摘 要

太空計(jì)劃是全球各國(guó)競(jìng)相追逐的熱點(diǎn)，而太空計(jì)劃主要由三個(gè)關(guān)鍵部分組成：衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和空間中心。

本文主要圍繞國(guó)外在空間領(lǐng)域用復(fù)合材料的研究進(jìn)行了綜述，按照上述三個(gè)關(guān)鍵組成分別介紹了研究進(jìn)展。

衛(wèi)星用復(fù)合材料研究主要以高模量碳纖維復(fù)合材料及鋁基復(fù)合材料為主，運(yùn)載火箭則主要集中在碳纖維-碳化硅高耐熱性復(fù)合材料研究，而空間中心主要研究焦點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)防輻射等功能性復(fù)合材料。

太空計(jì)劃和空間研究的發(fā)展一直是許多發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家的關(guān)注焦點(diǎn)。空間領(lǐng)域可以為國(guó)家提供了廣泛的有益應(yīng)用，如通信、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟(jì)、國(guó)防、科學(xué)和醫(yī)學(xué)研究等。衛(wèi)星、運(yùn)載火箭和空間中心是太空計(jì)劃的三個(gè)關(guān)鍵組成部分。衛(wèi)星是指通過(guò)采用專門系統(tǒng)發(fā)射到太空的實(shí)體，它可以圍繞著恒星、行星或地球運(yùn)行，其主要任務(wù)是收集信息。

運(yùn)載火箭可以看作是重型火箭，它主要用于將衛(wèi)星、宇航員或其他有效載荷從地球運(yùn)送到太空。空間中心是指使用運(yùn)載火箭將衛(wèi)星或有效載荷發(fā)射到空間的端口，它還用于接收運(yùn)載火箭，在完成任務(wù)后將宇航員帶回地球，如我國(guó)的天宮一號(hào)空間中心。

長(zhǎng)期以來(lái)，金屬鋁和鋁合金是航天工業(yè)最有前途的材料之一，原因在于其優(yōu)異的強(qiáng)度重量比、可加工性、成本效益、耐腐蝕性等。但是隨著高性能碳纖維復(fù)合材料出現(xiàn)，由于CFRP綜合了成本效益高、易加工、高強(qiáng)度重量比、多功能性和隔熱、燒蝕等多種性能，因此成為航天領(lǐng)域最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N材料，并逐漸在航天工業(yè)中占據(jù)主導(dǎo)地位。

在航天用碳纖維復(fù)合材料中，存在一種特殊的復(fù)合材料被稱為纖維金屬層板（FML），目前在航天領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。FML是通過(guò)使用纖維增強(qiáng)粘合劑的交替層加固鋁板。這種組合對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，使金屬和增強(qiáng)材料具有更加優(yōu)異的性能，如耐腐蝕性、隔熱性、損傷容限、重量減輕、疲勞耐久性、比強(qiáng)度和成本效益。

1、衛(wèi)星結(jié)構(gòu)用復(fù)合材料研究進(jìn)展

Schelder等分析了不同類型的碳纖維復(fù)合材料在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用，指出單向高模量碳纖維復(fù)合材料（HM-CFRP）可應(yīng)用于衛(wèi)星吊帶、吊臂、外殼和太陽(yáng)能電池板等領(lǐng)域，HM-CFRP在這些的應(yīng)用歸因于利用其各向異性特性，可定制實(shí)現(xiàn)高剛度、高比強(qiáng)度、低熱膨脹/導(dǎo)電性和尺寸穩(wěn)定性。由于玻璃纖維和芳綸纖維復(fù)合材料的低傳輸損耗和導(dǎo)電性，可在衛(wèi)星天線中獲得廣泛應(yīng)用。

