李 威，郭權(quán)鋒

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

碳纖維復(fù)合材料在航天領(lǐng)域的應(yīng)用

李 威，郭權(quán)鋒

（中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林長(zhǎng)春130033）

綜述了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展前景。首先，概述了碳纖維的分類和力學(xué)性能以及碳纖維復(fù)合材料的特性；重點(diǎn)介紹了碳纖維復(fù)合材料在國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域，特別是在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、運(yùn)載火箭、精密支撐構(gòu)件以及空間鏡體等方面的應(yīng)用情況。指出了目前碳纖維復(fù)合材料的主要問(wèn)題是濕熱效應(yīng)。最后，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，對(duì)碳纖維復(fù)合材料需要解決的問(wèn)題提出了一些建設(shè)性的措施。

碳纖維復(fù)合材料；空間相機(jī)；濕熱效應(yīng)

1 引 言

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步以及各國(guó)對(duì)空間光學(xué)遙感器的進(jìn)一步需求，空間遙感器必然向高分辨率、長(zhǎng)焦距、大口徑、大視場(chǎng)、大體積而質(zhì)量更輕的方向發(fā)展［1］，然而，發(fā)展質(zhì)量更輕的空間光學(xué)遙感器，必須采用性能優(yōu)異的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)這一要求的最好途徑之一。

CFRP是以樹(shù)脂為基體，碳纖維為增強(qiáng)體的復(fù)合材料［2］。碳纖維具有碳材料的固有本征特性，又有紡織纖維的柔軟可加工性，是新一代軍民兩用的增強(qiáng)纖維。它優(yōu)異的綜合性能是任何單一材料無(wú)法與其比擬的，現(xiàn)在已經(jīng)成為先進(jìn)復(fù)合材料的主要增強(qiáng)纖維之一。

CFRP是20世紀(jì)60年代中期崛起的一種新型結(jié)構(gòu)材料，一經(jīng)問(wèn)世就顯示了強(qiáng)大的生命力［3，4］。當(dāng)今，在眾多的先進(jìn)復(fù)合材料中，CFRP在技術(shù)成熟度與應(yīng)用范圍方面的表現(xiàn)尤為突出，它所具有的高比強(qiáng)度和比模量、性能可設(shè)計(jì)和易于整體成形等諸多優(yōu)點(diǎn)，可以滿足航天結(jié)構(gòu)高結(jié)構(gòu)效率的要求，易于得到尺寸穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。自從CFRP被廣泛應(yīng)用于軍事、民用各個(gè)領(lǐng)域，尤其是航空航天領(lǐng)域后，其所展現(xiàn)出的優(yōu)異特性使它已經(jīng)成為一種不可或缺，同時(shí)又不可多得的多功能的特種工程材料。現(xiàn)在，CFRP已經(jīng)與鋁合金、鈦合金、合金鋼一起成為航空、航天領(lǐng)域的四大結(jié)構(gòu)材料［5］。

2 碳纖維的分類和力學(xué)性能

按照原絲種類，碳纖維的原絲主要有PAN原絲、瀝青纖維和粘膠絲。由這三大類原絲生產(chǎn)出的碳纖維分別叫做PAN基碳纖維、瀝青基碳纖維和粘膠基碳纖維。其中，PAN基碳纖維占據(jù)主流地位，產(chǎn)量占碳纖維總量的90％以上，粘膠基碳纖維還不足1％。

航天用碳纖維的應(yīng)用以高強(qiáng)、中模為主，高模也有少量應(yīng)用。在各大碳纖維生產(chǎn)廠中，日本東麗公司［6］的品種較多，性能較好。表1為其產(chǎn)品的力學(xué)性能。

3 CFRP的特性

CFRP屬于各向異性材料，與金屬材料相比，材料本身及其結(jié)構(gòu)上都有其獨(dú)特的特點(diǎn)：

（1）密度?。?］。CFRP的密度與鎂和鈹基本相當(dāng)，是其他幾種金屬材料密度的0.20～0.57倍（按碳纖維M40JB計(jì)算），一般來(lái)講，采用CFRP作為結(jié)構(gòu)件材料可使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕30％～40％。

