先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料在航天器的應(yīng)用
自20世紀(jì)60年代以來，以碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料為典型代表的先進(jìn)復(fù)合材料被廣泛用于航天器的結(jié)構(gòu)材料和以熱防護(hù)為主的功能材料，對實現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)減重和功能最大化起到了不可替代的作用。
北京空間機(jī)電研究所復(fù)材專業(yè)以樹脂基復(fù)合材料為主業(yè)，是我國最早從事復(fù)合材料產(chǎn)品研制和關(guān)鍵技術(shù)研究的單位，至今已有60 年的發(fā)展歷史，先后研制生產(chǎn)了數(shù)以萬計的各類型航天器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件，如：星載天線及支承架、太陽電池基板及連接架、衛(wèi)星艙體壁板、儀器安裝板、承力筒、遮光罩等。近10年來，又開展了高穩(wěn)定性大尺寸遙感結(jié)構(gòu)件研制、大型結(jié)構(gòu)板裝配、新型材料體系應(yīng)用等技術(shù)研究，成功研制了大型復(fù)雜遙感相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)、內(nèi)外加筋鏡筒結(jié)構(gòu)、“幾”字形整體框架增強(qiáng)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)、耐高溫490N發(fā)動機(jī)支架、高精度星載拋物面天線以及國產(chǎn)化太陽電池基板等，為我國航天事業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。
（一）典型應(yīng)用
碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料（CFRP）作為先進(jìn)復(fù)合材料的典型代表，貫穿整個先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展歷程，是先進(jìn)復(fù)合材料的中流砥柱，是目前航天器結(jié)構(gòu)應(yīng)用范圍最廣、技術(shù)成熟度最高的材料，同時也是實現(xiàn)航天器結(jié)構(gòu)輕量化、多功能化的關(guān)鍵材料。
航天器結(jié)構(gòu)用碳纖維主要為聚丙烯腈基（PAN）碳纖維，以高強(qiáng)中模、高強(qiáng)高模為主。表1為常用碳纖維原材料力學(xué)性能。
航天器結(jié)構(gòu)用樹脂基體已采用耐熱性更好、吸濕率更低、尺寸穩(wěn)定性更高的高性能氰酸酯，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的環(huán)氧樹脂，以解決耐沖擊損傷能力、韌性以及耐濕熱性能較差的缺點，同時采用雙馬樹脂和聚酰亞胺樹脂體系來提升復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)件時的耐溫性。
航天器用CFRP的成型工藝技術(shù)仍以熱壓罐/真空袋工藝、纖維纏繞工藝、模壓工藝以及樹脂傳遞塑模成型（RTM）工藝為主，表2為目前CFRP 主要成型工藝技術(shù)、特點及典型應(yīng)用。
1、在空間遙感器結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用
空間光學(xué)遙感器作為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的有效載荷，其材料的穩(wěn)定性直接決定結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響其功能發(fā)揮（表3列出了航天器結(jié)構(gòu)尺寸變化對結(jié)構(gòu)功能可能產(chǎn)生的影響），而環(huán)境對材料性能存在不可忽略的作用，如：地面環(huán)境中的濕度、腐蝕和重力的作用，空間環(huán)境中高真空、帶電粒子和紫外輻照、原子氧損傷和高低溫交變的作用等。
因此，空間遙感器對結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求，要求其具有低密度、高模量、高強(qiáng)度、高韌性、低膨脹系數(shù)、高比熱容、高導(dǎo)熱低質(zhì)損、低可凝物揮發(fā)、低水氣回吸以及缺陷的可檢測等性能。北京空間機(jī)電研究所復(fù)材專業(yè)近10年來，一直致力于高穩(wěn)定大尺寸遙感結(jié)構(gòu)的研制工作，研制生產(chǎn)出了一批高規(guī)格高難度的典型產(chǎn)品，如：遙感相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)、鏡筒結(jié)構(gòu)、相機(jī)安裝板等，均得到型號應(yīng)用驗證，在軌運(yùn)行正常。
（1）相機(jī)主承力結(jié)構(gòu)
某型號多通道光學(xué)面陣成像相機(jī)為國內(nèi)體積最大、質(zhì)量最大、難度最高的遙感相機(jī)，其主承力結(jié)構(gòu)直徑達(dá)2.6mm，高0.26m，具有72個格段，為超大尺寸的高穩(wěn)結(jié)構(gòu)，由碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料制成；采用整體鋪層一次成型的方式，涉及預(yù)浸成型工藝、預(yù)固化成型工藝、熱壓罐/真空袋固化成型工藝等工藝技術(shù)，應(yīng)用了預(yù)固化技術(shù)、網(wǎng)格預(yù)固化件裝配技術(shù)、成型模具設(shè)計及溫度補(bǔ)償技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。
