碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

1、碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用用主講人：120311班 胡佳萌 碳纖維復(fù)合材料（CFRP ） 是以樹(shù)脂為基體，以樹(shù)脂為基體， 碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料。碳纖維具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代軍民兩用的增強(qiáng)纖維。 當(dāng)今， 在眾多的先進(jìn)復(fù)合材料中， CFRP在技術(shù)成熟度與應(yīng)用范圍方面的表現(xiàn)尤為突出，它所具有的高比強(qiáng)度和比模量、高比強(qiáng)度和比模量、 性能可設(shè)計(jì)和易性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形于整體成形等諸多優(yōu)點(diǎn)， 可以滿足航天結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)效率的要求， 易于得到尺寸穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。且碳纖維復(fù)合材料密度小，若應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)，可比常規(guī)的

2、金屬結(jié)構(gòu)減重 30% 左右，對(duì)減輕質(zhì)量和可設(shè)計(jì)性而言是最具發(fā)展和應(yīng)用潛力的先進(jìn)材料。目前， CFRP已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域中。人們甚至將 CFRP 在航天結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的規(guī)模視為衡量航天結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。碳纖維復(fù)合材料在國(guó)外航天領(lǐng)域的應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料在國(guó)外航天領(lǐng)域的應(yīng)用 CFRP 在國(guó)外航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、 運(yùn)載火箭、 精密支撐結(jié)構(gòu)件及光學(xué)鏡體4 大方面。在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用 1.衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu) 于 CFRP 具有較高的比強(qiáng)度、 較大的比剛度和良好的抗疲勞性能等特性， 適于用來(lái)制造衛(wèi)星本體的結(jié)構(gòu)。CFRP 在衛(wèi)星本體上的應(yīng)用主要包括衛(wèi)星外殼

3、、 中心承力筒和各種儀器安裝結(jié)構(gòu)板等。2.衛(wèi)星通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)天線結(jié)構(gòu) 天線是任何衛(wèi)星都不可缺少的星載設(shè)備， 它一般均安裝于衛(wèi)星外表面，當(dāng)觀察一顆衛(wèi)星時(shí)，天線往往是最容易看到的部分， 不同用途的衛(wèi)星通常需要不同用途的天線，即便同一顆衛(wèi)星，為了完成不同的功能要求， 往往需要多種天線， 如美國(guó)ACTS 衛(wèi)星上包含著各種用途的反射天線、 接收天線、 遙控天線和 C 波段全向天線等。衛(wèi)星上安裝的大型拋物面天線等強(qiáng)方向天線要求衛(wèi)星上安裝的大型拋物面天線等強(qiáng)方向天線要求在溫度急劇變化的空間環(huán)境中仍然能夠保持穩(wěn)定的外形，這在溫度急劇變化的空間環(huán)境中仍然能夠保持穩(wěn)定的外形，這就需要采用線膨脹系數(shù)極

4、小的材料，即具有較好的熱穩(wěn)定性。就需要采用線膨脹系數(shù)極小的材料，即具有較好的熱穩(wěn)定性。由于由于 CFRP 的可設(shè)計(jì)性，可以通過(guò)選擇碳纖維的單層鋪設(shè)的可設(shè)計(jì)性，可以通過(guò)選擇碳纖維的單層鋪設(shè)角、角、 鋪層比和鋪層順序來(lái)獲得拋物面天線所要求的剛度、鋪層比和鋪層順序來(lái)獲得拋物面天線所要求的剛度、 強(qiáng)度以及極小的線膨脹系數(shù)。大型拋物面天線一般采用高強(qiáng)強(qiáng)度以及極小的線膨脹系數(shù)。大型拋物面天線一般采用高強(qiáng)度和高剛度的度和高剛度的 CFRP 蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，蜂窩夾層結(jié)構(gòu)， 能承受主動(dòng)段的靜、能承受主動(dòng)段的靜、 動(dòng)力載荷，以及良好的微波反射特性等。動(dòng)力載荷，以及良好的微波反射特性等。 太陽(yáng)翼天線在運(yùn)載火箭方面的應(yīng)

5、用 在運(yùn)載火箭方面， 由于 CFRP 具有耐高溫、 比強(qiáng)度高和比模量高等力學(xué)特性， 常被應(yīng)用在火箭的排氣錐體、 發(fā)動(dòng)機(jī)的蓋、 殼體、 燃燒室、 發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、 喉襯、 擴(kuò)散段以及整流罩等部位。目前， 運(yùn)載火箭上所采用的CFRP 件在質(zhì)量上比鋁合金構(gòu)件節(jié)省約 10% 25% 。 美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室 1997 年在國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目( BMDO CEP) 支持下， 成功設(shè)計(jì)并制造了以 CFRP 為加強(qiáng)筋的 AGS 整流罩， 重 量 僅 37 kg， 同 類 型 鋁 合 金 防 護(hù) 罩 重97 kg，運(yùn)用纖維纏繞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)， 工藝周期縮短 88% ，比同類型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造復(fù)合材料整流罩減

