功能型复合材料在深空探测任务中的应用

“一代材料，一代装备”，深空探测将面临更为复杂、严酷的太空环境，不同探测任务会面临完全不同的空间环境。为此，需要针对特定深空探测任务，探测并分析任务所面临的空间环境条件，以提高航天器可靠性为原则，逐条分解并归纳出各种材料在特殊太空环境下的性能需求，从需求端为科研工作者提供材料研发方向。苛刻的空间环境是造成航天器异常的主要原因之一，是未来深空探测工程应用关注的重点，高能射线辐照、极端高低温交变、复杂电磁环境等空间环境会导致航天器主体材料发生微观物理化学变化，并引发航天器结构损伤，甚至导致结构破坏，影响航天器的功能甚至寿命。根据需求不同，未来深空探测可以分为短期探测和长期运行基地两种，需要研究材料在极端高温或低温、高强度宇宙射线辐射等恶劣环境的结构和性能演变，并依此对材料的使用寿命进行评估。

碳纤维复合材料因其“轻质高强”的特性使其在“轻量化”要求严苛的航天器中大量使用。在深空探测中，高低温交变环境会引起碳纤维复合材料结构件树脂基体内部出现微裂纹，导致碳纤维复合材料结构件尺寸发生变化甚至分层，而宇宙射线、太阳电磁辐射、高能粒子、等离子体、原子氧会导致复合材料树脂基体侵蚀、老化，最终影响复合材料整体结构的性能和服役寿命，而释放的小分子会附着在航天器电子设备上，严重影响星载设备的功能和性能。

为了满足深空探测器在高低温交变、宇宙射线、电磁辐射等空间环境的使用要求，具有特定功能的复合材料成为航天材料研究领域的一大热点，本文将对特定空间环境条件下功能型复合材性能需求以及研究进展进行分析和归纳总结。

一、耐高、低温环境复合材料研究进展

高低温是深空探测器面临的共性问题，与卫星和载人飞船相比，深空探测器面临的温度环境更为苛刻。通常深空环境下的温度为-270.3 ℃，表面阳光直射时月球表面温度高达127 ℃，而夜晚温度可以降低至-183 ℃，温度变化超过300 ℃。火星表面温度相对温和，白天温度可达20 ℃，而夜晚温度可以降低至-150 ℃，温差有时会接近约200 ℃。金星大气层中约96%是CO2，温室效应明显，平均表面温度高达462 ℃。探测器需要满足深空环境温度的同时，可能还需要满足瞬时的温度环境，例如探测器降落过程中，可能面临2001 000 ℃的高温环境。碳纤维复合材料的主要应用一般温度为-253350 ℃。

1.1 耐高温复合材料研究进展

深空探测器耐高温可以分为两个类型：一是短期耐高温材料；二是长期服役耐高温材料。

以“祝融号”火星探测器（图1）为例，在高速下降阶段，飞行器的速度高达2×104 km/h，保护探测器的隔热罩温度最高可以达到1 500 ℃。虽然有隔热罩保护，探测器也可能需要具备200~250 ℃的耐高温能力。而到达火星表面时，由于火星表面温度相对温和，对碳纤维复合材料没有耐高温的要求。复合材料中纤维承受高温能力较强，其耐高温性能主要受制于树脂基体，在深空探测领域使用的耐高温树脂主要有氰酸酯（Cyanate resin）、双马来酰亚胺树脂（Bismaleimide）、聚酰亚胺树脂（Polyimide）以及邻苯二甲腈树脂（Phthalonitrileresin）。

1.1.1氰酸酯

氰酸酯单体是一种酚衍生物，由双酚或多酚与氢氰酸反应而成，含有两个及以上的氰酸酯官能团（—OCN），因其官能团中的氧原子和氮原子具有较高的电负性，在受热和有催化剂存在的情况下，通过环化反应形成三嗪环结构，由于其结构具有高度的对称性，可以阻止其分子结构基团旋转，使得氰酸酯固化后具有高的玻璃化温度（Tg）。双酚A型氰酸酯的Tg高达300 ℃，而具有酚醛分子结构的酚醛型氰酸酯的Tg更是高达350 ℃以上，在航天航空耐高温领域有着广泛的应用潜力，例如，瑞士的Lonza 公司使用酚醛型氰酸酯开发出用于第四代战斗机F35的透波雷达整流罩系统。三菱化学宣布推出以氰酸酯树脂为基体的碳纤维预浸料新品，兼具出色的高强度和耐热性。三菱化学利用自身积累的技术优势，通过将原材料技术与催化剂技术相结合，创造性地开发出一款氰酸酯树脂并制备成碳纤维预浸料。该产品不仅具备碳纤维的韧性和强度，并且能耐受250 ℃的高温。三菱化学希望将其应用范围从汽车行业扩展到航空航天等领域。

