白 剛 肖 偉 高 鋒 張 劍 張 正

（1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094）

（2 國家納米科學(xué)中心，北京 100190）

（3 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076）

文 摘 分析了深空航天器面臨的復(fù)雜空間環(huán)境以及對航天用功能型復(fù)合材料的需求，系統(tǒng)綜述了耐高低溫、抗宇宙射線、電磁屏蔽等深空探測環(huán)境用功能型復(fù)合材料的研究進(jìn)展，最后，展望了功能型復(fù)合材料在深空探測領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用。

0 引言

近年來，我國航天事業(yè)發(fā)展迅速，北斗導(dǎo)航系統(tǒng)、神舟系列飛船、天宮實(shí)驗(yàn)室陸續(xù)成功服役。多型號航天器的發(fā)展推動了航天科研工作者對近地球太空環(huán)境的更深層次認(rèn)識，惡劣的太空環(huán)境對設(shè)備的可靠性提出了苛刻的要求，而設(shè)備的可靠性很大程度上依賴于材料的長期服役性能。在此期間，國內(nèi)科研工作者在高性能碳纖維復(fù)合材料、高性能金屬材料、耐空間環(huán)境涂層等諸多材料領(lǐng)域取得了長足的進(jìn)步，有力地保障了我國航天器對各種近地太空環(huán)境的需求。但是隨著國家“深空探測”戰(zhàn)略的實(shí)施，月球、火星、小行星將是未來航天科研工作者的主戰(zhàn)場［1-3］。

“一代材料，一代裝備”，深空探測將面臨更為復(fù)雜、嚴(yán)酷的太空環(huán)境，不同探測任務(wù)會面臨完全不同的空間環(huán)境。為此，需要針對特定深空探測任務(wù)，探測并分析任務(wù)所面臨的空間環(huán)境條件，以提高航天器可靠性為原則，逐條分解并歸納出各種材料在特殊太空環(huán)境下的性能需求，從需求端為科研工作者提供材料研發(fā)方向。苛刻的空間環(huán)境是造成航天器異常的主要原因之一，是未來深空探測工程應(yīng)用關(guān)注的重點(diǎn)，高能射線輻照、極端高低溫交變、復(fù)雜電磁環(huán)境等空間環(huán)境會導(dǎo)致航天器主體材料發(fā)生微觀物理化學(xué)變化，并引發(fā)航天器結(jié)構(gòu)損傷，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，影響航天器的功能甚至壽命［4］。根據(jù)需求不同，未來深空探測可以分為短期探測和長期運(yùn)行基地兩種，需要研究材料在極端高溫或低溫、高強(qiáng)度宇宙射線輻射等惡劣環(huán)境的結(jié)構(gòu)和性能演變，并依此對材料的使用壽命進(jìn)行評估。

碳纖維復(fù)合材料因其“輕質(zhì)高強(qiáng)”的特性使其在“輕量化”要求嚴(yán)苛的航天器中大量使用。在深空探測中，高低溫交變環(huán)境會引起碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件樹脂基體內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件尺寸發(fā)生變化甚至分層，而宇宙射線、太陽電磁輻射、高能粒子、等離子體、原子氧會導(dǎo)致復(fù)合材料樹脂基體侵蝕、老化，最終影響復(fù)合材料整體結(jié)構(gòu)的性能和服役壽命，而釋放的小分子會附著在航天器電子設(shè)備上，嚴(yán)重影響星載設(shè)備的功能和性能［5-10］。

為了滿足深空探測器在高低溫交變、宇宙射線、電磁輻射等空間環(huán)境的使用要求，具有特定功能的復(fù)合材料成為航天材料研究領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)，本文將對特定空間環(huán)境條件下功能型復(fù)合材性能需求以及研究進(jìn)展進(jìn)行分析和歸納總結(jié)。

1 耐高、低溫環(huán)境復(fù)合材料研究進(jìn)展

高低溫是深空探測器面臨的共性問題，與衛(wèi)星和載人飛船相比，深空探測器面臨的溫度環(huán)境更為苛刻。通常深空環(huán)境下的溫度為-270.3 ℃，表面陽光直射時月球表面溫度高達(dá)127 ℃，而夜晚溫度可以降低至-183 ℃，溫度變化超過300 ℃?；鹦潜砻鏈囟认鄬睾?，白天溫度可達(dá)20 ℃，而夜晚溫度可以降低至-150℃，溫差有時會接近約200 ℃。金星大氣層中約96%是CO2，溫室效應(yīng)明顯，平均表面溫度高達(dá)462 ℃［11］。探測器需要滿足深空環(huán)境溫度的同時，可能還需要滿足瞬時的溫度環(huán)境，例如探測器降落過程中，可能面臨200～1 000 ℃的高溫環(huán)境。碳纖維復(fù)合材料的主要應(yīng)用一般溫度為-253～350℃。