（2）比強(qiáng)度、比模量高［8］。用比強(qiáng)度（材料的拉伸強(qiáng)度與密度之比）和比模量（彈性模量與密度之比）的比較，很好地說(shuō)明了CFRP在輕質(zhì)高強(qiáng)方面的優(yōu)越性。CFRP的輕質(zhì)高強(qiáng)性能最為顯著，其比強(qiáng)度比鋼高5倍，比鋁合金高4倍；比模量則是其它結(jié)構(gòu)材料的1.3～12.3倍。若將這種性能優(yōu)越的材料用在空間遙感器的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，必然會(huì)有助于解決許多傳統(tǒng)材料無(wú)法解決的難題。

（3）設(shè)計(jì)上的先進(jìn)性［9］。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種各向異性材料，表現(xiàn)出顯著的各向異性，在沿纖維軸方向和垂直于纖維軸方向的電、磁、導(dǎo)熱、比熱、熱膨脹系數(shù)以及力學(xué)性能等，都有明顯的差別。CFRP的各向異性給設(shè)計(jì)帶來(lái)較多的可選擇性。CFRP的鋪層取向可以在很寬的范圍進(jìn)行調(diào)整，由于鋪層的各向異性特征，可通過(guò)選擇合適的鋪層方向和層數(shù)來(lái)滿足強(qiáng)度、剛度和各種特殊要求，以獲得滿足使用要求、具有最佳性能質(zhì)量比的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，這為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)闊了巨大的發(fā)展空間，是各向同性材料所無(wú)法比擬的。

（4）良好的抗疲勞特性。疲勞破壞是指材料在大小和方向隨時(shí)間發(fā)生周期性變化的載荷（即交變載荷）作用下，產(chǎn)生裂紋和斷裂的現(xiàn)象。在CFRP中存在著許許多多的碳纖維和樹(shù)脂基體界面，這些大量的界面能夠阻止裂紋的擴(kuò)展，延遲疲勞破壞的發(fā)生。復(fù)合材料比金屬材料的耐疲勞性能高很多。通常情況下金屬材料疲勞強(qiáng)度極限為拉伸強(qiáng)度的40％～50％，而碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的疲勞極限可以達(dá)到拉伸強(qiáng)度的70％～80％，說(shuō)明在長(zhǎng)期交變載荷條件下工作時(shí)復(fù)合材料構(gòu)件的壽命高于傳統(tǒng)材料構(gòu)件。

（5）抗振性能好。受力結(jié)構(gòu)的固有頻率除和結(jié)構(gòu)幾何形狀和尺寸有關(guān)外，還和材料的比模量平方根成正比。根據(jù)特點(diǎn)（2）中對(duì)于比模量的分析可知，CFRP具有較高的固有頻率，同時(shí)復(fù)合材料基體纖維界面有較大的吸收振動(dòng)能量的能力，因而材料的阻尼較高，這些特性都有利于提高復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的抗振性能。

（6）高溫性能好。鋁合金在溫度400℃時(shí)，其彈性模量幾乎下降到零，強(qiáng)度也顯著下降。碳纖維-鋁合金復(fù)合材料在400℃高溫下，強(qiáng)度和彈性模量基本無(wú)變化。有的CFRP具有很好的燒蝕性能。彈頭和再入飛船可借助表面燒蝕材料保護(hù)自身并保持其內(nèi)部溫度正常。

（7）破損安全性高。從力學(xué)的角度來(lái)看，CFRP內(nèi)部存在著的大量界面以及碳纖維本身承載的特點(diǎn)，使其成為典型的超靜定體系。研究表明復(fù)合材料的破壞需經(jīng)歷基體損傷、開(kāi)裂、界面脫粘、纖維斷裂等一系列過(guò)程，使用過(guò)程中，碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件即使過(guò)載而造成少量纖維斷裂，其載荷也會(huì)通過(guò)基體的傳遞分散到其它完好的纖維上去，使整個(gè)構(gòu)件不會(huì)在短時(shí)期內(nèi)喪失承載能力，表現(xiàn)出較高的結(jié)構(gòu)破損安全性。

