平流層飛艇蒙皮材料的研究現狀

劉軍虎 劉振輝 紀雪梅 王 群 馮銘竹 劉賢豪

（中國樂凱集團有限公司 河北 保定 071054）

平流層飛艇蒙皮材料的研究現狀

劉軍虎 劉振輝 紀雪梅 王 群 馮銘竹 劉賢豪

（中國樂凱集團有限公司 河北 保定 071054）

蒙皮材料的研制是發展平流層飛艇的關鍵技術之一。文章介紹了平流層飛艇蒙皮材料的結構組成及性能特點，并結合當前研究現狀對蒙皮材料的研究和制備工藝進行了總結，最后提出了我國平流層飛艇蒙皮材料研究和研制中還應考慮的問題。

平流層飛艇；蒙皮材料；復合工藝

1.引言

平流層飛艇是指飛行于大氣平流層的飛艇，工作高度一般為18～24 km左右，主要依靠靜升力駐空工作。由于平流層飛艇在軍事偵察、空間預警、通信中繼和空間探測等領域的應用優勢，近些年來日益受到人們的關注。蒙皮材料作為飛艇的主體結構材料，其性能的高低直接影響飛艇的應用效能，如浮空高度、持續飛行時間、有效載荷、服役壽命等[1,2]。

平流層飛艇的工作環境十分嚴酷：溫度低 (最低溫度約-55℃)，晝夜溫差大；大氣稀薄密度約為0.0889 kg/m3，僅為地面的1/14；紫外輻射、臭氧作用強烈。在這種環境下飛艇若長期工作，蒙皮材料必須具有高的強度和耐候性以及低的面密度和氦氣滲透率。目前各國均處于研發階段，其中西方國家的技術相對先進。關于蒙皮材料的技術指標沒有一個統一的標準，日本國家航天實驗室在給平流層氦氣飛艇項目設定的技術指標中，斷裂強力為1000 N·cm-1，面密度為180 g·cm-2，透氦率≤0.2L·(m2·d·0.1MPa)-1。由于任何一種單一材料均無法同時滿足這些要求，蒙皮材料均采用多層復合結構，其結構一般包括承力層、阻隔層、耐候層以及各層之間的粘結層[3,4]（圖1）。本文重點討論蒙皮材料各層材料的研究現狀和復合工藝。

圖1 平流層飛艇的蒙皮材料結構Fig. 1 The structure of stratospheric airship envelop material

2.蒙皮材料的研究現狀

由于飛艇在嚴酷環境條件下工作，對蒙皮材料的性能提出了很高的要求，一般要求有高強度、高比強度(強度與面密度之比)、高模量、高比剛度(模量與密度之比)， 抗老化力強，抗撕裂、 抗氦滲透和低蠕變特性。其中蒙皮材料的高強度決定了飛艇可以達到的最大直徑；高比強度可以減少因材料重力造成的浮力損失，從而可以達到平流層高度；高比剛度可以使飛艇變形小，蠕變小，從而延長在低氣壓環境中的使用壽命，同時蒙皮材料的耐候性和阻氦性對蒙皮材料性能也很重要，表1中所示為最近國際上報導的一些飛艇所使用的蒙皮材料相關性能[5]。

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

2.1 承力層

承力層又可稱為增強體或基布層，幾乎承受蒙皮材料的全部強力，均由織物構成。織物的結構形式一般采用平紋織物，因為平紋織物的粘結性和撕裂強度相對較好。同時織物的紗線粗細、捻數和在布中的排列密度對材料的性能也有影響。目前應用于平流層飛艇蒙皮材料的織物主要是一些高強度、高模量的合成纖維，主要有芳香族聚酰胺纖維、聚酯纖維、聚乙烯纖維等[6,7]。

2.1.1 芳香族聚酰胺纖維

芳香族聚酰胺纖維興起于70年代，用芳香族單元取代聚酰胺的某些脂肪族鏈段而具有優異性能的聚合物。芳香族聚酰胺纖維中由于芳基的引入使分子鏈的柔性減少，剛性增大，從而得到化學穩定性優異的高強高模量纖維。目前可以采購的芳族聚酰胺纖維商品織物主要有Kevlar、Nomex、Twaron、Technora 等，它們的機械性能如表2所示：

