碳化硅陶瓷基复合材料在空间光学支撑结构中的应用

原创王洪达中国空间科学学会CSSR

作者介绍：

王洪达，助理研究员，中国科学院上海硅酸盐研究所，结构陶瓷与复合材料工程研究中心，wanghd@mail.sic.ac.cn

空间光学是在高层大气中和大气外层空间利用光学设备对空间和地球进行观测与研究的一个应用学科分支。空间光学研究的最主要手段，就是光学遥感，包括航空光学遥感、卫星遥感等。其中，以遥感卫星为代表的空间光学遥感技术具有覆盖区域广、探测精度高、信息获取及时和动态实时监测等一系列优点，可实现对热点区域全天时、全天候信息收集、监测和预警，在资源勘查、城市规划、救灾减灾、气象预报等领域具有重要应用。我们先来看一下目前空间光学遥感对地观测的效果。

图1 高景一号故宫遥感照片

图2 高分二号浦东融合影像

前段时间网络上很火的三峡大坝被国外光学遥感卫星拍到变形要溃坝的谣言，惊动了航天科技集团，然后……分分钟出来硬核辟谣，打脸造谣者。打脸工具如下：

图3 航天科技科技集团官方微博发布长江三峡光学卫星遥感照片

高清长图预警！

图4 高分二号卫星三峡大坝图像

图5 高景一号Halifa地区遥感图像

图6 高景一号拍摄遥感图像支持局部高清放大

图7 云南鲁甸灾前灾后光学遥感图像（下方黄色箭头标识山体滑坡位置）。近年来，空间光学遥感在地震、洪涝、干旱、山体滑坡、森林火灾等灾害的灾情勘查、救灾减灾方面发挥了愈来愈重要的作用

可以看出，目前光学遥感成像技术已十分成熟，可以做到高分辨快速成像。这一切的基础，就是性能优异的空间遥感卫星的空间光学相机。

作为精密光学仪器，空间光学相机对于光学组件的相对位置有要求极高，因此，在火箭发射-卫星升空-卫星开机和设备展开等阶段，光学组件之间相对位置变化需在微米级。这就要求连接各光学组件的主承力体—空间相机的支撑结构在卫星发射到在轨展开到长期运行过程中保持稳定。其次，作为支撑结构，光学支撑结构需要负载光学组件在地面及发射和运行过程中的重量载荷，且不发生明显变形。同时，从地面环境到空间环境，从气体常温环境到真空高低温交替环境，以及强紫外-宇宙射线照射，相机的支撑结构需在环境变化中保持尺寸无明显变化，对环境相容性的要求极高。从这三方面来说，光学支撑结构的性能将直接决定卫星的成像效果。另外，对于空间光学成像而言，其卫星平台对材料还有一项特殊要求，那就是轻。卫星的发射成本很高，需要严格控制载荷。甚至有“发射1g载荷，成本比1g黄金还贵”的说法。

因此，对于光学支撑结构，其材料应具有低密度、高刚度和强度、低热膨胀、耐辐照等特点。目前，世界各国的光学遥感卫星支撑结构材料包括金属材料、树脂基复合材料以及陶瓷基复合材料。金属材料主要包括钛合金和殷钢等。殷钢材料虽然可实现较低的热膨胀系数（0~2×10^-6/K可调），保证光学支撑构件热稳定性要求，但由于其密度较大（~8.8g/cm^-3），难以满足光学支撑结构轻量化设计要求，对卫星载荷重量控制及发射平台性能要求较高；钛合金材料与殷钢相比，密度（~4.5 g/cm^-3）低很多，但热膨胀系数较大（~8.9×10^-6/K），对光学支撑结构热稳定性有着极为不利的影响。

树脂基复合材料和陶瓷基复合材料同属连续纤维增强的复合材料。复合材料的概念很广泛，其应用历史也非常久远。远古文明时期，人类通过在黄泥中加入稻杆等，用以作为房屋建筑材料，已是复合材料的成功应用。现代的钢筋混凝土，也是复合材料的一种，其中钢筋组件为增强体，混凝土为基体，通过复合工艺，同时发挥钢筋材料和混凝土材料的性能。

