【技术干货】综述国外空间领域用复合材料的研究进展

 摘 要 

太空计划是全球各国竞相追逐的热点，而太空计划主要由三个关键部分组成：卫星、运载火箭和空间中心。

本文主要围绕国外在空间领域用复合材料的研究进行了综述，按照上述三个关键组成分别介绍了研究进展。

卫星用复合材料研究主要以高模量碳纤维复合材料及铝基复合材料为主，运载火箭则主要集中在碳纤维-碳化硅高耐热性复合材料研究，而空间中心主要研究焦点在于开发防辐射等功能性复合材料。

太空计划和空间研究的发展一直是许多发达国家和发展中国家的关注焦点。空间领域可以为国家提供了广泛的有益应用，如通信、农业、经济、国防、科学和医学研究等。卫星、运载火箭和空间中心是太空计划的三个关键组成部分。卫星是指通过采用专门系统发射到太空的实体，它可以围绕着恒星、行星或地球运行，其主要任务是收集信息，如图1为美国Jupiter-3的超高密度（Ultra High Density）卫星。

图1 Jupiter-3的超高密度（Ultra High Density）卫星，设计容量500G，预计2021年发射，将覆盖美国、加拿大、墨西哥、巴西和其它南美国家

运载火箭可以看作是重型火箭，它主要用于将卫星、宇航员或其他有效载荷从地球运送到太空，图2所示。空间中心是指使用运载火箭将卫星或有效载荷发射到空间的端口，它还用于接收运载火箭，在完成任务后将宇航员带回地球，如我国的天宫一号空间中心。

图2 美国NASA地球观测站负责探月系统运载火箭发射

长期以来，金属铝和铝合金是航天工业最有前途的材料之一，原因在于其优异的强度重量比、可加工性、成本效益、耐腐蚀性等。但是随着高性能碳纤维复合材料出现，由于CFRP综合了成本效益高、易加工、高强度重量比、多功能性和隔热、烧蚀等多种性能，因此成为航天领域最具发展潜力的一种材料，并逐渐在航天工业中占据主导地位。

在航天用碳纤维复合材料中，存在一种特殊的复合材料被称为纤维金属层板（FML），目前在航天领域得到了广泛的应用。FML是通过使用纤维增强粘合剂的交替层加固铝板。这种组合对复合材料产品产生了协同效应，使金属和增强材料具有更加优异的性能，如耐腐蚀性、隔热性、损伤容限、重量减轻、疲劳耐久性、比强度和成本效益。

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卫星结构用复合材料研究进展

Schelder等分析了不同类型的碳纤维复合材料在卫星结构中的应用，指出单向高模量碳纤维复合材料（HM-CFRP）可应用于卫星吊带、吊臂、外壳和太阳能电池板等领域，HM-CFRP在这些的应用归因于利用其各向异性特性，可定制实现高刚度、高比强度、低热膨胀/导电性和尺寸稳定性。由于玻璃纤维和芳纶纤维复合材料的低传输损耗和导电性，可在卫星天线中获得广泛应用。

在碳纤维金属基复合材料领域，Toor等认为由于具有低放气、高比强度、低热膨胀系数（CTE）和重量轻等优点，铝基复合材料可在卫星结构、有效载荷、姿态控制系统、动力系统、热控制系统和推进控制系统中实现应用。而帝国金属工业公司（IMI）通过将CFRP铺在铝板上形成的蜂窝结构，最终可使卫星结构组件的重量比金属组件减少33%（图3）。

图3 金属AL-CFRP混合结构在卫星结构中的应用

Patil等研究发现Al-CFRP层合板与玻璃纤维层合板相比，具有更高的力学性能，但会存在电腐蚀和界面不稳定等问题，可以通过铝的预处理和适当的工艺来解决。Jaroslaw等讨论了铝-碳纤维环氧增强层压板的抗冲击性和损伤增长机制，Al-CFRP层合板具有优异的界面强度和损伤容限，主要归因于CFRP出色的刚度、力学性能以及与铝的韧性协同效应，此外还指出层合板中使用最佳配置是在0°/90°和±45°方向。Dinca等讨论了FMLs的力学性能，与玻璃纤维和金属材料层合板相比，FML具有优异的损伤容限、耐疲劳、抗裂、拉伸和弯曲强度。

综上研究结果可以推断，通过铺层取向、良好的损伤容限、抗疲劳、耐腐蚀、重量减轻和高比强度设计，针对Al-CFRP层合板在脱气、振动和热性能方面的进一步优化，可使其成为卫星结构应用很吸引力的候选材料。

