聚焦ℱ碳纤维复合材料助力宇宙探索
本文摘要：（由ai生成）
我国太原卫星发射中心成功发射高分五号卫星，该卫星设计寿命8年，携带6台全新研制的有效载荷，包括高光谱/多光谱陆地观测载荷和先进的大气类观测载荷，将为环境监测、资源勘查提供数据支持。卫星制造中，复合材料因轻质、高强度、耐温、稳定等特性发挥重要作用，特别在大口径空间相机的光学支撑结构中。
前不久，我国在太原卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功发射高分五号卫星。高分五号卫星总重2.8吨，是一颗设计寿命长达8年的长寿星。在它所携带的6台全新研制的有效载荷中，包括2台高光谱/多光谱陆地观测载荷（即可见短波红外高光谱相机和全谱段光谱成像仪），4台先进的大气类观测载荷（即大气环境红外甚高光谱分辨率探测仪、大气主要温室气体监测仪、大气痕量气体差分吸收光谱仪和大气气溶胶多角度偏振探测仪），这6大“神器”让高分五号卫星练就了“火眼金睛”。可见短波红外高光谱相机分辨率达到5纳米，在高光谱矿物识别、矿产资源调查、地质环境调查与监测、农作物估产等方面发挥重要作用。它将为我国环境监测、资源勘查等方面提供有力的数据支持。
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：
而复合材料与普通材料相比，比强度、比刚度和密度都有明显的优势：
航天航空领域对产品的稳定性、重量、工作温度、阻燃性和强度有极高的要求。复合材料系列产品有着显著减重、总营运成本低、卓越的机械强度、卓越的保温隔热性能、易于加工、雷达透波性等优点，在太空领域具有极大的优势。
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。
卫星结构材料的研究现状
为实现卫星的长寿命、高可靠和多功能，卫星结构采用了多种功能材料。由于复合材料具有可设计性，易于实现结构承载和功能一体化，因此出现了许多结构/功能一体化的复合材料。
长期以来，卫星结构材料以金属为主。近年来，随着新材料工业的不断发展，各种非金属材料如复合材料、高分子合成材料、无机陶瓷以及其他功能材料等，在航天产品上得到了越来越广泛的应用，卫星结构材料的选择范围日趋宽广。
现代大容量卫星星体结构庞大，以先进复合材料替代传统金属材料。
复合材料是用适当的工艺方法将两种或多种性质不同的材料复合而成的新材料。它们是通过选择不同的增强材料和基体，进行合理的性能设计，再采用多种特殊的工艺使其复合或交叉结合而制造出来的。复合材料具有比单一材料更为优良的性能，其性能指标往往超过各组成材料的性能，复合已成为改善材料性能的重要手段。
原文来自于陈树海/卫星结构中的非金属材料/上海航天、宋育红/复合材料的特性及在飞机设计时的最优选择、大众科技；转载自思瑞安复合材料；碳纤维生产技术编辑整理。
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