1.1.2双马来酰亚胺

双马来酰亚胺是以马来酰亚胺为活性端基的双官团化合物，是聚酰亚胺树脂体系派生出来的一类热固性树脂，被美国NASA誉为“综合性能最优异的热固性基体树脂”。根据分子结构不同，双马来酰亚胺的Tg为200～400 ℃，在航空工业领域应用广泛。美国F22战斗机大量使用型号为5250-4双马来酰亚胺树脂，通过自动铺丝工艺制备了平尾枢轴结构，通过蜂窝夹层复合工艺制备了机翼操作面。5250-4树脂的使用温度为-59～204 ℃，最高连续使用温度204 ℃，短期使用温度可达232 ℃。我国研制的5405、803、QY系列等牌号BMI树脂也已大量应用于多种型号的军机、民机及航天器用耐高温复合材料构件中。

1.1.3聚酰亚胺树脂

氰酸酯和双马来酰亚胺树脂不能满足300 ℃以上的高温需求，热固性聚酰亚胺是分子主链上带有酰亚胺基团的双官能团低分子量单体或预聚物或它们的混合物，制得的复合材料具有优异的耐热性能和较高的力学性能，最高使用温度超过300℃。美国PMR-15长期使用温度高达310～320 ℃，其复合材料结构主要应用于耐高温结构和次级结构，广泛用于飞机发动机和导弹的整流罩等耐高温构件。为了满足更高等级耐高温的需求，美国NASA等相关单位又陆续开发出多种新型聚酰亚胺树脂，如PMR-Ⅱ-50、AFR-700等。PMR-Ⅱ-50和AFR-700在371 ℃下具有优异的热稳定性，其中AFR-700B树脂基复合材料已应用于F-22发动机上，以代替钛合金作压气机的静子结构和机身导管。随后，又开发出Tg超过350 ℃的乙炔基端封的聚酰亚胺和苯乙炔端封的聚酰亚胺，美国San Diego复合材料公司目前以此树脂为基体制备碳纤维复合材料并生产新型导弹的全尺寸弹脊。

1.1.4邻苯二甲腈树脂

邻苯二甲腈树脂是以邻苯二甲腈封端并作为交联基团的耐高温有机树脂，其由于分子含有强极性基团-CN，在经过375 ℃甚至更高的温度固化后，形成苯基均三嗪环和酞菁等芳杂环结构，使其Tg高达500 ℃，赋予了材料具有优异的耐热性和热稳定性。邻苯二甲腈树脂的力学性能可与聚酰亚胺媲美，且具有更高的断裂韧度和拉伸强度。此外，邻苯二甲腈树脂具有优异的阻燃性能，是目前唯一可以达到美国海军易燃标准（MIL-STD-2031）的热固性聚合物。

目前，美国的Maverick公司已经向市场推出了商业化的邻苯二甲腈树脂产品，被命名为MVK-3。中国科学院化学研究所开发了多种分子结构的邻苯二甲腈树脂，其中APN10树脂制备的碳纤维增强复合材料力学性能保持率较高，热氧稳定性优异。400 ℃的保持率超过60%，450 ℃的保持率超过50%。

1.2 耐低温复合材料研究进展

深空探测器在空间飞行和近地行星服役期间，均会面临极端低温环境的考验。例如：木星、火星的地表温度最低可达-140 ℃，天王星、冥王星、海王星的地表温度均低于-210 ℃。复合材料作为深空探测器结构使用时，必须考虑其低温环境下的长期服役性能。就航天器而言，复合材料一般用于制造液氢、液氧低温容器以及深空探测器的复合材料结构件。

轻质高强的碳纤维复合材料低温推进剂贮箱是未来航天器贮箱的发展方向，其“轻量化”水平直接决定了运载火箭的推重比、性价比等服役性能。推进分系统占箭体结构总重的50%以上，因此，设计轻量化的贮箱是未来提高火箭载荷比的关键技术之一。然而，作为低温推进剂贮箱的结构材料，碳纤维复合材料必须具备耐超低温环境的能力，例如，液氧的温度为-183 ℃，液氢的温度为-253 ℃。在极端低温环境中，高分子处于玻璃态，分子链段运动受限，抗冲击性能降低，导致碳纤维复合材料产生微裂纹并持续扩展而失效。为了提高复合材料的极端低温耐受性，一般需要对树脂基体进行改性：（1）设计具有柔性链段的热固性树脂体系，增加其在极端低温环境下分子链的转动能力；（2）通过掺杂碳纳米管、石墨烯、纳米无机颗粒、纳米橡胶等纳米材料，提高树脂性能的同时，利用其尺寸小可以改变裂纹扩展方向的作用，提高复合材料的极端低温耐受性。