平流层飞艇蒙皮材料的研究现状

刘军虎 刘振辉 纪雪梅 王 群 冯铭竹 刘贤豪

（中国乐凯集团有限公司 河北 保定 071054）

平流层飞艇蒙皮材料的研究现状

刘军虎 刘振辉 纪雪梅 王 群 冯铭竹 刘贤豪

（中国乐凯集团有限公司 河北 保定 071054）

蒙皮材料的研制是发展平流层飞艇的关键技术之一。文章介绍了平流层飞艇蒙皮材料的结构组成及性能特点，并结合当前研究现状对蒙皮材料的研究和制备工艺进行了总结，最后提出了我国平流层飞艇蒙皮材料研究和研制中还应考虑的问题。

平流层飞艇；蒙皮材料；复合工艺

1.引言

平流层飞艇是指飞行于大气平流层的飞艇，工作高度一般为18～24 km左右，主要依靠静升力驻空工作。由于平流层飞艇在军事侦察、空间预警、通信中继和空间探测等领域的应用优势，近些年来日益受到人们的关注。蒙皮材料作为飞艇的主体结构材料，其性能的高低直接影响飞艇的应用效能，如浮空高度、持续飞行时间、有效载荷、服役寿命等[1,2]。

平流层飞艇的工作环境十分严酷：温度低 (最低温度约-55℃)，昼夜温差大；大气稀薄密度约为0.0889 kg/m3，仅为地面的1/14；紫外辐射、臭氧作用强烈。在这种环境下飞艇若长期工作，蒙皮材料必须具有高的强度和耐候性以及低的面密度和氦气渗透率。目前各国均处于研发阶段，其中西方国家的技术相对先进。关于蒙皮材料的技术指标没有一个统一的标准，日本国家航天实验室在给平流层氦气飞艇项目设定的技术指标中，断裂强力为1000 N·cm-1，面密度为180 g·cm-2，透氦率≤0.2L·(m2·d·0.1MPa)-1。由于任何一种单一材料均无法同时满足这些要求，蒙皮材料均采用多层复合结构，其结构一般包括承力层、阻隔层、耐候层以及各层之间的粘结层[3,4]（图1）。本文重点讨论蒙皮材料各层材料的研究现状和复合工艺。

图1 平流层飞艇的蒙皮材料结构Fig. 1 The structure of stratospheric airship envelop material

2.蒙皮材料的研究现状

由于飞艇在严酷环境条件下工作，对蒙皮材料的性能提出了很高的要求，一般要求有高强度、高比强度(强度与面密度之比)、高模量、高比刚度(模量与密度之比)， 抗老化力强，抗撕裂、 抗氦渗透和低蠕变特性。其中蒙皮材料的高强度决定了飞艇可以达到的最大直径；高比强度可以减少因材料重力造成的浮力损失，从而可以达到平流层高度；高比刚度可以使飞艇变形小，蠕变小，从而延长在低气压环境中的使用寿命，同时蒙皮材料的耐候性和阻氦性对蒙皮材料性能也很重要，表1中所示为最近国际上报导的一些飞艇所使用的蒙皮材料相关性能[5]。

表1 一些飞艇的蒙皮材料性能Table 1 The performance of some envelop materials

2.1 承力层

承力层又可称为增强体或基布层，几乎承受蒙皮材料的全部强力，均由织物构成。织物的结构形式一般采用平纹织物，因为平纹织物的粘结性和撕裂强度相对较好。同时织物的纱线粗细、捻数和在布中的排列密度对材料的性能也有影响。目前应用于平流层飞艇蒙皮材料的织物主要是一些高强度、高模量的合成纤维，主要有芳香族聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚乙烯纤维等[6,7]。

2.1.1 芳香族聚酰胺纤维

芳香族聚酰胺纤维兴起于70年代，用芳香族单元取代聚酰胺的某些脂肪族链段而具有优异性能的聚合物。芳香族聚酰胺纤维中由于芳基的引入使分子链的柔性减少，刚性增大，从而得到化学稳定性优异的高强高模量纤维。目前可以采购的芳族聚酰胺纤维商品织物主要有Kevlar、Nomex、Twaron、Technora 等，它们的机械性能如表2所示：

表2 芳香族聚酰亚胺的机械性能Table 2 Mechanical properties of aromatic polyimide

从表中各种纤维的相关机械性能分析发现，除Nomex纤维外，其他几种高强高模量纤维均可作为平流层飞艇的蒙皮材料承力层。其中Kevlar系列纤维又称聚对苯二甲酰对苯二胺，是由美国杜邦公司研制生产，具有超高强度、高模量和耐高温、耐酸耐碱、重量轻等优良性能，在蒙皮材料中有很好的应用价值。目前，中国航天科工集团公司第六研究院自主研制，具有完全自主知识产权的高科技产品F-12高强度有机纤维其性能已经可以与Kevlar相媲美，这将极大推动我国蒙皮材料的发展[8]；另外荷兰阿克苏公司研制的Twaron系列和日本帝人公司研制的Technora系列纤维都具有非常优异的力学性能。