1.1 耐高溫復(fù)合材料研究進(jìn)展

深空探測器耐高溫可以分為兩個類型：一是短期耐高溫材料；二是長期服役耐高溫材料。

以“祝融號”火星探測器（圖1）為例，在高速下降階段，飛行器的速度高達(dá)2×104km∕h，保護(hù)探測器的隔熱罩溫度最高可以達(dá)到1 500 ℃。雖然有隔熱罩保護(hù)，探測器也可能需要具備200～250℃的耐高溫能力。而到達(dá)火星表面時，由于火星表面溫度相對溫和，對碳纖維復(fù)合材料沒有耐高溫的要求。復(fù)合材料中纖維承受高溫能力較強(qiáng)，其耐高溫性能主要受制于樹脂基體，在深空探測領(lǐng)域使用的耐高溫樹脂主要有氰酸酯（Cyanate resin）、雙馬來酰亞胺樹脂（Bismaleimide）、聚酰亞胺樹脂（Polyimide）以及鄰苯二甲腈樹脂（Phthalonitrileresin）。

圖1 火星巡視器著陸狀態(tài)及“祝融號”火星車Fig.1 Landing status of Mars patrol and"Zhurong"rover

1.1.1 氰酸酯

氰酸酯單體是一種酚衍生物，由雙酚或多酚與氫氰酸反應(yīng)而成，含有兩個及以上的氰酸酯官能團(tuán)（—OCN），因其官能團(tuán)中的氧原子和氮原子具有較高的電負(fù)性，在受熱和有催化劑存在的情況下，通過環(huán)化反應(yīng)形成三嗪環(huán)結(jié)構(gòu)，由于其結(jié)構(gòu)具有高度的對稱性，可以阻止其分子結(jié)構(gòu)基團(tuán)旋轉(zhuǎn)，使得氰酸酯固化后具有高的玻璃化溫度（Tg）［12-14］。雙酚A 型氰酸酯的Tg高達(dá)300 ℃，而具有酚醛分子結(jié)構(gòu)的酚醛型氰酸酯的Tg更是高達(dá)350℃以上，在航天航空耐高溫領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力，例如，瑞士的Lonza 公司使用酚醛型氰酸酯開發(fā)出用于第四代戰(zhàn)斗機(jī)F35 的透波雷達(dá)整流罩系統(tǒng)［15］。三菱化學(xué)宣布推出以氰酸酯樹脂為基體的碳纖維預(yù)浸料新品，兼具出色的高強(qiáng)度和耐熱性。三菱化學(xué)利用自身積累的技術(shù)優(yōu)勢，通過將原材料技術(shù)與催化劑技術(shù)相結(jié)合，創(chuàng)造性地開發(fā)出一款氰酸酯樹脂并制備成碳纖維預(yù)浸料。該產(chǎn)品不僅具備碳纖維的韌性和強(qiáng)度，并且能耐受250℃的高溫。三菱化學(xué)希望將其應(yīng)用范圍從汽車行業(yè)擴(kuò)展到航空航天等領(lǐng)域［16］。

1.1.2 雙馬來酰亞胺

雙馬來酰亞胺是以馬來酰亞胺為活性端基的雙官團(tuán)化合物，是聚酰亞胺樹脂體系派生出來的一類熱固性樹脂，被美國NASA 譽(yù)為“綜合性能最優(yōu)異的熱固性基體樹脂”［17-19］。根據(jù)分子結(jié)構(gòu)不同，雙馬來酰亞胺的Tg為200～400 ℃，在航空工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。美國F22 戰(zhàn)斗機(jī)大量使用型號為5250-4 雙馬來酰亞胺樹脂，通過自動鋪絲工藝制備了平尾樞軸結(jié)構(gòu)，通過蜂窩夾層復(fù)合工藝制備了機(jī)翼操作面。5250-4 樹脂的使用溫度為-59～204 ℃，最高連續(xù)使用溫度204 ℃，短期使用溫度可達(dá)232 ℃［20］。我國研制的5405、803、QY 系列等牌號BMI 樹脂也已大量應(yīng)用于多種型號的軍機(jī)、民機(jī)及航天器用耐高溫復(fù)合材料構(gòu)件中。