（8）易于大面積整體成形。由于CFRP的樹(shù)脂基體是高分子材料，雖然在CFRP的成形過(guò)程中，對(duì)其進(jìn)行理論分析和機(jī)理預(yù)測(cè)比較困難，但是對(duì)于批量生產(chǎn)而言，當(dāng)工藝流程文件確定后，CFRP構(gòu)件的制作比較簡(jiǎn)單。許多方法可被用于CFRP構(gòu)件的成形，其中包括整體共固化成形，這種成形技術(shù)大大減少了零件和緊固件的數(shù)量，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工序，縮短了生產(chǎn)周期。例如，美國(guó)洛克希德·馬丁公司試制的JSF戰(zhàn)斗機(jī)的復(fù)合材料垂直安定面，復(fù)合材料的零件數(shù)目減少到1個(gè)，原先眾多的鈑金鉚接件被取代，取消了1 000多個(gè)機(jī)械緊固件，既簡(jiǎn)化了工序，又節(jié)省了工時(shí)，使裝配協(xié)調(diào)問(wèn)題更簡(jiǎn)單，制造成本減少了60％。此外，樹(shù)脂基復(fù)合材料構(gòu)件可采用拉拔、注射、纏繞、鋪放技術(shù)進(jìn)行，并容易實(shí)現(xiàn)成形自動(dòng)化。

減輕結(jié)構(gòu)重量對(duì)空間光學(xué)遙感器等航天儀器具有特殊重要的意義［10，11］。CFRP所具有的上述優(yōu)異特性，若應(yīng)用于航天結(jié)構(gòu)，可比常規(guī)的金屬結(jié)構(gòu)減重30％左右，對(duì)減輕質(zhì)量和可設(shè)計(jì)性而言是最具發(fā)展和應(yīng)用潛力的先進(jìn)材料。目前，CFRP已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外航天領(lǐng)域中［12］。人們甚至將CFRP在航天結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的規(guī)模視為衡量航天結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要標(biāo)志之一。

4 CFRP在國(guó)外航天領(lǐng)域的應(yīng)用

CFRP在國(guó)外航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要體現(xiàn)在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、運(yùn)載火箭、精密支撐結(jié)構(gòu)件及光學(xué)鏡體4大方面。

4.1 在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用

（1）衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)

由于CFRP具有較高的比強(qiáng)度、較大的比剛度和良好的抗疲勞性能等特性，適于用來(lái)制造衛(wèi)星本體的結(jié)構(gòu)。CFRP在衛(wèi)星本體上的應(yīng)用主要包括衛(wèi)星外殼、中心承力筒和各種儀器安裝結(jié)構(gòu)板等。

在法國(guó)電信一號(hào)通信衛(wèi)星［9］本體結(jié)構(gòu)中，帶有4條環(huán)形加強(qiáng)筋的中心承力筒是由CFRP制成的，它通過(guò)螺接連接在由CFRP制成的儀器平臺(tái)上。衛(wèi)星的蒙皮是由 T300 CFRP制成。由于CFRP的比模量高，在日本JERS-1地球資源衛(wèi)星殼體內(nèi)部的φ500 mm的推力筒、儀器支架、8根支撐桿和分隔環(huán)都使用了M40JB CFRP，此外，衛(wèi)星的外殼、一些儀器的安裝板均采用了碳纖維/環(huán)氧蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。

（2）衛(wèi)星能源系統(tǒng)—太陽(yáng)電池陣結(jié)構(gòu)

衛(wèi)星在太空中工作所需要的電能是由太陽(yáng)電池陣提供的，用電量較大。衛(wèi)星發(fā)射時(shí)，大型太陽(yáng)電池陣通常都是折疊的，在空中進(jìn)行展開(kāi)，面積較大，不能采用金屬件制成。由于CFRP具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、比剛度大以及線膨脹系數(shù)小的特點(diǎn)，因此，大型太陽(yáng)電池陣通常采用CFRP。由德國(guó)MBB公司研制出并已應(yīng)用于軌道試驗(yàn)衛(wèi)星的一種剛性太陽(yáng)電池陣是由CFRP面板、薄壁方形梁和鋁蜂窩膠結(jié)而成，面積為11.4 m2。應(yīng)用在國(guó)際通信衛(wèi)星Ⅴ號(hào)［13］上的太陽(yáng)能電池帆板的面積為18.12 m2，也采用了CFRP，每個(gè)帆板的長(zhǎng)為7 m，寬為1.7 m。德國(guó)MBB公司研制的另外一種太陽(yáng)電池陣是半剛性的，其上面的方管形桁架采用了CFRP。

（3）衛(wèi)星通信系統(tǒng)—天線結(jié)構(gòu)

