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【复材资讯】碳纤维复合材料助力宇宙探索

来源:环球app下载 作者:环球app下载安装

2023-09-24 06:01:31

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。

  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。


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