1.1.3 聚酰亞胺樹脂

氰酸酯和雙馬來酰亞胺樹脂不能滿足300 ℃以上的高溫需求，熱固性聚酰亞胺是分子主鏈上帶有酰亞胺基團(tuán)的雙官能團(tuán)低分子量單體或預(yù)聚物或它們的混合物，制得的復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐熱性能和較高的力學(xué)性能，最高使用溫度超過300 ℃［21-23］。美國PMR-15 長期使用溫度高達(dá)310～320 ℃，其復(fù)合材料結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于耐高溫結(jié)構(gòu)和次級結(jié)構(gòu)，廣泛用于飛機(jī)發(fā)動機(jī)和導(dǎo)彈的整流罩等耐高溫構(gòu)件［24］。為了滿足更高等級耐高溫的需求，美國NASA等相關(guān)單位又陸續(xù)開發(fā)出多種新型聚酰亞胺樹脂，如PMR-Ⅱ-50、AFR-700 等。PMR-Ⅱ-50 和AFR-700 在371 ℃下具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，其中AFR-700B 樹脂基復(fù)合材料已應(yīng)用于F-22 發(fā)動機(jī)上，以代替鈦合金作壓氣機(jī)的靜子結(jié)構(gòu)和機(jī)身導(dǎo)管［25-26］。隨后，又開發(fā)出Tg超過350℃的乙炔基端封的聚酰亞胺和苯乙炔端封的聚酰亞胺，美國San Diego 復(fù)合材料公司目前以此樹脂為基體制備碳纖維復(fù)合材料并生產(chǎn)新型導(dǎo)彈的全尺寸彈脊［27］。

1.1.4 鄰苯二甲腈樹脂

鄰苯二甲腈樹脂是以鄰苯二甲腈封端并作為交聯(lián)基團(tuán)的耐高溫有機(jī)樹脂，其由于分子含有強(qiáng)極性基團(tuán)-CN，在經(jīng)過375 ℃甚至更高的溫度固化后，形成苯基均三嗪環(huán)和酞菁等芳雜環(huán)結(jié)構(gòu)，使其Tg高達(dá)500 ℃，賦予了材料具有優(yōu)異的耐熱性和熱穩(wěn)定性［28-29］。鄰苯二甲腈樹脂的力學(xué)性能可與聚酰亞胺媲美，且具有更高的斷裂韌度和拉伸強(qiáng)度。此外，鄰苯二甲腈樹脂具有優(yōu)異的阻燃性能，是目前唯一可以達(dá)到美國海軍易燃標(biāo)準(zhǔn)（MIL-STD-2031）的熱固性聚合物［30-31］。

目前，美國的Maverick 公司已經(jīng)向市場推出了商業(yè)化的鄰苯二甲腈樹脂產(chǎn)品，被命名為MVK-3。中國科學(xué)院化學(xué)研究所趙彤等［32］開發(fā)了多種分子結(jié)構(gòu)的鄰苯二甲腈樹脂，其中APN10 樹脂制備的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能保持率較高，熱氧穩(wěn)定性優(yōu)異。400 ℃的保持率超過60%，450℃的保持率超過50%。

1.2 耐低溫復(fù)合材料研究進(jìn)展

深空探測器在空間飛行和近地行星服役期間，均會面臨極端低溫環(huán)境的考驗(yàn)。例如：木星、火星的地表溫度最低可達(dá)-140 ℃，天王星、冥王星、海王星的地表溫度均低于-210 ℃。復(fù)合材料作為深空探測器結(jié)構(gòu)使用時，必須考慮其低溫環(huán)境下的長期服役性能。就航天器而言，復(fù)合材料一般用于制造液氫、液氧低溫容器以及深空探測器的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件。

