碳纖維復合材料在衛星結構中的性能與優勢分析

摘 要 隨著航天技術的不斷發展，對衛星結構材料的要求日益嚴格。碳纖維復合材料以其輕質、高強、高模、耐疲勞等優異性能，成為衛星結構設計的首選材料。為此，本文梳理了目前碳纖維復合材料在低軌衛星及衛星天線上的應用情況，綜合分析了碳纖維復合材料在衛星結構中的優勢，結合未來我國衛星結構對碳纖維復合材料的發展需求，總結展望了我國未來碳纖維復合材料在衛星結構中的發展趨勢。

關鍵詞 碳纖維復合材料；衛星結構；高模量碳纖維；性能；優勢分析

Analysis of the Properties and Advantages of Carbon

Fiber Composites in Satellite Structures

QU Guangyan WANG Di2，ZHANG Song2，SONG Lianglai JING Jiaqi1

（1. Harbin FRP Institute Co.， Ltd.， Harbin 150028；2. Military Representative Office of

the Armament Department of the Rocket Force stationed in Harbin，Harbin 150028）

ABSTRACT With the continuous development of space technology， the requirements for satellite structural materials are increasingly strict. Carbon fiber composites have become the first choice for satellite structural design due to their excellent properties such as light weight， high strength， high modulus and fatigue resistance. Therefore， this paper reviews the current application of carbon fiber composite materials on low-orbit satellites and satellite antennas， comprehensively analyzes the advantages of carbon fiber composite materials in satellite structures， and summarizes the development trend of carbon fiber composite materials in satellite structures in China in the future combined with the development demand for carbon fiber composite materials in satellite structures in China.

KEYWORDS carbon fiber composites;satellite structure; high modulus carbon fiber

1 引言

衛星作為通信、導航、氣象、地球觀測等關鍵領域的核心工具對人類社會的發展和進步起著不可或缺的推動作用。隨著衛星任務愈發復雜和多樣化，對衛星結構材料的性能要求也日益嚴苛。碳纖維復合材料憑借其輕質、高強度、高模量以及卓越的導電性能等獨特優勢，已成為衛星結構設計的理想選擇，能夠顯著提升衛星的熱穩定性、導電性和結構強度等綜合性能。

文章綜述了目前碳纖維復合材料在衛星結構中的應用情況，深入探討了其在實際工程中的性能表現和優勢。通過對不同應用場景下碳纖維復合材料的使用需求進行分析，本文旨在為衛星設計和工程領域提供有價值的參考，推動碳纖維復合材料在航天領域的應用與發展。未來，隨著碳纖維復合材料技術的不斷進步，其在衛星結構設計中的應用將更加廣泛，為航天事業的發展注入新的活力。

2 碳纖維復合材料的基本特性和制備技術

2.1 碳纖維復合材料的基本結構和性能

碳纖維復合材料是由碳纖維和復合基體（樹脂基體）構成的復合材料。碳纖維作為增強體，負責承擔載荷；而復合基體則負責將碳纖維組織在一起，保護碳纖維，并提供整體結構的強度和穩定性。

復合材料中的界面是指碳纖維與復合基體之間的交界面，其性能直接影響到復合材料的力學性能。良好的界面作用可以提高復合材料的力學性能，反之則會導致性能下降。復合基體主要由樹脂構成，樹脂的選擇直接影響到復合材料的性能和應用范圍。常用的樹脂有環氧樹脂、聚酰亞胺樹脂等，其特點包括粘結力強、耐熱性好等。碳纖維體積含量是影響復合材料性能的關鍵因素之一。較高的碳纖維體積含量可以提高復合材料的強度和剛度，但過高的體積含量可能導致復合材料易碎性增加。最后，復合材料的成型工藝會直接影響到其纖維排布和結構形態，常見的成型工藝包括手工層疊、自動層疊、注塑成型等，不同的成型工藝對復合材料的性能和成本有著直接影響。

