[科普中国]-材料科普：高模量碳纤维的“铮铮铁骨”

碳纤维在航天领域的应用十分广泛。从组分来说，碳纤维是含碳量超过95%的一类纤维的统称，具有非常高的比模量、比强度。其中高强碳纤维是指强度高（强度大于4.5GPa）模量适中（模量一般在230GPa至310GPa）的纤维，而高模量碳纤维的含碳量要大于98%，模量至少达到370GPa，但是强度往往偏低。如果大家对模量、强度没有概念，可以这样理解：相同粗细的一根棍子，两边水平固定， 中间吊个秤砣，此时棍子中间会下弯，对于相同的秤砣，棍子模量越高，那么棍子下弯的程度越小。强度怎么理解呢？还是这根棍子，中间的秤砣加到了 50kg，“啪”棍子断了，那么，50kg除于棍子受力的横截面积就是棍子的强度。

材料强度越高越结实吗？对于结构材料就没有那么简单了。比如一个大厦使用时间长，有些梁柱有损伤，那么大厦的刚度就较差，这里刚度就对应模量。一个结构的刚度如果差了，在相同的外部引发的震动下，物体的共振频率就会变低，那么很容易和外部振动源产生共振，共振的抖一抖是有一定危害的。为了提高大厦的刚度，较为简单的方法就是作加固，将柱子加粗，提高刚度。

对航天飞行器也是这个道理，为了能让导弹、火箭、无人机准确稳定送达目标，就要保证飞行器在飞行过程中的稳定性，要求弹翼、弹体不能有明显的震颤、变形，也就是说“身子骨要硬”。那么，如何解决呢？办法之一就是把结构做粗大，弹体材料要选高模量、材料厚实的，这样抗变形能力就强。可是航天器都要求轻巧，这就有矛盾了。这时候就要挑轻巧、结实的材料，比如碳纤维粉墨，目前众多型号用的还都是高强度碳纤维，也就是强度高、模量较低的碳纤维。因为此类碳纤维可以满足设计要求。但是遇到某些情况，高强度碳纤维就出现了强度有余，模量不足的情况。比如大展弦比机翼、空间飞行器支撑结构，这些飞行器都有一个共同点，结构的长细比很高，飞行过程中受到干扰容易产生振动，当振动的频率和结构固有频率接近时，就会产生共振，共振会明显影响到飞行器的稳定性，为了限制共振，就需要把结构的低阶固有频率提高，使得飞行过程中不出现或少出现共振。为了提高固有频率，就需要提高结构的刚度。因此这些应用对结构刚度有非常高的要求，同时还有苛刻的重量和体积限制。这时候结构设计师就要“请出”高模量碳纤维出场了。用了高模量碳纤维，就可以在限定结构重量下，保证强度的同时，提高结构的刚度，让飞行器更稳定。因此我们可以说，正是高模碳纤维赋予了航天飞行器的“铮铮铁骨”。

（文/张辰威 中国航天科工三院306所 ）

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