碳纤维助力卫星的云霄征程

2020-08-12 14:28:46 嘉兴恒隆复合材料有限公司 浏览次数 78

      高模量碳纤维板材具有优异导电性,在一定的频率范围内能够完成天线电磁波的发射或接收,并能承受一定的功率。碳纤维为导电材料,在一定的频率范围内,其自身能够完成天线的电磁波反射和接收功能,尤其是需要指出的是,随着碳纤维石墨化程度的提高,碳纤维导电性能也显著增加,高模量碳纤维在导电性能上基本接近金属的导电性能。因此,高模量碳纤维制作复合材料天线完全可以满足卫星天线电性能指标,能承受高低温循环、热真空等严酷的环境试验的考核,使其成为星载天线的首选材料。
    
1.碳纤维铺层设计

      由于碳纤维板材热膨胀系数低,随着纤维拉伸模量的增加,纤维热膨胀系数会出现负值。基于低膨胀的性能特点,在天线成型过程中通过复合材料内碳纤维铺层设计,可以使天线在成型过程和实际工作环境中做到“零膨胀”。
        

碳纤维定制加工



      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%。

2.卫星应用

      在比强度和比模量方面,由于碳纤维定制加工复合材料的比强度、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。

      长征五号火箭在火箭助推器、芯一级、芯二级壳体表面长排罩上大量采用碳纤维泡沫夹层结构材料,这种罩体能够在高温高压下正常运作。与金属材料相比,可减重50%左右,与普通复合材料相比,可减重30%左右。对于一级半入轨的长征五号B火箭来说,这种减重效益更加鲜明。

      芯一级能减重多少,运载能力就可以提升多少,助推器减重与运载能力提高的比例更是高达1.25:1。为此,航天科技集团一院703所把大直径大厚度碳纤维定制加工复合材料”3+2”蜂窝夹层结构整体成型技术,用在了长征五号B火箭芯一级尾段的壁板和防热板结构中,替代原有的组合梁结合分瓣玻璃钢底板的结构方案,成功实现减重约400公斤。











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