功能型復合材料在深空探測任務中的應用研究進展

白 剛 肖 偉 高 鋒 張 劍 張 正

（1 北京空間飛行器總體設計部，北京 100094）

（2 國家納米科學中心，北京 100190）

（3 中國運載火箭技術研究院，北京 100076）

文 摘 分析了深空航天器面臨的復雜空間環境以及對航天用功能型復合材料的需求，系統綜述了耐高低溫、抗宇宙射線、電磁屏蔽等深空探測環境用功能型復合材料的研究進展，最后，展望了功能型復合材料在深空探測領域中的潛在應用。

0 引言

近年來，我國航天事業發展迅速，北斗導航系統、神舟系列飛船、天宮實驗室陸續成功服役。多型號航天器的發展推動了航天科研工作者對近地球太空環境的更深層次認識，惡劣的太空環境對設備的可靠性提出了苛刻的要求，而設備的可靠性很大程度上依賴于材料的長期服役性能。在此期間，國內科研工作者在高性能碳纖維復合材料、高性能金屬材料、耐空間環境涂層等諸多材料領域取得了長足的進步，有力地保障了我國航天器對各種近地太空環境的需求。但是隨著國家“深空探測”戰略的實施，月球、火星、小行星將是未來航天科研工作者的主戰場［1-3］。

“一代材料，一代裝備”，深空探測將面臨更為復雜、嚴酷的太空環境，不同探測任務會面臨完全不同的空間環境。為此，需要針對特定深空探測任務，探測并分析任務所面臨的空間環境條件，以提高航天器可靠性為原則，逐條分解并歸納出各種材料在特殊太空環境下的性能需求，從需求端為科研工作者提供材料研發方向?？量痰目臻g環境是造成航天器異常的主要原因之一，是未來深空探測工程應用關注的重點，高能射線輻照、極端高低溫交變、復雜電磁環境等空間環境會導致航天器主體材料發生微觀物理化學變化，并引發航天器結構損傷，甚至導致結構破壞，影響航天器的功能甚至壽命［4］。根據需求不同，未來深空探測可以分為短期探測和長期運行基地兩種，需要研究材料在極端高溫或低溫、高強度宇宙射線輻射等惡劣環境的結構和性能演變，并依此對材料的使用壽命進行評估。

碳纖維復合材料因其“輕質高強”的特性使其在“輕量化”要求嚴苛的航天器中大量使用。在深空探測中，高低溫交變環境會引起碳纖維復合材料結構件樹脂基體內部出現微裂紋，導致碳纖維復合材料結構件尺寸發生變化甚至分層，而宇宙射線、太陽電磁輻射、高能粒子、等離子體、原子氧會導致復合材料樹脂基體侵蝕、老化，最終影響復合材料整體結構的性能和服役壽命，而釋放的小分子會附著在航天器電子設備上，嚴重影響星載設備的功能和性能［5-10］。

為了滿足深空探測器在高低溫交變、宇宙射線、電磁輻射等空間環境的使用要求，具有特定功能的復合材料成為航天材料研究領域的一大熱點，本文將對特定空間環境條件下功能型復合材性能需求以及研究進展進行分析和歸納總結。

1 耐高、低溫環境復合材料研究進展

高低溫是深空探測器面臨的共性問題，與衛星和載人飛船相比，深空探測器面臨的溫度環境更為苛刻。通常深空環境下的溫度為-270.3 ℃，表面陽光直射時月球表面溫度高達127 ℃，而夜晚溫度可以降低至-183 ℃，溫度變化超過300 ℃?；鹦潜砻鏈囟认鄬睾?，白天溫度可達20 ℃，而夜晚溫度可以降低至-150℃，溫差有時會接近約200 ℃。金星大氣層中約96%是CO2，溫室效應明顯，平均表面溫度高達462 ℃［11］。探測器需要滿足深空環境溫度的同時，可能還需要滿足瞬時的溫度環境，例如探測器降落過程中，可能面臨200～1 000 ℃的高溫環境。碳纖維復合材料的主要應用一般溫度為-253～350℃。

