高性能碳纖維復合材料能否打造人造衛星?

  江蘇博實科技:碳纖維復合材料作為一種先進的結構材料,從未來材料的發展趨勢看,碳纖維復合材料開始逐步取代一些更多的金屬材料,尤其是在衛星上有明顯的體現,由于高性能碳纖維不斷優化,尤其是兼具高強度高模量MJ系列碳纖維研發成功,衛星天線用復合材料增強纖維逐漸從從凱夫拉纖維、中模碳纖維轉變成了高模碳纖維,目前幾乎所有衛星天線均采用了高模量碳纖維,有些衛星上碳纖維復合材料的應用率高達85%。
  1、衛星的主承力結構目前多采用承力筒。以往承力筒大多采用金屬材料輔以加強筋,現在則廣泛采用碳纖維復合材料制作,不僅剛度、強度滿足設計要求,且能大幅減輕質量。此外,復合材料在衛星結構外殼、衍架結構等上的應用,都極大提高了衛星結構的研制水平。
 
  2、碳纖維復合材料的比強度、比模量比常用金屬鋁合金高。與鋁合金相比,碳纖維復合材料單向層材料比強度要高出3-4倍,而高模型碳纖維復合單向層材料的比模量要高出5-7倍。衛星結構對強度、剛度以及使用環境的要求與飛機結構和導彈結構的要求有著明顯的差別。在衛星的實際使用中采用高模量的碳纖維材料,不僅可以滿足強度還能滿足剛度需求。
  3、與此同時,高模量碳纖維具有優異導電性,在一定的頻率范圍內能夠完成天線電磁波的發射或接收,并能承受一定的功率。碳纖維為導電材料,在一定的頻率范圍內,其自身能夠完成天線的電磁波反射和接受功能,尤其是需要指出的是,隨著碳纖維石墨化程度的提高,碳纖維導電性能也顯著增加,高模量碳纖維在導電性能上基本接近金屬的導電性能。因此,高模量碳纖維制做復合材料天線完全可以滿足衛星天線電性能指標,能承受高低溫循環、熱真空等嚴酷的環境試驗的考核,使其成為星載天線的首選材料。
  4、碳纖維熱膨脹系數低,并且隨著纖維拉伸模量的增加,纖維熱膨脹系數會出現負值。基于低膨脹的性能特點,在天線成型過程中通過復合材料內碳纖維鋪層設計,可以使天線在成型過程和實際工作環境中做到“零膨脹”。衛星運行在地球靜止軌道中的溫差變化很大,高溫約+120℃,低溫約-160℃,對于工作在熱交變劇烈的太空環境中的星載天線,采用這種“零膨脹”系數材料來使其結構和型面精度保持穩定是非常有效的。
 
  5、碳纖維復合材料耐疲勞、阻尼減震性能好。衛星在發射階段承受運載火箭的振動和沖擊,在衛星上有著眾多的精密儀器、電子線路、繼電器等對振動十分敏感,利用碳纖維復合材料良好的阻尼性能,可以根據需要設計具有一定阻尼特性的阻尼結構。
  長壽命、高可靠、輕型化和高精度是衛星的發展趨勢,衛星結構質量占整個衛星的百分比一般要小于7%甚至4%。衛星結構材料的發展則趨向于高性能、高功能及多功能、復合化、智能化、低成本以及高環境相容性。先進的碳纖維復合結構材料既是研制生產衛星產品的物質保障,又是推動衛星產品更新換代的技術基礎。
 
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