航天器結構材料的應用現狀與未來展望
時間：2019-04-28 14:59 來源：南極熊 作者：中國3D打印網 閱讀：次
自1957年第一顆人造地球衛星發射以來，人類就從未停止對航天結構材料的研究與關注。近年來，衛星技術的迅速發展，一方面對結構材料提出了更高的要求，另一方面也促進了新材料的產生與發展。世界各大航天機構都設有專門的材料研究中心，持續開展航天器結構材料的開發。例如，美國ＮＡＳＡ的蘭利研究中心和國內的航天材料及工藝研究所等都是負責研發和測試航空航天新型材料和結構的機構。ＮＡＳＡ在２０１２年發布的《空間技術發展路線圖》中，依然將材料與結構列為最優先發展的十四大領域之一，并且在2015年對其進行了細化與完善。
由于航天器載荷的復雜性和服役環境的特殊性，材料的選用要求往往與常規機械產品有很大區別。作為結構材料，最基礎的作用就是承受和傳遞載荷，因而所選材料必須強度高、模量大、韌性好。特別是隨著載人航天與深空探測事業的發展，有效載荷逐漸增多，衛星平臺越來越大，對材料此方面的性能提出了更高要求。我國的風云系列氣象衛星在發展到第三代，也即第二代極軌氣象衛星ＦＹ－３時，遙感探測器已達１２個之多，其平臺也相應地要求具有更大的衛星承載能力。
在不降低材料性能的前提下，輕量化是工業界追求的永恒目標，它的實現不僅有利于削減成本，而且有助于減少環境污染。以汽車為例，其質量每減輕１０％，就會節省６％～８％的燃料。這對發射成本異常昂貴的衛星而言更加適用，據統計，進入空間軌道的航天運載器質量每減輕１ｋｇ，其發射費用將節省約２萬美元，因此必須采用密度盡量低的材料。結合高強度和大剛度的性能要求，需要采用比模量（彈性模量與密度之比）高和比強度（強度與密度之比）大的材料。其中，高比模量的材料還非常有利于提高結構的自然頻率和穩定性，防止在發射時引起過大的動態響應載荷，保證衛星姿態控制系統的正常運行及提高衛星薄壁結構在發射壓縮載荷下的穩定性。
另外，由于衛星長期在太空服役且在軌壽命延長，因而所選材料還必須具有良好的空間環境穩定性。對于結構材料，尤其是暴露在空間的外部材料，要求在真空、高低溫交變、紫外輻照、電子輻照、原子氧等
條件下不發生大幅的成分、結構與質量變化，從而能夠保證所需的力學性能和物理性能。
１航天器結構材料的性能特點與應用現狀
目前，航天器用結構材料主要有金屬材料與復合材料兩大類。金屬材料具有成熟的使用性能和加工制造基礎，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，并有逐漸代替金屬作為衛星主結構材料的趨勢。
１.１金屬材料
金屬材料具有可焊接的特點，常用于衛星密封殼體結構中，在接頭、支架等承力結構件上也有廣泛應用。金屬材料中，合金鋼是工業界使用最廣泛的結構材料，但是在航空航天領域除了少部分結構采用合金鋼以外，主要都采用更加輕質的鋁合金、鈦合金、鎂合金等。如表１所示，在比模量相當的情況下，輕質合金的密度低很多。
在輕質合金中，鋁合金價格相對便宜，導熱性、導電性良好且抗腐蝕性能好，是目前衛星上應用最廣泛的輕金屬材料。部分鋁合金還具有良好的低溫性能，隨著溫度的下降，其強度和塑性都有所增加。在經典的航天飛機時代，乘員艙、前機身、中機身、后機身、垂尾、襟翼、升降副翼和水平尾翼均由鋁合金制造。在美國，研究和應用較多的主要有７０７５、７４７５和７０５５等７系鋁合金。這些成分的鋁合金不僅具有高強度，而且具有高韌性，一直是各國航天材料研究人員追求的目標。受限于材料制備技術的發展，高強鋁合金在我國的應用較少，但是要實現航天器的輕量化設計，這始終是一個值得研究的方向。
目前應用在航天器上的鋁合金主要有鋁合金厚板、鋁蜂窩板和鋁－鋰合金等。其中，鋁合金厚板具有高強度、良好的韌性、抗應力性能和抗剝落腐蝕性能，而且其斷裂韌性較好，抗疲勞裂紋擴展能力強，作為航天航空用材料具有很好的綜合性能。另外，鋁蜂窩夾芯板結構以其比強度高、比剛度高、隔熱隔振性能好、可設計性強等特點，被廣泛應用于航空航天領域，已成為現代衛星主要的承力結構。２０世紀８０年代發展起來的鋁－鋰合金由于鋰的添加可以降低合金的密度，增加剛度，同時仍然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性，被認為是２１世紀航空航天領域最理想的結構材料。上述三類鋁合金因在航空航天領域的優異表現，都將是我國在鋁合金方面研究努力的方向與重點。