图8 是的，这种土坯墙材料现代称之为复合材料

图9 现代的钢筋混凝土建筑材料

当然，上述的复合材料并不能应用在光学卫星当中。光学支撑结构中使用的复合材料，其增强体主要是连续碳纤维，优势在于低密度、高强度和高模量，柔韧性好，可编织性强。基体材料主要是树脂和近年来发展起来的碳化硅陶瓷。树脂基复合材料光学支撑结构应用以美国为代表，主要为碳纤维增强氰酸酯基复合材料，以及碳纤维增强环氧树脂基复合材料。树脂基复合材料的突出优点是密度低，同时可发挥碳纤维优异的力学性能。然而，其空间环境稳定性相对较弱，吸湿-放气等问题会导致在空间环境下支撑结构变形，影响成像。当然，美国通过在支撑结构上加载光机调节机构，对变形进行在轨调节，保证相机长期稳定运行和高质量成像。然而这种设计必将使相机结构更加复杂，技术难度较大。

图10 碳纤维布

图11 美国著名的超高分辨军事侦查卫星-“锁眼”卫星

以连续碳纤维增强的碳化硅陶瓷基（C/SiC）复合材料作为一种新型的光学支撑结构材料，因其密度低（~2.0 g/cm³）、比强度和比刚度高、热膨胀系数小、吸湿率低（10^-8量级）、辐照稳定性好等优点，目前其已逐步开始成为国内外光学支撑结构的首选材料。

C/SiC复合材料主要包括三种主要元素：增强体——连续碳纤维，碳化硅陶瓷基体，以及位于两者之间的的界面相组分。在材料/构件服役过程中，增强体纤维将承担主要载荷，并通过弱结合界面相将载荷传递到脆性陶瓷基体上，实现载荷转移和分散，提高材料整体承载能力。纤维-陶瓷基体通过界面相实现弱结合，在受力过程中偏转和枝化裂纹，改善材料对破坏的承载能力。通过引入连续碳纤维作为增强体，一方面改变了碳化硅陶瓷的本征脆性、有效改善了构件的形状设计和加工性能，另一方面可实现其微结构的可设计性，有利于材料热膨胀系数的设计调节（0~4×10^-6/K可调）；同时，高比刚度和比强度赋予C/SiC优异的尺寸稳定性和载荷承载能力。在卫星入轨展开后，以C/SiC复合材料为支撑结构的光学相机，其光学组件相对位置在发射过程中变化极小，仅进行微米级调整即可投入使用，相比于树脂基复合材料，可大幅提高卫星入轨站看后的运行响应时间。

图12 典型C/SiC陶瓷基复合材料断口微观结构

图13 C/SiC复合材料界面微观结构

图14 典型裂纹沿纤维-界面结构偏转微观照片

我国在陶瓷基复合材料空间光学系统应用的发展主要集中在进入21世纪以后。经过国内多家科研院所，如中国科学院上海硅酸盐研究所、国防科技大学、西北工业大学等的共同努力，C/SiC复合材料技术取得了长足的进步，并实现了C/SiC复合材料光学支撑结构的设计、制备、加工、检测技术成果工程化应用。目前，包括“高分二号”、“高景一号”等遥感卫星的光学支撑结构均采用C/SiC复合材料。与传统殷钢支撑结构相比减重50%，采用C/SiC复合材料的光学相机结构稳定性提高1倍，成像响应时间缩短1倍，力助我国卫星成像分辨率首次达到亚米级。当然，总体上与发达国家相比，我国高分辨率空间遥感技术仍存在较大的差距，例如上文中提到的美国“锁眼”卫星，其光学成像分辨率已达0.1m量级，可在高空清晰识别地面交通工具、帐篷灯小型建筑。面对差距，相信我们的相关科研人员必会发奋努力，突破更多技术难关，引领我国崛起，实现民族振兴！

图15 高景一号卫星

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