目前，航天器不斷朝著超大型化、微小型化、高效能化的方向發(fā)展，對結(jié)構(gòu)輕量化、高效傳熱散熱、熱尺寸穩(wěn)定性等要求越來越高，這對輕質(zhì)材料的綜合性能也提出了更高要求。例如，大功率衛(wèi)星系統(tǒng)級的散熱和高功耗電子設(shè)備的局部散熱要求采用高熱導率的結(jié)構(gòu)材料和輕質(zhì)高效熱管理結(jié)構(gòu)才能滿足散熱要求；空間科學探測衛(wèi)星、高分辨率對地觀測衛(wèi)星需要結(jié)構(gòu)材料具備極低的熱膨脹系數(shù)和高導熱性，以實現(xiàn)平臺和載荷在軌冷熱交變環(huán)境下極低的熱變形和高精度溫控。傳統(tǒng)的輕質(zhì)材料已無法全面滿足結(jié)構(gòu)對材料優(yōu)異綜合性能的要求，高導熱中間相瀝青基碳纖維復(fù)合材料具有高熱導率、超高模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點，是研制航天器高剛度結(jié)構(gòu)、熱管理結(jié)構(gòu)、尺寸穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)、機熱一體化結(jié)構(gòu)等的理想材料。

高導熱碳纖維是由中間相瀝青經(jīng)紡絲、預(yù)氧化、碳化、石墨化等轉(zhuǎn)化而成，液晶中固有分子的定向排列被保留下來并在后處理中形成了接近于石墨單晶的結(jié)構(gòu)，因此其具有低密度、高導熱、高模量等性能。相比PAN基碳纖維，高導熱碳纖維具有超高的熱導率、更高的拉伸模量和更低的熱膨脹系數(shù)。

瀝青基碳纖維的制備工藝流程圖

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高導熱碳纖維在國外已形成系列化商品，目前在該領(lǐng)域已實現(xiàn)商業(yè)化批量生產(chǎn)高性能高導熱碳纖維的知名廠商有美國Cytec公司（現(xiàn)屬于比利時索爾維）、日本三菱化學公司和日本石墨纖維公司，其中，美國Cytec公司牌號為K1100的碳纖維的軸向熱導率和拉伸模量分別達到了1100W/(m·K)（為銅熱導率的2.8倍）和965GPa。國內(nèi)在高導熱碳纖維的開發(fā)與工程化制備方面也有一定的歷史，北京化工大學、中國科學院山西煤化所、湖南大學等單位在中間相瀝青基高導熱碳纖維開發(fā)方面也取得了一定的成績，逐步推進產(chǎn)業(yè)化中。

目前，高導熱碳纖維復(fù)合材料的研究及應(yīng)用主要集中在以高導熱碳纖維為增強體的樹脂基、碳基兩種復(fù)合材料。高導熱碳纖維增強樹脂基復(fù)合材料在航空航天裝備、尖端工業(yè)裝備、電子產(chǎn)品等方面得到重要應(yīng)用。高導熱碳/碳復(fù)合材料作為先進復(fù)合材料，主要應(yīng)用于飛行器的熱防護系統(tǒng)、熱疏導系統(tǒng)、發(fā)動機噴管等。

擴展閱讀：

1.瀝青基碳纖維正逐漸在5G導熱領(lǐng)域大放異彩

2.中間相瀝青基碳纖維及其應(yīng)用介紹

高導熱碳纖維復(fù)合材料在航天器中的應(yīng)用

1.熱管理結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)意義上的航天導熱材料（鋁、銅等）受材料熱導率和密度的限制，已無法滿足航天器對輕質(zhì)高效熱管理結(jié)構(gòu)發(fā)展的需求。采用高導熱碳纖維復(fù)合材料替代鋁合金、銅合金應(yīng)用于航天器熱管理結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)導熱增強與質(zhì)量減輕的雙重目標。高導熱碳纖維復(fù)合材料在美國、德國、日本的衛(wèi)星熱輻射器、蓄熱板等熱管理結(jié)構(gòu)獲得了大量成功應(yīng)用，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

德國HPS公司采用K13D2U高導熱碳纖維復(fù)合材料研制了通信衛(wèi)星東西面結(jié)構(gòu)板熱流轉(zhuǎn)換的碳面板熱輻熱器。兩層厚0.1mm、纖維方向垂直于熱管的K13D2U碳纖維/氰酸酯預(yù)浸料制成的面板熱導率達到400W/(m·K)以上，既實現(xiàn)了將熱量均勻地分布在熱輻熱器表面進而提升熱輻射器的散熱性能，又使得面板在熱管方向的熱膨脹系數(shù)與金屬熱管相匹配，避免了面板與熱管界面間的高應(yīng)力；與具有相同散熱性能的鋁合金面板熱輻射器相比，其質(zhì)量減輕了30%。