1.1 耐高溫復合材料研究進展

深空探測器耐高溫可以分為兩個類型：一是短期耐高溫材料；二是長期服役耐高溫材料。

以“祝融號”火星探測器（圖1）為例，在高速下降階段，飛行器的速度高達2×104km∕h，保護探測器的隔熱罩溫度最高可以達到1 500 ℃。雖然有隔熱罩保護，探測器也可能需要具備200～250℃的耐高溫能力。而到達火星表面時，由于火星表面溫度相對溫和，對碳纖維復合材料沒有耐高溫的要求。復合材料中纖維承受高溫能力較強，其耐高溫性能主要受制于樹脂基體，在深空探測領域使用的耐高溫樹脂主要有氰酸酯（Cyanate resin）、雙馬來酰亞胺樹脂（Bismaleimide）、聚酰亞胺樹脂（Polyimide）以及鄰苯二甲腈樹脂（Phthalonitrileresin）。

圖1 火星巡視器著陸狀態及“祝融號”火星車Fig.1 Landing status of Mars patrol and"Zhurong"rover

1.1.1 氰酸酯

氰酸酯單體是一種酚衍生物，由雙酚或多酚與氫氰酸反應而成，含有兩個及以上的氰酸酯官能團（—OCN），因其官能團中的氧原子和氮原子具有較高的電負性，在受熱和有催化劑存在的情況下，通過環化反應形成三嗪環結構，由于其結構具有高度的對稱性，可以阻止其分子結構基團旋轉，使得氰酸酯固化后具有高的玻璃化溫度（Tg）［12-14］。雙酚A 型氰酸酯的Tg高達300 ℃，而具有酚醛分子結構的酚醛型氰酸酯的Tg更是高達350℃以上，在航天航空耐高溫領域有著廣泛的應用潛力，例如，瑞士的Lonza 公司使用酚醛型氰酸酯開發出用于第四代戰斗機F35 的透波雷達整流罩系統［15］。三菱化學宣布推出以氰酸酯樹脂為基體的碳纖維預浸料新品，兼具出色的高強度和耐熱性。三菱化學利用自身積累的技術優勢，通過將原材料技術與催化劑技術相結合，創造性地開發出一款氰酸酯樹脂并制備成碳纖維預浸料。該產品不僅具備碳纖維的韌性和強度，并且能耐受250℃的高溫。三菱化學希望將其應用范圍從汽車行業擴展到航空航天等領域［16］。

1.1.2 雙馬來酰亞胺

雙馬來酰亞胺是以馬來酰亞胺為活性端基的雙官團化合物，是聚酰亞胺樹脂體系派生出來的一類熱固性樹脂，被美國NASA 譽為“綜合性能最優異的熱固性基體樹脂”［17-19］。根據分子結構不同，雙馬來酰亞胺的Tg為200～400 ℃，在航空工業領域應用廣泛。美國F22 戰斗機大量使用型號為5250-4 雙馬來酰亞胺樹脂，通過自動鋪絲工藝制備了平尾樞軸結構，通過蜂窩夾層復合工藝制備了機翼操作面。5250-4 樹脂的使用溫度為-59～204 ℃，最高連續使用溫度204 ℃，短期使用溫度可達232 ℃［20］。我國研制的5405、803、QY 系列等牌號BMI 樹脂也已大量應用于多種型號的軍機、民機及航天器用耐高溫復合材料構件中。

1.1.3 聚酰亞胺樹脂

氰酸酯和雙馬來酰亞胺樹脂不能滿足300 ℃以上的高溫需求，熱固性聚酰亞胺是分子主鏈上帶有酰亞胺基團的雙官能團低分子量單體或預聚物或它們的混合物，制得的復合材料具有優異的耐熱性能和較高的力學性能，最高使用溫度超過300 ℃［21-23］。美國PMR-15 長期使用溫度高達310～320 ℃，其復合材料結構主要應用于耐高溫結構和次級結構，廣泛用于飛機發動機和導彈的整流罩等耐高溫構件［24］。為了滿足更高等級耐高溫的需求，美國NASA等相關單位又陸續開發出多種新型聚酰亞胺樹脂，如PMR-Ⅱ-50、AFR-700 等。PMR-Ⅱ-50 和AFR-700 在371 ℃下具有優異的熱穩定性，其中AFR-700B 樹脂基復合材料已應用于F-22 發動機上，以代替鈦合金作壓氣機的靜子結構和機身導管［25-26］。隨后，又開發出Tg超過350℃的乙炔基端封的聚酰亞胺和苯乙炔端封的聚酰亞胺，美國San Diego 復合材料公司目前以此樹脂為基體制備碳纖維復合材料并生產新型導彈的全尺寸彈脊［27］。