天線是任何衛(wèi)星都不可缺少的星載設(shè)備，它一般均安裝于衛(wèi)星外表面，當(dāng)觀察一顆衛(wèi)星時(shí)，天線往往是最容易看到的部分，不同用途的衛(wèi)星通常需要不同用途的天線，即便同一顆衛(wèi)星，為了完成不同的功能要求，往往需要多種天線，如美國(guó)ACTS［14］衛(wèi)星（如圖1所示）上包含著各種用途的反射天線、接收天線、遙控天線和C波段全向天線等。

圖1 美國(guó)ACTS衛(wèi)星Fig.1 Advanced communication technology satellite

衛(wèi)星上安裝的大型拋物面天線等強(qiáng)方向天線要求在溫度急劇變化的空間環(huán)境中仍然能夠保持穩(wěn)定的外形，這就需要采用線膨脹系數(shù)極小的材料，即具有較好的熱穩(wěn)定性。由于CFRP的可設(shè)計(jì)性，可以通過(guò)選擇碳纖維的單層鋪設(shè)角、鋪層比和鋪層順序來(lái)獲得拋物面天線所要求的剛度、強(qiáng)度以及極小的線膨脹系數(shù)。大型拋物面天線一般采用高強(qiáng)度和高剛度的CFRP蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，能承受主動(dòng)段的靜、動(dòng)力載荷，以及良好的微波反射特性等。

圖2 ATS衛(wèi)星Fig.2 Applications technology Satellite

國(guó)外在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中較早應(yīng)用CFRP的是應(yīng)用技術(shù)衛(wèi)星（ATS-F）（如圖2所示）上的天線支撐桁架。為了使天線支撐桁架具有較高的結(jié)構(gòu)剛度和較低的線膨脹系數(shù)，采用了8根CFRP制成的φ 66.3 mm，長(zhǎng)度為4.4 m的圓柱形支撐桿組成桁架結(jié)構(gòu)。用CFRP制成的桁架在滿足使用要求的前提下，比相同結(jié)構(gòu)的鋁臺(tái)金桁架質(zhì)量減輕約50％［9］。國(guó)外用CFRP制成的衛(wèi)星天線見(jiàn)表2。

表2 國(guó)外其它衛(wèi)星天線應(yīng)用CFRP的情況Tab.2 Application of CFRP in foreign satellite antennas

日本東麗公司近年來(lái)連續(xù)推出的T800和T1000等高強(qiáng)度纖維和 M40J、M50J、M55J及M60J等高模量碳纖維，使CFRP在衛(wèi)星上的應(yīng)用正大量從次承力結(jié)構(gòu)件轉(zhuǎn)入主承力結(jié)構(gòu)件。

4.2 在運(yùn)載火箭方面的應(yīng)用

在運(yùn)載火箭方面，由于CFRP具有耐高溫、比強(qiáng)度高和比模量高等力學(xué)特性，常被應(yīng)用在火箭的排氣錐體、發(fā)動(dòng)機(jī)的蓋、殼體、燃燒室、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、喉襯、擴(kuò)散段以及整流罩等部位。目前，運(yùn)載火箭上所采用的CFRP件在質(zhì)量上比鋁合金構(gòu)件節(jié)省約10％～25％。

美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室1997年在國(guó)家導(dǎo)彈防御系統(tǒng)試驗(yàn)項(xiàng)目（BMDO CEP）支持下，成功設(shè)計(jì)并制造了以CFRP為加強(qiáng)筋的AGS整流罩［15］（如圖3所示），重量?jī)H 37 kg，同類型鋁合金防護(hù)罩重97 kg，運(yùn)用纖維纏繞技術(shù)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化生產(chǎn)，工藝周期縮短88％，比同類型蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制造復(fù)合材料整流罩減重40％，成本降低20％。

美國(guó)、日本、法國(guó)的固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體主要采用CFRP，如美國(guó)三叉戟-2導(dǎo)彈［13］、戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、大力神-4火箭、法國(guó)的阿里安娜2型火箭（如圖4所示）、日本的M-5火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，其中使用量最大的是美國(guó)赫克里斯公司生產(chǎn)的抗拉強(qiáng)度為5.3 GPa的IM-7碳纖維，性能最高的是日本東麗公司生產(chǎn)的 T800碳纖維，抗拉強(qiáng)度為5.65 GPa，楊氏模量為300 GPa。