2.1.2 聚酯纤维

聚酯纤维是由饱和的二元酸与二元醇通过缩聚反应制得的一类线性高分子缩聚物，品种繁多、因原料或中间体而异，共同特点是大分子的各个链节间都是以酯基“-COO-”相连，所以通称为聚酯，在我国商品称为涤纶。聚酯类纤维耐光耐热性能优异，近年来还开发出了一些高强度高模量的聚酯纤维如上海石化公司采用对聚酯部分的改性和调整生产出超强PET短纤维，其单纤维断裂强度超过6.4GPa。目前应用较多聚酯纤维织物是由日本可乐丽公司和美国Celanese公司共同研发的商品名为Vectran的聚酯纤维。它是一种热致液晶聚芳酯（TLCP）纤维，不仅强度和模量可以与Kevlar纤维相媲美，而且具有独特的耐湿热性能，振动衰减性能，以及优良的耐酸碱、耐腐蚀性，制备工艺简单环保。最近哈尔滨工业大学的万志敏等人[9]和东华大学的陈南梁等人[10]对Vectran纤维复合材料机械性能进行了报道，对比了Vectran纤维织物与其复合材料在拉伸，撕裂、冲击等性能改变，这对其应用到蒙皮材料中有很好的指导作用。

2.1.3 聚乙烯纤维

高强高模量聚乙烯纤维材料在化学上与平常的高密度聚乙烯相似，但在结构上以伸直链结构代替原有的沿纤维轴向排列的折叠连接晶区和无定形区的两相结构，这种结构是纤维具有高强高模量的技术关键。目前由荷兰的帝斯曼公司和日本的东洋纺织/DSM合资公司以商品名Dyneema以及美国的霍尼韦尔的特种材料公司以商品名Spectra两种品牌在市面销售，该纤维制成的织品强度大，重量轻，具有非常优异的耐磨损和抗疲劳性，并且耐化学腐蚀和紫外光及其他强辐射的性能也很优异，作为蒙皮材料的承力层会有很好效果。

2.1.4 新型的高性能高模量的纤维材料

近年科学家们开发出一些新型的高性能纤维材料，对飞艇蒙皮材料的发展起到了很好的支撑作用，例如PBO和PIPD，其中PBO纤维在蒙皮材料的应用研究较为多。

图2 PBO和PIPD聚合物的结构图Figure 2 The structure of PBO and PIPD polymers

PBO全称聚对苯撑苯并双噁唑啉，是20世纪末开发出来的超级纤维，原是美国空军作为飞机用的机构材料而着手研究产品，随后美国道化学公司进行了工业性开发，并授权日本东洋纺织公司生产，其商品名为Zylon。PBO纤维具有高强度，拉伸强度可达到7.0GPa，弹性模量达到300～400GPa，并且具有非常高的耐热性和热稳定性(分解温度在600～700℃）、耐化学和磨损性、抗蠕变性。西安交通大学的王斌等人[11]采用PBO纤维的复合材料的拉伸强度可达到2950MPa，比F-12高出了28.3％；李斌太等[4]人采用进口PBO织物与PET/PVF复合膜复合制成的蒙皮材料拉伸强度大于1300N/cm；曹旭等人[12]采用自制PBO织物作为承力层应用到蒙皮材料中拉伸强度大于1000N/cm，相比进口原料性能要差一些。PIPD又称“M5”硬杆聚合物，其结构与PBO相似但是在苯环上引入了羟基和杂环上氧被氮取代，这样使聚合物链之间可以形成氢键，研究发现分子内之间的氢键增强纤维的压缩性能，这样与PBO相比其不仅表现出高强度高模量，还具有优异的压缩性能（如表3）。该纤维最初是Akzo-Nobel实验室的研发成果，目前正由东京纺织公司进行商品化生产，相信不久将来该类产品会有很大的发展空间。

表3 新型高强高模量纤维机械性能Table 3 Mechanical properties of new high strength and high modulus fibers

2.1.5 承力层的选择

上述介绍了很多种高强度高模量的纤维织物，但蒙皮材料是一个复合材料，在选择承力层时不能只考虑其优异的机械性能，还要考虑与其他材料复合后的综合性能，如复合材料之间的焊接、剥离力等因素。一般原则是在保证材料的整体性的前提下尽可能减轻飞艇囊体材料的重量，满足平流层飞艇要求的力学性能。