1.1.4 鄰苯二甲腈樹脂

鄰苯二甲腈樹脂是以鄰苯二甲腈封端并作為交聯基團的耐高溫有機樹脂，其由于分子含有強極性基團-CN，在經過375 ℃甚至更高的溫度固化后，形成苯基均三嗪環和酞菁等芳雜環結構，使其Tg高達500 ℃，賦予了材料具有優異的耐熱性和熱穩定性［28-29］。鄰苯二甲腈樹脂的力學性能可與聚酰亞胺媲美，且具有更高的斷裂韌度和拉伸強度。此外，鄰苯二甲腈樹脂具有優異的阻燃性能，是目前唯一可以達到美國海軍易燃標準（MIL-STD-2031）的熱固性聚合物［30-31］。

目前，美國的Maverick 公司已經向市場推出了商業化的鄰苯二甲腈樹脂產品，被命名為MVK-3。中國科學院化學研究所趙彤等［32］開發了多種分子結構的鄰苯二甲腈樹脂，其中APN10 樹脂制備的碳纖維增強復合材料力學性能保持率較高，熱氧穩定性優異。400 ℃的保持率超過60%，450℃的保持率超過50%。

1.2 耐低溫復合材料研究進展

深空探測器在空間飛行和近地行星服役期間，均會面臨極端低溫環境的考驗。例如：木星、火星的地表溫度最低可達-140 ℃，天王星、冥王星、海王星的地表溫度均低于-210 ℃。復合材料作為深空探測器結構使用時，必須考慮其低溫環境下的長期服役性能。就航天器而言，復合材料一般用于制造液氫、液氧低溫容器以及深空探測器的復合材料結構件。

輕質高強的碳纖維復合材料低溫推進劑貯箱是未來航天器貯箱的發展方向，其“輕量化”水平直接決定了運載火箭的推重比、性價比等服役性能。推進分系統占箭體結構總重的50%以上，因此，設計輕量化的貯箱是未來提高火箭載荷比的關鍵技術之一［33-35］。然而，作為低溫推進劑貯箱的結構材料，碳纖維復合材料必須具備耐超低溫環境的能力，例如，液氧的溫度為-183 ℃，液氫的溫度為-253 ℃。在極端低溫環境中，高分子處于玻璃態，分子鏈段運動受限，抗沖擊性能降低，導致碳纖維復合材料產生微裂紋并持續擴展而失效。為了提高復合材料的極端低溫耐受性，一般需要對樹脂基體進行改性：（1）設計具有柔性鏈段的熱固性樹脂體系，增加其在極端低溫環境下分子鏈的轉動能力；（2）通過摻雜碳納米管、石墨烯、納米無機顆粒、納米橡膠等納米材料，提高樹脂性能的同時，利用其尺寸小可以改變裂紋擴展方向的作用，提高復合材料的極端低溫耐受性［36-38］。

目前，低溫貯箱已經廣泛使用碳纖維復合材料制備。美國的Delta 系列航天飛行器制造公司（MDA）早在1987年就開始對耐低溫碳纖維復合材料貯箱進行研究，他們針對氫分子滲透和耐低溫復合材料力學性能等關鍵技術進行攻關，并于20世紀90年代試制成功復合材料液氫貯箱［39］。隨著納米科技的興起，納米二維材料被用于提高樹脂基體的氣體阻隔性能，NASA 的Glenn 研究中心通過納米層狀材料改性環氧樹脂，使其在熱脹系數降低了30%的同時韌度提高了100%，用此樹脂制備的復合材料貯箱氦滲漏率降低了5 倍［40］。2016年美國Space X 公司成功研制出火星運輸飛船用碳纖維燃料貯箱，該貯箱直徑12 m，是迄今為止最大的低溫燃料貯箱［圖2（a）］［41］。2021年1月22日，中國運載火箭技術研究院成功首制了直徑為3.35 m 的低溫液氧貯箱［圖2（b）］，與金屬貯箱相比，該貯箱在減重30%的同時還具有更優的強度［42］。

