先進樹脂基復合材料在航天器的應用
自20世紀60年代以來，以碳纖維增強樹脂基復合材料為典型代表的先進復合材料被廣泛用于航天器的結構材料和以熱防護為主的功能材料，對實現航天器結構減重和功能最大化起到了不可替代的作用。
北京空間機電研究所復材專業以樹脂基復合材料為主業，是我國最早從事復合材料產品研制和關鍵技術研究的單位，至今已有60 年的發展歷史，先后研制生產了數以萬計的各類型航天器復合材料結構件，如：星載天線及支承架、太陽電池基板及連接架、衛星艙體壁板、儀器安裝板、承力筒、遮光罩等。近10年來，又開展了高穩定性大尺寸遙感結構件研制、大型結構板裝配、新型材料體系應用等技術研究，成功研制了大型復雜遙感相機主承力結構、內外加筋鏡筒結構、“幾”字形整體框架增強蜂窩夾層結構、耐高溫490N發動機支架、高精度星載拋物面天線以及國產化太陽電池基板等，為我國航天事業的發展做出了重要貢獻。
（一）典型應用
碳纖維增強樹脂基復合材料（CFRP）作為先進復合材料的典型代表，貫穿整個先進復合材料的發展歷程，是先進復合材料的中流砥柱，是目前航天器結構應用范圍最廣、技術成熟度最高的材料，同時也是實現航天器結構輕量化、多功能化的關鍵材料。
航天器結構用碳纖維主要為聚丙烯腈基（PAN）碳纖維，以高強中模、高強高模為主。表1為常用碳纖維原材料力學性能。
航天器結構用樹脂基體已采用耐熱性更好、吸濕率更低、尺寸穩定性更高的高性能氰酸酯，來代替傳統的環氧樹脂，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合材料作為結構件時的耐溫性。
航天器用CFRP的成型工藝技術仍以熱壓罐/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、特點及典型應用。
1、在空間遙感器結構上的應用
空間光學遙感器作為衛星結構的有效載荷，其材料的穩定性直接決定結構尺寸的穩定性，進而影響其功能發揮（表3列出了航天器結構尺寸變化對結構功能可能產生的影響），而環境對材料性能存在不可忽略的作用，如：地面環境中的濕度、腐蝕和重力的作用，空間環境中高真空、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，空間遙感器對結構材料提出了更高的要求，要求其具有低密度、高模量、高強度、高韌性、低膨脹系數、高比熱容、高導熱低質損、低可凝物揮發、低水氣回吸以及缺陷的可檢測等性能。北京空間機電研究所復材專業近10年來，一直致力于高穩定大尺寸遙感結構的研制工作，研制生產出了一批高規格高難度的典型產品，如：遙感相機主承力結構、鏡筒結構、相機安裝板等，均得到型號應用驗證，在軌運行正常。
（1）相機主承力結構
某型號多通道光學面陣成像相機為國內體積最大、質量最大、難度最高的遙感相機，其主承力結構直徑達2.6mm，高0.26m，具有72個格段，為超大尺寸的高穩結構，由碳纖維/氰酸酯復合材料制成；采用整體鋪層一次成型的方式，涉及預浸成型工藝、預固化成型工藝、熱壓罐/真空袋固化成型工藝等工藝技術，應用了預固化技術、網格預固化件裝配技術、成型模具設計及溫度補償技術等關鍵技術。
（2）相機鏡筒結構
碳纖維復合材料加筋筒體分為內加筋和外加筋筒體兩種結構形式，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構剛度。某型號相機鏡筒采用外加筋筒體結構，外形尺寸Φ1 400mm×1 810mm，接口平面度要求≤0.04mm，為大尺寸遙感相機次鏡支撐高穩格柵筒體結構，采用高模量碳纖維/氰酸酯復合材料整體成型，涉及預浸成型工藝、預固化成型工藝、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，應用了單絲纖維網格排布成型技術、預固化技術、網格預固化件裝配技術、成型模具設計及溫度補償技術等關鍵技術。
（3）相機底板結構
