碳纤维复合材料在空间结构中的应用

  碳纤维/环氧复合材料的性能由作为增强材料的碳纤维和作为基体材料的环氧树脂确定,也就是说材料性能不仅仅取决于增强材料纤维,树脂基体也起了非常关键的作用。因此,在确定增强材料的同时要选择适当的树脂体系,研制满足要求的树脂配方。一方面,作为空间结构,通常对结构的刚度要求很高,所以广泛选用具有高模量的碳纤维做增强材料,同时由于碳纤维本身具有负的热膨胀系数,因此由碳纤维作为增强材料的复合材料可以设计成接近于“零”或负的热膨胀系数。

  碳纤维/环氧复合材料以其优越的高比强度、高比刚度、透波性、电绝缘或导电性、抗冲击、高阻尼特性零或负热膨胀系数、尺寸稳定性抗疲劳等优点越来越多地被空间结构所采用。空间光学结构如光学平台、精密仪器支撑结构件太空望远镜支架、碳纤维轻体光学反射镜镜体等陆续开始采用碳纤维/环氧复合材料。碳纤维/环氧复合材料的密度只有1.5~1.6g/cm3,是钢的1/5。 通常情况下,采用碳纤维/环氧复合材料可以比铝合金结构减重30%以上,与钛合金相比,结构质量轻热膨胀系数小,与钢材料相比,质量可以减轻50%以上。

  随着空间技术的发展和对轻质复合材料的需求,碳纤维/环氧复合材料作为结构件逐步用于空间遥感仪器结构中,且有逐步增长的趋势。为满足空间相机的光学系统的高分辨率大视场、小体积、轻质量的要求即,并实现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,国外用碳纤维/环氧复合材料研制空间光学镜体,使其结构更轻,尺寸稳定性更高。

  碳纤维/环氧复合材料在国外空间结构上应用极为广泛,1972年美国福特宇航通信公司率先为“海盗号”火星轨道飞行器研制成碳纤维/环氧复合材料蜂窝夹层结构天线反射器,随后在国际通信卫星、法国电信I号卫星阿拉伯通信卫星以及瑞典的通信卫星的主承力结构中开始广泛使用碳纤维/环氧复合材料夹层壳、加筋壳方形构架等新型结构形式。采用碳纤维/环氧复合材料,可以显著地提高卫星结构的技术性能。例如德国的直播卫星(TV-SAT)和法国的直播卫星空间网架结构由于采用碳纤维/环氧复合材料,显著提高了天线精度,降低了结构随空间温度变化产生的变形,取得了显著的效果。

  近些年,随着我国科学技术的发展,空间结构对工程材料的性能要求也越来越高,除要求材料具有轻质、高强的性能外,还有很多其他的性能指标要求。如要求材料在一定温度场内热变形达到最小或趋于零,使结构在恶劣的空间热环境条件下严格保持尺寸稳定性等。