2.2 阻氦层

蒙皮材料的阻氦层以阻氦层为主，耐候层兼顾的方式实现。平流层飞艇需要在高空长期驻守蒙皮材料的密封性显得尤为重要，典型蒙皮材料氦气的渗透率小于0.2L/ (m2·d·0.1MPa）。20世纪70年代出现许多阻隔性薄膜材料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏二氯乙烯（PVDC）、乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）等[13]。大量实验表明聚酯薄膜是最具实际应用价值的气密层薄膜材料，例如美国系留气球的防氦气渗漏层采用的聚酯薄膜是由相对分子质量在20 000-24 000之间的聚酯材料经双向拉伸而成，其厚度在 0.02-0.03 mm 之间。这种薄膜结构致密，具有良好的抗渗透性，并且不受大多数有机溶剂的腐蚀，耐老化性好，目前普遍应用的聚酯密封薄膜是美国杜邦公司S型Mylar聚酯膜[14]。我国一些研究者通过在PET薄膜上镀铝、硅或其氧化物，也可以提高薄膜的气密性，如北京航空材料研究院的李斌太等人通过在PET镀上59.2nm的铝层后氦气透过量由镀前的1.55L/(m2·d·0.1MPa)降低到0.07 L/(m2·d·0.1MPa)[15]。另外，PVDC和 EVOH 也具有优良的阻隔性能，但PVDC在光氧化下会变脆，抗冲击性及耐寒性不佳；EVOH 耐热性差，受温度和湿度的影响大，因此它们在平流层飞艇囊体材料上的应用受到一定的限制[13]。

2.3 耐候层

耐候层是用来耐候层是用来抵御由于临近空间紫外线辐射、臭氧侵蚀、太阳热辐射等复杂环境所引起的老化问题。应用较广泛的耐候性能好的蒙皮材料耐候层主要有热塑性聚氨酯(TPU)和聚氨酯(PU)膜以及聚氟乙烯(PVF)薄膜，三类材料耐候性能如表4所示[3]。

表4 三种耐候层的性能参数Table 4 Performance parameters of three kinds of weathering layers

考虑到平流层飞艇蒙皮材料不仅要有良好的耐环境性能，还要抗紫外线，综合分析聚氟乙烯膜作为耐候层最好的材料，目前普遍使用的是杜邦公司生产的商品名为Tedlar氟膜材料，该产品轻质、高强、尺寸稳定、气密性好的特点，同时研究工作者们对耐候性研究中除了改进耐候层材料的选择外还从改善纤维织物的耐候方面进行了考虑，如日本航空宇宙技术研究所通过对PBO纤维的防紫老化处理，使其在飞艇飞行实验中强度下降程度有很大改善；我国刘宇婷等[16]通过对Vectran纤维用TiO2防护涂层使其在紫外辐射50h后强度损失仅为 8.29 ％。

2.4 粘结层

粘结层是蒙皮材料各层之间的媒介体，要求把承力层、阻氦层、耐候层都牢固的粘合为一体因此它是层压复合材料中一项非常重要的组成部分，经多次屈挠后不得出现离层、脱层且耐候性也要好[17]。一般使用的粘合剂多为聚酯类、聚醚类或聚氨酯类，应用时根据各层材料的性能选取。蒙皮材料选择用聚氨酯粘合剂是较为理想，它具有很高的粘结性，可以实现多种不同材料之间的粘合，并且在极低温度下仍然保持较高的玻璃强度，形成的胶膜坚韧，耐冲击，绕曲性好，耐油和耐磨性好。由杜邦公司生产的聚酯共聚物，简称Hytrel，是一种聚酯型热塑性弹性体，已经在飞艇囊体材料上得到成功应用，黏合强度达到 0.069 MPa 以上，同时它还有助于减小层压板的气体渗透率。中国乐凯集团刘贤豪等人[18]在蒙皮材料的研制上做了大量的工作，所开发的平流层飞艇蒙皮材料采用的粘合剂为国产的双组份聚氨酯粘合剂，并对粘合剂的配方、初固化温度、熟化条件等工艺条件进行的详细的研究，所研制的蒙皮材料具有优异的机械强度和耐候性能。

3 蒙皮材料的制备工艺

影响平流层飞艇综合性能的关键因素除了所使用的蒙皮材料的本身的性能外，蒙皮材料的制备工艺也是至关重要的。本部分主要从蒙皮材料的复合工艺和蒙皮材料的成型工艺两个方面进行介绍。

