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碳纖維助力衛(wèi)星的云霄征程

2020-08-12 14:28:46 嘉興恒隆復合材料有限公司 瀏覽次數(shù) 1749

      高模量碳纖維板材具有優(yōu)異導電性,在一定的頻率范圍內(nèi)能夠完成天線電磁波的發(fā)射或接收,并能承受一定的功率。碳纖維為導電材料,在一定的頻率范圍內(nèi),其自身能夠完成天線的電磁波反射和接收功能,尤其是需要指出的是,隨著碳纖維石墨化程度的提高,碳纖維導電性能也顯著增加,高模量碳纖維在導電性能上基本接近金屬的導電性能。因此,高模量碳纖維制作復合材料天線完全可以滿足衛(wèi)星天線電性能指標,能承受高低溫循環(huán)、熱真空等嚴酷的環(huán)境試驗的考核,使其成為星載天線的首選材料。
    
1.碳纖維鋪層設計

      由于碳纖維板材熱膨脹系數(shù)低,隨著纖維拉伸模量的增加,纖維熱膨脹系數(shù)會出現(xiàn)負值。基于低膨脹的性能特點,在天線成型過程中通過復合材料內(nèi)碳纖維鋪層設計,可以使天線在成型過程和實際工作環(huán)境中做到“零膨脹”。
        

碳纖維定制加工



      碳纖維復合材料作為一種先進的結構材料,從未來材料的發(fā)展趨勢看,碳纖維復合材料開始逐步取代一些更多的金屬材料,尤其是在衛(wèi)星上有明顯的體現(xiàn)。由于高性能碳纖維不斷優(yōu)化,尤其是兼具高強度高模量MJ系列碳纖維研發(fā)成功,衛(wèi)星天線用復合材料增強纖維逐漸從從凱夫拉纖維、中模碳纖維轉(zhuǎn)變成了高模碳纖維,目前幾乎所有衛(wèi)星天線均采用了高模量碳纖維,有些衛(wèi)星上碳纖維復合材料的應用率高達85%。

2.衛(wèi)星應用

      在比強度和比模量方面,由于碳纖維定制加工復合材料的比強度、比模量比常用金屬鋁合金高,與鋁合金相比,碳纖維復合材料單向?qū)硬牧媳葟姸纫叱?-4倍,而高模型碳纖維復合單向?qū)硬牧系谋饶A恳叱?-7倍。衛(wèi)星結構對強度、剛度以及使用環(huán)境的要求與飛機結構和導彈結構的要求有著明顯的差別。在衛(wèi)星的實際使用中采用高模量的碳纖維材料,不僅可以滿足強度還能滿足剛度需求。

      長征五號火箭在火箭助推器、芯一級、芯二級殼體表面長排罩上大量采用碳纖維泡沫夾層結構材料,這種罩體能夠在高溫高壓下正常運作。與金屬材料相比,可減重50%左右,與普通復合材料相比,可減重30%左右。對于一級半入軌的長征五號B火箭來說,這種減重效益更加鮮明。

      芯一級能減重多少,運載能力就可以提升多少,助推器減重與運載能力提高的比例更是高達1.25:1。為此,航天科技集團一院703所把大直徑大厚度碳纖維定制加工復合材料”3+2”蜂窩夾層結構整體成型技術,用在了長征五號B火箭芯一級尾段的壁板和防熱板結構中,替代原有的組合梁結合分瓣玻璃鋼底板的結構方案,成功實現(xiàn)減重約400公斤。











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