表2 芳香族聚酰亞胺的機械性能Table 2 Mechanical properties of aromatic polyimide

從表中各種纖維的相關機械性能分析發現，除Nomex纖維外，其他幾種高強高模量纖維均可作為平流層飛艇的蒙皮材料承力層。其中Kevlar系列纖維又稱聚對苯二甲酰對苯二胺，是由美國杜邦公司研制生產，具有超高強度、高模量和耐高溫、耐酸耐堿、重量輕等優良性能，在蒙皮材料中有很好的應用價值。目前，中國航天科工集團公司第六研究院自主研制，具有完全自主知識產權的高科技產品F-12高強度有機纖維其性能已經可以與Kevlar相媲美，這將極大推動我國蒙皮材料的發展[8]；另外荷蘭阿克蘇公司研制的Twaron系列和日本帝人公司研制的Technora系列纖維都具有非常優異的力學性能。

2.1.2 聚酯纖維

聚酯纖維是由飽和的二元酸與二元醇通過縮聚反應制得的一類線性高分子縮聚物，品種繁多、因原料或中間體而異，共同特點是大分子的各個鏈節間都是以酯基“-COO-”相連，所以通稱為聚酯，在我國商品稱為滌綸。聚酯類纖維耐光耐熱性能優異，近年來還開發出了一些高強度高模量的聚酯纖維如上海石化公司采用對聚酯部分的改性和調整生產出超強PET短纖維，其單纖維斷裂強度超過6.4GPa。目前應用較多聚酯纖維織物是由日本可樂麗公司和美國Celanese公司共同研發的商品名為Vectran的聚酯纖維。它是一種熱致液晶聚芳酯（TLCP）纖維，不僅強度和模量可以與Kevlar纖維相媲美，而且具有獨特的耐濕熱性能，振動衰減性能，以及優良的耐酸堿、耐腐蝕性，制備工藝簡單環保。最近哈爾濱工業大學的萬志敏等人[9]和東華大學的陳南梁等人[10]對Vectran纖維復合材料機械性能進行了報道，對比了Vectran纖維織物與其復合材料在拉伸，撕裂、沖擊等性能改變，這對其應用到蒙皮材料中有很好的指導作用。

2.1.3 聚乙烯纖維

高強高模量聚乙烯纖維材料在化學上與平常的高密度聚乙烯相似，但在結構上以伸直鏈結構代替原有的沿纖維軸向排列的折疊連接晶區和無定形區的兩相結構，這種結構是纖維具有高強高模量的技術關鍵。目前由荷蘭的帝斯曼公司和日本的東洋紡織/DSM合資公司以商品名Dyneema以及美國的霍尼韋爾的特種材料公司以商品名Spectra兩種品牌在市面銷售，該纖維制成的織品強度大，重量輕，具有非常優異的耐磨損和抗疲勞性，并且耐化學腐蝕和紫外光及其他強輻射的性能也很優異，作為蒙皮材料的承力層會有很好效果。

2.1.4 新型的高性能高模量的纖維材料

近年科學家們開發出一些新型的高性能纖維材料，對飛艇蒙皮材料的發展起到了很好的支撐作用，例如PBO和PIPD，其中PBO纖維在蒙皮材料的應用研究較為多。

圖2 PBO和PIPD聚合物的結構圖Figure 2 The structure of PBO and PIPD polymers

PBO全稱聚對苯撐苯并雙噁唑啉，是20世紀末開發出來的超級纖維，原是美國空軍作為飛機用的機構材料而著手研究產品，隨后美國道化學公司進行了工業性開發，并授權日本東洋紡織公司生產，其商品名為Zylon。PBO纖維具有高強度，拉伸強度可達到7.0GPa，彈性模量達到300～400GPa，并且具有非常高的耐熱性和熱穩定性(分解溫度在600～700℃）、耐化學和磨損性、抗蠕變性。西安交通大學的王斌等人[11]采用PBO纖維的復合材料的拉伸強度可達到2950MPa，比F-12高出了28.3％；李斌太等[4]人采用進口PBO織物與PET/PVF復合膜復合制成的蒙皮材料拉伸強度大于1300N/cm；曹旭等人[12]采用自制PBO織物作為承力層應用到蒙皮材料中拉伸強度大于1000N/cm，相比進口原料性能要差一些。PIPD又稱“M5”硬桿聚合物，其結構與PBO相似但是在苯環上引入了羥基和雜環上氧被氮取代，這樣使聚合物鏈之間可以形成氫鍵，研究發現分子內之間的氫鍵增強纖維的壓縮性能，這樣與PBO相比其不僅表現出高強度高模量，還具有優異的壓縮性能（如表3）。該纖維最初是Akzo-Nobel實驗室的研發成果，目前正由東京紡織公司進行商品化生產，相信不久將來該類產品會有很大的發展空間。

表3 新型高強高模量纖維機械性能Table 3 Mechanical properties of new high strength and high modulus fibers

