碳纤维材料在我国卫星制造领域的应用及国产化需求

洪晓明 岳明

摘要：碳纤维是我国各行业中不可缺少的高性能纤维材料，作为21世纪新材料领域中的新型科技材料，其含碳值超过自身总结构的九成，具有高强度、高耐性以及轻质等特性，因而备受我国各行各业青睐。碳纤维材料作为我国战略意义上最为重要的基础材料，其在信息时代发展背景下对我国社会发展起到极大地促进作用，且具有极高的军事价值以及经济意义。基于此，本文从卫星制造领域入手，提出碳纤维材料的应用以及国产化相关需求。

关键词：碳纤维材料;卫星制造领域;国产化

中图分类号：TQ342.742    文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）07-0000-00

通常情况下，人们所能接触到的碳纤维分为三类，分别为沥青基、粘胶基以及聚丙烯三种，这里所提到的聚丙烯全称为聚丙烯晴基，是我国在进行碳纤维材料使用中最为常见的一种，在其整个生产过程中可以分为两部分，分别为原丝生产工作以及原丝碳化工作。而本文中所提到的卫星一般是指人造卫星，随着我国科学技术水平的不断提高，卫星无论是从国民的日常生活还是国防领域都有着极高的现实意义，并且种类较多。在我国，能够对电视广播进行信号传输的应用卫星、气象卫星能对天气情况进行详细观测，而定位卫星则是我国交通领域的根本，能够对地面物体进行有效定位。

1 碳纤维材料的本质

碳纤维材料的本质是有机纤维，人们通过对有机纤维进行碳化或者石墨化处理工作，形成的微晶石墨材料便是当前的碳纤维材料。从微观角度来看，碳纤维材料的结构与人造石墨相似，两者同为乱层石墨结构。但是，碳纤维本身具有多种优良特性，如自身熔点高、耐腐蚀性强以及有着良好的导电性，其在应用方面所起到的作用是人造石墨无法比拟的[1]。如今，碳纤维不仅被应用在军事工业，在很多与国民生活息息相关的领域中也能发现碳纤维材料的身影，尤其是在卫星制造领域更是有着极为广阔的发展前景。

2 CFRP的特性

2.1密度小

碳纤维材料中CFRP具有各向异性等特点，这种材料本身的密度值基本上与镁相同，而镁金属材料的密度则是其他种类材料的0.26倍。在进行卫星结构方面的制造过程中使用CFRP作为主要材料，能够在极大程度上减轻卫星的整体重量，通常情况下，使用CFRP的卫星结构要在质量方面比其他材料结构轻上四成左右。

2.2比模量高

CFRP拥有着极强的轻质性，人们所用的传统碳纤维材料其本身拉伸强度与密度之间的比例相对较小，且弹性方面也有着较大的差值，而CFRP碳纤维材料则并非如此，不仅比强度高，而且比模量也要远超其他类型的碳纤维材料。就目前来看，我国所使用的CFRP碳纤维材料被应用到卫星制造过程中时，其强度要远超钢制材料4倍之多，甚至还要比铝合金高3倍。如此，高比模量会提升空间的使用感，从而使我国在卫星创造方面所面临的难题迎刃而解。

2.3先进性

CFRP材料作为一种复合性材料，其本身具备极强的各向异性特点。从化学角度分析，CFRP材料本身的各项系数相对较高，无论是导热性还是比热性都远超其他材料，而在力学方面，CFRP材料的水平軸向以及垂直轴向与其他材料都有极大差异。通过使用CFRP材料能够为设计人员在卫星设计的过程中提供更多的选择性[2]。CFRP纤维材料本身具有可调整性，因铺层本身所存在的易性特征不同，设计人员在进行卫星制造时可以根据其本身的铺层方向调整来实现设计过程中的强度需要。此外，CFRP纤维材料结构本身的质量比相对较高，在进行设计过程中能够为设计人员提供极为广阔的设计空间，这是其他材料无法相比的。

2.4抗疲劳性

材料本身的疲劳性，其本质是指材料本身的质量以及所处的方向随着时间变化而发生断裂的现象，这一过程也被称为疲劳破坏现象。而CFRP纤维材料在自身结构方面因碳纤维的存在，加上树脂基体所具备的良好拉伸性，能够防止裂纹问题的发生，使得CFRP纤维材料在进行使用的过程中能够有效预防疲劳破坏现象的发生，而且CFRP纤维材料本身为复合材料，这种类型的材料其本身的抗疲劳性要远远超过常规金属材料，如果将传统的金属材料所具备的疲劳强度极限设置为45，那么类似于CFRP纤维材料这种复合型材料本身的拉伸强度便是85左右，由此不难发现，时间越长，CFRP纤维材料所能起到的作用就越明显。