德國HPS公司碳面板熱輻射器

NASA開發(fā)的用于空間電站散熱器的高導熱碳/碳熱管為一體式碳/碳殼體翅片和鈮鋯合金薄壁內(nèi)襯組成的結(jié)構(gòu)，能實現(xiàn)600℃高溫下的高效傳熱散熱。與T300碳纖維碳/碳熱管相比，由于翅片材料熱導率的提高，K1100高導熱碳纖維碳/碳熱管在熱管翅片效率相同的情況下翅片換熱面積增加了130%，熱管的相對密度由2.11kg/m²減小到1.32kg/m²，可顯著減小散熱器的相對密度。

2.熱防護結(jié)構(gòu)

高導熱碳/碳和碳/陶復(fù)合材料具有優(yōu)異的導熱性能、高比強度、耐燒蝕等結(jié)構(gòu)和功能特性，可應(yīng)用于高速飛行器、航天器的熱防護結(jié)構(gòu)等，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的非燒蝕防熱和承載。相比傳統(tǒng)的PAN基碳纖維，高導熱碳纖維作為增強體制備的碳/碳和碳/陶復(fù)合材料具有更高的熱導率，通過提高熱疏導能力將熱量及時轉(zhuǎn)移，減小結(jié)構(gòu)中的熱梯度和熱應(yīng)力，簡化熱防護結(jié)構(gòu)的設(shè)計，提高熱防護系統(tǒng)的可靠性。

美國2018年發(fā)射的“帕克太陽探測器”用作熱防護的熱盾為兩塊碳/碳材料之間填充碳泡沫的輕質(zhì)、非燒蝕防熱結(jié)構(gòu)。為滿足熱盾耐高溫、耐輻照、高溫下機熱穩(wěn)定性好的需求，在設(shè)計選材時，美國JPL實驗室將P-100S、K321、P-55、P-30X幾種瀝青基碳纖維作為碳/碳材料增強體的候選材料進行了性能對比研究。

帕克太陽探測器

帕克探測器的隔熱罩就像是一塊三明治，兩塊碳纖維合成板夾著4.5英寸厚的輕型碳泡沫芯。為了盡可能多地反射太陽熱量，隔熱罩的向陽面采用了一種特殊的白色涂層

歐空局2020年發(fā)射的“太陽軌道器”中用作太陽輻射防護的熱盾，熱盾中起承載作用的支撐板為碳蒙皮蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。為實現(xiàn)最佳的熱負載均勻性并最大限度降低對平臺熱變形的影響，支撐板面板選用K13D2U高導熱碳纖維/Hexcel M18樹脂預(yù)浸料制作的準各向同性層合板。

太陽軌道器的熱盾

3.空間高尺寸穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)

將高導熱碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于航天器平臺、星載相機等空間高尺寸穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)，既可以發(fā)揮材料高導熱的特性來提升結(jié)構(gòu)溫度均勻性和溫控水平，又可以發(fā)揮材料低熱膨脹、高比模量的優(yōu)勢來降低結(jié)構(gòu)的熱變形以保證結(jié)構(gòu)的熱尺寸穩(wěn)定性，通過機熱一體化設(shè)計更可以達到顯著減重和提高熱尺寸穩(wěn)定性的效果。

HPS公司在HICO項目中采用K13D2U高導熱碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料研制了伽利略導航衛(wèi)星中用于大功率儀器設(shè)備安裝的碳面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)板。高導熱碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)板解決了傳統(tǒng)鋁合金或PAN基碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)板無法同時滿足集承載/傳熱/尺寸穩(wěn)定性功能于一體的難題，既保證了大功率設(shè)備熱量的快速擴散，又使結(jié)構(gòu)具有高剛度和更好的尺寸穩(wěn)定性。相比傳統(tǒng)鋁合金面板結(jié)構(gòu)板，該結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕11%，擴熱性能提升17%。

伽利略衛(wèi)星儀器安裝板示意圖

意大利AGILE衛(wèi)星固態(tài)硅探測器為了滿足高尺寸穩(wěn)定性和高溫度均勻性的要求，探測器硅鎢跟蹤器的機械基板、附加硅探測器平面基板均采用了K1100型高導熱碳纖維復(fù)合材料面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)。美國EOS-3衛(wèi)星有效載荷光譜儀的光學基座為K13D2U型高導熱碳纖維復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)，隔熱罩為K13D2U型高導熱碳纖維復(fù)合材料面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，高導熱碳纖維層壓板面內(nèi)高導熱、低熱膨脹的特性保證了光學平臺上的光學元件在接近180K溫度下的尺寸穩(wěn)定性和高精度溫控。

碳纖維平面基板

4.空間反射鏡及天線反射面

空間反射鏡、天線反射面在軌長期暴露在極端溫度波動環(huán)境中，大的溫度波動或非均勻的溫度分布會引起反射鏡及天線反射面較大的熱變形，進而影響載荷功能的有效發(fā)揮。采用高導熱碳纖維復(fù)合材料研制空間反射鏡、天線反射面，可快速平衡產(chǎn)品在軌時的溫度梯度并有效降低熱變形的影響，從而提高天線和反射鏡等載荷的服役能力。