2.1.5 承力層的選擇

上述介紹了很多種高強度高模量的纖維織物，但蒙皮材料是一個復合材料，在選擇承力層時不能只考慮其優異的機械性能，還要考慮與其他材料復合后的綜合性能，如復合材料之間的焊接、剝離力等因素。一般原則是在保證材料的整體性的前提下盡可能減輕飛艇囊體材料的重量，滿足平流層飛艇要求的力學性能。

2.2 阻氦層

蒙皮材料的阻氦層以阻氦層為主，耐候層兼顧的方式實現。平流層飛艇需要在高空長期駐守蒙皮材料的密封性顯得尤為重要，典型蒙皮材料氦氣的滲透率小于0.2L/ (m2·d·0.1MPa）。20世紀70年代出現許多阻隔性薄膜材料，如聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚偏二氯乙烯（PVDC）、乙烯-乙烯醇共聚物（EVOH）等[13]。大量實驗表明聚酯薄膜是最具實際應用價值的氣密層薄膜材料，例如美國系留氣球的防氦氣滲漏層采用的聚酯薄膜是由相對分子質量在20 000-24 000之間的聚酯材料經雙向拉伸而成，其厚度在 0.02-0.03 mm 之間。這種薄膜結構致密，具有良好的抗滲透性，并且不受大多數有機溶劑的腐蝕，耐老化性好，目前普遍應用的聚酯密封薄膜是美國杜邦公司S型Mylar聚酯膜[14]。我國一些研究者通過在PET薄膜上鍍鋁、硅或其氧化物，也可以提高薄膜的氣密性，如北京航空材料研究院的李斌太等人通過在PET鍍上59.2nm的鋁層后氦氣透過量由鍍前的1.55L/(m2·d·0.1MPa)降低到0.07 L/(m2·d·0.1MPa)[15]。另外，PVDC和 EVOH 也具有優良的阻隔性能，但PVDC在光氧化下會變脆，抗沖擊性及耐寒性不佳；EVOH 耐熱性差，受溫度和濕度的影響大，因此它們在平流層飛艇囊體材料上的應用受到一定的限制[13]。

2.3 耐候層

耐候層是用來耐候層是用來抵御由于臨近空間紫外線輻射、臭氧侵蝕、太陽熱輻射等復雜環境所引起的老化問題。應用較廣泛的耐候性能好的蒙皮材料耐候層主要有熱塑性聚氨酯(TPU)和聚氨酯(PU)膜以及聚氟乙烯(PVF)薄膜，三類材料耐候性能如表4所示[3]。

表4 三種耐候層的性能參數Table 4 Performance parameters of three kinds of weathering layers

考慮到平流層飛艇蒙皮材料不僅要有良好的耐環境性能，還要抗紫外線，綜合分析聚氟乙烯膜作為耐候層最好的材料，目前普遍使用的是杜邦公司生產的商品名為Tedlar氟膜材料，該產品輕質、高強、尺寸穩定、氣密性好的特點，同時研究工作者們對耐候性研究中除了改進耐候層材料的選擇外還從改善纖維織物的耐候方面進行了考慮，如日本航空宇宙技術研究所通過對PBO纖維的防紫老化處理，使其在飛艇飛行實驗中強度下降程度有很大改善；我國劉宇婷等[16]通過對Vectran纖維用TiO2防護涂層使其在紫外輻射50h后強度損失僅為 8.29 ％。

2.4 粘結層

粘結層是蒙皮材料各層之間的媒介體，要求把承力層、阻氦層、耐候層都牢固的粘合為一體因此它是層壓復合材料中一項非常重要的組成部分，經多次屈撓后不得出現離層、脫層且耐候性也要好[17]。一般使用的粘合劑多為聚酯類、聚醚類或聚氨酯類，應用時根據各層材料的性能選取。蒙皮材料選擇用聚氨酯粘合劑是較為理想，它具有很高的粘結性，可以實現多種不同材料之間的粘合，并且在極低溫度下仍然保持較高的玻璃強度，形成的膠膜堅韌，耐沖擊，繞曲性好，耐油和耐磨性好。由杜邦公司生產的聚酯共聚物，簡稱Hytrel，是一種聚酯型熱塑性彈性體，已經在飛艇囊體材料上得到成功應用，黏合強度達到 0.069 MPa 以上，同時它還有助于減小層壓板的氣體滲透率。中國樂凱集團劉賢豪等人[18]在蒙皮材料的研制上做了大量的工作，所開發的平流層飛艇蒙皮材料采用的粘合劑為國產的雙組份聚氨酯粘合劑，并對粘合劑的配方、初固化溫度、熟化條件等工藝條件進行的詳細的研究，所研制的蒙皮材料具有優異的機械強度和耐候性能。

