复合模塑料替代因瓦合金应用于小型商业卫星
来源：中国复材展组委会  2023-10-17 10:31:44
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原文：http://shenzhen.chinacompositesexpo.com/cn/news-detail-244-13674.html       近日，美国Patz材料技术公司与美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL，Lawrence Livermore National Laboratory）合作开发了一种新型的光学单体壳，具有减重80%、近零热膨胀的特性，同时适用于商业航天领域的规模化生产。

       当下，全球的商业航天业发展突飞猛进。根据2023年1月，麦肯锡（McKinsey）管理咨询公司发布的一份报告，全球小型卫星的发射数量将从2022年的1740颗猛增到2030年的3000颗以上。美国航天技术咨询公司NSR也预测，在2021到2030年间，全球将共计发射24700颗卫星。Patz公司总裁Nick Patz表示，公司已经为大型卫星制造商生产了20多年的高模量、高性能碳纤维预浸料，而现在生产模式发生了巨大变化。过去每月生产一颗卫星的时代已经一去不返，商业航天产业正在经历每月生产数百颗卫星的技术变革。尽管商业卫星正在向小型化发展，但对零部件高强度、高模量、低密度和低热膨胀系数的性能要求一直未变。为此，Patz公司专门开发乐一中碳纤维增强环氧树脂模塑料，以适应商业航天的生产节拍。

       美国LLNL实验室空间计划的硬件开发团队也在持续推进小型卫星相关技术的发展。2012年以来，LLNL一直在为立方体卫星（边长10厘米）开发光学成像装备，用于监测空间碎片和其他任务。与具有独立主镜和次镜的传统光学设计相比，LLNL开发了一种单体式光学器件，将这些反射镜组合成一个元件。这些单体式光学器件适合小型卫星的紧凑封装空间，但足够坚固，可以承受发射期间的振动负载和太空中的极端温度。然而，它们需要具有极低热膨胀系数的外壳。目前，该外壳采用因瓦合金（Invar）制造，其热膨胀系数约为1.3（微米/米）/ºC。Invar是一种含铁36%的镍合金，重量重、价格昂贵，需要几个月的交货期。


       2021年，Patz公司与LLNL合作，开发出了因瓦合金外壳的替代品——采用60%6K高模量碳纤维增强碳纳米管（CNT）改性PMT-F16环氧树脂复合材料生产的单体光学外壳。该项目成果不仅证明了能够以小重量满足所有金属外壳性能的要求，而且在充分挖掘复合材料性能和成型工艺优势的设计过程中也展现出了更多的优势。

       复合模塑料由预浸料短切后模压而成，其中的增强体为单向碳纤维丝束，基体为改性环氧树脂。CNT的加入，很好地提高了基体树脂的力学性能，同时有效提高了增强纤维和树脂之间的载荷传递能力。换句话说，复合模塑料是包含有CNT增强环氧树脂复合材料的碳纤维增强环氧树脂复合材料。其出众的性能还同时解决了金属预埋件易拔出的问题。

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