PAN基高模量碳纤维的典型特性及航天领域应用

聚丙烯腈（PAN）基高模量碳纤维是指拉伸模量超过350GPa、含碳量在99%以上的一类高性能碳纤维，它具有弹性模量高、热膨胀系数小、尺寸稳定等优异性能。PAN基高模量碳纤维增强复合材料可在温度交变环境中实现零膨胀，因此成为航天飞行器、深空探测等领域的重要原材料。目前中国在轨、在研和论证中的宇航结构产品广泛使用了PAN基高模量碳纤维，它已成为各级主次结构的核心关键材料，也是未来航天材料发展的重点。本文主要介绍PAN基高模量碳纤维的三大典型特性及航天领域应用。

01PAN基高模量碳纤维复合材料可满足航天器高刚度要求

由于卫星等航天器在发射过程中需要承受极高的加速过载和剧烈震动，因此在卫星结构设计时，主要考虑问题是在满足强度条件下解决刚度问题，通过采用高刚度结构才能保证卫星结构的完整性和功能性。通常PAN基高模量碳纤维复合材料的单向材料比模量比铝合金大5~7倍，因此，高模量碳纤维复合材料是满足卫星等航天器结构刚度要求的最佳材料。

02PAN基高模量碳纤维复合材料可满足航天器尺寸稳定性要求

航天器在太空环境运行面临主要问题是高低温交变，如卫星运行在地球静止轨道其面临最高温度120℃，最低温度可达零下160℃。卫星结构件对高低温交变环境中结构的高精度和尺寸稳定性提出了极高要求，以PAN基高模量碳纤维为增强材料，通过合理的铺层设计可以获得热膨胀系数近乎为零的复合材料，从而满足航天器对高低温交变环境中尺寸稳定性要求。

03PAN基高模量碳纤维复合材料可满足航天器轻量化要求

航天器使用的燃料每吨约需花费500万美元，携带大量燃料会增加航天器的起飞和飞行重量，大大提高航天器的制造成本和飞行费用。据估算，卫星每节省1kg的质量，运载火箭就可以减少500kg的燃料，并降低发射成本2万美元。与金属材料相比，PAN基高模量碳纤维复合材料在满足航天器高刚度和尺寸稳定性的同时，轻量化效果显著，有助于降低发射和运行成本。