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1、碳纤维复合材料在光学遥感器中的应用探讨盛 磊 陈 萍(北京空间机电研究所,北京 100076)摘 要 碳纤维复合材料因性能优异而成为光学遥感器新一代理想的结构材料。由于光学遥感器的特殊性,使得复合材料的材料选择和成型工艺更为严格。文章结合卫星光学遥感器相机镜筒的设计要求,阐述了成型技术应着力解决的问题。关键词 碳纤维复合材料 光学遥感器 成型技术 卫星Discussion and Application of Carbon FiberComposites in Optical Remote SensorsSheng Lei Chen Ping(Beijing Institute of Spac
2、e Machanics&Electricity,Beijing 100076)Abstract Carbon fiber composites were widely used in new optical remote sensors for excellent property.The ma2terials selection and modeling technique of composites were strict because of the special characteristic of optical remotesensors.According to the desi
3、gn of the camera tube in the optical remote sensor,this paper emphasized the solution ofmodeling technique problem.Key Words Carbon fiber composites Remote sensor Manufacture technique Satellite收稿日期:2008-04-081 引言高性能碳纤维复合材料,作为新一代的结构材料已在航天器上被大量应用,对各类航天器结构质量的减轻和性能改善发挥了巨大作用,产生了很高的效益。北京空间机电研究所开展卫星、运载火箭、
4、宇宙飞船等航天器结构复合材料成型技术研究已有 50年,研制生产了大量天线及支承架、太阳电池基板(壳体)及连接架、星(箭)体结构板、结构壳、仪器安装板、承力筒、发动机支架等典型的航天器复合材料结构件;近 20 年来,又开展了空间光学遥感器复合材料结构成型技术的研究,研制生产了相机镜筒、支承杆(座),遮阳罩、反射镜基等结构。作为航天器有效载荷的光学遥感器复合材料结构,它的成型技术是航天器典型结构件成型技术的拓展,没有本质上的差别。但是由于光学遥感器本身的特殊性,对产品的刚度、热膨胀性能、在轨运行期间结构尺寸稳定性、放气性等都有极高要求,因此在复合材料结构设计、材料选择、成型工艺等方面又有其特殊的要
5、求。正确认识和处理好二者在成型技术方面的差异,是扩大新型复合材料在航天器光学遥感器类结构中的应用和推动复合材料结构成型技术发展的关键。第 29卷第 3 期2008年 9 月航天返回与遥感SPACECRAFT RECOVERY&REMOTE SENSING33 2 光学遥感器对复合材料结构的要求航天器的光学遥感器需要用结构件将光学系统各零件稳定可靠的支承固定起来,以保证镜头的成像质量并实现与卫星的机械连接。光学遥感器应能经受住发射和返回阶段(需回收的光学遥感器)产生的振动、过载冲击和噪声等恶劣力学环境影响的考验。入轨工作后应能适应卫星平台的姿态运动、高频抖动等环境。因此光学遥感器结构是主承力部件
6、,要求其具有足够的强度和刚度,特别要具有各向等刚性特性,动态刚度要高 1。光学遥感器结构在轨运行期间尺寸稳定对光学遥感器功能的发挥起着至关重要的作用,表 1中列出了一些结构尺寸变化对结构功能可能产生的影响。表 1 卫星材料和结构的尺寸变化对功能影响应用结构尺寸变化率/10-6可能产生的影响天线长度微波滤波器和波导管直径光学和敏感元件/支承架偏移镜面变形大型空间望远镜镜间距6001 10010 1000.1 101信号系列损失功率损失指向和追踪无法实现图像变形,分辨率降低无法工作 由表 1 看出,光学镜面和大型空间远镜等尺寸的微小变化会产生图像变形或无法工作的影响,因此这些结构设计要求都是很高的