圖3 CEP火箭有效載荷整流罩Fig.3 Payload fairing of CEP launch rocket

圖4 法國(guó)的阿麗亞娜火箭Fig.4 Ariane rocket from French

4.3 在精密支撐構(gòu)件上的應(yīng)用

隨著空間技術(shù)的發(fā)展和對(duì)輕質(zhì)復(fù)合材料的牽引，CFRP作為結(jié)構(gòu)件逐步應(yīng)用于空間光學(xué)遙感儀器結(jié)構(gòu)中，尤其應(yīng)用在支撐各光學(xué)元件的精密結(jié)構(gòu)件中，且有逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

美國(guó)NASA的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡中有一臺(tái)叫作FOC（FAINT OBJECT CAMERA）［16］的相機(jī)（如圖5所示）。這是一臺(tái)包括濾光鏡、折疊鏡、光屏以及檢測(cè)器等多個(gè)通道的復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的微弱目標(biāo)相機(jī)。這些光學(xué)元件都安裝在由高模量碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制成的光學(xué)平臺(tái)上。這個(gè)光學(xué)平臺(tái)的縱向線膨脹系數(shù)為0±0.2×10-6/℃ ，橫向線膨脹系數(shù)為-0.3×10-6/℃，在復(fù)雜的空間環(huán)境條件下都具有非常好的尺寸穩(wěn)定性，可以觀測(cè)到27等星。

圖5 美國(guó)的FOC相機(jī)Fig.5 American faint object camera

圖6 哈勃望遠(yuǎn)鏡碳纖維桁架式支撐結(jié)構(gòu)Fig.6 CFRP truss structure on Hubble space telescope

圖7 國(guó)際紫外線探測(cè)衛(wèi)星Fig.7 International UV explorer satellite

美國(guó)哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的主支撐結(jié)構(gòu)采用了CFRP制成的精密桁架結(jié)構(gòu)（如圖6所示）。采用桁架設(shè)計(jì)是為了使主鏡和次鏡能夠達(dá)到間隔漂移3 μm，偏心10 μm，傾斜2＂的對(duì)準(zhǔn)精度［17］。該桁架結(jié)構(gòu)由3個(gè)直徑為2.4 m、橫截面為“工”字形的支撐環(huán)和48根2.13 m長(zhǎng)的支撐桿構(gòu)成，這些構(gòu)件都有嚴(yán)格的線膨脹系數(shù)要求，48根支撐桿的線膨脹系數(shù)為0.025±0.035×10-6/F，3個(gè)支撐環(huán)的線膨脹系數(shù)為0.25±0.15×10-6/F。每根支撐桿的結(jié)構(gòu)都是由兩種碳纖維組成的多層復(fù)合材料，T50纖維（2層）平行于支撐桿的縱軸放置，而T300纖維（1層）與該軸呈±59°放置。3個(gè)支撐環(huán)設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由3層T300/934纖維組成，每一層厚0.33 mm。支撐環(huán)的蓋是多層復(fù)合材料，由2層0°鋪層的T50纖維和1層±40°鋪層的T300纖維構(gòu)成。通過(guò)分析和測(cè)試證明，該CFRP桁架結(jié)構(gòu)可以達(dá)到工作環(huán)境下高穩(wěn)定性的要求。

在“國(guó)際紫外線探測(cè)衛(wèi)星”（如圖7所示）上，為了保證衛(wèi)星的探測(cè)效果，經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算，要求衛(wèi)星本體的軸向膨脹＜2 μm。常用的一些金屬材料不能達(dá)到這個(gè)指標(biāo)要求，因此，通過(guò)鋪層設(shè)計(jì)采用了16根由碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制成的桁架結(jié)構(gòu)來(lái)支撐光學(xué)元件，不受空間溫度變化的影響。

4.4 在空間光學(xué)鏡體上的應(yīng)用

為了滿足空間光學(xué)遙感器中光學(xué)系統(tǒng)的高分辨率、小體積、輕質(zhì)量的要求，CFRP不僅大量應(yīng)用在精密支撐構(gòu)件上，而且正在向精度和穩(wěn)定性很高的空間光學(xué)鏡體上發(fā)展。

美國(guó)復(fù)合材料光學(xué)制造公司（Composite Optics，Inc.，cot）從20世紀(jì)80年代開(kāi)始研究發(fā)展CFRP鏡面成型技術(shù)［18］。1995～1996年間，研制出了5種小型的鏡面，有平面型和球面型的，制造精度在1～2 μm RMS之間［19］。