圖2 低溫儲箱Fig.2 Cryogenic tank

1.3 高低溫交變環境對復合材料的影響

深空探測器在月球、火星表面服役期間，要經受白晝和黑夜溫度差為200～300 ℃的溫度交變環境。碳纖維復合材料中的碳纖維和樹脂之間的熱膨脹系數差別巨大，在長期的高低溫交變服役環境中，熱應力和熱膨脹系數的不匹配會導致纖維與樹脂之間界面破壞，進而產生微裂紋導致復合材料產生結構性失效。譚偉等［43］研究了高低溫老化對碳纖維增強復合材料層間力學性能的影響，發現碳纖維復合材料失效問題主要是纖維∕基體界面開裂引起的，纖維發生斷裂并且斷面比較光滑，說明老化使纖維絲與基體的界面結合力顯著下降。SHIN 等［44］研究了-70～100 ℃熱循環對碳纖維復合材料力學性能的影響，結果表明，隨著熱循環次數的增加，碳纖維復合材料的拉伸強度和模量呈指數趨勢衰減。哈爾濱工業大學的GAO 等［45］人研究了熱循環（-180～140 ℃）對M40J∕AG-80 碳纖維復合材料力學性能的影響，結果表明其彎曲強度呈現先增加后減小的趨勢。

為了提高極端高、低溫交變環境下復合材料的長期服役性能，采用與低溫碳纖維復合材料類似的方法，即通過提高樹脂基體分子鏈的柔韌性、減小樹脂與碳纖維的熱膨脹系數差異、摻雜納米材料降低樹脂基體的微裂紋擴展等技術手段［46-48］。

2 宇宙射線及電磁屏蔽防護復合材料研究進展

深空探測航天器需要長時間在星際空間飛行，如火星探測器飛行時間長達300 d 以上。除了高低溫環境外，高強度宇宙射線輻射也同樣嚴重威脅著深空探測器以及碳纖維復合材料的可靠性與安全性［49-53］。

2.1 宇宙射線防護復合材料研究進展

在銀河系內部，存在高能量的宇宙射線，這些射線由87%的質子、12%的氦氣以及1%的重核（電荷范圍為3 到28）組成。當質子高速作用于航天器材料時，通過一系列碰撞將材料本體原子的電子撞出產生電子散射，質子損失能量并造成材料電離［54］。研究表明，質子與屏蔽材料相互作用過程中的能量損失隨著屏蔽材料的荷質比的增大而增大，原子核中沒有中子的氫元素具有最高的荷質比，是質子輻射的最佳屏蔽元素。鑒于低原子序數材料具有良好的抗輻射防護效果，理論上不論固態、液態、氣態的氫都是理想的質子抗輻照防護物質。具體到工程材料方面，一些聚合物由于其較高的氫含量也作為輻射屏蔽材料，聚乙烯的氫含量高達15%，具有優異的質子屏蔽能力，但是鑒于聚乙烯缺乏足夠的強度，無法用作結構材料，超高分子量聚乙烯纖維（UHMWPEF）是目前世界上比強度和比模量最高的纖維，其分子量在（1～5）×106，兼具優異的輻射屏蔽性能和力學性能，常用于質子防護材料使用［55-57］。

