碳纖維材料在我國(guó)衛(wèi)星制造領(lǐng)域的應(yīng)用及國(guó)產(chǎn)化需求

洪曉明 岳明

摘要：碳纖維是我國(guó)各行業(yè)中不可缺少的高性能纖維材料，作為21世紀(jì)新材料領(lǐng)域中的新型科技材料，其含碳值超過自身總結(jié)構(gòu)的九成，具有高強(qiáng)度、高耐性以及輕質(zhì)等特性，因而備受我國(guó)各行各業(yè)青睞。碳纖維材料作為我國(guó)戰(zhàn)略意義上最為重要的基礎(chǔ)材料，其在信息時(shí)代發(fā)展背景下對(duì)我國(guó)社會(huì)發(fā)展起到極大地促進(jìn)作用，且具有極高的軍事價(jià)值以及經(jīng)濟(jì)意義?；诖耍疚膹男l(wèi)星制造領(lǐng)域入手，提出碳纖維材料的應(yīng)用以及國(guó)產(chǎn)化相關(guān)需求。

關(guān)鍵詞：碳纖維材料;衛(wèi)星制造領(lǐng)域;國(guó)產(chǎn)化

中圖分類號(hào)：TQ342.742? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-6903（2020）07-0000-00

通常情況下，人們所能接觸到的碳纖維分為三類，分別為瀝青基、粘膠基以及聚丙烯三種，這里所提到的聚丙烯全稱為聚丙烯晴基，是我國(guó)在進(jìn)行碳纖維材料使用中最為常見的一種，在其整個(gè)生產(chǎn)過程中可以分為兩部分，分別為原絲生產(chǎn)工作以及原絲碳化工作。而本文中所提到的衛(wèi)星一般是指人造衛(wèi)星，隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，衛(wèi)星無(wú)論是從國(guó)民的日常生活還是國(guó)防領(lǐng)域都有著極高的現(xiàn)實(shí)意義，并且種類較多。在我國(guó)，能夠?qū)﹄娨晱V播進(jìn)行信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星能對(duì)天氣情況進(jìn)行詳細(xì)觀測(cè)，而定位衛(wèi)星則是我國(guó)交通領(lǐng)域的根本，能夠?qū)Φ孛嫖矬w進(jìn)行有效定位。

1 碳纖維材料的本質(zhì)

碳纖維材料的本質(zhì)是有機(jī)纖維，人們通過對(duì)有機(jī)纖維進(jìn)行碳化或者石墨化處理工作，形成的微晶石墨材料便是當(dāng)前的碳纖維材料。從微觀角度來(lái)看，碳纖維材料的結(jié)構(gòu)與人造石墨相似，兩者同為亂層石墨結(jié)構(gòu)。但是，碳纖維本身具有多種優(yōu)良特性，如自身熔點(diǎn)高、耐腐蝕性強(qiáng)以及有著良好的導(dǎo)電性，其在應(yīng)用方面所起到的作用是人造石墨無(wú)法比擬的[1]。如今，碳纖維不僅被應(yīng)用在軍事工業(yè)，在很多與國(guó)民生活息息相關(guān)的領(lǐng)域中也能發(fā)現(xiàn)碳纖維材料的身影，尤其是在衛(wèi)星制造領(lǐng)域更是有著極為廣闊的發(fā)展前景。

2 CFRP的特性

2.1密度小

碳纖維材料中CFRP具有各向異性等特點(diǎn)，這種材料本身的密度值基本上與鎂相同，而鎂金屬材料的密度則是其他種類材料的0.26倍。在進(jìn)行衛(wèi)星結(jié)構(gòu)方面的制造過程中使用CFRP作為主要材料，能夠在極大程度上減輕衛(wèi)星的整體重量，通常情況下，使用CFRP的衛(wèi)星結(jié)構(gòu)要在質(zhì)量方面比其他材料結(jié)構(gòu)輕上四成左右。

2.2比模量高

CFRP擁有著極強(qiáng)的輕質(zhì)性，人們所用的傳統(tǒng)碳纖維材料其本身拉伸強(qiáng)度與密度之間的比例相對(duì)較小，且彈性方面也有著較大的差值，而CFRP碳纖維材料則并非如此，不僅比強(qiáng)度高，而且比模量也要遠(yuǎn)超其他類型的碳纖維材料。就目前來(lái)看，我國(guó)所使用的CFRP碳纖維材料被應(yīng)用到衛(wèi)星制造過程中時(shí)，其強(qiáng)度要遠(yuǎn)超鋼制材料4倍之多，甚至還要比鋁合金高3倍。如此，高比模量會(huì)提升空間的使用感，從而使我國(guó)在衛(wèi)星創(chuàng)造方面所面臨的難題迎刃而解。

