【技术干货】新型高强高模碳纤维在可展开空间结构中的潜在应用
大应变材料在空间结构中已经获得广泛应用，通过采用大应变材料可以构建可靠且高度紧凑的结构，例如可存储的管状可伸缩桅杆（STEM，图1）、连续长桁架结构（图2）、包裹肋式反射器（图3）。
图1 哈勃空间望远镜太阳电池阵列上可储存管状伸缩桅杆
图2 连续桁架结构
图3 洛克希德马丁公司包肋反射器
虽然上述结构成功实现应用，但其潜在的结构性能和大小受到一定限制，如STEM是管状、连续桁架是实心杆的桁架，而包肋则采用开放截面的梁单元，其主要因素与材料特性有关。
图4是使用复杂结构设计加工的可展开式网格反射器，造成这种状态的一个原因是传统工程材料中模量和应变的组合不足，以及对如何在挠性铰链应用中最佳地利用现有材料的工程学认识不足。
图4 诺斯罗普·格鲁曼管桁架抛物面网格反射器
大型应变可展开结构的合适材料必须满足两个相互矛盾的要求。首先，材料必须能够承受较大的应变，以实现紧凑的包装和设计的自由度，图1的体系结构通常设计为承受1.0-1.5％的应变，但是，应变为4％到5％可以实现更大的设计灵活性；其次，材料在展开配置中必须高刚度，空间结构通常使用细长的元件和壳体，这些壳体和壳体在压缩载荷作用下不会屈曲，而控制该载荷的主要材料属性就是模量，类似地，当承受张力时，最重要的材料属性是模量，因为它确定了挠度和振动的结构模式。
在考虑用于可展开结构的材料时，重要的是在包装配置中它们不需要是高模量的，如果在包装过程中材料模量降低，从而存储较少的应变能，这是可以接受的。最终决定展开结构的结构质量效率的是展开后的材料模量。国外部分公司开发了具有可热软化基质材料的碳纤维复合材料系统。加热后，这些材料可以反复折叠成非常大的应变，而不会降低其抗屈曲的展开能力。但这些材料的主要局限性在于将面临太空高温和低温系统的极端挑战。
表1给出了空间展开结构常用材料的性能，相关数据是经过标准化测试后的指标。在拉伸模量（代表展开状态）上使用压缩模量，在拉伸或压缩应变到破坏（代表堆积状态）上使用弯曲应变破坏力。在没有弯曲应变破坏数据的情况下，使用压缩应变破坏。对于空间展开结构，最好的材料是同时具有高模量、低密度、大应变和高强度。
但是，当同时考虑多个特性时，最好的材料选择并不那么明显，因为在已有材料体系下，很难有一种材料同时具备这些性能。以高性能碳纤维为例，T800碳纤维具有高强度、相对高的应变，但是模量偏低，M60J碳纤维具有高模量，但是形变低。
为了综合考虑多个因素，并评估可部署结构的材料特性，通常需要结合结构件特点进行考虑，比如在展开结构的配置中，材料的刚度和密度很重要，图5为常用材料的拉伸模量与体密度之间关系，在图中朝向图左上角的材料（较高的模量和较低的密度）更好。
图5 可展开结构材料的模量与体密度之间关系
而对于在必须变形才能进行包装的部分结构中，应变很重要，图6中显示了刚度与应变的关系。图中朝向右上方的材料（较高的模量和较大的应变）更好。
图6 可展开结构材料的模量与应变之间关系
从图5、图6中可以看出，无论选择何种标准，所有曲线都具有相同的含义：高模量碳纤维复合材料是展开结构的最佳选择。但是高模量碳纤维复合材料材料的低应变却很难避免。由于应变数据的不合适，导致材料选择更加复杂。比如在可变形结构中通常选择玻璃纤维增强环氧树脂，其特点是成本较低，但是玻璃纤维增强环氧树脂的结构效率要比M60J碳纤维增强环氧树脂约低四倍。
现有解决方案：材料性能不足，靠设计来弥补。目前正在研究的实现被动（无需加热）大应变材料的一种方法以具有大应变（100-300％）弹性体作为基体材料，在碳纤维复合材料中利用微屈曲概念，即：在拉伸或较低的压缩载荷下且在微屈曲发生之前，碳纤维处于伸直状态，从而产生可观的轴向刚度，并为展开的结构提供有效的材料；在较大的压缩载荷下，纤维将发生微屈曲，而弹性体基体将产生较大的有效压缩应变。
未来发展趋势，基础材料仍是破题关键！同时兼具高强、高模、低密度、高延伸的新型碳纤维是应用趋势。新型高强高模碳纤维，是指同时具有高拉伸强度、高拉伸模量、高断裂伸长特性的新一代碳纤维，其典型特征在于高强度和高模量兼具，可弥补以往传统高模碳纤维低形变的弱点。国外该型纤维代表为：日本东丽TORAYCA®MX碳纤维拉伸强度5700MPa、拉伸模量377GPa、伸长率1.5%；美国赫氏公司HexTow HM50型碳纤维拉伸强度5860MPa、拉伸模量359GPa、伸长率1.6%。
虽然东丽M40X、赫氏HM 50断裂伸长率为1.6%左右，仍然低于东丽T800纤维1.9%，但是比传统高模碳纤维伸长率（最高值为M40J的1.2%）要高出不少。
针对新型高强高模碳纤维，宁波材料所已经相继研发出两代产品：第一代新型碳纤维，于2018年研发，纤维强度5.0-5.2GPa，模量330-400GPa，并利用该型纤维加工了高压储气瓶；第二代新型碳纤维：纤维强度＞5.5GPa，模量320-420GPa、伸长率1.5-1.8%，2019年6月实现中试稳定生产，与第一代新型纤维相比，在保证模量范围可控无变化的情况下，大幅提升了纤维强度。
新型高强高模碳纤维会否成为可展开空间结构的关键材料？未来我们将拭目以待。