条件后仍保留的反应活性，以评估其在轨或在轨固化潜力。
• 比较同一环氧体系在平流层暴露与地面对照条件下固化机理的差异（交联 vs. 聚缩合）。

提出的方法

• 一个装有未固化复合材料（环氧树脂基体）的暗盒随美国国家航空航天局的平流层气球任务于2010年4月16日至18日期间在澳大利亚爱丽斯泉上空飞行。
• 材料在平流层条件下暴露：温度范围为-76 °C至+32.5 °C，压力低至2.1 Torr，持续72小时。
• 利用光谱技术对暴露样品和地面对照样品进行化学结构分析，以识别反应路径。
• 飞行后，对暴露样品在地球上进行固化，以评估其残留反应活性和最终交联密度。
• 通过比较暴露样品与对照样品的固化行为，分离出平流层辐射对聚合反应的影响。
• 通过地面对照组中未观察到类似效应，推断电离辐射（如宇宙射线）是引发交联反应的关键因素。

实验结果

研究问题

• RQ1 平流层辐射是否会在未固化的环氧树脂基体中诱导交联反应？
• RQ2 未固化的环氧树脂基复合材料在平流层暴露与地面对照条件下的固化机理有何不同？
• RQ3 环氧树脂基体在经历极端平流层条件后，其反应活性保留程度如何？
• RQ4 平流层中观察到的化学转变是否可归因于电离辐射，而非单纯的热效应或压力效应？
• RQ5 该行为对轨道任务中聚合物复合材料在轨固化的应用有何启示？

主要发现

• 经平流层暴露的未固化环氧树脂基体确实发生了辐射诱导的交联反应，该结果通过化学结构分析得到证实。
• 相比之下，地面对照组样品发生了聚缩合反应，表明平流层效应并非仅由环境条件引起。
• 环氧树脂基体在平流层暴露后仍保留足够的反应活性，可在返回地球后实现完全固化。
• 在无辐射条件下，平流层的温度和压力变化并未引起显著的化学变化。
• 结果表明，类空间辐射是未固化环氧树脂复合材料在平流层条件下发生交联反应的主要驱动力。
• 这些发现支持了在近地轨道及深空任务中实现聚合物复合材料在轨固化的可行性。