摘 要

太空計劃是全球各國競相追逐的熱點，而太空計劃主要由三個關鍵部分組成：衛(wèi)星、運載火箭和空間中心。

本文主要圍繞國外在空間領域用復合材料的研究進行了綜述，按照上述三個關鍵組成分別介紹了研究進展。

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

太空計劃和空間研究的發(fā)展一直是許多發(fā)達國家和發(fā)展中國家的關注焦點。空間領域可以為國家提供了廣泛的有益應用，如通信、農(nóng)業(yè)、經(jīng)濟、國防、科學和醫(yī)學研究等。衛(wèi)星、運載火箭和空間中心是太空計劃的三個關鍵組成部分。衛(wèi)星是指通過采用專門系統(tǒng)發(fā)射到太空的實體，它可以圍繞著恒星、行星或地球運行，其主要任務是收集信息。

運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送到太空。空間中心是指使用運載火箭將衛(wèi)星或有效載荷發(fā)射到空間的端口，它還用于接收運載火箭，在完成任務后將宇航員帶回地球，如我國的天宮一號空間中心。

長期以來，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合材料出現(xiàn)，由于CFRP綜合了成本效益高、易加工、高強度重量比、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)主導地位。

在航天用碳纖維復合材料中，存在一種特殊的復合材料被稱為纖維金屬層板（FML），目前在航天領域得到了廣泛的應用。FML是通過使用纖維增強粘合劑的交替層加固鋁板。這種組合對復合材料產(chǎn)品產(chǎn)生了協(xié)同效應，使金屬和增強材料具有更加優(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、比強度和成本效益。

1、衛(wèi)星結構用復合材料研究進展

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

在碳纖維金屬基復合材料領域，Toor等認為由于具有低放氣、高比強度、低熱膨脹系數(shù)（CTE）和重量輕等優(yōu)點，鋁基復合材料可在衛(wèi)星結構、有效載荷、姿態(tài)控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、熱控制系統(tǒng)和推進控制系統(tǒng)中實現(xiàn)應用。而帝國金屬工業(yè)公司（IMI）通過將CFRP鋪在鋁板上形成的蜂窩結構，最終可使衛(wèi)星結構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，具有更高的力學性能，但會存在電腐蝕和界面不穩(wěn)定等問題，可以通過鋁的預處理和適當?shù)墓に噥斫鉀Q。Jaroslaw等討論了鋁-碳纖維環(huán)氧增強層壓板的抗沖擊性和損傷增長機制，Al-CFRP層合板具有優(yōu)異的界面強度和損傷容限，主要歸因于CFRP出色的剛度、力學性能以及與鋁的韌性協(xié)同效應，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、拉伸和彎曲強度。

綜上研究結果可以推斷，通過鋪層取向、良好的損傷容限、抗疲勞、耐腐蝕、重量減輕和高比強度設計，針對Al-CFRP層合板在脫氣、振動和熱性能方面的進一步優(yōu)化，可使其成為衛(wèi)星結構應用很吸引力的候選材料。

2、運載火箭用復合材料研究進展

Steven討論了通過應用先進網(wǎng)格加強結構（AGS）來開發(fā)下一代運載火箭的方法，利用五軸長絲纏繞機的自動化工藝在芯軸上螺旋纏繞浸有未固化樹脂的纖維，得到了一種肋皮AGS結構的復合材料，其具有性價比高、可靠性高、強度高、抗損傷能力強、防潮性強等優(yōu)勢。這項技術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載火箭上，與金屬鋁制部件相比，重量減輕了61%，制造時間縮短了88%。

Christin探討了熱結構復合材料的發(fā)展、制造和應用，指出采用化學氣相滲透法（CVI）、熱解法（PIP）或樹脂-瀝青-聚合物浸漬法（樹脂-瀝青-聚合物浸漬法）對碳纖維和碳化硅預制纖維在2D和4D方向上進行增強，可制備出應用于運載火箭出口錐、喉管噴嘴、制動盤和助推器等結構件用的高溫復合材料。

Krenkel等研究了碳纖維-碳化硅復合材料的先進摩擦系統(tǒng)及在空間應用，通過以硅和碳化硅為基體，采用液態(tài)硅滲透工藝制備碳纖維-碳化硅多孔復合材料，該復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性能，可應用于碟形剎車、噴管葉片、發(fā)動機襟翼和運載火箭鼻罩等領域。

Kang等研究了以金屬鋁為內(nèi)襯、高模量碳纖維（HMCF）增強樹脂基復合材料為外層的運載火箭用低溫儲罐接頭系統(tǒng)，通過以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合材料產(chǎn)品，可在-150°C的條件下保持強度。

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

3、空間中心用復合材料研究進展

空間中心的發(fā)射臺設施本身是一個巨大的復雜結構。31000KN的推力從發(fā)射臺向上發(fā)射太空飛行器，如此巨大的力所產(chǎn)生的振動是巨大的，這種結構需要非常高強度的材料。目前還沒有關于發(fā)射臺設施材料的公開文獻，但根據(jù)上述討論可以推斷，對于便攜式發(fā)射臺，確實可以開發(fā)既輕又具有高阻尼強度的復合材料。

Theriot等討論了利用復合材料屏蔽外層空間輻射的問題，通過用Regolith（一種從月球中提取的材料）增強聚乙烯，開發(fā)了一種有趣的復合材料，該復合材料可以保護和屏蔽人體免受中子輻射的影響，而無需從地球上運輸此類材料。

Zhong等討論了復合材料對宇宙輻射的屏蔽試驗，以玻璃纖維環(huán)氧樹脂和納米環(huán)氧樹脂對超高分子量聚乙烯（UHMWPE）進行手糊補強的方法，所制備的復合材料對氯基輻射具有良好的屏蔽和保護作用，同時增強了結構屏蔽應用的機械性能。

Kumar報道了用于空間坡度傳感器，人造肌肉和執(zhí)行器的復合材料的前景，通過用帶電荷的聚電解質(zhì)膜和貴金屬增強碳或石墨，形成離子聚合物金屬復合材料（IPMCs），這對精確的傳感和驅動運動具有很大的潛力。這些復合材料可應用于宇航員的宇航服中，以實現(xiàn)更好、更精確的運動，也可實現(xiàn)小型結構的自動化裝配、對機械裝配和漫游車的微調(diào)以及用于對空間站和探索的機器人控制。

4、未來展望

對于長時間的太空任務而言，最大限度地減輕重量極其重要，因為它可以增加有效載荷附件，目前這只能通過用復合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬結構來實現(xiàn)。

用高性能和高性價比的復合材料代替運載火箭和衛(wèi)星材料是發(fā)展空間項目的一個重要研究領域，而為了使人類能夠在空間生存，必須開發(fā)具有超長使用壽命、具有結構和功能應用以及同時沒有生物和醫(yī)學副作用的復合材料。