2.2 傳統材料與碳纖維復合材料在衛星結構中的性能

傳統的衛星結構材料主要包括金屬材料如鋁合金、鈦合金以及陶瓷等。隨著碳纖維復合材料技術的不斷發展，越來越多的衛星結構開始采用碳纖維復合材料作為替代材料。傳統金屬材料在一般情況下具有較高的密度，相對較重。而碳纖維復合材料的質量比重較低，約為金屬材料的1/4至1/5，具有明顯的輕質高強特性，可以顯著減輕衛星的整體重量；碳纖維復合材料的強度和剛度優于傳統金屬材料，特別是高模量碳纖維的強度更高。這使得碳纖維復合材料在承受外界挑戰時具有更優異的抗沖擊和振動能力，有助于提高衛星結構的穩定性和可靠性；傳統金屬材料的熱膨脹系數較高，容易因溫度變化引起結構變形。相比之下，碳纖維復合材料的熱膨脹系數較低，具有較好的熱穩定性，在復雜的太空環境中能夠保持結構穩定；通過碳纖維復合材料的設計和制造，可以實現“零膨脹”設計，使天線和衛星結構在實際工作環境中實現零變形。這為衛星的長期運行和結構精度提供了保障。碳纖維層壓板如圖1所示。

碳纖維增強復合材料板，亦被業界廣泛稱為碳纖維層壓板，在航空航天及國防工業中扮演著舉足輕重的角色，成為機身結構、個人防護裝備以及眾多其他產品不可或缺的核心組件。這種層壓板是一種具備獨特彈性的高級材料，其核心結構由交織緊密的碳纖維層構建而成，這些層通過基體材料如環氧樹脂等硬化塑料進行緊密結合。碳纖維層壓板不僅是制造高性能碳纖維增強復合材料的關鍵基石，更是推動相關行業技術革新的重要力量。

2.3 碳纖維復合材料的制備技術

碳纖維復合材料的制備過程通常精細而復雜，涵蓋了紡絲、預浸料制備、層疊和硬化等關鍵步驟。首先，紡絲是這一過程的起點，它涉及將碳纖維從碳化纖維前驅體中精細拉伸出來，通過精心控制的紡絲條件，可以精準地調節碳纖維的直徑和性能，為后續的復合材料制備奠定堅實基礎。接著，進入預浸料制備階段，這一過程是將已經浸漬有特定樹脂的碳纖維紗線，經過一系列如浸漬、壓脫、干燥等工藝步驟，加工成帶狀材料。此階段可根據不同的應用需求，靈活選擇適宜的浸漬樹脂和工藝參數，以滿足復合材料特定的性能要求。隨后，層疊步驟將預浸料按照精確的設計要求進行排列和疊壓，構建出復合材料的初步形態。在這一過程中，對纖維的排布和密實度進行嚴格控制，以確保最終復合材料具備優異的性能。

3 碳纖維復合材料在低軌衛星上的具體應用

碳纖維復合材料因其輕質高強的特性，成為了低軌衛星結構設計的首選材料。這種材料不僅大幅度減輕了衛星的整體重量，還顯著增加了有效載荷和運載能力，從而提高了衛星的任務執行效率。在衛星的發射過程中，碳纖維復合材料展現出了卓越的抗沖擊振動能力。這種能力有效保護了衛星內部結構免受外界沖擊和振動的損害，確保了衛星在發射過程中的安全性。而在太空環境中，碳纖維復合材料則憑借其優異的熱穩定性，保證了衛星在各種極端溫度條件下的結構完整性和高精度。具體而言，碳纖維復合材料的輕質特性使得衛星能夠攜帶更多的科研設備、燃料和其他資源，從而擴展了衛星的應用范圍和功能。同時，高強度的碳纖維復合材料能夠抵御太空中的微小碎片和宇宙射線的沖擊，確保衛星在太空中安全運行。此外，其優異的熱穩定性也使得衛星在經歷晝夜溫差、太陽輻射等極端溫度變化時，仍能保持穩定的性能，確保任務執行的精確性。因此，碳纖維復合材料的應用不僅提高了低軌衛星的性能和可靠性，還推動了航天技術的不斷發展。

衛星天線使用高模量碳纖維作為導電材料，具有良好的電性能，在一定頻率范圍內能夠完成天線的電磁波反射和接受功能。其優異的導電性能和輕質高強特性使得碳纖維復合材料成為衛星天線制作的優選材料。同時，碳纖維復合材料的抗環境試驗能力和零膨脹設計為天線的穩定運行提供了可靠支持。

