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高性能碳纤维复合材料能否打造人造卫星?

  江苏bet娱乐平台科技: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(cheng)力结构(gou)目前多采用(yong)承(cheng)力筒(tong)。以往承(cheng)力筒(tong)大(da)多采用(yong)金属材料辅以加强筋,现在则(ze)广泛采用(yong)碳纤(xian)维复合(he)材料制(zhi)作,不仅(jin)刚度(du)(du)、强度(du)(du)满(man)足(zu)设计要求,且能大(da)幅减轻质量。此外(wai),复合(he)材料在卫星结构(gou)外(wai)壳、衍架结构(gou)等(deng)上的应用(yong),都极大(da)提高了卫星结构(gou)的研制(zhi)水平(ping)。
 
  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(yu)此(ci)同时,高模量碳(tan)(tan)(tan)纤(xian)维(wei)具有优异(yi)导电(dian)性(xing)(xing),在一定(ding)的(de)(de)(de)频(pin)率范围(wei)(wei)内(nei)能(neng)够(gou)完成(cheng)天(tian)(tian)线电(dian)磁波的(de)(de)(de)发(fa)射或接(jie)收,并能(neng)承受一定(ding)的(de)(de)(de)功率。碳(tan)(tan)(tan)纤(xian)维(wei)为(wei)导电(dian)材料,在一定(ding)的(de)(de)(de)频(pin)率范围(wei)(wei)内(nei),其(qi)自(zi)身(shen)能(neng)够(gou)完成(cheng)天(tian)(tian)线的(de)(de)(de)电(dian)磁波反射和接(jie)受功能(neng),尤其(qi)是(shi)(shi)需要指出的(de)(de)(de)是(shi)(shi),随着碳(tan)(tan)(tan)纤(xian)维(wei)石墨化程度的(de)(de)(de)提高,碳(tan)(tan)(tan)纤(xian)维(wei)导电(dian)性(xing)(xing)能(neng)也显著增加(jia),高模量碳(tan)(tan)(tan)纤(xian)维(wei)在导电(dian)性(xing)(xing)能(neng)上(shang)基本接(jie)近金属的(de)(de)(de)导电(dian)性(xing)(xing)能(neng)。因此(ci),高模量碳(tan)(tan)(tan)纤(xian)维(wei)制(zhi)做复合材料天(tian)(tian)线完全可以满(man)足卫星(xing)天(tian)(tian)线电(dian)性(xing)(xing)能(neng)指标,能(neng)承受高低(di)温(wen)循环、热真(zhen)空等(deng)严酷(ku)的(de)(de)(de)环境试验的(de)(de)(de)考核,使(shi)其(qi)成(cheng)为(wei)星(xing)载天(tian)(tian)线的(de)(de)(de)首选(xuan)材料。
  4、碳纤维热(re)膨(peng)胀(zhang)系数低,并且随(sui)着(zhe)纤维拉伸模量的增(zeng)加,纤维热(re)膨(peng)胀(zhang)系数会(hui)出现负(fu)值(zhi)。基于低膨(peng)胀(zhang)的性能特点,在天线成(cheng)型过程(cheng)中(zhong)通(tong)过复合材料(liao)内碳纤维铺层设计,可以(yi)使天线在成(cheng)型过程(cheng)和(he)(he)实际工作环境(jing)中(zhong)做到“零膨(peng)胀(zhang)”。卫(wei)星(xing)(xing)运(yun)行在地球静止(zhi)轨道中(zhong)的温(wen)(wen)差变(bian)(bian)化很大,高温(wen)(wen)约+120℃,低温(wen)(wen)约-160℃,对于工作在热(re)交变(bian)(bian)剧(ju)烈的太空环境(jing)中(zhong)的星(xing)(xing)载天线,采用这种“零膨(peng)胀(zhang)”系数材料(liao)来使其(qi)结构和(he)(he)型面精度保持稳定是(shi)非常(chang)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(shou)命、高(gao)(gao)可(ke)靠、轻(qing)型化和高(gao)(gao)精(jing)度(du)是(shi)(shi)卫(wei)(wei)星(xing)的(de)(de)发(fa)展(zhan)趋(qu)势,卫(wei)(wei)星(xing)结(jie)(jie)构质量(liang)占整个卫(wei)(wei)星(xing)的(de)(de)百分比一般要(yao)小于(yu)7%甚至4%。卫(wei)(wei)星(xing)结(jie)(jie)构材料的(de)(de)发(fa)展(zhan)则趋(qu)向于(yu)高(gao)(gao)性能(neng)、高(gao)(gao)功(gong)能(neng)及多功(gong)能(neng)、复(fu)合化、智能(neng)化、低成本(ben)以及高(gao)(gao)环境相容性。先(xian)进的(de)(de)碳纤(xian)维复(fu)合结(jie)(jie)构材料既是(shi)(shi)研制(zhi)生产卫(wei)(wei)星(xing)产品的(de)(de)物质保障,又是(shi)(shi)推动卫(wei)(wei)星(xing)产品更新换代的(de)(de)技术基础。
 
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