航天器結構材料的應用現狀與未來展望(2)
時間：2019-04-28 14:59 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
２航天器結構材料展望
隨著航天工業的迅速發展，航天器結構材料也將處于長期持續的發展之中。新型輕合金在航天器結構中使用的比例逐步增加，復合材料的應用更是促進了航天器結構用材的變革，并且正處于迅猛發展之中。結合了金屬與無機／有機材料優異性能的金屬基復合材料也已進入航天結構研究人員的視野。除此之外，結構材料與結構設計密不可分，一些傳統的復雜結構正在被全新的多功能結構（ＭＦＣ）和３Ｄ打印結構所取代。未來，航天器的結構材料將呈現多樣化、高性能的趨勢。
２.１傳統輕合金仍占主導地位，新型輕合金將逐步應用為了適應現代衛星高性能、輕結構的要求，合金材料有逐步被復合材料代替的趨勢。特別是當復合材料在汽車與航空領域已經大顯身手時，其在對材料輕質化要求更高的航天領域也開始躍躍欲試。然而隨著研究的深入，發現目前常用的樹脂基復合材料存在一些固有的缺陷，如韌性差、二次加工性能差、耐熱耐濕性差、空間環境適應性差等，短時間內很難在航天器上大面積應用，這為合金材料在航天領域的應用及發展提供了空間和機遇。近年的研究表明，通過在鋁合金和鎂合金中添加鋰，形成鋁鋰合金與鎂鋰合金（圖１），可以獲得密度更低且其他性能基本不降低的合金材料。美國曾將它們用于航天飛行器上，制作常溫和低溫下承受低載荷的結構件。上海衛星裝備所作為衛星制造與總裝單位，在“十二五”期間對西安交通大學研制開發出的鎂鋰合金開展了系統論證和應用研究，取得較好的成果，目前已經在部分型號的次承力構件推廣應用。
圖１ 鎂鋰合金構件
隨著制備技術與工藝的日漸成熟，尤其是近年來鎂合金表面處理技術水平的提升，該合金耐腐蝕性能提高，使其將在衛星結構中有更多的應用。鈦鎳合金由于具有形狀記憶功能也引起了航天領域的重視。在溫度低于材料的馬氏體逆轉變的開始溫度時，構件可在一定外力下任意變形（其極限應變可達６％～８％）。然后，當加熱到馬氏體逆轉變終了溫度時，由于熱彈性馬氏體相變原理，構件可自動恢復到原有的形狀。目前，鈦鎳合金已經在衛星管路接頭、熱敏元件等方面有應用性研究，并且研究表明形狀記憶合金的應用將代替原火工品的使用，能夠為安全可靠地釋放衛星上的機構提供更好的保障。因此，記憶合金是一種具有很大發展潛力的航天器金屬材料。
２.２復合材料發展勢頭良好，應用范圍將繼續增大復合材料發展時間較短，但其迅猛的發展趨勢也足以令人相信它有著巨大的應用前景。一直以來，復合材料在航空領域的應用都領先于航天。其在飛機上的應用已由次承力結構材料發展到主承力結構材料。世界上大型飛機如波音７８７、空客３８０ 等機型的結構件復合材料的用量占到了４０％～５０％，先進直升機結構件復合材料用量甚至占到了８０％以上。波音和空客公開的研究資料表明，到２０２０年它們的飛機結構件將全部采用復合材料。由此類推，復合材料在航天領域將有著巨大的發展空間和前景。這一點從衛星桁架上此前廣泛應用的鋁合金桁架接頭正由碳纖維復合材料接頭全部取代也可證明。圖２為典型的碳纖維復合材料接頭。截至目前，碳纖維高性能復合材料依然是復合材料研究與應用的重點。為了縮小與國際先進水平的差距，我國現在非常注重復合材料的預先研究。隨著低成本一體化制造技術的發展，自動化、大型化、高精度制造裝備日趨成熟，以及基體樹脂和碳纖維性能的不斷提高，碳纖維增強樹脂基復合材料的耐濕熱性及斷裂延伸率得到顯著改善，復合材料在航天器結構上的用量必將進一步增大。
除此之外，針對樹脂基復合材料固有的濕熱效應缺陷和導熱散熱不足等問題，也有人提出用金屬基體材料來彌補現有基體的不足，經試驗，可以極大地提高復合材料的性能，例如可將材料的使用溫度從１６０℃提高到４００℃以上，能承受更嚴酷的空間綜合輻照、高低溫交變環境條件，獲得極低的真空出氣率、良好的耐濕性能和密封性能等。２０１７年發射的最新氣象衛星風云四號的某關鍵載荷便使用了Ａｌ／ＳｉＣ復合材料構件（圖３），實現了空間溫度范圍內的尺寸高穩定與性能高可靠。可以預見，未來對金屬基復合材料的需求將進一步增加。
ＮＡＳＡ在２０１２年發布的《空間技術發展路線圖》中的“材料、結構、機械系統和制造”領域就曾強調結構輕量化設計以及多功能結構材料應用的重要性和研究的必要性。多功能結構材料可利用先進的計算設計和制造技術，實現之前難以獲得的綜合性能和功能。這些系統可以提高力學性能，增強對環境性能和損傷的感應能力，以及修復損傷的能力和持續性能。
國內這方面的研究也在不斷深入，航天材料及工藝研究所帶頭完成的“多功能結構復合材料集成技術”項目設計了具有多項功能的復合材料，實現了多項功能技術的高效集成，使結構減重達到３５％，已在多個型號產品上有所應用。可以想像，未來的航天器主結構還是由合金或更多的復合材料構成，其他部分的結構將不僅僅具有承受和傳遞力的能力，而且同時具有其他功能。隨著輕質材料和新型結構的應用，航天器將變得更小、更輕，而功能卻更加豐富。
３結語
隨著大型復雜高精度航天器的迅速發展和深空探測器開發進程的加快，航天器對于輕質高強結構材料的需求異常迫切。由于長期在太空服役，所選材料還必須具有良好的空間環境穩定性。鋁合金具有較好的綜合性能，一直以來都是衛星結構材料的首選；復合材料作為新興材料，因其具備密度低、可設計性強等突出優勢也備受航天器結構工作者的青睞。
縱觀當前衛星主體結構和相關預研項目的開展，輕合金尤其是鋁合金在一定時期內仍將占主導地位，新型輕合金如鎂鋰合金將逐步應用；復合材料發展勢頭良好，應用范圍將繼續增大，特別是Ａｌ／ＳｉＣ等金屬復合材料表現出良好的空間穩定性與可靠性；結構材料與功能材料的一體化將是最新發展趨勢。另外，納米復合材料、增材制造結構材料一體化等新興材料技術也開始在結構領域嶄露頭角，必將對航天器結構材料及其形式發展產生重大影響。
作者：王惠芬，楊碧琦，劉 剛，來源：上海衛星裝備研究所、新材料智庫
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