3.1 空間站推進主承力復合材料結構

空間站作為人類在太空中的長期駐留和科研基地，其推進主承力結構在尺寸、穩定性和強度等方面有著極高的要求。這是因為空間站不僅要面對復雜的太空環境，如微重力、極端溫度變化和輻射等，還要承載各種科研設備和航天員的生活設施，因此其結構必須具備足夠的強度和穩定性。為了滿足這些嚴苛的要求，我國某單位通過自主設計和研發，成功攻克了設計與工藝上的重重難題，生產出了適用于空間站核心艙推進分系統的主承力復合材料結構。這一成果不僅展現了我國在航天材料領域的強大實力，也為空間站的穩定運行提供了堅實保障。該主承力復合材料結構以碳纖維為主要原料，通過精密的制備工藝和嚴格的質量控制，實現了結構的輕質化和高強度化。碳纖維材料具有優異的力學性能和化學穩定性，能夠在極端環境下保持穩定的性能表現。同時，該結構還采用了先進的復合材料成型技術，確保了結構的整體性。空間站的實際運行中，該主承力復合材料結構表現出了卓越的穩定性和強度。它不僅能夠承受各種復雜載荷和沖擊，還能夠有效地抵抗太空環境中的溫度變化、輻射等因素對結構的影響。這一成果不僅提升了空間站的整體性能，也為未來的航天任務提供了重要的技術支持。

問天實驗艙、夢天實驗艙以及羲和號衛星應用了碳纖維復合材料結構，以滿足低軌衛星需求。這些結構在保持高精度和承載能力的同時，兼具輕質和抗極端空間環境的特點，為各項任務提供了關鍵支持。特別地，在羲和號衛星中，碳纖維復合材料的成功應用，通過高穩定性材料成型和結構優化，保障了衛星在溫度變化環境下的穩定性，標志著碳纖維復合材料在衛星主體結構領域的重要進展。同時，廣目地球科學衛星和泰景一號衛星也采用了碳纖維復合材料結構，取得了輕質化和高強度方面的重要突破。

3.2 高模量碳纖維在衛星天線上的應用

衛星天線是衛星通信和數據傳輸的關鍵組件，用于接收和發送電磁信號。碳纖維復合材料因具有質量輕、模量高、熱膨脹系數低等特點，且碳纖維本身具有導電性，在一定的頻率范圍內能夠完成天線電磁波的發射或接收，并能承受一定的功率，因此用碳纖維復合材料制作的天線不僅能保證天線的電性能，而且質量輕、強度高、抗沖擊振動能力強，能承受高低溫循環、熱真空等嚴酷的環境試驗的考核，是星載天線的首選材料。

高模量碳纖維復合材料天線的電性能達到或接近傳統鋁合金天線的技術指標。其在一定的頻率范圍內能夠完成天線電磁波的發射或接收，并承受一定的功率。這為衛星的通信和數據傳輸提供了可靠保障，確保衛星能夠有效地進行信息交換和遙感任務。在此基礎上，高模量碳纖維復合材料天線的質量比鋁合金天線降低50 %，但機械性能卻優于鋁合金天線。采用高模量碳纖維制作天線，可以顯著減輕衛星的整體重量，增加有效載荷和運載能力，對衛星設計具有重要意義。高模量碳纖維復合材料天線還能夠承受各種嚴酷的環境試驗，包括振動、加速度、沖擊、高低溫循環和熱真空等。其優異的力學性能和熱穩定性使得天線能夠在復雜的太空環境下保持結構完整和高精度，確保衛星長期穩定運行。碳纖維復合材料的低熱膨脹系數使得衛星天線可以在成型過程和實際工作環境中實現零變形。尤其對于工作在太空晝夜溫差較大環境中的星載天線，采用“零膨脹”系數材料能夠有效保持其結構和型面精度的穩定性。

以日本東麗M60J級碳纖維為例，其高拉伸模量達到588 GPa，適用于作為導電層。而T700級碳纖維的拉伸強度較高達到4.90 GPa，適用于作為天線的增強層。在制備天線時，采用喇叭體、安裝法蘭和脊體整體鋪層連接，結構方式按[0°/90°]正交鋪設，并采用熱壓罐成型。相較于傳統的鋁合金材料，該高模量碳纖維復合材料天線減重60 %，且各項力學性能均優于鋁合金。

實例表明，高模量碳纖維復合材料在衛星天線中取得了顯著的應用性能和效果。它不僅保證了天線的電性能，同時具備輕質高強和熱穩定等優勢，能夠在太空環境中承受嚴酷的試驗和挑戰，成為星載天線的首選材料。