（2）相機(jī)鏡筒結(jié)構(gòu)
碳纖維復(fù)合材料加筋筒體分為內(nèi)加筋和外加筋筒體兩種結(jié)構(gòu)形式，其主要特點是加筋的高厚比大，通常大于6倍，其目的是加大筒體的結(jié)構(gòu)剛度。某型號相機(jī)鏡筒采用外加筋筒體結(jié)構(gòu)，外形尺寸Φ1 400mm×1 810mm，接口平面度要求≤0.04mm，為大尺寸遙感相機(jī)次鏡支撐高穩(wěn)格柵筒體結(jié)構(gòu)，采用高模量碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料整體成型，涉及預(yù)浸成型工藝、預(yù)固化成型工藝、共固化成型工藝以及熱壓罐/真空袋固化成型工藝等工藝技術(shù)，應(yīng)用了單絲纖維網(wǎng)格排布成型技術(shù)、預(yù)固化技術(shù)、網(wǎng)格預(yù)固化件裝配技術(shù)、成型模具設(shè)計及溫度補(bǔ)償技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。
（3）相機(jī)底板結(jié)構(gòu)
相機(jī)底板為遙感相機(jī)的支撐結(jié)構(gòu)，同時為有效載荷提供安裝接口，傳統(tǒng)的管件/接頭形式的桁架增強(qiáng)形式不能滿足使用要求，需采用新型的“幾”字形整體框架增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式，而研制關(guān)鍵在于“幾”字形整體框架的成型。某型號相機(jī)底板，外形尺寸1 622mm×1 311mm×60mm，整板平面度≤0.5mm，局部平面度≤0.1mm，安裝孔位置度≤Φ0.15mm，為大尺寸高穩(wěn)高精度“幾”字形整體框架增強(qiáng)的結(jié)構(gòu)形式。“幾”字形整體框架及結(jié)構(gòu)板蒙皮采用高模量碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料，涉及預(yù)浸制備工藝、鋪層工藝、層合結(jié)構(gòu)固化工藝、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)裝配工藝等工藝技術(shù)，應(yīng)用了立體鋪層技術(shù)、化零為整的模具設(shè)計技術(shù)、大型整體框架裝配成型技術(shù)以及高精度整板控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。
2、在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用
衛(wèi)星結(jié)構(gòu)相對于空間遙感器結(jié)構(gòu)對復(fù)合材料的精度要求較低，對于在軌尺寸穩(wěn)定性并無太高的要求，主要考慮材料的承載能力和熱防護(hù)能力，即要求樹脂基復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)材料時具有足夠的強(qiáng)度、剛度以及耐溫性，典型產(chǎn)品如：衛(wèi)星艙體壁板、衛(wèi)星發(fā)動機(jī)支架、衛(wèi)星承力筒以及高精度的星載天線。
（1）衛(wèi)星艙體壁板
衛(wèi)星艙體壁板是衛(wèi)星的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，多為面板/蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)置多類型鑲嵌連接件，主要用于裝載衛(wèi)星的各種功能部件。某衛(wèi)星平臺的艙體壁板最大外形尺寸為2 686mm×2 036mm，整板平面度≤3mm，局部平面度≤0.2mm/200mm×200mm，連接孔位置度≤Φ0.3mm，為碳面板/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，其中碳面板為碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料，涉及超薄預(yù)浸料制備工藝、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)裝配工藝、熱壓罐/真空袋固化工藝等工藝技術(shù)，同時應(yīng)用了結(jié)構(gòu)板膠接裝配技術(shù)、埋件精準(zhǔn)定位技術(shù)以及平面度控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。
（2）衛(wèi)星發(fā)動機(jī)支架
490N 發(fā)動機(jī)支架為衛(wèi)星推進(jìn)發(fā)動機(jī)的典型支撐結(jié)構(gòu)，其由空間多向接頭和桿件膠接而成，接頭要求一體成型，難度高，涉及預(yù)浸料制備工藝和纏繞成型工藝以及編織預(yù)制件/RTM成型工藝等關(guān)鍵工藝技術(shù)。初期結(jié)構(gòu)材料采用的是環(huán)氧樹脂體系，產(chǎn)品已得到二十多個型號應(yīng)用驗證，均在軌運(yùn)行正常。但隨著設(shè)計要求的提高，原有環(huán)氧樹脂的耐溫性（低于160℃）已不滿足未來的使用要求，在這個背景下，北京空間機(jī)電研究所復(fù)材專業(yè)經(jīng)過一系列新型材料體系應(yīng)用技術(shù)研究和工藝驗證，成功采用新型的耐高溫雙馬樹脂體系代替了原有的環(huán)氧樹脂，輔以新型耐高溫膠黏劑，將發(fā)動機(jī)支架的使用溫度提高到200℃，研制產(chǎn)品已備用于多顆衛(wèi)星。