在碳纖維金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域，Toor等認(rèn)為由于具有低放氣、高比強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)（CTE）和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，鋁基復(fù)合材料可在衛(wèi)星結(jié)構(gòu)、有效載荷、姿態(tài)控制系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)和推進(jìn)控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。而帝國(guó)金屬工業(yè)公司（IMI）通過(guò)將CFRP鋪在鋁板上形成的蜂窩結(jié)構(gòu)，最終可使衛(wèi)星結(jié)構(gòu)組件的重量比金屬組件減少33%。

Patil等研究發(fā)現(xiàn)Al-CFRP層合板與玻璃纖維層合板相比，具有更高的力學(xué)性能，但會(huì)存在電腐蝕和界面不穩(wěn)定等問(wèn)題，可以通過(guò)鋁的預(yù)處理和適當(dāng)?shù)墓に噥?lái)解決。Jaroslaw等討論了鋁-碳纖維環(huán)氧增強(qiáng)層壓板的抗沖擊性和損傷增長(zhǎng)機(jī)制，Al-CFRP層合板具有優(yōu)異的界面強(qiáng)度和損傷容限，主要?dú)w因于CFRP出色的剛度、力學(xué)性能以及與鋁的韌性協(xié)同效應(yīng)，此外還指出層合板中使用最佳配置是在0°/90°和±45°方向。Dinca等討論了FMLs的力學(xué)性能，與玻璃纖維和金屬材料層合板相比，F(xiàn)ML具有優(yōu)異的損傷容限、耐疲勞、抗裂、拉伸和彎曲強(qiáng)度。

綜上研究結(jié)果可以推斷，通過(guò)鋪層取向、良好的損傷容限、抗疲勞、耐腐蝕、重量減輕和高比強(qiáng)度設(shè)計(jì)，針對(duì)Al-CFRP層合板在脫氣、振動(dòng)和熱性能方面的進(jìn)一步優(yōu)化，可使其成為衛(wèi)星結(jié)構(gòu)應(yīng)用很吸引力的候選材料。

2、運(yùn)載火箭用復(fù)合材料研究進(jìn)展

Steven討論了通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)網(wǎng)格加強(qiáng)結(jié)構(gòu)（AGS）來(lái)開(kāi)發(fā)下一代運(yùn)載火箭的方法，利用五軸長(zhǎng)絲纏繞機(jī)的自動(dòng)化工藝在芯軸上螺旋纏繞浸有未固化樹(shù)脂的纖維，得到了一種肋皮AGS結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，其具有性價(jià)比高、可靠性高、強(qiáng)度高、抗損傷能力強(qiáng)、防潮性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)技術(shù)被用于制造有效載荷罩，該圓錐形組件將有效載荷封裝在運(yùn)載火箭上，與金屬鋁制部件相比，重量減輕了61%，制造時(shí)間縮短了88%。

Christin探討了熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的發(fā)展、制造和應(yīng)用，指出采用化學(xué)氣相滲透法（CVI）、熱解法（PIP）或樹(shù)脂-瀝青-聚合物浸漬法（樹(shù)脂-瀝青-聚合物浸漬法）對(duì)碳纖維和碳化硅預(yù)制纖維在2D和4D方向上進(jìn)行增強(qiáng)，可制備出應(yīng)用于運(yùn)載火箭出口錐、喉管噴嘴、制動(dòng)盤和助推器等結(jié)構(gòu)件用的高溫復(fù)合材料。

Krenkel等研究了碳纖維-碳化硅復(fù)合材料的先進(jìn)摩擦系統(tǒng)及在空間應(yīng)用，通過(guò)以硅和碳化硅為基體，采用液態(tài)硅滲透工藝制備碳纖維-碳化硅多孔復(fù)合材料，該復(fù)合材料具有高耐磨性、良好的熱沖擊性、低密度、良好的耐磨性和出色的摩擦學(xué)性能，可應(yīng)用于碟形剎車、噴管葉片、發(fā)動(dòng)機(jī)襟翼和運(yùn)載火箭鼻罩等領(lǐng)域。