2.3先進(jìn)性

CFRP材料作為一種復(fù)合性材料，其本身具備極強(qiáng)的各向異性特點(diǎn)。從化學(xué)角度分析，CFRP材料本身的各項(xiàng)系數(shù)相對(duì)較高，無(wú)論是導(dǎo)熱性還是比熱性都遠(yuǎn)超其他材料，而在力學(xué)方面，CFRP材料的水平軸向以及垂直軸向與其他材料都有極大差異。通過使用CFRP材料能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在衛(wèi)星設(shè)計(jì)的過程中提供更多的選擇性[2]。CFRP纖維材料本身具有可調(diào)整性，因鋪層本身所存在的易性特征不同，設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行衛(wèi)星制造時(shí)可以根據(jù)其本身的鋪層方向調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程中的強(qiáng)度需要。此外，CFRP纖維材料結(jié)構(gòu)本身的質(zhì)量比相對(duì)較高，在進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員提供極為廣闊的設(shè)計(jì)空間，這是其他材料無(wú)法相比的。

2.4抗疲勞性

材料本身的疲勞性，其本質(zhì)是指材料本身的質(zhì)量以及所處的方向隨著時(shí)間變化而發(fā)生斷裂的現(xiàn)象，這一過程也被稱為疲勞破壞現(xiàn)象。而CFRP纖維材料在自身結(jié)構(gòu)方面因碳纖維的存在，加上樹脂基體所具備的良好拉伸性，能夠防止裂紋問題的發(fā)生，使得CFRP纖維材料在進(jìn)行使用的過程中能夠有效預(yù)防疲勞破壞現(xiàn)象的發(fā)生，而且CFRP纖維材料本身為復(fù)合材料，這種類型的材料其本身的抗疲勞性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)金屬材料，如果將傳統(tǒng)的金屬材料所具備的疲勞強(qiáng)度極限設(shè)置為45，那么類似于CFRP纖維材料這種復(fù)合型材料本身的拉伸強(qiáng)度便是85左右，由此不難發(fā)現(xiàn)，時(shí)間越長(zhǎng)，CFRP纖維材料所能起到的作用就越明顯。

2.5耐高溫性

鋁合金材料的耐高溫性極限為400℃，當(dāng)鋁合金材料所受外界溫度超過極限時(shí)，其自身的彈性模量就會(huì)歸0，無(wú)法進(jìn)行相應(yīng)的拉伸工作，其強(qiáng)度也會(huì)因此受到極大影響。而CFRP纖維材料則并非如此，由于這種復(fù)合型材料本身耐高溫性較強(qiáng)，即便處于400℃高溫情況下，自身的彈性模量以及強(qiáng)度也不會(huì)因此受到影響，而且CFRP纖維材料本身具備較強(qiáng)的耐腐蝕性，在高溫情況下能夠確保衛(wèi)星內(nèi)部溫度維持正常水準(zhǔn)，表面上所添加的燒蝕材料會(huì)將溫度更好的隔絕在外。

2.6安全性高

在力學(xué)性能方面CFRP纖維材料本身具備極高的承載力，能夠自我形成超靜定體系，一旦在衛(wèi)星制造中使用CFRP纖維材料，衛(wèi)星的整體結(jié)構(gòu)就會(huì)處于十分穩(wěn)定狀態(tài)。事實(shí)上，CFRP纖維材料本身也存在損壞現(xiàn)象，但與其他材料不同，要使CFRP纖維材料出現(xiàn)明顯的裂痕，材料本身首先要面臨基體損傷，而后才會(huì)開裂，進(jìn)而導(dǎo)致纖維斷裂等問題的發(fā)生，因此其整個(gè)周期十分漫長(zhǎng)，即便CFRP纖維材料因?yàn)槭芰Τ^最大承載力也會(huì)造成一部分內(nèi)部纖維出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，其余的壓力會(huì)隨著斷裂纖維傳遞到其他位置。由此可見，CFRP纖維材料本身具備極高的安全性與穩(wěn)定性。

3 碳纖維材料在我國(guó)衛(wèi)星制造領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）人們?cè)谶M(jìn)行衛(wèi)星制造過程中，往往會(huì)選擇強(qiáng)度高或耐性強(qiáng)的材料，因此無(wú)論是鋼制材料還是鋁合金材料都無(wú)法滿足需要，而CFRP纖維材料的出現(xiàn)在極大程度上緩解了我國(guó)當(dāng)前衛(wèi)星制造領(lǐng)域所面臨的尷尬處境。CFRP纖維材料是當(dāng)前衛(wèi)星本體結(jié)構(gòu)的最佳材料，通常在進(jìn)行CFRP纖維材料融入的過程中，為了提升衛(wèi)星本身的安全性以及承載力，會(huì)將其應(yīng)用在衛(wèi)星的外部結(jié)構(gòu)、中心承力結(jié)構(gòu)以及儀器的安裝底板中[3]。

