碳纤维材料在空间相机中的应用优势分析

  随着对空间光学相机分辨率要求的提高,相机口径越来越大,整机质量也随之增加,同时由于受运载能力的制约,对相机轻量化设计的要求越来越高。采用轻量化的材料是降低相机质量的一个重要途径,在传统的铝、钛合金等已无法满足要求的情况下,将高比刚度碳纤维复合材料用于高精密.的空间光学相机中已成为轻型高分辨空间相机发展的迫切需要。

  碳纤维复合材料具备低密度、高比刚度、高强度、高阻尼、抗疲劳、零膨胀等诸多优点,但对于高精密的光学仅器来讲,最主要看重了碳纤维复合材料以下3个优点:比刚度高、可设计性强和成型工艺性好。

  (1)比刚度高

  碳纤维复合材料的密度一般为1.5-1.6g/cm3 ,弹性模量至少在200GPa以上,比刚度是钛合金的3倍以上。将碳纤维复合材料应用于空间光学相机中可有效解决相机大尺寸与轻质量之间的矛盾。

  (2)可设计性强

  碳纤维复合材料的性能具有可设计性。复合材料的性能除了取决于纤维和基体材料的性能外,还取决于纤维的含量和铺设方式。在空间光学相机设计中,可根据不同的载荷条件和结构形状,对产品的刚度和热胀系数等进行综合优化设计,既可以实现高刚度.零膨胀的要求,又可以满足相机高力学稳定性、高溫度稳定性的要求。

  (3)成型工艺性好

  碳纤维复合材料的成型工艺不同于传统金属材料,传统金属材料为切削成型,即在原有型材的基础上,通过机械加工的方法去掉多余的部分而形成所需要的形状。而碳纤维复合材料的成型则是累加成型的方法,即通过薄碳纤维预浸料铺设成所需形状,然后进行因化成型,有利于复杂零件一次整体成型。

  碳纤维复合材料的应用解决了空间光学相机发展中遇到的质量轻与外形大的矛盾,已成为未来空间光学相机的首选材料。随着纤维材料制造工艺水平的提高和相关技术问题的突破,碳纤维复合材料在未来空间光学相机的研究比例会越来越大,碳纤维复合材料在空间光学相机中的全面、广泛应用必然推动空间探测成像领域的飞跃发展。