輕質(zhì)高強(qiáng)的碳纖維復(fù)合材料低溫推進(jìn)劑貯箱是未來航天器貯箱的發(fā)展方向，其“輕量化”水平直接決定了運(yùn)載火箭的推重比、性價比等服役性能。推進(jìn)分系統(tǒng)占箭體結(jié)構(gòu)總重的50%以上，因此，設(shè)計(jì)輕量化的貯箱是未來提高火箭載荷比的關(guān)鍵技術(shù)之一［33-35］。然而，作為低溫推進(jìn)劑貯箱的結(jié)構(gòu)材料，碳纖維復(fù)合材料必須具備耐超低溫環(huán)境的能力，例如，液氧的溫度為-183 ℃，液氫的溫度為-253 ℃。在極端低溫環(huán)境中，高分子處于玻璃態(tài)，分子鏈段運(yùn)動受限，抗沖擊性能降低，導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)生微裂紋并持續(xù)擴(kuò)展而失效。為了提高復(fù)合材料的極端低溫耐受性，一般需要對樹脂基體進(jìn)行改性：（1）設(shè)計(jì)具有柔性鏈段的熱固性樹脂體系，增加其在極端低溫環(huán)境下分子鏈的轉(zhuǎn)動能力；（2）通過摻雜碳納米管、石墨烯、納米無機(jī)顆粒、納米橡膠等納米材料，提高樹脂性能的同時，利用其尺寸小可以改變裂紋擴(kuò)展方向的作用，提高復(fù)合材料的極端低溫耐受性［36-38］。

目前，低溫貯箱已經(jīng)廣泛使用碳纖維復(fù)合材料制備。美國的Delta 系列航天飛行器制造公司（MDA）早在1987年就開始對耐低溫碳纖維復(fù)合材料貯箱進(jìn)行研究，他們針對氫分子滲透和耐低溫復(fù)合材料力學(xué)性能等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，并于20世紀(jì)90年代試制成功復(fù)合材料液氫貯箱［39］。隨著納米科技的興起，納米二維材料被用于提高樹脂基體的氣體阻隔性能，NASA 的Glenn 研究中心通過納米層狀材料改性環(huán)氧樹脂，使其在熱脹系數(shù)降低了30%的同時韌度提高了100%，用此樹脂制備的復(fù)合材料貯箱氦滲漏率降低了5 倍［40］。2016年美國Space X 公司成功研制出火星運(yùn)輸飛船用碳纖維燃料貯箱，該貯箱直徑12 m，是迄今為止最大的低溫燃料貯箱［圖2（a）］［41］。2021年1月22日，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院成功首制了直徑為3.35 m 的低溫液氧貯箱［圖2（b）］，與金屬貯箱相比，該貯箱在減重30%的同時還具有更優(yōu)的強(qiáng)度［42］。

圖2 低溫儲箱Fig.2 Cryogenic tank

1.3 高低溫交變環(huán)境對復(fù)合材料的影響

深空探測器在月球、火星表面服役期間，要經(jīng)受白晝和黑夜溫度差為200～300 ℃的溫度交變環(huán)境。碳纖維復(fù)合材料中的碳纖維和樹脂之間的熱膨脹系數(shù)差別巨大，在長期的高低溫交變服役環(huán)境中，熱應(yīng)力和熱膨脹系數(shù)的不匹配會導(dǎo)致纖維與樹脂之間界面破壞，進(jìn)而產(chǎn)生微裂紋導(dǎo)致復(fù)合材料產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性失效。譚偉等［43］研究了高低溫老化對碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層間力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料失效問題主要是纖維∕基體界面開裂引起的，纖維發(fā)生斷裂并且斷面比較光滑，說明老化使纖維絲與基體的界面結(jié)合力顯著下降。SHIN 等［44］研究了-70～100 ℃熱循環(huán)對碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加，碳纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度和模量呈指數(shù)趨勢衰減。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的GAO 等［45］人研究了熱循環(huán)（-180～140 ℃）對M40J∕AG-80 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明其彎曲強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。

為了提高極端高、低溫交變環(huán)境下復(fù)合材料的長期服役性能，采用與低溫碳纖維復(fù)合材料類似的方法，即通過提高樹脂基體分子鏈的柔韌性、減小樹脂與碳纖維的熱膨脹系數(shù)差異、摻雜納米材料降低樹脂基體的微裂紋擴(kuò)展等技術(shù)手段［46-48］。

2 宇宙射線及電磁屏蔽防護(hù)復(fù)合材料研究進(jìn)展

深空探測航天器需要長時間在星際空間飛行，如火星探測器飛行時間長達(dá)300 d 以上。除了高低溫環(huán)境外，高強(qiáng)度宇宙射線輻射也同樣嚴(yán)重威脅著深空探測器以及碳纖維復(fù)合材料的可靠性與安全性［49-53］。

