航天器结构材料的应用现状与未来展望(2)
时间：2019-04-28 14:59 来源：南极熊 作者：中国3D打印网 阅读：次
２航天器结构材料展望
随着航天工业的迅速发展，航天器结构材料也将处于长期持续的发展之中。新型轻合金在航天器结构中使用的比例逐步增加，复合材料的应用更是促进了航天器结构用材的变革，并且正处于迅猛发展之中。结合了金属与无机／有机材料优异性能的金属基复合材料也已进入航天结构研究人员的视野。除此之外，结构材料与结构设计密不可分，一些传统的复杂结构正在被全新的多功能结构（ＭＦＣ）和３Ｄ打印结构所取代。未来，航天器的结构材料将呈现多样化、高性能的趋势。
２.１传统轻合金仍占主导地位，新型轻合金将逐步应用为了适应现代卫星高性能、轻结构的要求，合金材料有逐步被复合材料代替的趋势。特别是当复合材料在汽车与航空领域已经大显身手时，其在对材料轻质化要求更高的航天领域也开始跃跃欲试。然而随着研究的深入，发现目前常用的树脂基复合材料存在一些固有的缺陷，如韧性差、二次加工性能差、耐热耐湿性差、空间环境适应性差等，短时间内很难在航天器上大面积应用，这为合金材料在航天领域的应用及发展提供了空间和机遇。近年的研究表明，通过在铝合金和镁合金中添加锂，形成铝锂合金与镁锂合金（图１），可以获得密度更低且其他性能基本不降低的合金材料。美国曾将它们用于航天飞行器上，制作常温和低温下承受低载荷的结构件。上海卫星装备所作为卫星制造与总装单位，在“十二五”期间对西安交通大学研制开发出的镁锂合金开展了系统论证和应用研究，取得较好的成果，目前已经在部分型号的次承力构件推广应用。
图１ 镁锂合金构件
随着制备技术与工艺的日渐成熟，尤其是近年来镁合金表面处理技术水平的提升，该合金耐腐蚀性能提高，使其将在卫星结构中有更多的应用。钛镍合金由于具有形状记忆功能也引起了航天领域的重视。在温度低于材料的马氏体逆转变的开始温度时，构件可在一定外力下任意变形（其极限应变可达６％～８％）。然后，当加热到马氏体逆转变终了温度时，由于热弹性马氏体相变原理，构件可自动恢复到原有的形状。目前，钛镍合金已经在卫星管路接头、热敏元件等方面有应用性研究，并且研究表明形状记忆合金的应用将代替原火工品的使用，能够为安全可靠地释放卫星上的机构提供更好的保障。因此，记忆合金是一种具有很大发展潜力的航天器金属材料。
２.２复合材料发展势头良好，应用范围将继续增大复合材料发展时间较短，但其迅猛的发展趋势也足以令人相信它有着巨大的应用前景。一直以来，复合材料在航空领域的应用都领先于航天。其在飞机上的应用已由次承力结构材料发展到主承力结构材料。世界上大型飞机如波音７８７、空客３８０ 等机型的结构件复合材料的用量占到了４０％～５０％，先进直升机结构件复合材料用量甚至占到了８０％以上。波音和空客公开的研究资料表明，到２０２０年它们的飞机结构件将全部采用复合材料。由此类推，复合材料在航天领域将有着巨大的发展空间和前景。这一点从卫星桁架上此前广泛应用的铝合金桁架接头正由碳纤维复合材料接头全部取代也可证明。图２为典型的碳纤维复合材料接头。截至目前，碳纤维高性能复合材料依然是复合材料研究与应用的重点。为了缩小与国际先进水平的差距，我国现在非常注重复合材料的预先研究。随着低成本一体化制造技术的发展，自动化、大型化、高精度制造装备日趋成熟，以及基体树脂和碳纤维性能的不断提高，碳纤维增强树脂基复合材料的耐湿热性及断裂延伸率得到显著改善，复合材料在航天器结构上的用量必将进一步增大。
除此之外，针对树脂基复合材料固有的湿热效应缺陷和导热散热不足等问题，也有人提出用金属基体材料来弥补现有基体的不足，经试验，可以极大地提高复合材料的性能，例如可将材料的使用温度从１６０℃提高到４００℃以上，能承受更严酷的空间综合辐照、高低温交变环境条件，获得极低的真空出气率、良好的耐湿性能和密封性能等。２０１７年发射的最新气象卫星风云四号的某关键载荷便使用了Ａｌ／ＳｉＣ复合材料构件（图３），实现了空间温度范围内的尺寸高稳定与性能高可靠。可以预见，未来对金属基复合材料的需求将进一步增加。
ＮＡＳＡ在２０１２年发布的《空间技术发展路线图》中的“材料、结构、机械系统和制造”领域就曾强调结构轻量化设计以及多功能结构材料应用的重要性和研究的必要性。多功能结构材料可利用先进的计算设计和制造技术，实现之前难以获得的综合性能和功能。这些系统可以提高力学性能，增强对环境性能和损伤的感应能力，以及修复损伤的能力和持续性能。
国内这方面的研究也在不断深入，航天材料及工艺研究所带头完成的“多功能结构复合材料集成技术”项目设计了具有多项功能的复合材料，实现了多项功能技术的高效集成，使结构减重达到３５％，已在多个型号产品上有所应用。可以想像，未来的航天器主结构还是由合金或更多的复合材料构成，其他部分的结构将不仅仅具有承受和传递力的能力，而且同时具有其他功能。随着轻质材料和新型结构的应用，航天器将变得更小、更轻，而功能却更加丰富。
３结语
随着大型复杂高精度航天器的迅速发展和深空探测器开发进程的加快，航天器对于轻质高强结构材料的需求异常迫切。由于长期在太空服役，所选材料还必须具有良好的空间环境稳定性。铝合金具有较好的综合性能，一直以来都是卫星结构材料的首选；复合材料作为新兴材料，因其具备密度低、可设计性强等突出优势也备受航天器结构工作者的青睐。
纵观当前卫星主体结构和相关预研项目的开展，轻合金尤其是铝合金在一定时期内仍将占主导地位，新型轻合金如镁锂合金将逐步应用；复合材料发展势头良好，应用范围将继续增大，特别是Ａｌ／ＳｉＣ等金属复合材料表现出良好的空间稳定性与可靠性；结构材料与功能材料的一体化将是最新发展趋势。另外，纳米复合材料、增材制造结构材料一体化等新兴材料技术也开始在结构领域崭露头角，必将对航天器结构材料及其形式发展产生重大影响。
作者：王惠芬，杨碧琦，刘 刚，来源：上海卫星装备研究所、新材料智库
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