4 碳纖維復合材料在衛星結構中的優勢分析

在衛星結構設計中，材料的選擇至關重要，不僅關系到衛星的整體性能，還直接影響著衛星的壽命和可靠性。在眾多材料中，碳纖維復合材料憑借其獨特的性能優勢，成為低軌衛星結構設計的理想選擇。以下將對碳纖維復合材料在衛星結構中的優勢進行詳細分析。

4.1 輕質化

輕質化是碳纖維復合材料在衛星結構中最顯著的優勢之一。碳纖維復合材料具有極低的密度，通常只有鋼的1/4左右，鋁的1/2左右。這意味著，使用碳纖維復合材料可以顯著減輕衛星結構的質量。首先，輕質化有助于增加衛星的有效載荷質量。在衛星設計過程中，總質量是一個重要的限制因素。當衛星的結構質量得到減輕時，就可以為其他部件（如科研設備、燃料等）提供更多的質量空間，從而增加衛星的有效載荷質量。有效載荷質量的增加，意味著衛星可以攜帶更多的科研設備，執行更多的任務，提高任務執行效率。其次，輕質化還有助于降低衛星的發射成本。在衛星發射過程中，發射成本隨著衛星質量的增加而增加。使用輕質材料可以減輕衛星的質量，從而降低發射成本。這對于商業衛星來說尤為重要，因為商業衛星需要在保證性能的前提下盡可能降低發射成本。

4.2 高性能化

除了輕質化外，碳纖維復合材料還具有高性能化的特點。這主要體現在以下幾個方面：

（1）高強度和高模量。碳纖維復合材料具有極高的強度和模量，其強度甚至超過了某些金屬材料。這使得碳纖維復合材料能夠滿足衛星結構對強度和剛度的要求，保證衛星在發射和運行過程中能夠保持穩定的性能。同時，高模量意味著碳纖維復合材料在受到外力作用時具有較小的變形量，這有助于保持衛星結構的穩定性。

（2）優異的導電性能。碳纖維復合材料具有良好的導電性能，這使得它成為制作衛星天線等導電部件的理想材料。通過使用碳纖維復合材料，可以提高衛星天線的電性能指標，如增益、帶寬等，從而提高衛星的通信能力。

（3）優異的熱穩定性。碳纖維復合材料具有優異的熱穩定性，能夠在極端溫度條件下保持性能穩定。在衛星運行過程中，由于太陽輻射和地球陰影的影響，衛星表面溫度會發生劇烈變化。使用碳纖維復合材料可以保證衛星結構在這種極端溫度條件下仍能保持穩定的性能。

（4）良好的抗沖擊振動能力。碳纖維復合材料具有良好的抗沖擊振動能力，能夠有效抵抗發射過程中的沖擊和振動。這有助于保護衛星內部的精密設備免受損害，提高衛星的可靠性和壽命。

4.3 環境適應性

碳纖維復合材料具有良好的環境適應性。在太空中，衛星需要面對極端溫度、輻射、真空等多種惡劣環境。碳纖維復合材料能夠在這些環境下保持性能穩定，為衛星的長期運行提供保障。

（1）極端溫度適應性。碳纖維復合材料具有優異的熱穩定性，能夠在極端溫度條件下保持性能穩定。無論是面對太陽直射時的高溫還是地球陰影中的低溫，碳纖維復合材料都能保持穩定的性能，確保衛星的正常運行。

（2）輻射適應性。在太空中，衛星需要面對來自太陽和宇宙射線的輻射。碳纖維復合材料具有良好的抗輻射性能，能夠在輻射環境下保持性能穩定。這有助于延長衛星的使用壽命并提高任務的可靠性。

5 結語

碳纖維復合材料因其輕質高強、優異的導電性能、低熱膨脹系數和抗沖擊振動能力，成為衛星結構設計的理想選擇。低軌衛星和衛星天線中，碳纖維復合材料的應用顯著提高了衛星的有效載荷和運載能力，同時保證了其穩定性和可靠性。碳纖維復合材料的應用優化了衛星的結構設計，降低了發射成本，并延長了衛星的壽命。隨著碳纖維復合材料技術的不斷成熟和提高，其性能和質量將得到進一步改善，成為未來衛星設計的關鍵材料之一。新型碳纖維材料的研發將推動復合材料在衛星結構中的多樣化應用，滿足更多不同需求。同時，生產成本的降低將促進碳纖維復合材料在衛星領域的更廣泛應用。

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