无处不在的碳纤维复合材料专题:航天领域

目前碳纤维复合材料已经广泛应用于航空航天、体育休闲、汽车工业、环境能源、土木工程等领域,其应用范围几乎是无处不在,为了便于更好了解碳纤维及其复合材料应用,本公众号特在专业讲堂板块创建无处不在的碳纤维复合材料专题。

本期主要介绍了碳纤维及其复合材料在航天领域的应用,并简述了其在运载火箭、卫星航天器等领域的典型应用。

1、碳纤维在航天领域应用背景

将运载卫星等的火箭或航天飞行器等发射到太空需要大量的能源和金钱,而且轻量化对于航天飞行器而言意义重大,据统计,航天飞行器的重量每减少1公斤,可使运载火箭减轻 500公斤。

此外,火箭和航天飞行器在高真空环境中暴露在强宇宙射线/紫外线下,而且必须在昼夜温度变化极大的环境中使用具有出色尺寸稳定性的材料。

碳纤维复合材料具有优异的比强度/比弹性模量,可以通过基于各向异性的最佳设计来减轻重量,而且它们的热膨胀系数仅为金属的十分之一,碳纤维复合材料在交变温度环境下尺寸非常稳定,因此,在几乎所有方面,碳纤维复合材料都是空间应用的最佳材料。

2、碳纤维在航天领域应用实例

目前,CFRP主要用于火箭的顶部卫星承载段、中间空间、固定火箭助推器壳体等,以及人造卫星的许多部件,例如船体框架、太阳能电池板、天线支架和臂架等。CFRP还可以为航天飞行器提供出色的耐热性,底部的黑色面板用于承受再次进入地球大气层时所承受的高热量。

目前航天器结构用碳纤维主要为PAN基碳纤维,而且以高强中模(T系列)、高强高模(MJ系列)为主,如火箭、导弹发动机大多采用高强中模碳纤维,导弹支架、支座或托架等结构采用了高强高模碳纤维。

2.1 碳纤维在运载火箭中的应用

在运载火箭领域,碳纤维复合材料可用于制造固体发动机壳体结构、箭体整流罩、仪器舱、级间段、发动机喷管喉衬、卫星支架、低温贮箱等部件。

碳纤维复合材料在运载火箭应用的典型代表为发动机壳体,而且发动机壳体所用的碳纤维大多为强度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高强中模碳纤维,如日本东丽T800、T1000和美国赫氏IM7等。

2.2 碳纤维在卫星航天器中的应用

在卫星航天器领域,通常会使用高模量碳纤维。按照前驱体种类,高模碳纤维可分为PAN基高模量碳纤维和沥青基高模量碳纤维,其中沥青基高模量碳纤维主要特点导热性能优异,但纤维强度往往较低,而PAN基高模量碳纤维可具有平衡的高强度、高模量。

以卫星结构应用为例,沥青基高模量碳纤维主要用于散热片结构,部分用于卫星精密结构。相比之下,PAN基高模量碳纤维应用领域更广泛,可用于反射器和天线、太阳能电池板、吊杆和桁架,以及部分精密结构,如下图所示。

在一些对超高模量特性需求的应用中需要使用沥青基高模量碳纤维,在一些需要抗压强度和抗拉强度的区域必须使用PAN基高模量碳纤维,因此在卫星航天领域中PAN基高模量碳纤维用量显著高于沥青基碳纤维。

随着更多的通信卫星等计划发射,航天器有望成为PAN基碳纤维的重要市场。

原创 钱 鑫 博士

更多故事
Addcomposites AFP-XS和Effman自动化单元
Addcomposites和Effman partner为sme提供AFP单元