7、。北京空间机电研究所设计制造的/实践二号0卫星 CCD 相机镜筒,筒体尺寸为:620mm878.5mm6mm,筒两端有连接法兰,筒体外表面粘有/T0形纵向筋和环向筋,全部为碳/环氧复合材料结构,设计要求:空间放气性能:真空质损 1%可凝挥发份逸出率 011%。表面镀钛要求:钛膜厚度 5 10Lm,均匀,附着力按 GB1720 达到一级,环境试验后部剥离,不脱落,钛膜光滑,密实,暗灰色。热膨胀系数:轴向-410-6/e;环向 8.410-6/e(工作温度范围-20e 56e)镜筒应能承受轴向拉伸、压缩、弯曲、压缩弯曲联合载荷。总的看对镜筒的整筒刚性、尺寸精度、热膨胀性和空间放气性等都要求很高。这
8、些特殊性需要用特殊的材料和特殊的成型技术来制造。3 结构成型技术应着力解决的问题高模量碳纤维复合材料与传统结构材料相比具有比模量高的突出特点,如表 2,并且具有比强度高、热膨胀系数小、性能可设计、整体成型相对简易等,是光学遥感器结构最理想的材料。表 2 几种结构材料的力学性能材料密度/(g/cm3)拉伸强度/GPa弹性模量/(102GPa)比强度/(106cm)比模量/(108cm)钢铝钛玻璃纤维/环氧高强碳纤维/环氧高模碳纤维/环氧有机纤维/环氧硼纤维/环氧硼/铝7.82.84.52.01.451.61.42.12.651.030.470.961.061.51.071.41.381.02.1
9、0.751.140.41.42.40.82.12.01.31.72.15.310.36.7106.63.82.72.62.52.09.715.05.710.07.5 然而由于光学遥感器对结构尺寸精度和环境稳定性要求很高,纤维复合材料的成型和结构成型往往又34 航 天 返 回 与 遥 感2008年第 29 卷是同时完成的,多种材料多个过程多种因素汇集一起,使结构的成型稳定性具有相当大的难度,因此对材料的设计和成型工艺都提出了严格的高要求。大量实践结果表明,对于光学遥感器复合材料结构成型技术必须着力解决好以下问题。3.1 材料的选择和优化设计用于光学遥感器结构的材料必须是尺寸稳定性材料,这些材料在
10、一定温度范围内变形很小,稳定在一定范围内,如图 1 所示2。材料的弹性模量与密度之比(E/Q)及热导率与线膨胀系数之比(K/A)是衡量材料尺寸稳定性的重要标志,如图 2所示 2。图 1 尺寸稳定性材料与普通结构材料变形比较图 2 材料模量/密度与热导率/线膨胀系数关系图 由图 2 可看出,右上方的材料是尺寸稳定性最好的材料,若同时考虑成型工艺性等因素,高模量碳纤维增强环氧复合材料是较理想的尺寸稳定性材料。我们在/实践二号0相机镜筒的材料选择中,经系统测试比较M40、T300 碳纤维和环氧648、TDE-85、AG-80等树脂复合材料的性能,选择了M40/环氧 648 作为筒体的结构材料。图 3
11、 高模量碳纤维/环氧层板热膨胀系数与纤维铺层角度关系纤维的铺层方式也是保证结构尺寸稳定性的重要设计参数,同种纤维和树脂体系,不同的纤维铺层角度,其膨胀系数是有很大不同的,如图 3 所示2。由图 3 可看出,同样角度层的四层板材,采用 0,?H,0铺层方式,热膨胀系数随 H角在 0b 90 b范围内不同变化不大,而采取H,?H 铺层型式则变化很大。/实践二号0卫星 CCD 相机镜筒综合结构强度、刚度和热膨胀性能要求,通过采用经典层合板理论和小变形层合圆柱壳理论等,采用特定的程序设计计算,选择了0b/+35b/-35b/0 b的铺层方式和各角度纤维的比例作为筒体的铺层结构。此结构随炉试件的力学性能
12、能够满足设计要求,纵向热膨胀系数-1.9310-6/e,材料的总质量损失率小于 0.57%,挥发可凝物量测不出,基本符合设计要求,空间运行稳定可靠,超过设计寿命。材料的正确选择和优化设计,一方面需要可靠的、行之有效的计算方法和特定的程序,另一方面要有大量的工程基础数据积累。3.2 成型工艺稳定性光学遥感器复合材料结构件的成型工艺与卫星典型结构件的成型工艺基本相同,北京空间机电研究所具有成熟的真空袋-烘箱、真空袋-热压罐、缠绕、模压、树脂传递模塑等工艺和设备,以碳纤维复合材料镜第 3期盛 磊 等:碳纤维复合材料在光学遥感器中的应用探讨35 筒为例来说明成型过程(如图 4 所示)。图 4 碳纤维复