ZHONG 等［58］制備了UHMWPE∕納米改性環氧樹脂復合材料，并使用1 GeV 的35Cl 離子、高量離子作為宇宙射線重離子輻射源進行復合材料的射線防護實驗，結果表明UHMWPE∕納米改性環氧樹脂復合材料具有很高的射線屏蔽效能。John D.DesJardins等［59］研究了質子輻照對超高分子量聚乙烯纖維性能的影響。Hatsuo Ishida 研究了超高分子量聚乙烯∕聚苯并噁嗪富氫復合材料用于空間輻射防護（圖3），研究結果表明：高氫含量的3BOP-daC12的射線屏蔽性能可以與聚乙烯媲美，并優于傳統的環氧樹脂（Cytec CYCOM 934）。制備的多功能UHMWPE纖維∕聚（3BOP-daC12）復合材料兼具優異的力學性能和輻射屏蔽性能。美國宇航局將UHMWPE 纖維∕聚（3BOP-daC12）復合材料的樣品作為材料的一部分送往國際空間站實驗12（MISSE-12）進行在軌試驗，MISSE-12 于2019年秋季開始，持續1年。Hatsuo Ishida 在另一篇文章的研究結果表明，與鋁相比UHMWPE∕聚（3BOP-daC12）復合材料比強度提高325%，預計等效輻射劑量減少31%。奧爾塔里斯輻射模擬也證明了UHMWPE∕Poly（3BOP-daC12）的屏蔽性能接近純聚乙烯，估計在一個區域內的差異小于3%密度為15 g∕cm3［60-61］。

圖3 超高分子量聚乙烯∕聚苯并噁嗪富氫復合材料Fig.3 UHMWPE∕Hydrogen-rich benzoxazine resins composite

2.2 中子防護復合材料研究進展

在深空探測過程中，深空探測器可能會遭受空間初級中子以及高能射線與物質相互作用產生的次級中子的輻照損傷?？臻g中子主要來自太陽和宇宙輻射中存在的中子，但是由于中子的半衰期較短，僅有10.80 min，為此太陽系內的中子主要為太陽輻射產生。次級中子主要是由高能重離子與艙體被動屏蔽材料發生復雜相互作用而產生的。中子與航天器器件材料相互作用可能誘發位移、損傷效應、單粒子效應，會導致材料性能退化或器件損傷，并嚴重威脅航天員的身體健康。為此，深空探測器的中子屏蔽也是必須考慮的關鍵問題［62-63］。

目前所使用的中子屏蔽材料主要是由各種中子吸收劑填料與混凝土、金屬、高分子復合材料等，與地球上利用重金屬或鋼筋混凝土進行中子防護相比，深空探測器對屏蔽材料的輕量化設計要求更高。而低密度的高分子及其復合材料在深空探測領域更具有優勢。輕質高強、高屏蔽性能的聚合物復合材料是深空探測的研究方向。在這方面，熱固性微納米復合材料被認為是設計有效衰減中子輻射屏蔽的合適材料。TOYENA 等［64］通過球磨分散的方法制備了Sm2O3∕UHMWPE復合材料（圖4），研究結果表明其中子屏蔽性能隨著Sm2O3含量的增加而提高。KIM等［65］研究了多種納米材料（B4C、BN 等）對高密度聚乙烯中子屏蔽性能的影響，結果表明，與微米粉體材料相比，納米改性高密度聚乙烯具有更高的中子屏蔽性能。ADELI 等［66］通過B4C 改性雙酚A 環氧樹脂制備中子屏蔽材料，研究結果表明，B4C 的尺寸越小，在相同含量下，其中子的屏蔽性能越高。

圖4 Sm2O3∕UHMWPE復合材料電鏡照片Fig.4 SEM images of Sm2O3∕UHMWPE composites

2.3 原子氧防護材料研究進展

低地球軌道大氣主要由原子氧和氮氣組成，原子氧具有極強的氧化性能，氧化性比分子氧強很多。原子氧的碰撞動能為5.3 eV，所產生的作用與4.8×104K 的高溫接近。這種強烈的高溫氧化和高速碰撞作用會對材料造成嚴重的侵蝕。航天器在低地球軌道環境中和原子氧相撞，表面材料會被原子氧的較高的平動能所氧化和侵蝕，造成材料內部結構破壞，影響航天器的性能并最終造成航天器的使用壽命下降。因此，國內外航天專家一致認為在低地球軌道中，原子氧是造成航天器材料破壞的主要因素［67］。