（3）衛(wèi)星承力筒
承力筒是衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的重要承力件，要求結(jié)構(gòu)具有力學(xué)性能好、空間利用充分、承載能力寬和適應(yīng)性強(qiáng)等特點。某型號衛(wèi)星承力筒為柱錐一體結(jié)構(gòu)，筒體高1238mm，柱段外徑Φ500mm，錐段外徑Φ910mm，研制采用碳面板/鋁蜂窩夾層筒體的結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)效率高、剛性強(qiáng)、重量輕等優(yōu)勢，涉及預(yù)浸成型工藝、立體鋪層工藝、筒體蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接裝配工藝以及熱壓罐/真空袋固化成型工藝等工藝技術(shù)，同時應(yīng)用了立體鋪層角度精確控制技術(shù)、金屬膠裝配技術(shù)、筒體結(jié)構(gòu)蜂窩夾層裝配技術(shù)、成型模具設(shè)計及溫度補(bǔ)償設(shè)計技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。
（4）高精度星載拋物面天線
星載天線反射面是衛(wèi)星功能應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)件，其型面精度以及副反射面的安裝精度直接影響天線功能的正常發(fā)揮。某型號0.6m口徑和1m非圓口徑拋物面天線，反射面主體結(jié)構(gòu)為碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料蒙皮鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，型面精度（RMS）要求分別為≤0.08mm 和≤0.15mm，副反射面與安裝基準(zhǔn)平面度為≤0.05mm，副反射面與天線反射面同軸度為≤0.05mm。該產(chǎn)品具有成型工序復(fù)雜、裝配精度高等技術(shù)難點，研制過程涉及熱壓罐/真空袋成型工藝、模壓成型工藝、纏繞成型工藝、手糊成型以及膠接裝配工藝等，應(yīng)用了鋪層優(yōu)化技術(shù)、工裝輔助技術(shù)、熱膨脹差異控制技術(shù)和模具修正及精度補(bǔ)償技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。
3、在載人飛船上的應(yīng)用
剛性太陽電池基板是“神舟”飛船的重要結(jié)構(gòu)件，為碳網(wǎng)格面板/鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，外形尺寸2 000mm×1 530mm，技術(shù)難度大，表3為其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。
剛性太陽電池基板的成型工序復(fù)雜，涉及預(yù)浸成型工藝、纏繞工藝、蜂窩夾層結(jié)構(gòu)膠接裝配工藝、網(wǎng)格面板成型工藝、真空袋/烘箱固化工藝、聚酰亞胺貼膜工藝、壓緊支撐套粘接工藝和整板導(dǎo)電處理工藝等工藝技術(shù)，應(yīng)用了高長細(xì)比超薄矩形管件成型技術(shù)、膠膜熱破技術(shù)、基板平面度控制技術(shù)、聚酰亞胺膜粘貼技術(shù)、壓緊支撐套高精度定位粘接技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。與此同時，北京空間機(jī)電研究所復(fù)材專業(yè)經(jīng)過一系列工藝試驗、原材料驗證、仿真計算等工作，突破性的實現(xiàn)了太陽電池基板除聚酰亞胺薄膜外的全部國產(chǎn)化，達(dá)到了國內(nèi)同類復(fù)材產(chǎn)品的國產(chǎn)化率最高，各項指標(biāo)滿足使用要求。
（二）關(guān)鍵問題及發(fā)展方向
隨著時代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，國家對空間光學(xué)遙感器的性能需求進(jìn)一步擴(kuò)大，未來勢必向高分辨率、長焦距、大口徑、大視場、大體積且質(zhì)量更輕的遙感系統(tǒng)方向發(fā)展，這就需要更高性能的材料作為支撐，以提高大型光學(xué)器件在軌成像的穩(wěn)定性，滿足未來深空探測應(yīng)對復(fù)雜空間環(huán)境的需要。而先進(jìn)復(fù)合材料的高性能化和多功能化正是解決問題、實現(xiàn)功能的關(guān)鍵，這就需要解決當(dāng)下問題，朝著高穩(wěn)定復(fù)合材料體系和結(jié)構(gòu)/功能一體化材料體系方向發(fā)展。
1、超低吸濕高穩(wěn)定復(fù)合材料