2.1 宇宙射線防護(hù)復(fù)合材料研究進(jìn)展

在銀河系內(nèi)部，存在高能量的宇宙射線，這些射線由87%的質(zhì)子、12%的氦氣以及1%的重核（電荷范圍為3 到28）組成。當(dāng)質(zhì)子高速作用于航天器材料時，通過一系列碰撞將材料本體原子的電子撞出產(chǎn)生電子散射，質(zhì)子損失能量并造成材料電離［54］。研究表明，質(zhì)子與屏蔽材料相互作用過程中的能量損失隨著屏蔽材料的荷質(zhì)比的增大而增大，原子核中沒有中子的氫元素具有最高的荷質(zhì)比，是質(zhì)子輻射的最佳屏蔽元素。鑒于低原子序數(shù)材料具有良好的抗輻射防護(hù)效果，理論上不論固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的氫都是理想的質(zhì)子抗輻照防護(hù)物質(zhì)。具體到工程材料方面，一些聚合物由于其較高的氫含量也作為輻射屏蔽材料，聚乙烯的氫含量高達(dá)15%，具有優(yōu)異的質(zhì)子屏蔽能力，但是鑒于聚乙烯缺乏足夠的強(qiáng)度，無法用作結(jié)構(gòu)材料，超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPEF）是目前世界上比強(qiáng)度和比模量最高的纖維，其分子量在（1～5）×106，兼具優(yōu)異的輻射屏蔽性能和力學(xué)性能，常用于質(zhì)子防護(hù)材料使用［55-57］。

ZHONG 等［58］制備了UHMWPE∕納米改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，并使用1 GeV 的35Cl 離子、高量離子作為宇宙射線重離子輻射源進(jìn)行復(fù)合材料的射線防護(hù)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明UHMWPE∕納米改性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有很高的射線屏蔽效能。John D.DesJardins等［59］研究了質(zhì)子輻照對超高分子量聚乙烯纖維性能的影響。Hatsuo Ishida 研究了超高分子量聚乙烯∕聚苯并噁嗪富氫復(fù)合材料用于空間輻射防護(hù)（圖3），研究結(jié)果表明：高氫含量的3BOP-daC12的射線屏蔽性能可以與聚乙烯媲美，并優(yōu)于傳統(tǒng)的環(huán)氧樹脂（Cytec CYCOM 934）。制備的多功能UHMWPE纖維∕聚（3BOP-daC12）復(fù)合材料兼具優(yōu)異的力學(xué)性能和輻射屏蔽性能。美國宇航局將UHMWPE 纖維∕聚（3BOP-daC12）復(fù)合材料的樣品作為材料的一部分送往國際空間站實(shí)驗(yàn)12（MISSE-12）進(jìn)行在軌試驗(yàn)，MISSE-12 于2019年秋季開始，持續(xù)1年。Hatsuo Ishida 在另一篇文章的研究結(jié)果表明，與鋁相比UHMWPE∕聚（3BOP-daC12）復(fù)合材料比強(qiáng)度提高325%，預(yù)計(jì)等效輻射劑量減少31%。奧爾塔里斯輻射模擬也證明了UHMWPE∕Poly（3BOP-daC12）的屏蔽性能接近純聚乙烯，估計(jì)在一個區(qū)域內(nèi)的差異小于3%密度為15 g∕cm3［60-61］。

圖3 超高分子量聚乙烯∕聚苯并噁嗪富氫復(fù)合材料Fig.3 UHMWPE∕Hydrogen-rich benzoxazine resins composite

2.2 中子防護(hù)復(fù)合材料研究進(jìn)展

在深空探測過程中，深空探測器可能會遭受空間初級中子以及高能射線與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的次級中子的輻照損傷?？臻g中子主要來自太陽和宇宙輻射中存在的中子，但是由于中子的半衰期較短，僅有10.80 min，為此太陽系內(nèi)的中子主要為太陽輻射產(chǎn)生。次級中子主要是由高能重離子與艙體被動屏蔽材料發(fā)生復(fù)雜相互作用而產(chǎn)生的。中子與航天器器件材料相互作用可能誘發(fā)位移、損傷效應(yīng)、單粒子效應(yīng)，會導(dǎo)致材料性能退化或器件損傷，并嚴(yán)重威脅航天員的身體健康。為此，深空探測器的中子屏蔽也是必須考慮的關(guān)鍵問題［62-63］。

