English
中文
碳纤维复合材料助力宇宙探索
- 中国复合材料学会
- 2021-11-01
据环球时报前段时间报道，由于第一颗地球观测卫星发射失败，印度斯里赫里戈达岛的航天中心弥漫着悲伤的氛围。印度空间研究组织（ISRO）指出，印度这项最先进的卫星发射任务失败，主要是因为卫星在低温阶段出现性能异常，无法点火从而导致失败 。卫星的性能与其制造材料息息相关。
说起卫星制造，复合材料可是贡献了不少力量。因为卫星运行的特殊性，它对制造材料的要求非常苛刻。
卫星结构对材料的要求
卫星是一个不断地移动远离和靠近太阳的直接热量的物件，以一个稳定的温度流，这可能会导致其膨胀和收缩。卫星结构对材料性能的要求，首先是质量轻、密度低；其次是强度高、模量高、延性好，即比模量高和比强度高；此外材料应具有低的热膨胀系数、耐超高温和超低温能力，以及良好的空间环境稳定性、材料真空出气要求和制造工艺性能等。
当今世界，各国竞相研究高分辨率的空间遥感卫星。而要提高卫星的分辨率，大口径、长焦距、轻型的空间相机是关键。要打造“看得清又很轻”的空间相机，让天上卫星“拍到好照片”，需要相机的光学支撑结构大、轻，还要高稳定，因此高稳定、轻量化复合材料就成为重要的支撑。
另外，一种新材料在太空中使用所需的最重要特性是强度和刚度。当一个物件在围绕地球的轨道上运动，将经受难以置信的力，这将撕开相对脆弱的结构。单单卫星的发射就可以使材料承受高达三倍重力的力量，这意味着每个组件将重达在地球上的三倍多。该材料必须保持其完整性而不折断，或者在巨大的力量下弯曲。
一旦卫星在太空中，它必须在微重力下保持功能，其中的部分材料将比他们在地球上的重量更少。这种引力的强度变化意味着，所用的材料必须是令人难以置信的多适用性和有独特的完整性。
该空间结构还必须能够承受来自卫星内部的机舱压力。在国际空间站里，内部的氧气能对表面每英寸产生高达15磅的力量。如果材料不够坚固，就可能造成破裂并导致漏气，这会威胁飞行器中的每个人的生命。
另一个威胁到卫星的是抛弹物的数量，很多都会与卫星发生碰撞接触。解散的人造卫星弹片会围绕地球轨道运动，最后作为轨道的太空垃圾。这些高速的废铜烂铁可以撕碎新的仍在运行的卫星，使用的材料必须强大到足以摆脱这些“炮弹”。
当卫星发射到地球轨道的时候，已经是昂贵的冒险，所考虑的材料必须在经济上可行。在太空切实的使用材料，也必须是非常轻量化，因为额外的一公斤质量可以增加数千美元的发射成本。
复合材料的特征和优势
a) 比强度和比模量高
这是复合材料最突出的优点。如高模量碳纤维复合材料的比强度为钢的5倍，铝合金的4倍，钛合金的3.5倍以上，其比模量为钢、铝、钛的4倍甚至更高。
b)耐疲劳性能好
常用的碳纤维增强复合材料的疲劳极限是其抗拉强度的70%-80%，而大多数金属材料仅为30%-50%。复合材料中纤维与基体界面能阻止裂纹的扩展，其疲劳破坏总是从纤维的薄弱环节开始，逐渐扩展到界面上，破坏前有明显的征兆。
c)减震性能好
复合材料结构件的自振频率高，同时复合材料中高韧性的树脂和橡胶基体具有显著的振动阻尼特性，因而复合材料有很强的吸振能力。
d)各向异性及性能可设计性
纤维复合材料的性能与纤维的排列方向、铺层次序和层数，以及成型方式有关，因此可根据结构件的载荷分布及使用条件的不同，选取相应的铺层设计和成型方式来满足预定的要求，实现构件的优化设计。
e)减磨、耐磨、自润滑性好,可用于制作耐磨构件。
f)热膨胀系数小 冷热交变时尺寸稳定性好。
g)材料与结构的同一性
复合材料可实现制品的一次成型，适合于大面积、结构形式复杂构件的精确整体成型，具有良好的工艺性。
因此，复合材料是飞行器的理想用材，飞行器是对重量十分敏感的结构。
复合材料在卫星上的应用
人造卫星上常用的材料是CFRP，CFRP是以树脂为基体，碳纤维为增强体的复合材料。碳纤维具有碳材料的固有本征特性，又有纺织纤维的柔软可加工性，是新一代军民两用的增强纤维。它优异的综合性能是任何单一材料无法与其比拟的，现在已经成为先进复合材料的主要增强纤维之一。
复合材料在卫星结构中的应用日趋广泛，如卫星的主承力结构、太阳电池阵结构和天线反射面等大型有效载荷，以及其他辅助结构。
卫星的主承力结构目前多采用承力筒，广泛采用碳纤维复合材料制作，不仅刚度、强度满足设计要求，且能大幅减轻质量。复合材料在卫星结构上的一个典型运用是太阳电池阵。太阳电池阵基板外形尺寸和表面积大，要求材料的比刚度高，热变形小。风云一号系列卫星的太阳电池阵共有2块连接摇臂板，8块太阳电池阵基板，轨运行时跨度10.5m，展开面积大11m2。这些连接摇臂板和太阳电池阵基板就是由碳纤维复合材料面板、薄壁矩形梁、蜂窝芯以及其他连接件，采用胶接成型工艺复合而成的整体结构。
卫星有效载荷如天线反射面的支撑结构也大量采用碳纤维复合材料，如ERS-1卫星的大型可展开式天线和欧洲海事通信卫星的抛物面天线等。其他辅助结构采用复合材料的也很多，如卫星气瓶和卫星接口支架；以玻璃纤维、碳纤维、硼纤维增强材料板为蒙皮，不同蜂窝材料为芯材的夹层板结构；用复合材料制成的各种型材和多向接头等。
复合材料由最初的两相复合，发展到现在的多相复合，品种更多、性能更好、功能更强、未来卫星结构将越来越多地采用复合材料构件。
文章来源：挪恩复材
免责声明：中国复合材料学会微信公众号发布的文章，仅用于复合材料专业知识和市场资讯的交流与分享，不用于任何商业目的。任何个人或组织若对文章版权或其内容的真实性、准确性存有疑义，请第一时间联系我们，我们将及时进行处理。
原标题：《【复材资讯】碳纤维复合材料助力宇宙探索》