CFRP 作為遙感相機(jī)結(jié)構(gòu)的主要材料，其樹脂基體的濕膨脹作用是影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性的重要因素，主要表現(xiàn)在樹脂基體在地面存儲、調(diào)試階段會吸收一定的水分，入軌后在高真空下水分從基體內(nèi)部向外揮發(fā)從而引起結(jié)構(gòu)的變形，致使光學(xué)元件之間距離和夾角的變化，進(jìn)而導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)性能的下降，降低遙感相機(jī)的成像質(zhì)量。同時，隨著高分辨率、長焦距、大口徑、大視場、大體積遙感相機(jī)的研制，CFRP 結(jié)構(gòu)尺寸相應(yīng)增大，其在環(huán)境發(fā)生改變時產(chǎn)生的變形相應(yīng)增加，對光學(xué)系統(tǒng)的影響也隨之增大，必將導(dǎo)致成像品質(zhì)的嚴(yán)重下降。目前，這一問題已成為高分辨率空間光學(xué)遙感相機(jī)研制的瓶頸，因此研制具有超低吸濕性能的樹脂體系，研究低吸濕復(fù)合材料成型工藝技術(shù)對空間遙感器的發(fā)展具有重要意義，是樹脂基復(fù)合材料未來重要的發(fā)展方向。
2、結(jié)構(gòu)/功能一體化復(fù)合材料
熱導(dǎo)率是航天器材料及部件的重要參數(shù)，特別是紅外傳感部件及遙感器精密儀器安裝位置結(jié)構(gòu)件，傳熱性能是材料部件設(shè)計的重要參數(shù)，影響到材料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、尺寸變化，從而影響到航天器與部件的功能和壽命。作為航天器重要結(jié)構(gòu)材料，CFRP 的導(dǎo)熱性能對實現(xiàn)結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性、尺寸穩(wěn)定性具有重要意義，同時復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的增加還有利于降低結(jié)構(gòu)對熱控資源的需求，進(jìn)而指導(dǎo)優(yōu)化鋪層設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重，增加航天器的有效載荷。而目前結(jié)構(gòu)用CFRP 中碳纖維以PAN 基為主，常用T300、T700 系列碳纖維熱導(dǎo)率低于50 W/（m·K）；M 系列如：M40J、M46J、M55J、M60J 熱導(dǎo)率介于160~380W/（m·K）；樹脂基體熱導(dǎo)率低于0.5 W /（m·K）；復(fù)合材料以M55J/氰酸酯為例，各向鋪層同性鋪層面內(nèi)熱導(dǎo)率不高于50 W/（m·K）。由此可見，樹脂基體的低熱導(dǎo)率直接影響了碳纖維樹脂基復(fù)合材料的面內(nèi)熱導(dǎo)率和軸向熱導(dǎo)率，對復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能起到了制約作用。
石墨烯作為一種新型納米材料體系，其低緯結(jié)構(gòu)可顯著削減晶界處聲子的邊界散射，并賦予其特殊的聲子模式，表現(xiàn)出更優(yōu)異的導(dǎo)熱特性，其理論熱導(dǎo)率系數(shù)高達(dá)5 300W/（m·K），已超越碳納米管、石墨等同素異形體的極限，更遠(yuǎn)超銀和銅等金屬材料，在強(qiáng)化傳熱領(lǐng)域優(yōu)勢顯著。將石墨烯與碳纖維樹脂基復(fù)合材料更好的融合，取長補(bǔ)短，既保留碳纖維樹脂基復(fù)合材料原有的優(yōu)異特性，又提高了復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，這對實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)/傳熱功能一體化、提高遙感器結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性具有重要現(xiàn)實意義，是未來樹脂基復(fù)合材料的重要發(fā)展方向。
除此之外，石墨烯在常溫下電子遷移率超過15 02/（V·s），電阻率僅為10-8Ω·m，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性能，是良好的電損耗與磁損耗介質(zhì)，其可以賦予樹脂基復(fù)合材料電磁屏蔽功能，對實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)/電磁屏蔽功能一體化、提高空間電子設(shè)備抗干擾能力具有重要意義。同時，石墨烯二維片狀結(jié)構(gòu)可作為插層材料，增加樹脂基復(fù)合材料的內(nèi)摩擦作用和界面作用，提高復(fù)合材料阻尼性能，對實現(xiàn)結(jié)構(gòu)/阻尼功能一體化、延長結(jié)構(gòu)材料承受循環(huán)載荷和沖擊的服役時間具有重要意義。
結(jié)束語
先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料以其輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、材料/結(jié)構(gòu)/功能一體化等獨特優(yōu)勢，正逐步取代金屬材料，成為航天器實現(xiàn)結(jié)構(gòu)承載和功能發(fā)揮的首選材料。同時，隨著增強(qiáng)體和基體材料的豐富發(fā)展，工藝技術(shù)和生產(chǎn)設(shè)備的革新?lián)Q代，理論和模型的健全完善，未來以先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料為代表的先進(jìn)復(fù)合材料任重而道遠(yuǎn)，將成為推動人類航天事業(yè)發(fā)展的中堅力量。
以上文章由常州艾珀耐特復(fù)合材料有限公司供稿