20世紀(jì)80年代，歐洲空間局開(kāi)展了XMM研究，采用了高模量碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料制造鏡面，并獲得了初期成功［20］。20世紀(jì)90年代后期，為了降低空間天文望遠(yuǎn)鏡的質(zhì)量，提高望遠(yuǎn)鏡的動(dòng)力學(xué)特性，NASA戈達(dá)德宇航中心采用M55J/EX1515碳/氰酸酯復(fù)合材料，應(yīng)用離子束拋光等技術(shù)獲得了φ 420 mm、表面粗糙度＜1 nm、面密度＜2 000 g/m2的鏡面［21～23］，對(duì)空間天文望遠(yuǎn)鏡有極為重要的意義。

目前，采用CFRP所制造的鏡面精度已能達(dá)到紅外的精度，具有可見(jiàn)光精度的光學(xué)鏡體還沒(méi)有研制出來(lái)，相信隨著未來(lái)碳纖維和樹(shù)脂基體的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，采用特殊的光學(xué)加工技術(shù)，大口徑、高精度的可見(jiàn)光甚至是紫外的空間光學(xué)鏡體會(huì)研制成功，并且應(yīng)用于空間光學(xué)遙感器中。

5 CFRP在國(guó)內(nèi)航天領(lǐng)域的應(yīng)用

我國(guó)在航天領(lǐng)域?qū)FRP結(jié)構(gòu)的研究始于70年代，自從1984年我國(guó)東方紅1號(hào)衛(wèi)星上首次使用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料以后，CFRP在我國(guó)衛(wèi)星的結(jié)構(gòu)件、大型運(yùn)載火箭以及空間相機(jī)上獲得了廣泛的應(yīng)用。

5.1 在國(guó)產(chǎn)衛(wèi)星上的應(yīng)用

目前，在我國(guó)自行研制的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中，大量采用CFRP結(jié)構(gòu)。因?yàn)樾l(wèi)星結(jié)構(gòu)純屬有效載荷，減重的經(jīng)濟(jì)效益很大，又因其空間環(huán)境惡劣，要求衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的尺寸和性能穩(wěn)定、變形一致，所以在衛(wèi)星的主體骨架結(jié)構(gòu)、外殼結(jié)構(gòu)、太陽(yáng)能電池板組件、桁架結(jié)構(gòu)、天線結(jié)構(gòu)、儀器安裝板和支架結(jié)構(gòu)等都在不斷擴(kuò)大使用CFRP。CFRP在國(guó)內(nèi)衛(wèi)星的應(yīng)用情況見(jiàn)表3。

表3 國(guó)內(nèi)衛(wèi)星應(yīng)用CFRP的結(jié)構(gòu)件Tab.3 Application of CFRP to satellite at home

5.2 在大型運(yùn)載火箭上的應(yīng)用

近10多年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)在多種型號(hào)的大型運(yùn)載火箭，特別是上面級(jí)結(jié)構(gòu)中廣泛采用CFRP，有效地減輕了上面級(jí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，對(duì)提高運(yùn)載火箭發(fā)射有效載荷的能力具有十分明顯的效果。CFRP在大型運(yùn)載火箭的應(yīng)用大致經(jīng)歷了由70年代的簡(jiǎn)單零部件，次承力件轉(zhuǎn)化到80年代以來(lái)大型部段復(fù)雜結(jié)構(gòu)，主承力結(jié)構(gòu)件。CFRP在運(yùn)載火箭中的具體應(yīng)用實(shí)例見(jiàn)表4。

表4 CFRP在我國(guó)運(yùn)載火箭上的應(yīng)用Tab.4 Application of CFRP to carrier rocket at home