鈦合金相比于其他輕金屬材料的優勢在于比強度最高、耐腐蝕性最好（甚至遠優于不銹鋼），并且高低溫力學性能很好，能在５５０℃高溫和零下２５０℃低溫下長期工作而保持性能不變（鋁合金最高僅能在２００～３００℃工作）。鈦合金線膨脹系數小，可以用作要求尺寸不隨溫度變化的構件。第一代航天飛機的熱防護系統部分采用了鈦合金Ｔｉ１１００作為防熱瓦。英國空天飛機ＨＯＴＯＬ的機身材料也部分采用了鈦合金。國內新型通信衛星的承力筒錐段由于采用高強鈦合金制成大口徑雙波紋殼結構，其質量減輕了約５０％，抗載能力提高了８０％。
鑒于鈦合金高昂的價格，其一般只用于承載力大的關鍵部位或者同時對結構性能與熱學性能有較高要求的場合。但是鈦合金由于具有優異的力學、熱學和化學性能，不僅在結構系統，在其他如控制系統中也表現出巨大的潛力。并且鈦資源豐富，蘊藏量僅次于鐵、鋁。目前的難點就在于從原始資源到市場之間的轉化存在較大的阻力，技術與經濟都是重要的問題。
鎂合金是表１所列合金中密度最低的材料，并且減振能力好，易切削加工和可回收，被譽為“二十一世紀綠色金屬工程結構材料”。目前，歐美及日本等工業發達國家高度重視鎂合金的研究和開發，并己將鎂合金應用到航空航天、汽車、軍事與３Ｃ產業等領域。衛星用鎂合金多為鑄造鎂合金，強度相對較低，一般用于制作常溫和低溫下承受低載荷的結構件。國內研究鎂合金的單位很多，但是在航天器上的應用還并不是很廣泛，局限在于鎂合金耐腐蝕性能不強，且長時間工作溫度不能超過１５０℃。
１.２復合材料
航天器結構用復合材料主要是纖維增強型的復合材料，基體一般為熱固性環氧樹脂。按照纖維的種類不同可分為碳纖維增強型（常見牌號有Ｍ６０、Ｍ５５Ｊ、Ｍ４０Ｊ、Ｔ７００等）、凱夫拉纖維增強型、玻璃纖維增強型和硼纖維增強型等。對比表１、表２，可見復合材料的比模量和比強度都遠高于上述輕合金。
復合材料中，碳纖維／環氧復合材料（ＣＦＲＰ）密度低（與鎂和鈹相當）、強度高（達鋁合金的３倍多）、模量大，輕質高強性能尤為顯著，是所有航空航天領域最受歡迎的復合材料。由于ＣＦＲＰ具有各向異性，所以它具有很強的可設計性，能為不同服役條件提供最優的材料選擇。同時，復合材料易于大面積整體成型的特性也為簡化航天器生產工序、縮短生產周期提供了重要保障。國內外航天器上復合材料的使用已經占到較大比例。目前，碳纖維增強復合材料在衛星上的應用主要體現在衛星本體結構、太陽電池陣和天線結構等方面。由于其具有較高的比強度、較大的比剛度和良好的抗疲勞等性能特征，非常適合應用于衛星外殼、中心承力筒和各種儀器安裝結構板等部位。又因為ＣＦＲＰ具有線膨脹系數小的特點，所以大型電池陣經常采用該材料。衛星上安裝的大型拋物面天線等強方向天線要求在溫度急劇變化的空間環境中仍能保持穩定的外形，所以碳纖維增強復合材料也比較適用。
但是復合材料也存在一些固有的缺陷，例如吸濕性，ＣＦＲＰ在大氣中存儲和使用時，水分與溫度的作用會使其力學性能明顯下降。樹脂基體吸濕后會引起體積膨脹，不僅會產生濕熱變形與應力，同時還會降低材料本身的剛度和強度。另外，ＣＦＲＰ加工精度的穩定性也有待提高。針對這些問題，研究發展高模量、高強度以及高導熱率的纖維，進一步改善樹脂基體的耐高低溫性能，同時大力發展復合材料的自動化制造裝備將是有效的解決辦法。
在不降低材料性能的前提下，輕量化是工業界追求的永恒目標，它的實現不僅有利于削減成本，而且有助于減少環境污染。以汽車為例，其質量每減輕１０％，就會節省６％～８％的燃料。這對發射成本異常昂貴的衛星而言更加適用，據統計，進入空間軌道的航天運載器質量每減輕１ｋｇ，其發射費用將節省約２萬美元，因此必須采用密度盡量低的材料。結合高強度和大剛度的性能要求，需要采用比模量（彈性模量與密度之比）高和比強度（強度與密度之比）大的材料。其中，高比模量的材料還非常有利于提高結構的自然頻率和穩定性，防止在發射時引起過大的動態響應載荷，保證衛星姿態控制系統的正常運行及提高衛星薄壁結構在發射壓縮載荷下的穩定性。
