航天材料工藝性能檢測(cè)和失效分析

張濤

摘要：先進(jìn)的復(fù)合材料在我國(guó)比發(fā)達(dá)國(guó)家晚開(kāi)始，但幾十年來(lái)一直在迅速發(fā)展。先進(jìn)復(fù)合材料對(duì)國(guó)家航天工業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用，本文將開(kāi)始分析我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)應(yīng)用及未來(lái)趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料;航天;應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TB33? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

在航天領(lǐng)域，尖端復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于輕量化、模塊化。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，尖端復(fù)合材料的性能和工藝不斷改進(jìn)，在宇宙中的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。這種發(fā)展趨勢(shì)引領(lǐng)先進(jìn)復(fù)合材料制造業(yè)的發(fā)展，使更加穩(wěn)定、更加成熟的新型復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)成為可能，推動(dòng)我國(guó)宇宙事業(yè)的發(fā)展。

1、概述

航天事業(yè)主要圍繞衛(wèi)星技術(shù)與火箭發(fā)射技術(shù)。從人們意識(shí)到反沖作用的巨大力量后，系統(tǒng)的力學(xué)理論使它日趨完善?；鸺l(fā)射技術(shù)由軍事打擊用途逐漸過(guò)渡到科研與民營(yíng)用途，繼而帶動(dòng)多用途的衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展。我們的生活離不開(kāi)GPS與北斗等定位系統(tǒng)，地質(zhì)、氣象、深空甚至是星際探測(cè)也與衛(wèi)星緊密相連。中國(guó)的第一顆人造地球衛(wèi)星于1970年發(fā)射升空。在太空工作了28天的東方紅一號(hào)成功將捕捉到的各種太空數(shù)據(jù)發(fā)回地面，標(biāo)志著中國(guó)已經(jīng)具備了發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)入太空、開(kāi)發(fā)利用太空的能力。改革開(kāi)放以后，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技實(shí)力躍上了新臺(tái)階，強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)、人才基礎(chǔ)支撐起航天技術(shù)的跨越式發(fā)展。1992年1月，中國(guó)開(kāi)始實(shí)施“921工程”，推進(jìn)載人航天事業(yè)的發(fā)展。2003年，神舟五號(hào)發(fā)射成功，楊利偉成為首個(gè)遨游太空的中國(guó)人。截止到2018年5月，中國(guó)在軌衛(wèi)星數(shù)已經(jīng)超過(guò)了兩百顆，中國(guó)成功將楊利偉、劉洋等11位航天員送上過(guò)太空。隨著空間技術(shù)的顯著進(jìn)步，中國(guó)在日地空間探測(cè)、空間生命科學(xué)、空間材料科學(xué)和微重力科學(xué)、空間環(huán)境研究等領(lǐng)域都取得了重大突破，在衛(wèi)星導(dǎo)航、衛(wèi)星遙感、衛(wèi)星通信等空間應(yīng)用方面取得顯著進(jìn)步。

2、先進(jìn)復(fù)合材料在我國(guó)的發(fā)展現(xiàn)狀

復(fù)合材料的強(qiáng)度和剛度大于鋁合金，可用于加工軸承結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，有機(jī)聚合物結(jié)構(gòu)、無(wú)機(jī)非金屬結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)構(gòu)等多種材料使用新的載荷工藝加工，形成新的復(fù)合材料，復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)是不僅保留每種原始混合材料的特性，而且綜合了每種混合材料的優(yōu)良特性，使復(fù)合材料優(yōu)越。復(fù)合材料必須滿(mǎn)足一些相關(guān)條件：第一，這種材料必須根據(jù)人類(lèi)的需要制造和設(shè)計(jì)。第二，該材質(zhì)必須是兩個(gè)或更多以不同比例組合的不同材質(zhì)，并且材質(zhì)之間必須有明顯的界面差異。然后復(fù)合材料具有較好的設(shè)計(jì)可能性。最后，復(fù)合材料的性能優(yōu)勢(shì)取決于原材料。我國(guó)的復(fù)合材料研究從1970年左右開(kāi)始，通過(guò)多年的技術(shù)研究開(kāi)發(fā)和實(shí)踐，復(fù)合材料的穩(wěn)定性越來(lái)越高，已經(jīng)在社會(huì)各個(gè)行業(yè)嶄露頭角。但是在生產(chǎn)工藝、設(shè)計(jì)、應(yīng)用、加工的中間部分，比較先進(jìn)的國(guó)家落后，阻礙了我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的可持續(xù)發(fā)展。

3、復(fù)合材料的特性

（1）結(jié)構(gòu)完整性。先進(jìn)的復(fù)合材料可以加工成整體零件，也就是說(shuō)，先進(jìn)的復(fù)合材料被用來(lái)代替金屬零件。在一些輪廓特殊、表面復(fù)雜的零件中，金屬制造的可行性相對(duì)較差，而先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用能有效滿(mǎn)足實(shí)際工作要求。（2）經(jīng)濟(jì)效益最大化。先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用可以大大減少產(chǎn)品數(shù)量。由于復(fù)雜連接的零件通常不需要焊接、鉚接等方法，因此可以大大降低傳統(tǒng)零件的連接需求，從而有效降低材料的裝配成本和時(shí)間，并通過(guò)提高效率從實(shí)際中獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。（3）可設(shè)計(jì)性。通過(guò)纖維、樹(shù)脂、復(fù)合結(jié)構(gòu)等可以得到各種性能和形狀明顯不同的復(fù)合材料，通過(guò)選擇合適的材料和分層順序可以加工出無(wú)膨脹系數(shù)的復(fù)合材料，同時(shí)復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性明顯優(yōu)于普通金屬材料。（4）功能多樣性。隨著先進(jìn)復(fù)合材料的不斷發(fā)展，許多優(yōu)異而又不同的物理、化學(xué)、生物和力學(xué)性能已經(jīng)融為一體。此外，各種先進(jìn)的復(fù)合材料具有不同的組成比例和一定的功能差異。目前，綜合性和多功能性已成為先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展的主流趨勢(shì)。