目前所使用的中子屏蔽材料主要是由各種中子吸收劑填料與混凝土、金屬、高分子復(fù)合材料等，與地球上利用重金屬或鋼筋混凝土進(jìn)行中子防護(hù)相比，深空探測器對屏蔽材料的輕量化設(shè)計(jì)要求更高。而低密度的高分子及其復(fù)合材料在深空探測領(lǐng)域更具有優(yōu)勢。輕質(zhì)高強(qiáng)、高屏蔽性能的聚合物復(fù)合材料是深空探測的研究方向。在這方面，熱固性微納米復(fù)合材料被認(rèn)為是設(shè)計(jì)有效衰減中子輻射屏蔽的合適材料。TOYENA 等［64］通過球磨分散的方法制備了Sm2O3∕UHMWPE復(fù)合材料（圖4），研究結(jié)果表明其中子屏蔽性能隨著Sm2O3含量的增加而提高。KIM等［65］研究了多種納米材料（B4C、BN 等）對高密度聚乙烯中子屏蔽性能的影響，結(jié)果表明，與微米粉體材料相比，納米改性高密度聚乙烯具有更高的中子屏蔽性能。ADELI 等［66］通過B4C 改性雙酚A 環(huán)氧樹脂制備中子屏蔽材料，研究結(jié)果表明，B4C 的尺寸越小，在相同含量下，其中子的屏蔽性能越高。

圖4 Sm2O3∕UHMWPE復(fù)合材料電鏡照片F(xiàn)ig.4 SEM images of Sm2O3∕UHMWPE composites

2.3 原子氧防護(hù)材料研究進(jìn)展

低地球軌道大氣主要由原子氧和氮?dú)饨M成，原子氧具有極強(qiáng)的氧化性能，氧化性比分子氧強(qiáng)很多。原子氧的碰撞動能為5.3 eV，所產(chǎn)生的作用與4.8×104K 的高溫接近。這種強(qiáng)烈的高溫氧化和高速碰撞作用會對材料造成嚴(yán)重的侵蝕。航天器在低地球軌道環(huán)境中和原子氧相撞，表面材料會被原子氧的較高的平動能所氧化和侵蝕，造成材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)破壞，影響航天器的性能并最終造成航天器的使用壽命下降。因此，國內(nèi)外航天專家一致認(rèn)為在低地球軌道中，原子氧是造成航天器材料破壞的主要因素［67］。

研究表明，由于各種有害條件的共同作用，聚合物復(fù)合材料在低地球軌道環(huán)境中的降解速度加快。每種低地球軌道的危險(xiǎn)條件都會對表面產(chǎn)生不同的降解效果。XPS結(jié)果表明，處理后的樣品表面發(fā)生了斷鏈和氧化反應(yīng)。經(jīng)AO 處理的樣品表面生成更多的C—O 和cdo 雙鍵官能團(tuán)。ToF-SIMS 數(shù)據(jù)中C3H7NO+離子的相對離子濃度表明，在全條件下處理的樣品的氧化反應(yīng)是其他部分處理樣品的兩倍。XPS 結(jié)果表明，處理后樣品表面氧濃度最高，碳濃度最低。與其他處理樣品相比，真空下AO 處理樣品的斷鏈率和揮發(fā)物損失率最高。另外，在部分處理的樣品中，用AO 處理的樣品顯示出最高的氧化速率。掃描電鏡（SEM）結(jié)果表明，AO 處理后的樣品表面產(chǎn)生白色特征，表明了斷裂、氧化和交聯(lián)的綜合作用。在VTCUV 樣品表面發(fā)現(xiàn)的高對比度沉積物可能是由于冷卻過程中的冷凝和再沉積造成的。經(jīng)過16次熱循環(huán)后，VTC表面未出現(xiàn)微裂紋。

