碳纖維材料在我國衛星制造領域的應用及國產化需求

洪曉明 岳明

摘要：碳纖維是我國各行業中不可缺少的高性能纖維材料，作為21世紀新材料領域中的新型科技材料，其含碳值超過自身總結構的九成，具有高強度、高耐性以及輕質等特性，因而備受我國各行各業青睞。碳纖維材料作為我國戰略意義上最為重要的基礎材料，其在信息時代發展背景下對我國社會發展起到極大地促進作用，且具有極高的軍事價值以及經濟意義。基于此，本文從衛星制造領域入手，提出碳纖維材料的應用以及國產化相關需求。

關鍵詞：碳纖維材料;衛星制造領域;國產化

中圖分類號：TQ342.742? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：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，是我國在進行碳纖維材料使用中最為常見的一種，在其整個生產過程中可以分為兩部分，分別為原絲生產工作以及原絲碳化工作。而本文中所提到的衛星一般是指人造衛星，隨著我國科學技術水平的不斷提高，衛星無論是從國民的日常生活還是國防領域都有著極高的現實意義，并且種類較多。在我國，能夠對電視廣播進行信號傳輸的應用衛星、氣象衛星能對天氣情況進行詳細觀測，而定位衛星則是我國交通領域的根本，能夠對地面物體進行有效定位。

1 碳纖維材料的本質

碳纖維材料的本質是有機纖維，人們通過對有機纖維進行碳化或者石墨化處理工作，形成的微晶石墨材料便是當前的碳纖維材料。從微觀角度來看，碳纖維材料的結構與人造石墨相似，兩者同為亂層石墨結構。但是，碳纖維本身具有多種優良特性，如自身熔點高、耐腐蝕性強以及有著良好的導電性，其在應用方面所起到的作用是人造石墨無法比擬的[1]。如今，碳纖維不僅被應用在軍事工業，在很多與國民生活息息相關的領域中也能發現碳纖維材料的身影，尤其是在衛星制造領域更是有著極為廣闊的發展前景。

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，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。在進行衛星結構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星的整體重量，通常情況下，使用CFRP的衛星結構要在質量方面比其他材料結構輕上四成左右。

2.2比模量高

CFRP擁有著極強的輕質性，人們所用的傳統碳纖維材料其本身拉伸強度與密度之間的比例相對較小，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，不僅比強度高，而且比模量也要遠超其他類型的碳纖維材料。就目前來看，我國所使用的CFRP碳纖維材料被應用到衛星制造過程中時，其強度要遠超鋼制材料4倍之多，甚至還要比鋁合金高3倍。如此，高比模量會提升空間的使用感，從而使我國在衛星創造方面所面臨的難題迎刃而解。

2.3先進性

CFRP材料作為一種復合性材料，其本身具備極強的各向異性特點。從化學角度分析，CFRP材料本身的各項系數相對較高，無論是導熱性還是比熱性都遠超其他材料，而在力學方面，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材料能夠為設計人員在衛星設計的過程中提供更多的選擇性[2]。CFRP纖維材料本身具有可調整性，因鋪層本身所存在的易性特征不同，設計人員在進行衛星制造時可以根據其本身的鋪層方向調整來實現設計過程中的強度需要。此外，CFRP纖維材料結構本身的質量比相對較高，在進行設計過程中能夠為設計人員提供極為廣闊的設計空間，這是其他材料無法相比的。

2.4抗疲勞性

材料本身的疲勞性，其本質是指材料本身的質量以及所處的方向隨著時間變化而發生斷裂的現象，這一過程也被稱為疲勞破壞現象。而CFRP纖維材料在自身結構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生，使得CFRP纖維材料在進行使用的過程中能夠有效預防疲勞破壞現象的發生，而且CFRP纖維材料本身為復合材料，這種類型的材料其本身的抗疲勞性要遠遠超過常規金屬材料，如果將傳統的金屬材料所具備的疲勞強度極限設置為45，那么類似于CFRP纖維材料這種復合型材料本身的拉伸強度便是85左右，由此不難發現，時間越長，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℃，當鋁合金材料所受外界溫度超過極限時，其自身的彈性模量就會歸0，無法進行相應的拉伸工作，其強度也會因此受到極大影響。而CFRP纖維材料則并非如此，由于這種復合型材料本身耐高溫性較強，即便處于400℃高溫情況下，自身的彈性模量以及強度也不會因此受到影響，而且CFRP纖維材料本身具備較強的耐腐蝕性，在高溫情況下能夠確保衛星內部溫度維持正常水準，表面上所添加的燒蝕材料會將溫度更好的隔絕在外。