5.3 在空間相機(jī)結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用

圖8 空間相機(jī)遮光罩Fig.8 Lens hood of space camera

圖9 空間相機(jī)支架Fig.9 Bracket of space camera

CFRP應(yīng)用在我國(guó)自行研制的空間相機(jī)上始于20世紀(jì)末21世紀(jì)初，最初只是應(yīng)用在對(duì)強(qiáng)度要求較高的結(jié)構(gòu)件中，如空間相機(jī)遮光罩（如圖8所示）、光闌板、空間相機(jī)支架（如圖9所示）等，所用的 CFRP的型號(hào)為 T300或 T700?；贑FRP的可設(shè)計(jì)性，自 2003年以來(lái)，高模量的CFRP逐步應(yīng)用于空間相機(jī)的精密支撐結(jié)構(gòu)件中，尤其是在對(duì)剛度要求較高、線膨脹系數(shù)要求極為嚴(yán)格的連接在光學(xué)元件之間的精密支撐結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，且有逐步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。如在某空間相機(jī)中連接在各光學(xué)元件之間的“零”膨脹系數(shù)支撐桿（如圖10所示），所用的CFRP型號(hào)為M40JB。我國(guó)在近年發(fā)射的某衛(wèi)星中搭載的高分辨率空間相機(jī)，構(gòu)成該相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的主鏡、次鏡、第三反射鏡及折疊鏡都安置在由 M40JB CFRP制成的相機(jī)框架（如圖11所示）上，該相機(jī)框架具有較高的尺寸穩(wěn)定性，能夠保證相機(jī)在軌獲得清晰的圖像，這是我國(guó)首次在航天領(lǐng)域使用CFRP作為高精度光學(xué)元件的精密支撐結(jié)構(gòu)件并獲得成功。

圖10 “零”膨脹系數(shù)支撐桿Fig.10 Pole with“0”thermal expansion coefficient

圖11 空間相機(jī)精密框架Fig.11 Precision frame of space camera

5.4 在空間光學(xué)鏡體上的研究進(jìn)展

文獻(xiàn)［20］指出，2001年，天文光學(xué)技術(shù)研究所正與南京航空航天大學(xué)協(xié)作，共同開(kāi)展CFRP用于光學(xué)鏡面的課題研究，預(yù)計(jì)不遠(yuǎn)的將來(lái)可以研制出用CFRP制成的光學(xué)鏡面。

6 CFRP的濕熱效應(yīng)

CFRP在大氣中存儲(chǔ)和使用時(shí)，水分與溫度的作用會(huì)使CFRP的力學(xué)性能明顯下降。CFRP的基體是樹(shù)脂，樹(shù)脂吸濕后會(huì)引起體積膨脹，不僅會(huì)產(chǎn)生濕熱變形與應(yīng)力，同時(shí)還會(huì)降低材料本身的剛度和強(qiáng)度［24］。吸濕后的 CFRP在真空中一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生放氣現(xiàn)象，引起材料本身尺寸和質(zhì)量的變化。

為了驗(yàn)證CFRP在濕熱條件下的尺寸穩(wěn)定性，作者對(duì)由M40JB碳纖維/環(huán)氧體系制成的某空間相機(jī)主次鏡間精密支撐連接筒做了嚴(yán)酷的濕熱試驗(yàn)。為了更加全面地了解CFRP連接筒對(duì)濕熱環(huán)境的適應(yīng)性，將濕熱試驗(yàn)分為兩個(gè)階段，即按地面機(jī)載電子設(shè)備的濕熱條件和按航天設(shè)備的濕熱條件分別進(jìn)行，先按照地面、機(jī)載電子設(shè)備的試驗(yàn)條件進(jìn)行5個(gè)循環(huán)的濕熱試驗(yàn)（1個(gè)循環(huán)為24 h），然后按照航天設(shè)備的濕熱條件進(jìn)行10個(gè)循環(huán)的濕熱試驗(yàn)（1個(gè)循環(huán)為12 h）。圖12為CFRP連接筒在濕熱箱中準(zhǔn)備做試驗(yàn)的照片。

圖12 CFRP連接筒濕熱試驗(yàn)Fig.12 Moist heat experiment of CFRP connecting cylinder

濕熱試驗(yàn)后采用光學(xué)測(cè)量方法來(lái)測(cè)量連接筒兩個(gè)端面的相對(duì)角度變化量。經(jīng)過(guò)光學(xué)測(cè)試，濕熱試驗(yàn)后連接筒兩個(gè)端面的角度變化量為18＂，超出了要求的10″的精度。通過(guò)嚴(yán)酷的濕熱試驗(yàn)，證明了CFRP對(duì)濕熱有較大的敏感性。

1984年4月，NASA提供的長(zhǎng)期暴露試驗(yàn)裝置在近地軌道環(huán)境下暴露了5年零9個(gè)月。對(duì)搭載的CFRP試樣空間暴露后的力學(xué)性能分析表明，斷裂韌性明顯下降，對(duì)彈性模量的影響也很大，拉伸、彎曲和層剪強(qiáng)度都有不同程度的降低。表面分析表明，近地軌道暴露使環(huán)氧樹(shù)脂基體和碳增強(qiáng)纖維發(fā)生了侵蝕?？臻g暴露后試樣發(fā)生了明顯的質(zhì)量損失，同時(shí)有析氣現(xiàn)象發(fā)生，使試樣的尺寸發(fā)生了很大變化［25～29］。