Kang等研究了以金屬鋁為內(nèi)襯、高模量碳纖維（HMCF）增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料為外層的運(yùn)載火箭用低溫儲(chǔ)罐接頭系統(tǒng)，通過(guò)以Bondex606、EA9696和FM73為粘合劑，在鋁制6061-T6襯里外部使用HM-CFRP層壓制備得到了一種可靠的復(fù)合材料產(chǎn)品，可在-150°C的條件下保持強(qiáng)度。

Glass等討論了陶瓷基復(fù)合材料在運(yùn)載火箭熱防護(hù)系統(tǒng)中的應(yīng)用，碳纖維-碳化硅復(fù)合材料、碳碳復(fù)合材料、碳化硅-碳化硅復(fù)合材料具有優(yōu)異的高溫耐久性、熱沖擊、重量輕和良好的尺寸穩(wěn)定性，可用于運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)軌道盤、蓋板、承重航空航天器殼、燃料管、機(jī)體襟翼、裝配接頭和熱障涂層的隔熱結(jié)構(gòu)。

3、空間中心用復(fù)合材料研究進(jìn)展

空間中心的發(fā)射臺(tái)設(shè)施本身是一個(gè)巨大的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。31000KN的推力從發(fā)射臺(tái)向上發(fā)射太空飛行器，如此巨大的力所產(chǎn)生的振動(dòng)是巨大的，這種結(jié)構(gòu)需要非常高強(qiáng)度的材料。目前還沒(méi)有關(guān)于發(fā)射臺(tái)設(shè)施材料的公開(kāi)文獻(xiàn)，但根據(jù)上述討論可以推斷，對(duì)于便攜式發(fā)射臺(tái)，確實(shí)可以開(kāi)發(fā)既輕又具有高阻尼強(qiáng)度的復(fù)合材料。

Theriot等討論了利用復(fù)合材料屏蔽外層空間輻射的問(wèn)題，通過(guò)用Regolith（一種從月球中提取的材料）增強(qiáng)聚乙烯，開(kāi)發(fā)了一種有趣的復(fù)合材料，該復(fù)合材料可以保護(hù)和屏蔽人體免受中子輻射的影響，而無(wú)需從地球上運(yùn)輸此類材料。

Zhong等討論了復(fù)合材料對(duì)宇宙輻射的屏蔽試驗(yàn)，以玻璃纖維環(huán)氧樹(shù)脂和納米環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)超高分子量聚乙烯（UHMWPE）進(jìn)行手糊補(bǔ)強(qiáng)的方法，所制備的復(fù)合材料對(duì)氯基輻射具有良好的屏蔽和保護(hù)作用，同時(shí)增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)屏蔽應(yīng)用的機(jī)械性能。

Kumar報(bào)道了用于空間坡度傳感器，人造肌肉和執(zhí)行器的復(fù)合材料的前景，通過(guò)用帶電荷的聚電解質(zhì)膜和貴金屬增強(qiáng)碳或石墨，形成離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料（IPMCs），這對(duì)精確的傳感和驅(qū)動(dòng)運(yùn)動(dòng)具有很大的潛力。這些復(fù)合材料可應(yīng)用于宇航員的宇航服中，以實(shí)現(xiàn)更好、更精確的運(yùn)動(dòng)，也可實(shí)現(xiàn)小型結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化裝配、對(duì)機(jī)械裝配和漫游車的微調(diào)以及用于對(duì)空間站和探索的機(jī)器人控制。

4、未來(lái)展望

對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間的太空任務(wù)而言，最大限度地減輕重量極其重要，因?yàn)樗梢栽黾佑行лd荷附件，目前這只能通過(guò)用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

用高性能和高性價(jià)比的復(fù)合材料代替運(yùn)載火箭和衛(wèi)星材料是發(fā)展空間項(xiàng)目的一個(gè)重要研究領(lǐng)域，而為了使人類能夠在空間生存，必須開(kāi)發(fā)具有超長(zhǎng)使用壽命、具有結(jié)構(gòu)和功能應(yīng)用以及同時(shí)沒(méi)有生物和醫(yī)學(xué)副作用的復(fù)合材料。