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运载火箭用复合材料研究进展

Steven讨论了通过应用先进网格加强结构（AGS）来开发下一代运载火箭的方法，利用五轴长丝缠绕机的自动化工艺在芯轴上螺旋缠绕浸有未固化树脂的纤维，得到了一种肋皮AGS结构的复合材料，其具有性价比高、可靠性高、强度高、抗损伤能力强、防潮性强等优势。这项技术被用于制造有效载荷罩，该圆锥形组件将有效载荷封装在运载火箭上（如图4所示），与金属铝制部件相比，重量减轻了61%，制造时间缩短了88%。

图4 AGS加强的运载火箭圆锥结构

Christin探讨了热结构复合材料的发展、制造和应用，指出采用化学气相渗透法（CVI）、热解法（PIP）或树脂-沥青-聚合物浸渍法（树脂-沥青-聚合物浸渍法）对碳纤维和碳化硅预制纤维在2D和4D方向上进行增强，可制备出应用于运载火箭出口锥、喉管喷嘴、制动盘和助推器等结构件用的高温复合材料（图5）。

图5 碳纤维-碳化硅复合材料喉部喷嘴

Krenkel等研究了碳纤维-碳化硅复合材料的先进摩擦系统及在空间应用，通过以硅和碳化硅为基体，采用液态硅渗透工艺制备碳纤维-碳化硅多孔复合材料，该复合材料具有高耐磨性、良好的热冲击性、低密度、良好的耐磨性和出色的摩擦学性能，可应用于碟形刹车、喷管叶片、发动机襟翼和运载火箭鼻罩等领域。

Kang等研究了以金属铝为内衬、高模量碳纤维（HMCF）增强树脂基复合材料为外层的运载火箭用低温储罐接头系统，通过以Bondex606、EA9696和FM73为粘合剂，在铝制6061-T6衬里外部使用HM-CFRP层压制备得到了一种可靠的复合材料产品，可在-150°C的条件下保持强度。

Glass等讨论了陶瓷基复合材料在运载火箭热防护系统中的应用，碳纤维-碳化硅复合材料、碳碳复合材料、碳化硅-碳化硅复合材料具有优异的高温耐久性、热冲击、重量轻和良好的尺寸稳定性，可用于运载火箭、航天飞机轨道盘、盖板、承重航空航天器壳、燃料管、机体襟翼、装配接头和热障涂层的隔热结构（图6）。

图6 碳碳复合材料气动壳体结构

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空间中心用复合材料研究进展

空间中心的发射台设施本身是一个巨大的复杂结构。31000KN的推力从发射台向上发射太空飞行器，如此巨大的力所产生的振动是巨大的，这种结构需要非常高强度的材料。目前还没有关于发射台设施材料的公开文献，但根据上述讨论可以推断，对于便携式发射台，确实可以开发既轻又具有高阻尼强度的复合材料。

Theriot等讨论了利用复合材料屏蔽外层空间辐射的问题，通过用Regolith（一种从月球中提取的材料）增强聚乙烯，开发了一种有趣的复合材料，该复合材料可以保护和屏蔽人体免受中子辐射的影响，而无需从地球上运输此类材料。

Zhong等讨论了复合材料对宇宙辐射的屏蔽试验，以玻璃纤维环氧树脂和纳米环氧树脂对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）进行手糊补强的方法，所制备的复合材料对氯基辐射具有良好的屏蔽和保护作用，同时增强了结构屏蔽应用的机械性能。

Kumar报道了用于空间坡度传感器，人造肌肉和执行器的复合材料的前景，通过用带电荷的聚电解质膜和贵金属增强碳或石墨，形成离子聚合物金属复合材料（IPMCs），这对精确的传感和驱动运动具有很大的潜力。这些复合材料可应用于宇航员的宇航服中，以实现更好、更精确的运动，也可实现小型结构的自动化装配、对机械装配和漫游车的微调以及用于对空间站和探索的机器人控制。

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未来展望

对于长时间的太空任务而言，最大限度地减轻重量极其重要，因为它可以增加有效载荷附件，目前这只能通过用复合材料代替传统的金属结构来实现。

用高性能和高性价比的复合材料代替运载火箭和卫星材料是发展空间项目的一个重要研究领域，而为了使人类能够在空间生存，必须开发具有超长使用寿命、具有结构和功能应用以及同时没有生物和医学副作用的复合材料。

主要文献来源：Space Applications of Composite Materials