随着对空间光学相机分辨率要求的提高，相机口径越来越大，整机质量也随之增加，同时由于受运载能力的制约，对相机轻量化设计的要求越来越高。采用轻量化的材料是降低相机质量的一个重要途径，在传统的铝、钛合金等已无法满足要求的情况下，将高比刚度碳纤维复合材料用于高精密的空间光学相机中已成为轻型高分辨空间相机发展的迫切需要。

　　碳纤维复合材料具备低密度、高比刚度、高强度、高阻尼、抗疲劳、零膨胀等诸多优点，但对于高精密的光学仪器来讲，最主要看重了碳纤维复合材料以下3个优点：

　　（1）比刚度高。碳纤维复合材料的密度一般为1.5~1.6g/cm3，弹性模量至少在200GPa以上，比刚度是钛合金的3倍以上。将碳纤维复合材料应用于空间光学相机中可有效解决相机大尺寸与轻质量之间的矛盾。

　　（2）可设计性强。碳纤维复合材料的性能具有可设计性。复合材料的性能除了取决于纤维和基体材料的性能外，还取决于纤维的含量和铺设方式。在空间光学相机设计中，可根据不同的载荷条件和结构形状，对产品的刚度和热胀系数等进行综合优化设计，既可以实现高刚度、零膨胀的要求，又可以满足相机高力学稳定性、高温度稳定性的要求[]。

　　（3）成型工艺性好。碳纤维复合材料的成型工艺不同于传统金属材料，传统金属材料为切削成型，即在原有型材的基础上，通过机械加工的方法去掉多余的部分而形成所需要的形状。而碳纤维复合材料的成型则是累加成型的方法，即通过薄碳纤维预浸料铺敷成所需形状，然后进行固化成型，有利于复杂零件一次整体成型。

　　碳纤维复合材料虽然具有很多常规金属材料无法比拟的优点，但是也由于其复合材料的特殊工艺，带来了各向异性、成本高、韧性差等缺点，其中真空放气和表面精度低不利于其在空间光学相机中的应用。

　　（1）真空放气。碳纤维复合材料由碳纤维和树脂增强基体组成，其中碳纤维为主要部分，增强基体的作用为将一根根纤维丝和一层层纤维布粘接。空间环境中具有较高的真空度，在真空条件下，由于压力差的作用引起胶层出现放气的现象[]。这些气体遇到相对温度较低的表面时便会凝结，如果凝结在光学元件表面，则会造成污染，影响成像质量。同时由于放气后碳纤维复合材料的性能可能会发生微小的变化，引起光学元件之间的相对位置关系变化，同样影响成像质量。目前国内缺乏碳纤维复合材料在轨的相关试验和数据。因此，空间光学仪器中使用的碳纤维复合材料必须经过地面的真空出气处理。

　　（2）表面精度低。碳纤维复合材料的成型方法主要有缠绕成型、对模模压成型等，其成型后的结构件的表面精度较低，光学元件直接安装在碳纤维结构件上会存在应力，引起光学元件的面型不稳定。如果采用机械加工的方法则容易切断纤维，影响纤维的力学性能。因此通常需要在光学元件安装表面预埋金属件，并对金属件研磨以保证光学元件安装表面的高精度。

　　目前碳纤维复合材料在国内空间光学相机中的应用水平还远低于国际水平，主要体现在以下方面：（1）无法生产高性能碳纤维复合材料原料，目前主要依赖于进口。（2）复合材料加工的工艺水平相对落后，尤其是复杂形状的产品还采用手工成型。（3）复合材料产品的性能检测缺乏一个系统定量的衡量标准，尤其在空间环境下的碳纤维复合材料的放气、热稳定性等方面缺少相关试验和数据。

　　其主要原因是我国在碳纤维复合材料的生产、加工及空间应用方面起步较晚；应用于空间光学相机或者空间高精密仪器中所需的碳纤维各方面性能要求较高且目前的需求量不大，因此在这方面的技术投入和设备投资等相对较少。

　　阅读延伸：《碳纤维卫星相机桁架的研制技术》