AWAJA 等［68］研究表明，在多種空間環(huán)境因素的共同作用下，復(fù)合材料在低地球軌道降解速度加快，材料表面產(chǎn)生了嚴(yán)重的斷鏈和放氣現(xiàn)象。趙小虎等［69］通過地面模擬試驗(yàn)研究了原子氧對碳纖維復(fù)合材料的剝蝕效應(yīng)，結(jié)果表明，原子氧對環(huán)氧樹脂基體具有較強(qiáng)的剝蝕作用，而對碳纖維影響不明顯。為了能夠有效降低原子氧侵蝕對航天器高聚物的影響，一般會在高聚物表面涂覆不與原子氧反應(yīng)的保護(hù)涂層，如SiO2和Al2O3等，或者通過改變材料表面的元素組成，采用表面硅烷化等措施，硅氧鍵在原子氧的侵蝕下不易斷裂，并且不會像傳統(tǒng)的含碳高聚物一樣與原子氧發(fā)生反應(yīng)，對基質(zhì)材料起到有效的防護(hù)作用。

碳纖維復(fù)合材料作為航天器的主要結(jié)構(gòu)材料，暴露在原子氧環(huán)境的時間越久，損傷越大。在軌運(yùn)行期間，原子氧能夠持續(xù)對樹脂基體剝蝕，降低復(fù)合材料的機(jī)械性能和熱性能。為了防止原子氧對樹脂基體的侵蝕，延緩碳纖維復(fù)合材料性能衰退，文獻(xiàn)［70-73］通過摻雜無機(jī)納米顆粒提高聚合物抗原子氧侵蝕的研究成果，用高含量POSS、納米SiO2等無機(jī)顆粒改性復(fù)合材料樹脂基體，在碳纖維復(fù)合材料遭受原子氧輻照時，納米材料在復(fù)合材料樹脂表面形成一層無機(jī)鈍化層，從而阻止原子氧對氰酸酯樹脂基體內(nèi)部的持續(xù)侵蝕，提高復(fù)合材料的在軌壽命。

2.4 深空紫外防護(hù)材料研究進(jìn)展

空間環(huán)境中的紫外線波長為1～400 nm，按照波長可以分為真空紫外（10～200 nm）和近紫外（200～400 nm）。雖然太陽紫外輻照能量在整體太陽總輻照量中所占比例很小，但是紫外光子能量很高，波長范圍為100～200 nm 的紫外輻照的能量約為628～1 256 kJ∕mol，其能量足以致使聚合物發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)合能較低的C—C、C—O、C—N 化學(xué)鍵斷裂，破壞高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而導(dǎo)致材料性能退化。就碳纖維復(fù)合材料而言，樹脂基體吸收紫外輻射能量后，會導(dǎo)致樹脂基體分子鏈斷裂，纖維與樹脂界面強(qiáng)度下降，表面形成微裂紋造成碳纖維復(fù)合材料表面開裂［74-75］。為了提高聚合物的抗紫外性能，國內(nèi)外一般通過摻雜氧化鈰、二氧化鈦等具有紫外屏蔽功能的納米材料提高聚合物的抗紫外性能［76-77］。

JIANG 等［78］通過在環(huán)氧樹脂摻雜納米TiO2顆粒提高材料的力學(xué)性能和抗真空紫外性能，結(jié)果表明加入納米TiO2后，碳纖維復(fù)合材料表面無明顯損壞，且其質(zhì)量損失率更低。饒續(xù)等［79］首先制備了改性埃洛石納米顆粒，之后將改性埃洛石納米顆粒用于提高復(fù)合材料耐紫外性能，結(jié)果表明PEI∕TiO2-HNT-1納米粒子具有優(yōu)異的紫外屏蔽性能，經(jīng)過長達(dá)500 h的輻照老化試驗(yàn)后，復(fù)合材料的彎曲性能無明顯變化。

2.5 電磁屏蔽復(fù)合材料研究進(jìn)展

為了降低空間環(huán)境以及探測器內(nèi)電子設(shè)備電磁輻射的干擾，電磁屏蔽材料被廣泛應(yīng)用于關(guān)鍵電子設(shè)備。近年來，隨著納米材料的發(fā)展，以碳納米、石墨烯為主的新型電磁屏蔽材料得到快速的發(fā)展。ZENG 等人設(shè)計(jì)并制備了各向異性的仿生蜂窩多孔狀復(fù)合材料，提出取向孔形貌對電磁屏蔽性能具有重要影響的新機(jī)理。作者通過在聚氨酯∕碳納米管復(fù)合材料中引入取向的蜂窩狀多孔結(jié)構(gòu)，證明當(dāng)電磁波傳播方向垂直于取向的蜂窩孔道時，多孔結(jié)構(gòu)能夠增加電磁波在孔道內(nèi)的多重反射和散射，大幅度提高材料的電磁屏蔽性能［80-81］。

