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高性能碳纤维复合材料能否打造人造卫星?

发布时间:2020-05-25 11:33


  江苏博实科技:碳纤维复合材料作为一种先进的结构材料,从未来材料的发展趋势看,碳纤维复合材料开始逐步取代一些更多的金属材料,尤其是在卫星上有明显的体现,由于高性能碳纤维不断优化,尤其是兼具高强度高模量MJ系列碳纤维研发成功,卫星天线用复合材料增强纤维逐渐从从凯夫拉纤维、中模碳纤维转变成了高模碳纤维,目前几乎所有卫星天线均采用了高模量碳纤维,有些卫星上碳纤维复合材料的应用率高达85%。
  1、卫星的主承力结构目前多采用承力筒。以往承力筒大多采用金属材料辅以加强筋,现在则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。此外,复合材料在卫星结构外壳、衍架结构等上的应用,都极大提高了卫星结构的研制水平。
 
  2、碳纤维复合材料的比强度、比模量比常用金属铝合金高。与铝合金相比,碳纤维复合材料单向层材料比强度要高出3-4倍,而高模型碳纤维复合单向层材料的比模量要高出5-7倍。卫星结构对强度、刚度以及使用环境的要求与飞机结构和导弹结构的要求有着明显的差别。在卫星的实际使用中采用高模量的碳纤维材料,不仅可以满足强度还能满足刚度需求。
  3、与此同时,高模量碳纤维具有优异导电性,在一定的频率范围内能够完成天线电磁波的发射或接收,并能承受一定的功率。碳纤维为导电材料,在一定的频率范围内,其自身能够完成天线的电磁波反射和接受功能,尤其是需要指出的是,随着碳纤维石墨化程度的提高,碳纤维导电性能也显著增加,高模量碳纤维在导电性能上基本接近金属的导电性能。因此,高模量碳纤维制做复合材料天线完全可以满足卫星天线电性能指标,能承受高低温循环、热真空等严酷的环境试验的考核,使其成为星载天线的首选材料。
  4、碳纤维热膨胀系数低,并且随着纤维拉伸模量的增加,纤维热膨胀系数会出现负值。基于低膨胀的性能特点,在天线成型过程中通过复合材料内碳纤维铺层设计,可以使天线在成型过程和实际工作环境中做到“零膨胀”。卫星运行在地球静止轨道中的温差变化很大,高温约+120℃,低温约-160℃,对于工作在热交变剧烈的太空环境中的星载天线,采用这种“零膨胀”系数材料来使其结构和型面精度保持稳定是非常有效的。
 
  5、碳纤维复合材料耐疲劳、阻尼减震性能好。卫星在发射阶段承受运载火箭的振动和冲击,在卫星上有着众多的精密仪器、电子线路、继电器等对振动十分敏感,利用碳纤维复合材料良好的阻尼性能,可以根据需要设计具有一定阻尼特性的阻尼结构。
  长寿命、高可靠、轻型化和高精度是卫星的发展趋势,卫星结构质量占整个卫星的百分比一般要小于7%甚至4%。卫星结构材料的发展则趋向于高性能、高功能及多功能、复合化、智能化、低成本以及高环境相容性。先进的碳纤维复合结构材料既是研制生产卫星产品的物质保障,又是推动卫星产品更新换代的技术基础。
 
  (本文由江苏博实创作,如需转载,请先联系作者,谢谢!)

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