航天材料工藝性能檢測和失效分析

張濤

摘要：先進的復合材料在我國比發達國家晚開始，但幾十年來一直在迅速發展。先進復合材料對國家航天工業的發展起著舉足輕重的作用，本文將開始分析我國先進復合材料的開發應用及未來趨勢。

關鍵詞：復合材料;航天;應用

中圖分類號：TB33? 文獻標識碼：A

引言

在航天領域，尖端復合材料被廣泛應用于輕量化、模塊化。隨著科學技術的不斷進步，尖端復合材料的性能和工藝不斷改進，在宇宙中的應用不斷擴大。這種發展趨勢引領先進復合材料制造業的發展，使更加穩定、更加成熟的新型復合材料的開發成為可能，推動我國宇宙事業的發展。

1、概述

航天事業主要圍繞衛星技術與火箭發射技術。從人們意識到反沖作用的巨大力量后，系統的力學理論使它日趨完善。火箭發射技術由軍事打擊用途逐漸過渡到科研與民營用途，繼而帶動多用途的衛星技術發展。我們的生活離不開GPS與北斗等定位系統，地質、氣象、深空甚至是星際探測也與衛星緊密相連。中國的第一顆人造地球衛星于1970年發射升空。在太空工作了28天的東方紅一號成功將捕捉到的各種太空數據發回地面，標志著中國已經具備了發射衛星進入太空、開發利用太空的能力。改革開放以后，我國經濟實力、科技實力躍上了新臺階，強大的經濟基礎、人才基礎支撐起航天技術的跨越式發展。1992年1月，中國開始實施“921工程”，推進載人航天事業的發展。2003年，神舟五號發射成功，楊利偉成為首個遨游太空的中國人。截止到2018年5月，中國在軌衛星數已經超過了兩百顆，中國成功將楊利偉、劉洋等11位航天員送上過太空。隨著空間技術的顯著進步，中國在日地空間探測、空間生命科學、空間材料科學和微重力科學、空間環境研究等領域都取得了重大突破，在衛星導航、衛星遙感、衛星通信等空間應用方面取得顯著進步。

2、先進復合材料在我國的發展現狀

復合材料的強度和剛度大于鋁合金，可用于加工軸承結構。一般來說，有機聚合物結構、無機非金屬結構和金屬結構等多種材料使用新的載荷工藝加工，形成新的復合材料，復合材料的優點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良特性，使復合材料優越。復合材料必須滿足一些相關條件：第一，這種材料必須根據人類的需要制造和設計。第二，該材質必須是兩個或更多以不同比例組合的不同材質，并且材質之間必須有明顯的界面差異。然后復合材料具有較好的設計可能性。最后，復合材料的性能優勢取決于原材料。我國的復合材料研究從1970年左右開始，通過多年的技術研究開發和實踐，復合材料的穩定性越來越高，已經在社會各個行業嶄露頭角。但是在生產工藝、設計、應用、加工的中間部分，比較先進的國家落后，阻礙了我國先進復合材料的可持續發展。

3、復合材料的特性

（1）結構完整性。先進的復合材料可以加工成整體零件，也就是說，先進的復合材料被用來代替金屬零件。在一些輪廓特殊、表面復雜的零件中，金屬制造的可行性相對較差，而先進復合材料的應用能有效滿足實際工作要求。（2）經濟效益最大化。先進復合材料在航空航天領域的應用可以大大減少產品數量。由于復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零件的連接需求，從而有效降低材料的裝配成本和時間，并通過提高效率從實際中獲得最大的經濟效益。（3）可設計性。通過纖維、樹脂、復合結構等可以得到各種性能和形狀明顯不同的復合材料，通過選擇合適的材料和分層順序可以加工出無膨脹系數的復合材料，同時復合材料的尺寸穩定性明顯優于普通金屬材料。（4）功能多樣性。隨著先進復合材料的不斷發展，許多優異而又不同的物理、化學、生物和力學性能已經融為一體。此外，各種先進的復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復合材料發展的主流趨勢。

4、在航天領域中先進復合材料的應用

4.1復合材料在導彈中的應用。

導彈的外殼大部分是用復合碳纖維環氧材料制成的，與鋁結構相比，重量減少了40%。這一尖端復合體在此階段，許多發達國家也在制造導彈發射器。將導彈發射管鑄造成新型復合體不僅可以降低發射器的重量，還可以減少導彈的阻力，提高導彈的靈活性。例如，“MX”導彈，“楊樹m”導彈等。我國現階段也在這方面進行研究，已經取得了儀器室的研究成果，將復合材料用于儀器室鑄造可以提高導彈發射的機動性，發展前景良好。

4.2復合材料在運載火箭中的應用。

早在1950年年中，外國發達國家就開始研究纖維纏繞的玻璃鋼殼等簡單復合材料。這種材料的優點是可以減少50%的自重感。基于這項簡單的復合材料研究，發達國家又發明了三段“MX”發動機殼。該外殼是由芳綸和環氧樹脂結合而成的復合材料，與上一時期的簡單復合材料相比，重量減輕了50%。隨著科學技術的不斷改進，尖端復合材料的使用逐漸在火箭外殼中進行。在此階段，我國將芳綸和環氧復合材料、纖維和環氧復合材料應用于運載火箭外殼，從而減輕火箭發動機的負荷，提高火箭的綜合性能。

4.3復合材料在衛星和宇航器結構中的應用。

衛星要想最大限度地發揮自我效能的價值，就必須最大限度地減少衛星結構的質量。輕量化設計成為現階段衛星結構的發展趨勢。應用于外星衛星系統的推力桶鑄造，可以有效地控制結構的重量，這個重量減輕的區域允許科學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、先進復合材料的發展前景

先進復合材料的應用已成為評價航天器制造水平的重要標準，也是提高航天器結構先進性的重要物質基礎和技術。我國先進復合材料的應用水平與國外發達國家仍有一定差距，但國家通過大量投資加強了先進復合材料的研究，發展前景良好。復合材料的發展在到來之前主要表現在以下幾個方面：

5.1智能化

智能復合材料的研究可以為國家創造經濟和社會效益。未來，智能先進復合材料將應用于航天器外部：未來將在航天器表面增加各種傳感器，可以對周圍環境中的各種信息進行實時檢測和通信，并使用電子設備和其他飛行器系統來確保飛行器在一定特殊條件下的平穩運行。

5.2多功能化

在減小航天器體積的基礎上，為了滿足航天器的突防能力要求，許多結構部件需要同時具備多種功能以及優良的性能，現階段，多功能先進復合材料的研究已經從雙功能型向三功能型方向甚至多功能方向轉變。

5.3質量輕、性能高

目前，先進復合材料的使用可以使航天器的質量減少20%左右。如果將目前的結果與國外先進復合材料相比超過25%，仍有很大差距。原因是現階段中國先進復合材料的整體性能相對較低。因此，在未來的發展過程中，應加強對復合材料強度、抗彎、抗剪和完整性的研究，開發出具有良好完整性、高強度和高韌性的先進復合材料。

結束語

尖端復合材料、聚合物材料、金屬材料和無機非金屬材料統稱為四大材料。隨著人們生活水平的提高，航空航天行業在生活中也越來越普遍，發展速度也越來越快，材料的應用環境和質量也越來越復雜，對宇宙行業有了更加嚴格的要求，將先進的復合材料用于宇宙領域可以護衛其發展。

參考文獻

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