研究表明，由于各種有害條件的共同作用，聚合物復合材料在低地球軌道環境中的降解速度加快。每種低地球軌道的危險條件都會對表面產生不同的降解效果。XPS結果表明，處理后的樣品表面發生了斷鏈和氧化反應。經AO 處理的樣品表面生成更多的C—O 和cdo 雙鍵官能團。ToF-SIMS 數據中C3H7NO+離子的相對離子濃度表明，在全條件下處理的樣品的氧化反應是其他部分處理樣品的兩倍。XPS 結果表明，處理后樣品表面氧濃度最高，碳濃度最低。與其他處理樣品相比，真空下AO 處理樣品的斷鏈率和揮發物損失率最高。另外，在部分處理的樣品中，用AO 處理的樣品顯示出最高的氧化速率。掃描電鏡（SEM）結果表明，AO 處理后的樣品表面產生白色特征，表明了斷裂、氧化和交聯的綜合作用。在VTCUV 樣品表面發現的高對比度沉積物可能是由于冷卻過程中的冷凝和再沉積造成的。經過16次熱循環后，VTC表面未出現微裂紋。

AWAJA 等［68］研究表明，在多種空間環境因素的共同作用下，復合材料在低地球軌道降解速度加快，材料表面產生了嚴重的斷鏈和放氣現象。趙小虎等［69］通過地面模擬試驗研究了原子氧對碳纖維復合材料的剝蝕效應，結果表明，原子氧對環氧樹脂基體具有較強的剝蝕作用，而對碳纖維影響不明顯。為了能夠有效降低原子氧侵蝕對航天器高聚物的影響，一般會在高聚物表面涂覆不與原子氧反應的保護涂層，如SiO2和Al2O3等，或者通過改變材料表面的元素組成，采用表面硅烷化等措施，硅氧鍵在原子氧的侵蝕下不易斷裂，并且不會像傳統的含碳高聚物一樣與原子氧發生反應，對基質材料起到有效的防護作用。

碳纖維復合材料作為航天器的主要結構材料，暴露在原子氧環境的時間越久，損傷越大。在軌運行期間，原子氧能夠持續對樹脂基體剝蝕，降低復合材料的機械性能和熱性能。為了防止原子氧對樹脂基體的侵蝕，延緩碳纖維復合材料性能衰退，文獻［70-73］通過摻雜無機納米顆粒提高聚合物抗原子氧侵蝕的研究成果，用高含量POSS、納米SiO2等無機顆粒改性復合材料樹脂基體，在碳纖維復合材料遭受原子氧輻照時，納米材料在復合材料樹脂表面形成一層無機鈍化層，從而阻止原子氧對氰酸酯樹脂基體內部的持續侵蝕，提高復合材料的在軌壽命。

2.4 深空紫外防護材料研究進展

空間環境中的紫外線波長為1～400 nm，按照波長可以分為真空紫外（10～200 nm）和近紫外（200～400 nm）。雖然太陽紫外輻照能量在整體太陽總輻照量中所占比例很小，但是紫外光子能量很高，波長范圍為100～200 nm 的紫外輻照的能量約為628～1 256 kJ∕mol，其能量足以致使聚合物發生光化學反應，導致結合能較低的C—C、C—O、C—N 化學鍵斷裂，破壞高分子材料的化學結構，進而導致材料性能退化。就碳纖維復合材料而言，樹脂基體吸收紫外輻射能量后，會導致樹脂基體分子鏈斷裂，纖維與樹脂界面強度下降，表面形成微裂紋造成碳纖維復合材料表面開裂［74-75］。為了提高聚合物的抗紫外性能，國內外一般通過摻雜氧化鈰、二氧化鈦等具有紫外屏蔽功能的納米材料提高聚合物的抗紫外性能［76-77］。

JIANG 等［78］通過在環氧樹脂摻雜納米TiO2顆粒提高材料的力學性能和抗真空紫外性能，結果表明加入納米TiO2后，碳纖維復合材料表面無明顯損壞，且其質量損失率更低。饒續等［79］首先制備了改性埃洛石納米顆粒，之后將改性埃洛石納米顆粒用于提高復合材料耐紫外性能，結果表明PEI∕TiO2-HNT-1納米粒子具有優異的紫外屏蔽性能，經過長達500 h的輻照老化試驗后，復合材料的彎曲性能無明顯變化。