ZENG等［82］結(jié)合電紡技術(shù)及化學(xué)鍍層技術(shù)，研發(fā)了一類金屬（銅、銀）包裹的高分子納米纖維微孔膜，該低密度復(fù)合材料厚度為2.5μm時在超寬頻率波段（約200 GHz）下屏蔽效能可高達(dá)50 dB，其面比屏蔽效能參數(shù)為目前最高值。在工程應(yīng)用方面，Nanocomp科技制造了基于碳納米管的片狀電磁屏蔽材料，用于保護(hù)木星探測器免于靜電放電。此種新型碳納米管布盡管在導(dǎo)電性和力學(xué)性能還存在一些缺陷，但是在某些輕量化應(yīng)用中具備取代銅以及其他傳統(tǒng)材料的潛力。美國宇航局（NASA）曾將碳納米管布用作“朱諾號”深空探測器的輻射保護(hù)罩中［83］。

Nanocomp 科技的碳納米管（CNT）材料在某些飛行系統(tǒng)姿態(tài)控制電機(jī)支柱和主要引擎室上形成表面層［圖5（a）］。與傳統(tǒng)的電磁屏蔽材料鋁箔需要與復(fù)合材料粘結(jié)不同，在復(fù)合材料制備時，Nanocomp薄膜可以直接附于表層，一體固化成型。德國HPS 公司設(shè)計(jì)的電磁屏蔽箱，在樹脂中添加碳納米管，主要應(yīng)用于Satellites，Space Platforms （Telecom，Earth Observation，Navigation），該產(chǎn)品提高了散熱電子元器件的熱控能力，預(yù)期替代目前用的鋁制電磁屏蔽盒［圖5（b）］［84］，另外該公司還開發(fā)了碳納米管改性環(huán)氧樹脂黏結(jié)劑以及金屬夾層碳纖維復(fù)合材料。

圖5 電磁屏蔽材料及結(jié)構(gòu)Fig.5 Electromagnetic shielding material and structure

2.6 智能復(fù)合材料在深空探測環(huán)境中的應(yīng)用

智能材料（Intelligent material）是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料，國內(nèi)外科研工作者在此領(lǐng)域也進(jìn)行了大量的研究。馬玉欽等［85］人對高導(dǎo)熱石墨烯-碳纖維混雜增強(qiáng)熱致形狀記憶復(fù)合材料研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢進(jìn)行了研究，指出了該熱致SMPC 未來有待深入研究的方向。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的冷勁松教授致力于形狀記憶聚合物及其復(fù)合材料，電致活性聚合物及其應(yīng)用方面的研究。

最近，其團(tuán)隊(duì)研制了中國國旗鎖緊展開機(jī)構(gòu)（圖6）、變結(jié)構(gòu)鎖定及多級伸展結(jié)構(gòu)和落火監(jiān)視相機(jī)轉(zhuǎn)動裝置共3 個產(chǎn)品，通過精細(xì)的力學(xué)理論分析、巧妙的智能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和多次反復(fù)迭代的極端環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了低溫、輻照等極端惡劣服役環(huán)境下，長時間鎖定、低沖擊可靠展開的關(guān)鍵技術(shù)難題。在國際上首次實(shí)現(xiàn)形狀記憶聚合物復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在深空探測工程中的應(yīng)用，標(biāo)志著我國在智能材料及其在航天器結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域處于國際前列［86］。

圖6 中國國旗鎖緊展開機(jī)構(gòu)釋放國旗展開Fig.6 Chinese flag lock and unfold mechanism to release the national flag unfold

3 結(jié)束語

在未來深空探測任務(wù)中，探測器會遭受高低溫、宇宙射線、電磁輻射等復(fù)雜空間環(huán)境，對作為探測器主體結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料提出了更高的要求，具有耐特定空間環(huán)境特性的功能型復(fù)合材料是未來發(fā)展方向。就航天器總體設(shè)計(jì)單位而言，針對任務(wù)需要，有針對性總結(jié)并歸納共性問題，有的放矢地開發(fā)適合特定服役環(huán)境的新型復(fù)合材料，形成系列化產(chǎn)品庫，再進(jìn)行特定深空探測任務(wù)時，通過對產(chǎn)品庫內(nèi)已有產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)或重組，滿足服役環(huán)境材料性能需求，是未來深空探測高性能復(fù)合材料的發(fā)展方向。