相機底板為遙感相機的支撐結構，同時為有效載荷提供安裝接口，傳統的管件/接頭形式的桁架增強形式不能滿足使用要求，需采用新型的“幾”字形整體框架增強的結構形式，而研制關鍵在于“幾”字形整體框架的成型。某型號相機底板，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，為大尺寸高穩高精度“幾”字形整體框架增強的結構形式。“幾”字形整體框架及結構板蒙皮采用高模量碳纖維/氰酸酯復合材料，涉及預浸制備工藝、鋪層工藝、層合結構固化工藝、蜂窩夾層結構裝配工藝等工藝技術，應用了立體鋪層技術、化零為整的模具設計技術、大型整體框架裝配成型技術以及高精度整板控制技術等關鍵技術。
2、在衛星結構上的應用
衛星結構相對于空間遙感器結構對復合材料的精度要求較低，對于在軌尺寸穩定性并無太高的要求，主要考慮材料的承載能力和熱防護能力，即要求樹脂基復合材料作為結構材料時具有足夠的強度、剛度以及耐溫性，典型產品如：衛星艙體壁板、衛星發動機支架、衛星承力筒以及高精度的星載天線。
（1）衛星艙體壁板
衛星艙體壁板是衛星的關鍵結構件，多為面板/蜂窩夾層結構形式，內置多類型鑲嵌連接件，主要用于裝載衛星的各種功能部件。某衛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/鋁蜂窩夾層結構形式，其中碳面板為碳纖維增強樹脂基復合材料，涉及超薄預浸料制備工藝、蜂窩夾層結構裝配工藝、熱壓罐/真空袋固化工藝等工藝技術，同時應用了結構板膠接裝配技術、埋件精準定位技術以及平面度控制技術等關鍵技術。
（2）衛星發動機支架
490N 發動機支架為衛星推進發動機的典型支撐結構，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，涉及預浸料制備工藝和纏繞成型工藝以及編織預制件/RTM成型工藝等關鍵工藝技術。初期結構材料采用的是環氧樹脂體系，產品已得到二十多個型號應用驗證，均在軌運行正常。但隨著設計要求的提高，原有環氧樹脂的耐溫性（低于160℃）已不滿足未來的使用要求，在這個背景下，北京空間機電研究所復材專業經過一系列新型材料體系應用技術研究和工藝驗證，成功采用新型的耐高溫雙馬樹脂體系代替了原有的環氧樹脂，輔以新型耐高溫膠黏劑，將發動機支架的使用溫度提高到200℃，研制產品已備用于多顆衛星。
（3）衛星承力筒
承力筒是衛星結構的重要承力件，要求結構具有力學性能好、空間利用充分、承載能力寬和適應性強等特點。某型號衛星承力筒為柱錐一體結構，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構形式，充分發揮了蜂窩夾層結構的結構效率高、剛性強、重量輕等優勢，涉及預浸成型工藝、立體鋪層工藝、筒體蜂窩夾層結構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，同時應用了立體鋪層角度精確控制技術、金屬膠裝配技術、筒體結構蜂窩夾層裝配技術、成型模具設計及溫度補償設計技術等關鍵技術。
（4）高精度星載拋物面天線
星載天線反射面是衛星功能應用的重要結構件，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，反射面主體結構為碳纖維/環氧樹脂復合材料蒙皮鋁蜂窩夾層結構，型面精度（RMS）要求分別為≤0.08mm 和≤0.15mm，副反射面與安裝基準平面度為≤0.05mm，副反射面與天線反射面同軸度為≤0.05mm。該產品具有成型工序復雜、裝配精度高等技術難點，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，應用了鋪層優化技術、工裝輔助技術、熱膨脹差異控制技術和模具修正及精度補償技術等關鍵技術。
3、在載人飛船上的應用
剛性太陽電池基板是“神舟”飛船的重要結構件，為碳網格面板/鋁蜂窩夾層結構，外形尺寸2 000mm×1 530mm，技術難度大，表3為其關鍵技術指標。
剛性太陽電池基板的成型工序復雜，涉及預浸成型工藝、纏繞工藝、蜂窩夾層結構膠接裝配工藝、網格面板成型工藝、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電處理工藝等工藝技術，應用了高長細比超薄矩形管件成型技術、膠膜熱破技術、基板平面度控制技術、聚酰亞胺膜粘貼技術、壓緊支撐套高精度定位粘接技術等關鍵技術。與此同時，北京空間機電研究所復材專業經過一系列工藝試驗、原材料驗證、仿真計算等工作，突破性的實現了太陽電池基板除聚酰亞胺薄膜外的全部國產化，達到了國內同類復材產品的國產化率最高，各項指標滿足使用要求。