目前，國(guó)內(nèi)外許多業(yè)內(nèi)人士對(duì)CFRP的濕熱效應(yīng)做了大量深入的研究，一些對(duì)濕熱不敏感的樹(shù)脂基體相繼涌現(xiàn)，使CFRP對(duì)空間復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)性逐步增強(qiáng)，質(zhì)量損失和尺寸變化越來(lái)越小，為CFRP更加廣泛地應(yīng)用于高精密的航天儀器提供了有力保障。

7 建設(shè)性措施

（1）目前，我國(guó)國(guó)產(chǎn)的CFRP的性能、質(zhì)量、價(jià)格以及供貨能力等方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)防、航空航天以及民用領(lǐng)域的需求［30～31］，尤其在航天領(lǐng)域大多使用國(guó)外進(jìn)口的高性能纖維。為了改變我國(guó)在高性能CFRP方面長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的局面，應(yīng)該重點(diǎn)研制出滿足空間領(lǐng)域條件特殊需要的碳纖維。

（2）在研究CFRP力學(xué)性能的同時(shí)，對(duì)CFRP的濕熱效應(yīng)做進(jìn)一步的研究，使?jié)駸嵝?yīng)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能影響降到最小。加強(qiáng)長(zhǎng)時(shí)間空間環(huán)境對(duì)CFRP性能影響的研究工作。

（3）注意國(guó)外新發(fā)展的CFRP的新內(nèi)容、新技術(shù)和新理論。選擇一些有條件、有基礎(chǔ)的單位，深入地進(jìn)行研究。

（4）加強(qiáng)有關(guān)復(fù)合材料的教育工作，培養(yǎng)高水平人才，注意拓寬他們的學(xué)術(shù)知識(shí)面，因?yàn)閺?fù)合材料的學(xué)術(shù)內(nèi)涵是綜合性和多學(xué)科性的。

8 結(jié)束語(yǔ)

CFRP作為先進(jìn)復(fù)合材料的首選已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域，而且需求不斷增長(zhǎng)，發(fā)展前景看好。CFRP應(yīng)用的多少已成為衡量一個(gè)國(guó)家在航天領(lǐng)域發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，碳纖維的產(chǎn)量將不斷增大，質(zhì)量逐漸提高，生產(chǎn)成本穩(wěn)步下降，各種性能優(yōu)異的CFRP將會(huì)越來(lái)越多地出現(xiàn)在航天領(lǐng)域中。航天遙感儀器的先進(jìn)性標(biāo)志之一是結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性，CFRP是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。我國(guó)在航天領(lǐng)域?qū)FRP的需求會(huì)不斷增大，卻面臨著國(guó)外技術(shù)的封鎖和我國(guó)技術(shù)儲(chǔ)備的不足。因此，必須堅(jiān)持自主創(chuàng)新，在碳纖維復(fù)合材料的制造、設(shè)計(jì)、性能測(cè)試等方面有新的突破，為我國(guó)空間事業(yè)的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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Application of carbon fiber composites to cosmonautic fields

LI Wei，GUO Quan-feng

（Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033，China）

Applications and development of Carbon Fiber Composites（CFRPs）are overviewed in this paper.Firstly，the classification and mechanical properties of carbon fibers are described，and the characteristics of CFRPs are discussed.Then，the applications of CFRPs to cosmonautic fields at home and abroad are introduced，especially in satellite structures，carrier rockets，precision components and space mirrors.By taking some experiments for examples，it points out that the hydrothermal effect is main problem for CFRPs.Finally，some constructive ideas are put forward based on national conditions in the course of CFRP development.

carbon fiber composite materials；space camera；hydrothermal effect

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.60507003）

V447；V25

A

1674-2915（2011）03-0201-12

2011-01-26；

2011-03-25

李 威（1970—），男，吉林長(zhǎng)春人，博士，研究員，主要從事空間光學(xué)遙感器的總體設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析等方

面的研究。E-mail：leew2006@ciomp.ac.cn

郭權(quán)鋒（1979—），男，河南禹州人，博士研究生，助理研究員，主要從事空間相機(jī)光機(jī)結(jié)構(gòu)方面的研究。

E-mail：viking2000@sohu.com