另外，由于衛星長期在太空服役且在軌壽命延長，因而所選材料還必須具有良好的空間環境穩定性。對于結構材料，尤其是暴露在空間的外部材料，要求在真空、高低溫交變、紫外輻照、電子輻照、原子氧等
條件下不發生大幅的成分、結構與質量變化，從而能夠保證所需的力學性能和物理性能。
１航天器結構材料的性能特點與應用現狀
目前，航天器用結構材料主要有金屬材料與復合材料兩大類。金屬材料具有成熟的使用性能和加工制造基礎，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，并有逐漸代替金屬作為衛星主結構材料的趨勢。
１.１金屬材料
金屬材料具有可焊接的特點，常用于衛星密封殼體結構中，在接頭、支架等承力結構件上也有廣泛應用。金屬材料中，合金鋼是工業界使用最廣泛的結構材料，但是在航空航天領域除了少部分結構采用合金鋼以外，主要都采用更加輕質的鋁合金、鈦合金、鎂合金等。如表１所示，在比模量相當的情況下，輕質合金的密度低很多。
目前應用在航天器上的鋁合金主要有鋁合金厚板、鋁蜂窩板和鋁－鋰合金等。其中，鋁合金厚板具有高強度、良好的韌性、抗應力性能和抗剝落腐蝕性能，而且其斷裂韌性較好，抗疲勞裂紋擴展能力強，作為航天航空用材料具有很好的綜合性能。另外，鋁蜂窩夾芯板結構以其比強度高、比剛度高、隔熱隔振性能好、可設計性強等特點，被廣泛應用于航空航天領域，已成為現代衛星主要的承力結構。２０世紀８０年代發展起來的鋁－鋰合金由于鋰的添加可以降低合金的密度，增加剛度，同時仍然保持較高的強度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性，被認為是２１世紀航空航天領域最理想的結構材料。上述三類鋁合金因在航空航天領域的優異表現，都將是我國在鋁合金方面研究努力的方向與重點。
鈦合金相比于其他輕金屬材料的優勢在于比強度最高、耐腐蝕性最好（甚至遠優于不銹鋼），并且高低溫力學性能很好，能在５５０℃高溫和零下２５０℃低溫下長期工作而保持性能不變（鋁合金最高僅能在２００～３００℃工作）。鈦合金線膨脹系數小，可以用作要求尺寸不隨溫度變化的構件。第一代航天飛機的熱防護系統部分采用了鈦合金Ｔｉ１１００作為防熱瓦。英國空天飛機ＨＯＴＯＬ的機身材料也部分采用了鈦合金。國內新型通信衛星的承力筒錐段由于采用高強鈦合金制成大口徑雙波紋殼結構，其質量減輕了約５０％，抗載能力提高了８０％。
鑒于鈦合金高昂的價格，其一般只用于承載力大的關鍵部位或者同時對結構性能與熱學性能有較高要求的場合。但是鈦合金由于具有優異的力學、熱學和化學性能，不僅在結構系統，在其他如控制系統中也表現出巨大的潛力。并且鈦資源豐富，蘊藏量僅次于鐵、鋁。目前的難點就在于從原始資源到市場之間的轉化存在較大的阻力，技術與經濟都是重要的問題。
鎂合金是表１所列合金中密度最低的材料，并且減振能力好，易切削加工和可回收，被譽為“二十一世紀綠色金屬工程結構材料”。目前，歐美及日本等工業發達國家高度重視鎂合金的研究和開發，并己將鎂合金應用到航空航天、汽車、軍事與３Ｃ產業等領域。衛星用鎂合金多為鑄造鎂合金，強度相對較低，一般用于制作常溫和低溫下承受低載荷的結構件。國內研究鎂合金的單位很多，但是在航天器上的應用還并不是很廣泛，局限在于鎂合金耐腐蝕性能不強，且長時間工作溫度不能超過１５０℃。
１.２復合材料
航天器結構用復合材料主要是纖維增強型的復合材料，基體一般為熱固性環氧樹脂。按照纖維的種類不同可分為碳纖維增強型（常見牌號有Ｍ６０、Ｍ５５Ｊ、Ｍ４０Ｊ、Ｔ７００等）、凱夫拉纖維增強型、玻璃纖維增強型和硼纖維增強型等。對比表１、表２，可見復合材料的比模量和比強度都遠高于上述輕合金。
但是復合材料也存在一些固有的缺陷，例如吸濕性，ＣＦＲＰ在大氣中存儲和使用時，水分與溫度的作用會使其力學性能明顯下降。樹脂基體吸濕后會引起體積膨脹，不僅會產生濕熱變形與應力，同時還會降低材料本身的剛度和強度。另外，ＣＦＲＰ加工精度的穩定性也有待提高。針對這些問題，研究發展高模量、高強度以及高導熱率的纖維，進一步改善樹脂基體的耐高低溫性能，同時大力發展復合材料的自動化制造裝備將是有效的解決辦法。
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