13、合材料镜筒的成型工艺过程例 在研制过程中,主要解决了以下工艺难点:1)为了保证相机成像的精度,设计要求整个相机系统的膨胀系数尽量接近零,这就要求镜筒的膨胀系数为负膨胀系数,以抵消相机(金属制造)的正膨胀系数。我们采用特定的复合材料层板设计程序优选出了最佳的铺层方式,达到预期效果;2)由于法兰及筒体一体成型,转角处不容易加上压,极易出现转角处疏松分层。通过预制的膨胀硅橡胶条加压,保证了转角处的密实;3)镜筒壁厚设计值为 6mm,由于壁厚较厚,固化时纤维的方向、角度容易出现变化,要保证固化后产品的致密性也很困难。通过采用分步预压实方案克服了纤维角度的变化。工艺难点的解决,保证了整筒成型工艺的稳定性
14、。研制出的整体结构件按设计部门制定的标准进行了试验,通过轴拉、轴压、弯曲和压弯联合静力试验均未发现异常。由于碳纤维复合材料镜筒成型工艺过程环节多,需控制的工艺参数多,影响工艺参数的因素多等,都会对最终产品的尺寸精度、稳定性甚至性能产生影响,所以必须对工艺过程中的各项参数严格控制,经过长期、持续的工艺改进,目前已建立起了基本完善的质量保证环节(图 5)。图 5 复合材料构件的质量保证36 航 天 返 回 与 遥 感2008年第 29 卷显然,在各控制环节中,采用控制准确度高、适应性强、使用性好的仪器也是重要的方面。3.3 降低非金属材料的空间放气率纤维增强树脂基复合材料的树脂基体,复合结构件组装
15、胶接用的胶粘剂等多为有机高分子材料,在航天器空间环境温度、高真空、太阳紫外、带电粒子照射等恶劣条件下会发生分解、断键等,产生低分子物而挥发出来。其中的部分可凝性挥发物又会以随机方式沉积在卫星的裸露表面形成分子污染,进而影响敏感元件的性能,使可见光和红外透过率降低甚至失效、影响热控涂层吸收/辐射比,降低太阳电池效率等。尽量降低非金属材料的空间放气率也是光学遥感器中应有复合材料结构的重要问题。降低树脂基体空间放气率的途径有以下三个:选择分子结构稳定,抗空间环境侵蚀性能强的树脂基体,如氰酸酯改性环氧树脂含有聚倍半硅氧烷笼网状结构(POSS)的树脂等3。在现有树脂基体中添加纳米氧化物(SiO2、TiO
16、2)等材料加固树脂中分子的结构,增大和增强纤维的界面结合力。在复合材料结构件的内外表面镀金属膜,如钛膜等,阻滞低分子物的挥发。以上几个途径,我们都进行过研究,取得了重要阶段成果,如在现有环氧树脂基体中,在不改变工艺性前提下,添加适当的纳米 SiO2、TiO2,可以较大幅度的降低树脂的放气率4。在/实践二号0相机复合材料镜筒的内外表面镀了 5 10Lm的钛膜,附着力达到 GB1720 一级标准,环境模拟试验后不剥离,不脱落,经几年的空间运行表明效果良好。4 结论光学遥感相机结构必须重视刚度和热膨胀性能设计:从模量/密度与热导率/热膨胀系数关系看,高模量碳纤维/环氧复合材料是很好的尺寸稳定性材料;
17、着力解决好铺层优化设计,严格控制成型工艺环节,降低材料空间放气率等问题是保证产品质量和扩大复合材料在光学遥感器中应用的关键。参 考 文 献 1 陈世平.空间相机设计与试验M.北京:宇航出版社,2003.2Wolff E G.Introduction tothe Dimensional Stability of Composite Materials.DEStech Publications,Inc.2004.3 张军营,谷晓昱.POSS 的特性及其在粘接材料中应用 C.首届全国特种胶粘剂行业研究和应用技术研讨会文集.威海:中国石油和化学工业协会军工办公室,2005:21-30.4陈萍,盛磊.纳米粒子对星用胶粘剂空间环境性能影响的试验研究 C.首届全国特种胶粘剂行业研究和应用技术研讨会文集.威海:中国石油和化学工业协会军工办公室,2005:94-96.作者简介盛磊,男,1940年生。1965 年毕业于清华大学化工系。研究员。主要从事卫星复合材料的成型制造及相关方面研究。第 3期盛 磊 等:碳纤维复合材料在光学遥感器中的应用探讨37