（2）在進(jìn)行衛(wèi)星制造的過程中，相關(guān)人員需要對(duì)衛(wèi)星在工作中所消耗的電力進(jìn)行計(jì)算，一般情況下會(huì)用太陽(yáng)能電池組進(jìn)行電力措施的安裝。而人造衛(wèi)星在進(jìn)行發(fā)射的過程中，往往會(huì)先將電池板進(jìn)行折疊，到達(dá)一定位置后才會(huì)開展相應(yīng)工作。而CFRP纖維材料本身具備輕質(zhì)特點(diǎn)，能滿足當(dāng)前衛(wèi)星展開面積過大的需要，且本身強(qiáng)度高，在進(jìn)行大型太陽(yáng)能電池板的制作過程中能夠起到巨大作用。

（3）天線是衛(wèi)星的靈魂，無(wú)論功能如何，天線都是衛(wèi)星必不可缺的重要組成部分，通常情況下，人們會(huì)將天線安裝在衛(wèi)星表面，進(jìn)而方便其進(jìn)行相應(yīng)的信息接收工作。而一旦衛(wèi)星被觀測(cè)到時(shí)，天線往往會(huì)被最先暴露出來(lái)。此外，不同功能的衛(wèi)星對(duì)于天線的需要也不同，很多時(shí)候?yàn)榱藵M足相應(yīng)的功能要求，在同一個(gè)衛(wèi)星上也會(huì)添加眾多天線。

4 我國(guó)在碳纖維材料領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀

（1）如今，我國(guó)在有關(guān)CFRP纖維材料的研究方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，尤其是在性能、質(zhì)量方面，CFRP纖維材料無(wú)法滿足軍事領(lǐng)域以及民用領(lǐng)域的需要，甚至在市場(chǎng)價(jià)格方面也讓眾多企業(yè)望而卻步。就本文所進(jìn)行論述的衛(wèi)星領(lǐng)域而言，因?yàn)槠涫褂妹娣e較大，對(duì)于CFRP纖維材料的需求量極高，而想要有效解決這一問題，就要加強(qiáng)對(duì)CFRP纖維材料的生產(chǎn)[4]。

（2）CFRP纖維材料所在的復(fù)合材料學(xué)科因其本身具有極強(qiáng)的綜合性，所涉及的學(xué)科相對(duì)較多，我國(guó)除了要加強(qiáng)CFRP纖維材料生產(chǎn)效率外，還要加強(qiáng)對(duì)有關(guān)學(xué)科復(fù)合型人才的培養(yǎng)，以此來(lái)確保相關(guān)專業(yè)人才的流入，避免復(fù)合材料領(lǐng)域出現(xiàn)人才青黃不接的現(xiàn)象。而且還要時(shí)刻關(guān)注國(guó)外的CFRP纖維材料發(fā)展情況，學(xué)習(xí)最先進(jìn)的技術(shù)與理論知識(shí)，并對(duì)其進(jìn)行深入研究。

5結(jié)語(yǔ)

綜上所述，碳纖維材料有著極其優(yōu)異的特性，因此得到我國(guó)各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。尤其是在衛(wèi)星領(lǐng)域方面，更是遠(yuǎn)超其他材料，而如何提高CFRP纖維材料的生產(chǎn)效率是當(dāng)前我國(guó)材料領(lǐng)域所要面臨的一大問題。

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收稿日期：2020-06-20

作者簡(jiǎn)介：洪曉明（1985—），男，福建南安人，本科，工程師，研究方向：復(fù)合材料制造。

Application of Carbon Fiber Materials in my Country's Satellite Manufacturing Field and localization Requirements

HONG Xiaoming， YUE Ming

（Aviation Industry Xi'an Aircraft Industry （Group） Co.Ltd.，Xi'an Shaanxi? ?710089）

Abstract：Carbon fiber is an indispensable high-performance fiber material in various industries in our country. As a new technology material in the field of new materials in the 21st century， its carbon content exceeds 90% of its total structure， and it has high strength， high durability and light weight.Because of its characteristics， it is favored by all walks of life in our country.As the most important basic material in the strategic sense of our country， carbon fiber materials have greatly promoted the social development of our country under the development background of the information age， and have extremely high military value and economic significance.Based on this， this article starts from the field of satellite manufacturing， and proposes the application of carbon fiber materials and related requirements for localization.

Keywords：carbon fiber materials; satellite manufacturing field; localization