3 蒙皮材料的制備工藝

影響平流層飛艇綜合性能的關鍵因素除了所使用的蒙皮材料的本身的性能外，蒙皮材料的制備工藝也是至關重要的。本部分主要從蒙皮材料的復合工藝和蒙皮材料的成型工藝兩個方面進行介紹。

3.1 蒙皮材料的復合工藝

平流層飛艇蒙皮材料所使用的均為多層復合柔性材料。這類層壓材料的復合要根據使用的粘合劑類型及預復合的材料的特點而選用不同的復合方法。復合方法通常分為干法、濕法、擠壓法和涂布法四個基本方法。對溶劑性粘合劑，在膜與膜之間復合是采用干法復合，膜與布之間復合是采用濕法或涂布法復合；對于熱熔型的粘合劑可采用擠壓法復合[19]。

平流層飛艇需要大幅寬性能均一的蒙皮材料，相關文獻和專利中還未見專門就蒙皮材料的生產工藝進行研究，我們項目組在蒙皮材料的復合工藝上開展了很多工作。蒙皮材料的復合多采用溶劑型粘合劑，通過干法復合完成。由于蒙皮材料中涉及到纖維布與薄膜之間的復合，對工藝條件的要求要比單純膜與膜之間的復合嚴格，在膜與纖維布復合中，一般選擇薄膜為涂膠面且涂膠厚度要高于普通的膜與膜之間的復合；在復合過程中對纖維布的張力控制要始終，張力過大過小都會造成纖維布出現斜紋影響蒙皮材料的表觀和性能；總之在具體生產過程中上膠厚度、初固化溫度、收放卷之間的張力控制以及復合完成后熟化條件都需進行工藝的優化，總體目標就是在即要保證各層之間的粘結強度，同時面密度也要達標。

3.2 蒙皮材料的成型工藝

飛艇蒙皮材料的成型工藝主要是指按摸線樣板裁下的蒙皮有序進行連接，是指達到不低于囊體材料本身強度和氣密性要求的全過程。早起蒙皮材料的成型多采用縫紉加粘合的接縫成型，而現在蒙皮材料主要使用焊接帶，采用的是對接方式成型。

目前，國內已有報道在對接成型工藝中熱合材料及工藝如何影響蒙皮材料的性能。蒙皮材料的對接成型的焊接處結構如圖3所示，包括內外兩層焊接帶將蒙皮材料進行對接，焊接帶表面涂有熱熔型粘合劑如TPU,焊接帶材料的選擇、寬度大小、粘合劑層厚度都需要進行詳細研究而確定，焊接工藝一般采用高頻焊接和熱合焊接兩種。長春應化所楊宇明等人[20]對無法進行高頻焊接的含金屬層蒙皮材料的成型工藝進行了研究，采用熱封儀熱合焊接蒙皮材料，研究了熱合壓力、時間、溫度、焊接帶的強度、寬度等因素對焊接強度的影響，提出了焊接壓力、溫度、時間確定應綜合考慮焊接強度和材料受損情況，焊接帶材料及寬度應在重量允許范圍內盡可能選擇強度大于本體材料，且寬度不小于6cm。

圖3 飛艇蒙皮材料焊接結構示意圖Fig. 3 Schematic diagram of the welding structure of the envelop material

4.結論與展望

平流層飛艇蒙皮材料的開發是一個嶄新的技術和應用領域。目前，國內外還沒有成熟可用的參考范例，并且我國的平流層蒙皮材料的研究起步較晚，產品在環境適應性、質量穩定性和應用性能上和國外成品的蒙皮材料存在一定差距。要解決這些問題提出如下看法：

（1）繼續加強蒙皮材料用原材料的自主創新，特別是高強度高模量的纖維織物和性能優異的膠粘劑，爭取早日實現完全國產化的原料供應鏈。

（2）繼續改進蒙皮材料的制備工藝，以實現紡織、塑料、涂料等不同領域的材料與制備工藝的完美結合，充分發揮各材料在蒙皮材料中優異性能，滿足飛艇對蒙皮材料的要求。

（3）蒙皮材料的研制需要多學科，多部門之間的通力合作，最終目標就是建立性能穩定的蒙皮材料體系，提供高性能國產化的蒙皮材料。

相信隨著對平流層飛艇戰略意義認識的不斷加深，在多學科多部門的通力合作下，以及相關研究的進一步深入，一定會盡快開發出軍民領域的多用途先進飛艇。

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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