6、重 40% ，成本降低 20% 。 在運(yùn)載火箭方面的應(yīng)用正在脫離中的火箭有效載荷整流罩 美國(guó)、 日本、 法國(guó)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要采用CFRP ， 如美國(guó)三叉戟-2 導(dǎo)彈 、 戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、 大力神-4 火箭、 法國(guó)的阿里安娜法國(guó)的阿里安娜 2 型火箭型火箭 、 日本的 M-5 火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體。法國(guó)的阿麗亞娜火箭法國(guó)的阿麗亞娜火箭在精密支撐構(gòu)件上的應(yīng)用在精密支撐構(gòu)件上的應(yīng)用v 隨著空間技術(shù)的發(fā)展和對(duì)輕質(zhì)復(fù)合材料的牽引，CFRP 作為結(jié)構(gòu)件逐步應(yīng)用于空間光學(xué)遙感儀器結(jié)構(gòu)中，尤其應(yīng)用在支撐各光學(xué)元件的精密結(jié)構(gòu)件中，且有逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。v 美國(guó) NASA 的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡中有一臺(tái)叫作FOC 的 相

7、 機(jī) 。這是一臺(tái)包括濾光鏡、 折疊鏡、 光屏以及檢測(cè)器等多個(gè)通道的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的微弱目標(biāo)相機(jī)。這些光學(xué)元件都安裝在由高模量碳纖維 /環(huán)氧復(fù)合材料制成的光學(xué)平臺(tái)上。這個(gè)光學(xué)平臺(tái)的縱向線膨脹系數(shù)為 0 0. 2 10 6 / ， 橫向線膨脹系數(shù)為 0. 3 10 6 / ， 在復(fù)雜的空間環(huán)境條件下都具有非常好的尺寸穩(wěn)定性， 可以觀測(cè)到 27 等星。在精密支撐構(gòu)件上上的應(yīng)用CFRP制成的精密桁架結(jié)構(gòu) 在“國(guó)際紫外線探測(cè)衛(wèi)星”上，為了保證衛(wèi)星的探測(cè)效果，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算，要求衛(wèi)星本體的軸向膨脹 2 m。常用的一些金屬材料不能達(dá)到這個(gè)指標(biāo)要求，因此，通過(guò)鋪層設(shè)計(jì)采用了 16 根由碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制成的

8、桁架結(jié)構(gòu)來(lái)支撐光學(xué)元件，不受空間溫度變化的影響。探測(cè)衛(wèi)星CFRP 在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用 我國(guó)在航天領(lǐng)域?qū)?CFRP 結(jié)構(gòu)的研究始于 70年代，自從 1984 年我國(guó)東方紅 1 號(hào)衛(wèi)星上首次使用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料以后， CFRP 在我國(guó)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件、 大型運(yùn)載火箭以及空間相機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。在國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星上的應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星上的應(yīng)用v目前，在我國(guó)自行研制的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中，大量采用 CFRP 結(jié)構(gòu)。因?yàn)樾l(wèi)星結(jié)構(gòu)純屬有效載荷， 減重的經(jīng)濟(jì)效益很大，又因其空間環(huán)境惡劣，要求衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的尺寸和性能穩(wěn)定、 變形一致，所以在衛(wèi)星的主體骨架結(jié)構(gòu)、 外殼結(jié)構(gòu)、 太陽(yáng)能電池板組件、桁架結(jié)構(gòu)、 天線結(jié)構(gòu)、 儀器安裝板和支

9、架結(jié)構(gòu)等都在不斷擴(kuò)大使用 CFRP。在空間相機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用 CFRP 應(yīng)用在我國(guó)自行研制的空間相機(jī)上始于 20 世紀(jì)末 21 世紀(jì)初， 最初只是應(yīng)用在對(duì)強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件中，如空間相機(jī)遮光罩空間相機(jī)遮光罩、光闌板、 空間相機(jī)支架空間相機(jī)支架等，所用 的 CFRP 的 型 號(hào) 為 T300 或 T700。 在空間相機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用 基 于CFRP 的 可 設(shè) 計(jì) 性， 自 2003 年 以 來(lái)， 高 模 量 的CFRP 逐步應(yīng)用于空間相機(jī)的精密支撐結(jié)構(gòu)件中，尤其是在對(duì)剛度要求較高、 線膨脹系數(shù)要求極為嚴(yán)格的連接在光學(xué)元件之間的精密支撐結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， 且有逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。我國(guó)在近年發(fā)射的某衛(wèi)星中搭載的高分辨率空間相機(jī)，構(gòu)成該相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的主鏡、 次鏡、 第 三 反 射 鏡 及 折 疊 鏡 都 安 置 在 由 M40JBCFRP 制成的相機(jī)框相機(jī)框架架上， 該相機(jī)框架具有較高的尺寸穩(wěn)定性， 能夠保證相機(jī)在軌獲得清晰的圖像， 這是我國(guó)首次在航天領(lǐng)域使用CFRP 作為高精度光學(xué)元件的精密支撐結(jié)構(gòu)件并獲得成功?？臻g相機(jī)結(jié)束語(yǔ) CF