2.6安全性高

在力學性能方面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，一旦在衛星制造中使用CFRP纖維材料，衛星的整體結構就會處于十分穩定狀態。事實上，CFRP纖維材料本身也存在損壞現象，但與其他材料不同，要使CFRP纖維材料出現明顯的裂痕，材料本身首先要面臨基體損傷，而后才會開裂，進而導致纖維斷裂等問題的發生，因此其整個周期十分漫長，即便CFRP纖維材料因為受力超過最大承載力也會造成一部分內部纖維出現斷裂現象，其余的壓力會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定性。

3 碳纖維材料在我國衛星制造領域的應用

（1）人們在進行衛星制造過程中，往往會選擇強度高或耐性強的材料，因此無論是鋼制材料還是鋁合金材料都無法滿足需要，而CFRP纖維材料的出現在極大程度上緩解了我國當前衛星制造領域所面臨的尷尬處境。CFRP纖維材料是當前衛星本體結構的最佳材料，通常在進行CFRP纖維材料融入的過程中，為了提升衛星本身的安全性以及承載力，會將其應用在衛星的外部結構、中心承力結構以及儀器的安裝底板中[3]。

（2）在進行衛星制造的過程中，相關人員需要對衛星在工作中所消耗的電力進行計算，一般情況下會用太陽能電池組進行電力措施的安裝。而人造衛星在進行發射的過程中，往往會先將電池板進行折疊，到達一定位置后才會開展相應工作。而CFRP纖維材料本身具備輕質特點，能滿足當前衛星展開面積過大的需要，且本身強度高，在進行大型太陽能電池板的制作過程中能夠起到巨大作用。

（3）天線是衛星的靈魂，無論功能如何，天線都是衛星必不可缺的重要組成部分，通常情況下，人們會將天線安裝在衛星表面，進而方便其進行相應的信息接收工作。而一旦衛星被觀測到時，天線往往會被最先暴露出來。此外，不同功能的衛星對于天線的需要也不同，很多時候為了滿足相應的功能要求，在同一個衛星上也會添加眾多天線。

4 我國在碳纖維材料領域的研究現狀

（1）如今，我國在有關CFRP纖維材料的研究方面還遠遠不夠，尤其是在性能、質量方面，CFRP纖維材料無法滿足軍事領域以及民用領域的需要，甚至在市場價格方面也讓眾多企業望而卻步。就本文所進行論述的衛星領域而言，因為其使用面積較大，對于CFRP纖維材料的需求量極高，而想要有效解決這一問題，就要加強對CFRP纖維材料的生產[4]。

（2）CFRP纖維材料所在的復合材料學科因其本身具有極強的綜合性，所涉及的學科相對較多，我國除了要加強CFRP纖維材料生產效率外，還要加強對有關學科復合型人才的培養，以此來確保相關專業人才的流入，避免復合材料領域出現人才青黃不接的現象。而且還要時刻關注國外的CFRP纖維材料發展情況，學習最先進的技術與理論知識，并對其進行深入研究。

5結語

綜上所述，碳纖維材料有著極其優異的特性，因此得到我國各領域的廣泛應用。尤其是在衛星領域方面，更是遠超其他材料，而如何提高CFRP纖維材料的生產效率是當前我國材料領域所要面臨的一大問題。

參考文獻

[1]薛昊飛.碳纖維復合材料在航空領域的應用與發展展望[J].科學家，2017（5）：12.

[2]陶積柏，黎昱，張玉生，等.高模量碳纖維在中國宇航結構產品上的應用現狀及實現自我保障的建議[J].材料科學與工藝，2015（6）：98-103.

[3]李奇輝，劉向陽，房曉斌.碳纖維復合材料的應用現狀及我國碳纖維工業的發展方向[J].價值工程，2016（17）：113-115.

[4]黃碩，王亮，陳超.我國碳纖維復合材料在汽車上的應用趨勢和建議[J].中國材料科技與設備，2015，11（3）：59-62.

收稿日期：2020-06-20

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

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