航天材料工艺性能检测和失效分析

张涛

摘要：先进的复合材料在我国比发达国家晚开始，但几十年来一直在迅速发展。先进复合材料对国家航天工业的发展起着举足轻重的作用，本文将开始分析我国先进复合材料的开发应用及未来趋势。

关键词：复合材料;航天;应用

中图分类号：TB33  文献标识码：A

引言

在航天领域，尖端复合材料被广泛应用于轻量化、模块化。随着科学技术的不断进步，尖端复合材料的性能和工艺不断改进，在宇宙中的应用不断扩大。这种发展趋势引领先进复合材料制造业的发展，使更加稳定、更加成熟的新型复合材料的开发成为可能，推动我国宇宙事业的发展。

1、概述

航天事业主要围绕卫星技术与火箭发射技术。从人们意识到反冲作用的巨大力量后，系统的力学理论使它日趋完善。火箭发射技术由军事打击用途逐渐过渡到科研与民营用途，继而带动多用途的卫星技术发展。我们的生活离不开GPS与北斗等定位系统，地质、气象、深空甚至是星际探测也与卫星紧密相连。中国的第一颗人造地球卫星于1970年发射升空。在太空工作了28天的东方红一号成功将捕捉到的各种太空数据发回地面，标志着中国已经具备了发射卫星进入太空、开发利用太空的能力。改革开放以后，我国经济实力、科技实力跃上了新台阶，强大的经济基础、人才基础支撑起航天技术的跨越式发展。1992年1月，中国开始实施“921工程”，推进载人航天事业的发展。2003年，神舟五号发射成功，杨利伟成为首个遨游太空的中国人。截止到2018年5月，中国在轨卫星数已经超过了两百颗，中国成功将杨利伟、刘洋等11位航天员送上过太空。随着空间技术的显著进步，中国在日地空间探测、空间生命科学、空间材料科学和微重力科学、空间环境研究等领域都取得了重大突破，在卫星导航、卫星遥感、卫星通信等空间应用方面取得显著进步。

2、先进复合材料在我国的发展现状

复合材料的强度和刚度大于铝合金，可用于加工轴承结构。一般来说，有机聚合物结构、无机非金属结构和金属结构等多种材料使用新的载荷工艺加工，形成新的复合材料，复合材料的优点是不仅保留每种原始混合材料的特性，而且综合了每种混合材料的优良特性，使复合材料优越。复合材料必须满足一些相关条件：第一，这种材料必须根据人类的需要制造和设计。第二，该材质必须是两个或更多以不同比例组合的不同材质，并且材质之间必须有明显的界面差异。然后复合材料具有较好的设计可能性。最后，复合材料的性能优势取决于原材料。我国的复合材料研究从1970年左右开始，通过多年的技术研究开发和实践，复合材料的稳定性越来越高，已经在社会各个行业崭露头角。但是在生产工艺、设计、应用、加工的中间部分，比较先进的国家落后，阻碍了我国先进复合材料的可持续发展。

3、复合材料的特性

（1）结构完整性。先进的复合材料可以加工成整体零件，也就是说，先进的复合材料被用来代替金属零件。在一些轮廓特殊、表面复杂的零件中，金属制造的可行性相对较差，而先进复合材料的应用能有效满足实际工作要求。（2）经济效益最大化。先进复合材料在航空航天领域的应用可以大大减少产品数量。由于复杂连接的零件通常不需要焊接、铆接等方法，因此可以大大降低传统零件的连接需求，从而有效降低材料的装配成本和时间，并通过提高效率从实际中获得最大的经济效益。（3）可设计性。通过纤维、树脂、复合结构等可以得到各种性能和形状明显不同的复合材料，通过选择合适的材料和分层顺序可以加工出无膨胀系數的复合材料，同时复合材料的尺寸稳定性明显优于普通金属材料。（4）功能多样性。随着先进复合材料的不断发展，许多优异而又不同的物理、化学、生物和力学性能已经融为一体。此外，各种先进的复合材料具有不同的组成比例和一定的功能差异。目前，综合性和多功能性已成为先进复合材料发展的主流趋势。

4、在航天领域中先进复合材料的应用

4.1复合材料在导弹中的应用。

导弹的外壳大部分是用复合碳纤维环氧材料制成的，与铝结构相比，重量减少了40%。这一尖端复合体在此阶段，许多发达国家也在制造导弹发射器。将导弹发射管铸造成新型复合体不仅可以降低发射器的重量，还可以减少导弹的阻力，提高导弹的灵活性。例如，“MX”导弹，“杨树m”导弹等。我国现阶段也在这方面进行研究，已经取得了仪器室的研究成果，将复合材料用于仪器室铸造可以提高导弹发射的机动性，发展前景良好。

4.2复合材料在运载火箭中的应用。

早在1950年年中，外国发达国家就开始研究纤维缠绕的玻璃钢壳等简单复合材料。这种材料的优点是可以减少50%的自重感。基于这项简单的复合材料研究，发达国家又发明了三段“MX”发动机壳。该外壳是由芳纶和环氧树脂结合而成的复合材料，与上一时期的简单复合材料相比，重量减轻了50%。随着科学技术的不断改进，尖端复合材料的使用逐渐在火箭外壳中进行。在此阶段，我国将芳纶和环氧复合材料、纤维和环氧复合材料应用于运载火箭外壳，从而减轻火箭发动机的负荷，提高火箭的综合性能。

4.3复合材料在卫星和宇航器结构中的应用。

卫星要想最大限度地发挥自我效能的价值，就必须最大限度地减少卫星结构的质量。轻量化设计成为现阶段卫星结构的发展趋势。应用于外星卫星系统的推力桶铸造，可以有效地控制结构的重量，这个重量减轻的区域允许科学研究人员部署更多的电话线，减少地球的通信压力，以及以最小的投资获得最大的利益。

5、先进复合材料的发展前景

先进复合材料的应用已成为评价航天器制造水平的重要标准，也是提高航天器结构先进性的重要物质基础和技术。我国先进复合材料的应用水平与国外发达国家仍有一定差距，但国家通过大量投资加强了先进复合材料的研究，发展前景良好。复合材料的发展在到来之前主要表现在以下几个方面：

5.1智能化

智能复合材料的研究可以为国家创造经济和社会效益。未来，智能先进复合材料将应用于航天器外部：未来将在航天器表面增加各种传感器，可以对周围环境中的各种信息进行实时检测和通信，并使用电子设备和其他飞行器系统来确保飞行器在一定特殊条件下的平稳运行。

5.2多功能化

在减小航天器体积的基础上，为了满足航天器的突防能力要求，许多结构部件需要同时具备多种功能以及优良的性能，现阶段，多功能先进复合材料的研究已经从双功能型向三功能型方向甚至多功能方向转变。

5.3质量轻、性能高

目前，先进复合材料的使用可以使航天器的质量减少20%左右。如果将目前的结果与国外先进复合材料相比超过25%，仍有很大差距。原因是现阶段中国先进复合材料的整体性能相对较低。因此，在未来的发展过程中，应加强对复合材料强度、抗弯、抗剪和完整性的研究，开发出具有良好完整性、高强度和高韧性的先进复合材料。

结束语

尖端复合材料、聚合物材料、金属材料和无机非金属材料统称为四大材料。随着人们生活水平的提高，航空航天行业在生活中也越来越普遍，发展速度也越来越快，材料的应用环境和质量也越来越复杂，对宇宙行业有了更加严格的要求，将先进的复合材料用于宇宙领域可以护卫其发展。

参考文献

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