有研究者使用K1100碳纖維/氰酸酯復(fù)合材料面板蜂窩夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造了衛(wèi)星成像儀和探測器用的輕質(zhì)掃描鏡，所選材質(zhì)具有高導熱、高剛度、低熱膨脹系數(shù)的特性，降低了掃描鏡在軌的溫度梯度、熱致彎曲變形以及地面集成測試時的自重變形，提升了結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性。

5.多功能結(jié)構(gòu)

航天器中多功能結(jié)構(gòu)(MFS)主要指“結(jié)構(gòu)＋電子”多功能一體化結(jié)構(gòu)，即利用微電子、柔性電路、高效熱管理等技術(shù)將電子線路、電纜、熱控等部件集成嵌入到結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)信息傳遞、配電管理、熱管理及承載等功能的一體化。作為實現(xiàn)航天器輕型化、微型化的重要手段，MFS成為航天器結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究熱點。

美國NASA在“新千年計劃”的深空1號飛行器中首次將高導熱碳纖維復(fù)合材料技術(shù)應(yīng)用于MFS。為滿足多芯片模塊(MCM)安裝、嵌入傳熱裝置、作為散熱器等集成熱管理的需要，MFS基板采用了K13D2U型高導熱碳纖維復(fù)合材料面板制成的蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，并在高熱耗的MCM安裝局部采用面板加厚、蜂窩內(nèi)填充高導熱填充物等方式提高局部散熱能力以消散MFS面板上的高熱通量。

(a)多功能結(jié)構(gòu)設(shè)計、(b)多功能結(jié)構(gòu)MCM熱耗散設(shè)計

6.電子設(shè)備外殼

航天器中存在大量電子設(shè)備，傳統(tǒng)的電子設(shè)備外殼由鋁合金制成。采用高導熱碳纖維復(fù)合材料替代鋁合金用于電子設(shè)備外殼，可以減輕設(shè)備質(zhì)量并提高其散熱能力。采用高導熱碳纖維制備的電磁屏蔽箱，可實現(xiàn)電磁屏蔽、電子器件的及時散熱和結(jié)構(gòu)輕量化；日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)開發(fā)的碳纖維復(fù)合材料光纖陀螺儀，光纖環(huán)繞線筒采用了K13D2U型高導熱碳纖維復(fù)合材料與T300碳纖維復(fù)合材料結(jié)合的方案，通過對光纖環(huán)繞線筒內(nèi)側(cè)包裹纖維方向為圓周方向的K13D2U碳纖維復(fù)合材料，利用其高模量和低熱膨脹的特性來抑制熱應(yīng)變，從而提高光纖陀螺儀的穩(wěn)定性。

總結(jié)

從發(fā)展趨勢來看，高導熱碳纖維復(fù)合材料因具有高模量、高導熱、低熱膨脹系數(shù)等特性，使其在航空航天、武器裝備、核工業(yè)、電子產(chǎn)品、工業(yè)裝備等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。其潛在應(yīng)用場景包括：（1）發(fā)揮其高比模量優(yōu)勢，替代傳統(tǒng)輕質(zhì)合金、PAN基碳纖維應(yīng)用于高剛度結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)裝備減重；（2）發(fā)揮其高導熱優(yōu)勢，作為高導熱材料應(yīng)用于電子設(shè)備、熱管理裝置、熱防護結(jié)構(gòu)中提升傳熱性能；（3）發(fā)揮其優(yōu)良力熱綜合性能，作為集承載/熱管理/尺寸穩(wěn)定性于一體的功能材料應(yīng)用于多功能結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)減重、尺寸穩(wěn)定性與傳熱性能的增強，提升裝備輕量化、集成化和載荷性能等。目前國內(nèi)高導熱碳纖維材料產(chǎn)品性能與國際先進產(chǎn)品還有一定的差距，產(chǎn)業(yè)化及工程化應(yīng)用尚處于起步階段，需進一步提高國產(chǎn)高導熱碳纖維產(chǎn)品性能和產(chǎn)業(yè)化能力，實現(xiàn)工程化應(yīng)用技術(shù)的突破。隨著材料技術(shù)和航天技術(shù)的發(fā)展，高導熱碳纖維復(fù)合材料在航天器中將得到越來越廣泛的應(yīng)用。

參考來源：

1.高導熱瀝青基碳纖維復(fù)合材料在航天器中的應(yīng)用現(xiàn)狀及展望，楊強、劉洪新、何端鵬、陳海峰、陳維強、金晶、潘福明（材料導報）；

2.高導熱中間相瀝青碳纖維的制備，葉崇（湖南大學）；

3.國防軍工行業(yè)深度報告：高性價比碳纖維，高端制造業(yè)換裝首選材料（華安證券）。

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