碳纤维材料在航天结构件中的应用优势分析

  在国外,作为目前最先进复合材料之一的碳1环氧复合材料,以其轻质高强耐高温、抗腐蚀、高阻尼特性、尺寸稳定性及抗疲劳等优点已越来越多地被航天结构所采用。美国的“海盗号”火星轨道~飞行器和ACTS卫星、法国电信I号卫星、德国的IV-SAT直播卫星等都大量采用了碳环氧复合材料,在降低系统质量、提高尺寸稳定性方面取得了显著的效果。

  随着我国航天事业的发展,空间结构对工程材料的性能要求也越来越高。以碳环氧复合材料为代表的先进复合材料正逐渐被研究并应用于空间结构的设计 ,已实现了以小卫星为平台的遥感器设计的小型化、轻型化、低功耗的目标。

  航天有效载荷支撑结构对材料性能的要求航天有效载荷支撑结构为载荷的承力结构,几乎承受了有效载荷的全部质量,影响载荷整体的力学性能。受到航天有效载荷所处特殊空间环境和发射成本等因素的影响,航天有效载荷支撑结构对,所用材料提出了严格的要求:

  (1)质量

  为了降低发射成本,确保航天器进入规定的空间轨道,在飞行器质量- -定的情况下,对有效载荷有严格的质量限制。单从质量角度考虑,要尽量采用密度低的材料。

  (2)机械性能

  为了提高结构和机构的刚度和强度,满足有效载荷在发射运输和在轨工作期间正常运行的需求,须采用高模量和高强度的材料。高比模量和高比强度特性是空间有效载荷结构材料满足轻量化要求的重要特征。

  (3)物理性能

  由于有效载荷有可能暴露在温差大高辐照的真空环境中,对材料的物理性能有严格的要求。

  要求材料具有小线膨胀系数、抗辐射以及良好的尺寸稳定性。此外,为了防止污染,对材料的真空出气和可凝挥发物也有限制要求。

  在我国,航天有效载荷支撑结构用工程材料主要有钛合金、铝合金、镁合金等,铝合金的主要特点是密度较低,有较好的比模量和比强度值,具有良好的制造工艺性能和较低的成本。镁合金的主要特点是密度低,有很好的比模量和比强度值,但成本高且工作温度一般不超过150℃。钛合金与其它合金相比,具有很多优点:比强度值很高、线膨胀系数很小、高低温机械性能良好,但是比模量较低、切削性能较差、成本较高。