4、在航天領(lǐng)域中先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用

4.1復(fù)合材料在導(dǎo)彈中的應(yīng)用。

導(dǎo)彈的外殼大部分是用復(fù)合碳纖維環(huán)氧材料制成的，與鋁結(jié)構(gòu)相比，重量減少了40%。這一尖端復(fù)合體在此階段，許多發(fā)達(dá)國(guó)家也在制造導(dǎo)彈發(fā)射器。將導(dǎo)彈發(fā)射管鑄造成新型復(fù)合體不僅可以降低發(fā)射器的重量，還可以減少導(dǎo)彈的阻力，提高導(dǎo)彈的靈活性。例如，“MX”導(dǎo)彈，“楊樹(shù)m”導(dǎo)彈等。我國(guó)現(xiàn)階段也在這方面進(jìn)行研究，已經(jīng)取得了儀器室的研究成果，將復(fù)合材料用于儀器室鑄造可以提高導(dǎo)彈發(fā)射的機(jī)動(dòng)性，發(fā)展前景良好。

4.2復(fù)合材料在運(yùn)載火箭中的應(yīng)用。

早在1950年年中，外國(guó)發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始研究纖維纏繞的玻璃鋼殼等簡(jiǎn)單復(fù)合材料。這種材料的優(yōu)點(diǎn)是可以減少50%的自重感?；谶@項(xiàng)簡(jiǎn)單的復(fù)合材料研究，發(fā)達(dá)國(guó)家又發(fā)明了三段“MX”發(fā)動(dòng)機(jī)殼。該外殼是由芳綸和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，與上一時(shí)期的簡(jiǎn)單復(fù)合材料相比，重量減輕了50%。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷改進(jìn)，尖端復(fù)合材料的使用逐漸在火箭外殼中進(jìn)行。在此階段，我國(guó)將芳綸和環(huán)氧復(fù)合材料、纖維和環(huán)氧復(fù)合材料應(yīng)用于運(yùn)載火箭外殼，從而減輕火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷，提高火箭的綜合性能。

4.3復(fù)合材料在衛(wèi)星和宇航器結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。

衛(wèi)星要想最大限度地發(fā)揮自我效能的價(jià)值，就必須最大限度地減少衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。輕量化設(shè)計(jì)成為現(xiàn)階段衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢(shì)。應(yīng)用于外星衛(wèi)星系統(tǒng)的推力桶鑄造，可以有效地控制結(jié)構(gòu)的重量，這個(gè)重量減輕的區(qū)域允許科學(xué)研究人員部署更多的電話線，減少地球的通信壓力，以及以最小的投資獲得最大的利益。

5、先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展前景

先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用已成為評(píng)價(jià)航天器制造水平的重要標(biāo)準(zhǔn)，也是提高航天器結(jié)構(gòu)先進(jìn)性的重要物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)。我國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用水平與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家仍有一定差距，但國(guó)家通過(guò)大量投資加強(qiáng)了先進(jìn)復(fù)合材料的研究，發(fā)展前景良好。復(fù)合材料的發(fā)展在到來(lái)之前主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

5.1智能化

智能復(fù)合材料的研究可以為國(guó)家創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。未來(lái)，智能先進(jìn)復(fù)合材料將應(yīng)用于航天器外部：未來(lái)將在航天器表面增加各種傳感器，可以對(duì)周?chē)h(huán)境中的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和通信，并使用電子設(shè)備和其他飛行器系統(tǒng)來(lái)確保飛行器在一定特殊條件下的平穩(wěn)運(yùn)行。

5.2多功能化

在減小航天器體積的基礎(chǔ)上，為了滿(mǎn)足航天器的突防能力要求，許多結(jié)構(gòu)部件需要同時(shí)具備多種功能以及優(yōu)良的性能，現(xiàn)階段，多功能先進(jìn)復(fù)合材料的研究已經(jīng)從雙功能型向三功能型方向甚至多功能方向轉(zhuǎn)變。

5.3質(zhì)量輕、性能高

目前，先進(jìn)復(fù)合材料的使用可以使航天器的質(zhì)量減少20%左右。如果將目前的結(jié)果與國(guó)外先進(jìn)復(fù)合材料相比超過(guò)25%，仍有很大差距。原因是現(xiàn)階段中國(guó)先進(jìn)復(fù)合材料的整體性能相對(duì)較低。因此，在未來(lái)的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)復(fù)合材料強(qiáng)度、抗彎、抗剪和完整性的研究，開(kāi)發(fā)出具有良好完整性、高強(qiáng)度和高韌性的先進(jìn)復(fù)合材料。

結(jié)束語(yǔ)

尖端復(fù)合材料、聚合物材料、金屬材料和無(wú)機(jī)非金屬材料統(tǒng)稱(chēng)為四大材料。隨著人們生活水平的提高，航空航天行業(yè)在生活中也越來(lái)越普遍，發(fā)展速度也越來(lái)越快，材料的應(yīng)用環(huán)境和質(zhì)量也越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)宇宙行業(yè)有了更加嚴(yán)格的要求，將先進(jìn)的復(fù)合材料用于宇宙領(lǐng)域可以護(hù)衛(wèi)其發(fā)展。

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