（二）關鍵問題及發展方向
隨著時代的進步和科技的發展，國家對空間光學遙感器的性能需求進一步擴大，未來勢必向高分辨率、長焦距、大口徑、大視場、大體積且質量更輕的遙感系統方向發展，這就需要更高性能的材料作為支撐，以提高大型光學器件在軌成像的穩定性，滿足未來深空探測應對復雜空間環境的需要。而先進復合材料的高性能化和多功能化正是解決問題、實現功能的關鍵，這就需要解決當下問題，朝著高穩定復合材料體系和結構/功能一體化材料體系方向發展。
1、超低吸濕高穩定復合材料
CFRP 作為遙感相機結構的主要材料，其樹脂基體的濕膨脹作用是影響復合材料結構尺寸穩定性的重要因素，主要表現在樹脂基體在地面存儲、調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部向外揮發從而引起結構的變形，致使光學元件之間距離和夾角的變化，進而導致光學系統性能的下降，降低遙感相機的成像質量。同時，隨著高分辨率、長焦距、大口徑、大視場、大體積遙感相機的研制，CFRP 結構尺寸相應增大，其在環境發生改變時產生的變形相應增加，對光學系統的影響也隨之增大，必將導致成像品質的嚴重下降。目前，這一問題已成為高分辨率空間光學遙感相機研制的瓶頸，因此研制具有超低吸濕性能的樹脂體系，研究低吸濕復合材料成型工藝技術對空間遙感器的發展具有重要意義，是樹脂基復合材料未來重要的發展方向。
2、結構/功能一體化復合材料
熱導率是航天器材料及部件的重要參數，特別是紅外傳感部件及遙感器精密儀器安裝位置結構件，傳熱性能是材料部件設計的重要參數，影響到材料的結構強度、尺寸變化，從而影響到航天器與部件的功能和壽命。作為航天器重要結構材料，CFRP 的導熱性能對實現結構熱穩定性、尺寸穩定性具有重要意義，同時復合材料導熱性能的增加還有利于降低結構對熱控資源的需求，進而指導優化鋪層設計和結構設計，實現結構減重，增加航天器的有效載荷。而目前結構用CFRP 中碳纖維以PAN 基為主，常用T300、T700 系列碳纖維熱導率低于50 W/（m·K）；M 系列如：M40J、M46J、M55J、M60J 熱導率介于160~380W/（m·K）；樹脂基體熱導率低于0.5 W /（m·K）；復合材料以M55J/氰酸酯為例，各向鋪層同性鋪層面內熱導率不高于50 W/（m·K）。由此可見，樹脂基體的低熱導率直接影響了碳纖維樹脂基復合材料的面內熱導率和軸向熱導率，對復合材料的導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，其低緯結構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，表現出更優異的導熱特性，其理論熱導率系數高達5 300W/（m·K），已超越碳納米管、石墨等同素異形體的極限，更遠超銀和銅等金屬材料，在強化傳熱領域優勢顯著。將石墨烯與碳纖維樹脂基復合材料更好的融合，取長補短，既保留碳纖維樹脂基復合材料原有的優異特性，又提高了復合材料的導熱性能，這對實現材料結構/傳熱功能一體化、提高遙感器結構熱穩定性和尺寸穩定性具有重要現實意義，是未來樹脂基復合材料的重要發展方向。
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，具有優異的導電性能，是良好的電損耗與磁損耗介質，其可以賦予樹脂基復合材料電磁屏蔽功能，對實現材料結構/電磁屏蔽功能一體化、提高空間電子設備抗干擾能力具有重要意義。同時，石墨烯二維片狀結構可作為插層材料，增加樹脂基復合材料的內摩擦作用和界面作用，提高復合材料阻尼性能，對實現結構/阻尼功能一體化、延長結構材料承受循環載荷和沖擊的服役時間具有重要意義。
結束語
先進樹脂基復合材料以其輕質高強、可設計性強、結構尺寸穩定性好、材料/結構/功能一體化等獨特優勢，正逐步取代金屬材料，成為航天器實現結構承載和功能發揮的首選材料。同時，隨著增強體和基體材料的豐富發展，工藝技術和生產設備的革新換代，理論和模型的健全完善，未來以先進樹脂基復合材料為代表的先進復合材料任重而道遠，將成為推動人類航天事業發展的中堅力量。
以上文章由常州艾珀耐特復合材料有限公司供稿