2.5耐高温性

铝合金材料的耐高温性极限为400℃，当铝合金材料所受外界温度超过极限时，其自身的弹性模量就会归0，无法进行相应的拉伸工作，其强度也会因此受到极大影响。而CFRP纤维材料则并非如此，由于这种复合型材料本身耐高温性较强，即便处于400℃高温情况下，自身的弹性模量以及强度也不会因此受到影响，而且CFRP纤维材料本身具备较强的耐腐蚀性，在高温情况下能够确保卫星内部温度维持正常水准，表面上所添加的烧蚀材料会将温度更好的隔绝在外。

2.6安全性高

在力学性能方面CFRP纤维材料本身具备极高的承载力，能够自我形成超静定体系，一旦在卫星制造中使用CFRP纤维材料，卫星的整体结构就会处于十分稳定状态。事实上，CFRP纤维材料本身也存在损坏现象，但与其他材料不同，要使CFRP纤维材料出现明显的裂痕，材料本身首先要面临基体损伤，而后才会开裂，进而导致纤维断裂等问题的发生，因此其整个周期十分漫长，即便CFRP纤维材料因为受力超过最大承载力也会造成一部分内部纤维出现断裂现象，其余的压力会随着断裂纤维传递到其他位置。由此可见，CFRP纤维材料本身具备极高的安全性与稳定性。

3 碳纤维材料在我国卫星制造领域的应用

（1）人们在进行卫星制造过程中，往往会选择强度高或耐性强的材料，因此无论是钢制材料还是铝合金材料都无法满足需要，而CFRP纤维材料的出现在极大程度上缓解了我国当前卫星制造领域所面临的尴尬处境。CFRP纤维材料是当前卫星本体结构的最佳材料，通常在进行CFRP纤维材料融入的过程中，为了提升卫星本身的安全性以及承载力，会将其应用在卫星的外部结构、中心承力结构以及仪器的安装底板中[3]。

（2）在进行卫星制造的过程中，相关人员需要对卫星在工作中所消耗的电力进行计算，一般情况下会用太阳能电池组进行电力措施的安装。而人造卫星在进行发射的过程中，往往会先将电池板进行折叠，到达一定位置后才会开展相应工作。而CFRP纤维材料本身具备轻质特点，能满足当前卫星展开面积过大的需要，且本身强度高，在进行大型太阳能电池板的制作过程中能够起到巨大作用。

（3）天线是卫星的灵魂，无论功能如何，天线都是卫星必不可缺的重要组成部分，通常情况下，人们会将天线安装在卫星表面，进而方便其进行相应的信息接收工作。而一旦卫星被观测到时，天线往往会被最先暴露出来。此外，不同功能的卫星对于天线的需要也不同，很多时候为了满足相应的功能要求，在同一个卫星上也会添加众多天线。

4 我国在碳纤维材料领域的研究现状

（1）如今，我国在有关CFRP纖维材料的研究方面还远远不够，尤其是在性能、质量方面，CFRP纤维材料无法满足军事领域以及民用领域的需要，甚至在市场价格方面也让众多企业望而却步。就本文所进行论述的卫星领域而言，因为其使用面积较大，对于CFRP纤维材料的需求量极高，而想要有效解决这一问题，就要加强对CFRP纤维材料的生产[4]。

（2）CFRP纤维材料所在的复合材料学科因其本身具有极强的综合性，所涉及的学科相对较多，我国除了要加强CFRP纤维材料生产效率外，还要加强对有关学科复合型人才的培养，以此来确保相关专业人才的流入，避免复合材料领域出现人才青黄不接的现象。而且还要时刻关注国外的CFRP纤维材料发展情况，学习最先进的技术与理论知识，并对其进行深入研究。

5结语

综上所述，碳纤维材料有着极其优异的特性，因此得到我国各领域的广泛应用。尤其是在卫星领域方面，更是远超其他材料，而如何提高CFRP纤维材料的生产效率是当前我国材料领域所要面临的一大问题。

参考文献

[1]薛昊飞.碳纤维复合材料在航空领域的应用与发展展望[J].科学家，2017（5）：12.

[2]陶积柏，黎昱，张玉生，等.高模量碳纤维在中国宇航结构产品上的应用现状及实现自我保障的建议[J].材料科学与工艺，2015（6）：98-103.

[3]李奇辉，刘向阳，房晓斌.碳纤维复合材料的应用现状及我国碳纤维工业的发展方向[J].价值工程，2016（17）：113-115.

[4]黄硕，王亮，陈超.我国碳纤维复合材料在汽车上的应用趋势和建议[J].中国材料科技与设备，2015，11（3）：59-62.

收稿日期：2020-06-20

作者简介：洪晓明（1985—），男，福建南安人，本科，工程师，研究方向：复合材料制造。

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