2.5 電磁屏蔽復合材料研究進展

為了降低空間環境以及探測器內電子設備電磁輻射的干擾，電磁屏蔽材料被廣泛應用于關鍵電子設備。近年來，隨著納米材料的發展，以碳納米、石墨烯為主的新型電磁屏蔽材料得到快速的發展。ZENG 等人設計并制備了各向異性的仿生蜂窩多孔狀復合材料，提出取向孔形貌對電磁屏蔽性能具有重要影響的新機理。作者通過在聚氨酯∕碳納米管復合材料中引入取向的蜂窩狀多孔結構，證明當電磁波傳播方向垂直于取向的蜂窩孔道時，多孔結構能夠增加電磁波在孔道內的多重反射和散射，大幅度提高材料的電磁屏蔽性能［80-81］。

ZENG等［82］結合電紡技術及化學鍍層技術，研發了一類金屬（銅、銀）包裹的高分子納米纖維微孔膜，該低密度復合材料厚度為2.5μm時在超寬頻率波段（約200 GHz）下屏蔽效能可高達50 dB，其面比屏蔽效能參數為目前最高值。在工程應用方面，Nanocomp科技制造了基于碳納米管的片狀電磁屏蔽材料，用于保護木星探測器免于靜電放電。此種新型碳納米管布盡管在導電性和力學性能還存在一些缺陷，但是在某些輕量化應用中具備取代銅以及其他傳統材料的潛力。美國宇航局（NASA）曾將碳納米管布用作“朱諾號”深空探測器的輻射保護罩中［83］。

Nanocomp 科技的碳納米管（CNT）材料在某些飛行系統姿態控制電機支柱和主要引擎室上形成表面層［圖5（a）］。與傳統的電磁屏蔽材料鋁箔需要與復合材料粘結不同，在復合材料制備時，Nanocomp薄膜可以直接附于表層，一體固化成型。德國HPS 公司設計的電磁屏蔽箱，在樹脂中添加碳納米管，主要應用于Satellites，Space Platforms （Telecom，Earth Observation，Navigation），該產品提高了散熱電子元器件的熱控能力，預期替代目前用的鋁制電磁屏蔽盒［圖5（b）］［84］，另外該公司還開發了碳納米管改性環氧樹脂黏結劑以及金屬夾層碳纖維復合材料。

圖5 電磁屏蔽材料及結構Fig.5 Electromagnetic shielding material and structure

2.6 智能復合材料在深空探測環境中的應用

智能材料（Intelligent material）是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執行的新型功能材料，國內外科研工作者在此領域也進行了大量的研究。馬玉欽等［85］人對高導熱石墨烯-碳纖維混雜增強熱致形狀記憶復合材料研究進展及發展趨勢進行了研究，指出了該熱致SMPC 未來有待深入研究的方向。哈爾濱工業大學的冷勁松教授致力于形狀記憶聚合物及其復合材料，電致活性聚合物及其應用方面的研究。

最近，其團隊研制了中國國旗鎖緊展開機構（圖6）、變結構鎖定及多級伸展結構和落火監視相機轉動裝置共3 個產品，通過精細的力學理論分析、巧妙的智能結構設計和多次反復迭代的極端環境試驗驗證，解決了低溫、輻照等極端惡劣服役環境下，長時間鎖定、低沖擊可靠展開的關鍵技術難題。在國際上首次實現形狀記憶聚合物復合材料結構在深空探測工程中的應用，標志著我國在智能材料及其在航天器結構的應用領域處于國際前列［86］。

圖6 中國國旗鎖緊展開機構釋放國旗展開Fig.6 Chinese flag lock and unfold mechanism to release the national flag unfold

3 結束語

在未來深空探測任務中，探測器會遭受高低溫、宇宙射線、電磁輻射等復雜空間環境，對作為探測器主體結構的復合材料提出了更高的要求，具有耐特定空間環境特性的功能型復合材料是未來發展方向。就航天器總體設計單位而言，針對任務需要，有針對性總結并歸納共性問題，有的放矢地開發適合特定服役環境的新型復合材料，形成系列化產品庫，再進行特定深空探測任務時，通過對產品庫內已有產品進行改進或重組，滿足服役環境材料性能需求，是未來深空探測高性能復合材料的發展方向。