3.1 蒙皮材料的复合工艺

平流层飞艇蒙皮材料所使用的均为多层复合柔性材料。这类层压材料的复合要根据使用的粘合剂类型及预复合的材料的特点而选用不同的复合方法。复合方法通常分为干法、湿法、挤压法和涂布法四个基本方法。对溶剂性粘合剂，在膜与膜之间复合是采用干法复合，膜与布之间复合是采用湿法或涂布法复合；对于热熔型的粘合剂可采用挤压法复合[19]。

平流层飞艇需要大幅宽性能均一的蒙皮材料，相关文献和专利中还未见专门就蒙皮材料的生产工艺进行研究，我们项目组在蒙皮材料的复合工艺上开展了很多工作。蒙皮材料的复合多采用溶剂型粘合剂，通过干法复合完成。由于蒙皮材料中涉及到纤维布与薄膜之间的复合，对工艺条件的要求要比单纯膜与膜之间的复合严格，在膜与纤维布复合中，一般选择薄膜为涂胶面且涂胶厚度要高于普通的膜与膜之间的复合；在复合过程中对纤维布的张力控制要始终，张力过大过小都会造成纤维布出现斜纹影响蒙皮材料的表观和性能；总之在具体生产过程中上胶厚度、初固化温度、收放卷之间的张力控制以及复合完成后熟化条件都需进行工艺的优化，总体目标就是在即要保证各层之间的粘结强度，同时面密度也要达标。

3.2 蒙皮材料的成型工艺

飞艇蒙皮材料的成型工艺主要是指按摸线样板裁下的蒙皮有序进行连接，是指达到不低于囊体材料本身强度和气密性要求的全过程。早起蒙皮材料的成型多采用缝纫加粘合的接缝成型，而现在蒙皮材料主要使用焊接带，采用的是对接方式成型。

目前，国内已有报道在对接成型工艺中热合材料及工艺如何影响蒙皮材料的性能。蒙皮材料的对接成型的焊接处结构如图3所示，包括内外两层焊接带将蒙皮材料进行对接，焊接带表面涂有热熔型粘合剂如TPU,焊接带材料的选择、宽度大小、粘合剂层厚度都需要进行详细研究而确定，焊接工艺一般采用高频焊接和热合焊接两种。长春应化所杨宇明等人[20]对无法进行高频焊接的含金属层蒙皮材料的成型工艺进行了研究，采用热封仪热合焊接蒙皮材料，研究了热合压力、时间、温度、焊接带的强度、宽度等因素对焊接强度的影响，提出了焊接压力、温度、时间确定应综合考虑焊接强度和材料受损情况，焊接带材料及宽度应在重量允许范围内尽可能选择强度大于本体材料，且宽度不小于6cm。

图3 飞艇蒙皮材料焊接结构示意图Fig. 3 Schematic diagram of the welding structure of the envelop material

4.结论与展望

平流层飞艇蒙皮材料的开发是一个崭新的技术和应用领域。目前，国内外还没有成熟可用的参考范例，并且我国的平流层蒙皮材料的研究起步较晚，产品在环境适应性、质量稳定性和应用性能上和国外成品的蒙皮材料存在一定差距。要解决这些问题提出如下看法：

（1）继续加强蒙皮材料用原材料的自主创新，特别是高强度高模量的纤维织物和性能优异的胶粘剂，争取早日实现完全国产化的原料供应链。

（2）继续改进蒙皮材料的制备工艺，以实现纺织、塑料、涂料等不同领域的材料与制备工艺的完美结合，充分发挥各材料在蒙皮材料中优异性能，满足飞艇对蒙皮材料的要求。

（3）蒙皮材料的研制需要多学科，多部门之间的通力合作，最终目标就是建立性能稳定的蒙皮材料体系，提供高性能国产化的蒙皮材料。

相信随着对平流层飞艇战略意义认识的不断加深，在多学科多部门的通力合作下，以及相关研究的进一步深入，一定会尽快开发出军民领域的多用途先进飞艇。

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Research Status of Stratospheric Airship Envelop Material

LIU Jun-hu, LIU Zhen-hui, JI Xue-mei, WANG Qun, FENG Ming-zhu, LIU Xian-hao
(China Lucky Group Corporation, Hebei Province, Baoding 071054, China)

Preparation of envelop materials is one of the key technologies for the development of stratospheric airship. The structural composition and characteristics of stratospheric airship envelop materials are introduced in this paper. The research and preparation process of stratospheric airship envelop materials are summarized based on current research status. In the end, the problems in the research and development of the stratospheric envelop materials in our country should be considered.

Stratospheric airships; Envelope material; Compound technology

V217+.22

A

1009-5624-（2016）02-0001-05