临近空间飞艇蒙皮材料

组员：蔡然1043022063
刘力10430220
临近空间飞艇蒙皮材料
本次主要介绍内容
浮生气体对舰体材料的影响
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临近空间飞艇蒙皮材料的分类和总体性能特点3
临近空间飞艇蒙皮材料各层材料性能特点分析
临近空间飞艇蒙皮材料研究现状
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我国临近空间飞艇蒙皮材料研究展望
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临近空间和临近空间飞艇概念
临近空间（Near space）是指距地面20～100公里的空域，由于其重要的开发应用价值而在国际上引起广泛关注。

临近空间飞艇是随着科学技术不断发展起来的一种新型近空间多功能飞行平台。

它不同于飞行在航空层中的飞机、低空飞艇,也不同于工作在低轨道上的卫星,它有非常广泛军事及民用价值,是集高空观察、通信于一体的新颖的通用航天器平台。

因而广受各国科学工作者青睐。

由于平流层飞艇不是低空飞艇,在研制的许多概念上,如工作环境、蒙皮材料、能源、动力推进等关键技术上都是截然不同于低空飞艇,许多方面临着极大的挑战。

其中最首要的问题是飞艇的材料。

平流层飞艇的蒙皮材料必须采用高强度、阻氦气渗漏性能最佳、耐侯性最好的轻质材料，否则无法研制实用的临近空间飞艇。

飞艇是利用轻于空气的气体为介质的浮空器。

轻于空气的气体很多,如甲烷、氮气、氢气、氦气、甚至经过加热的空气。

但要作为平流层飞艇的浮升气体,从目前来看主要是氢气与氦气,平流层飞艇设计工作高度,一般是在18~ 24km左右,由于在该高度的空气密度仅为地面的1/14。

因此,即使携带较少的有效载荷也需要制作很大体积的飞艇,才能胜任。

飞艇选择何种轻质气体作为浮升气体是重要的。

1937年兴登堡D-L129飞艇在美国新泽西州莱克赫斯特基地着陆时着火爆炸, 30多人罹难。

之后,氢气己退出应用于飞艇的历史舞台,美国联邦航空管理局也禁止使用氢气作为飞艇的浮力气体。

但如今科技的发展,浮升气体的用途越来越广,量也越来越大。

因此,许多学者重新提出使用氢气作为飞艇的浮升气体。

应当考虑到,平流层飞艇必竟不是载人的,况且在出现兴登堡飞艇灾难前,用氢气作为工质已经平安地工作在几十艘艇上。

科学的发展,措施的有效,使得使用氢气为工质的飞艇又有了希望。

但使用氢气作为浮升气体,由于氢分子比氦分子更小,对材料的防渗透性能要求将会更高。

临近空间飞艇蒙皮材料的分类和总体性
能特点分析
临近空间飞艇的蒙皮材料要求具有低面密度、较高的力学性能和气体阻隔性能,一般采用多层复合结构,由耐气候层、阻氦层、承力层、粘贴层4种主要层组成。

现代的临近空间飞艇外气囊膜多为层合式复合材料：
对临近空间飞艇的材料要求：不管使用的浮升气体是氢气或氦气,由于飞艇是工作在平流层特殊的环境中,因此对平流层飞艇蒙皮材料都有如下要求。

1)强度要高,因为材料强度取决于飞艇的体积,平流层飞艇蒙皮材料的强度应大于5000 N/ 5cm~6500N/5cm, (按200m级,数十万立方米容积的飞艇,内外压差为3%,安全系数约为113~ 117) ;2)质量要轻, 200g/m2~ 300g/m2,如果过高的材料面密度使飞艇的净浮力极大的丧失,难以升到平流层高度;3)耐环境(耐候性)性能要好,环境因素包括高低温、湿度、超强紫外线辐射、耐臭氧等;4)阻氦气渗漏性能强,不论平流层飞艇采用氢气或氦气为浮升气体,都需长期工作,阻氦气渗漏性能显得十分非常重要、由于氢气分子比氦气分子更小,采用氢气为浮升气体时对材料阻渗漏性能要求会更高,平流层飞艇蒙皮材料阻氦气渗漏性能应为0122
L/m2d1A~ 1114L/m2d1A;5)其它性能,如抗皱折、为保持飞艇外型所需的抗蠕变性能、缝合工艺性及易于修补性能都应当优良。

临近空间飞艇蒙皮材料各层材料性能特点分析
（1）承力层：作为主结构的承力层纤维材料有合成纤维、织物纤维、聚酯龙
、聚乙烯、聚酰亚胺、芳烃聚酰胺以及最近研制成的PBO、PA、PET、PFA
、FEP高强纤维。

根据承重织物层的性能要求,蒙皮主结构材料有聚酯类织物(polyester) ,如Vectran、Mylar、PBO等。

而在这些材料中首选强力重量
比最高材料是PBO。

PBO它是一种新型聚酯纤维,全名为聚苯并恶唑( Poly
-Benzol -Oxy-lene)。

PBO有超过所有其他纤维的比强度和比刚度值,前途
显得非常光明。

PBO显示出非常高的耐热性,并有特别高的热稳定性(6000C~ 7000C范围开始热解),还有非常好的抗蠕变性、耐化学和耐磨损性能。

目前
PBO纤维己被日本东洋纺公司以Zylon(基龙)商品名生产,上海交通大学也己小
试成功,中试正在进行中。

PBO因具有轻质高强、高弹性模量、高比强、高比刚
度,尺寸稳定性好的特点,已在许多应用领域中发挥了很大作用,并形成了这些材
料的特有市场。

PET(聚乙稀对苯二酸酯)商品名为Mylar是属于聚酯纤维的一
种现代高性能膜,也适用于做内囊膜。

它具有轻质高强,在-70e~ 150e范围内
可维持稳定的能性状态。

膜密度1138g/cm3。

伸长率50%~ 130% ,强度
172 N/mm2,模量约318 Gpa。

该图
为电镜下
的PBO
纤维
临近空间飞艇蒙皮材料各层材料性能特点分析
（2）阻氦层：阻氦层、抗老化层和表面层都可用涂层浸泡或薄膜复合
材料。

常用的有Tedlar、聚亚胺酯、PVDF(聚偏二氟乙烯)薄膜、EVOH(乙烯-乙烯醇聚合物)、聚乙烯、聚酯、PVC。

其中Tedlar可用
15~ 20年,抗渗透率、抗霉菌性能都高,典型外气囊膜渗透氦气约012
L/m21d1A~ 1114L/m21d1A。

采用阻氦层PVDC膜EVAL膜有更好
的性能,它耐酸、碱、难溶,并且可以在很宽的温度范围内使用,具有非常好的光稳定性,是作为耐环境气候层的理想材料。

替代Tedlar的内囊材
料可选择聚氯乙烯,但性能稍差。

轻质阻氦材料技术,也可用于层间融。

（3）粘接层：粘接层是用于飞艇材料内承力结构的粘接、纤维基布各
涂层以及面层之间的胶粘剂胶合层,胶粘剂胶合主要的化合物有聚亚胺
酯和聚碳酸酯,聚亚胺酯比较便宜,而聚碳酸酯抗紫外线能力强,适用于外膜。

涂覆粘接剂不仅用于层材间不同层之间的层合,同时用于膜片焊合缝,涂覆剂的粘着力强弱反映膜片的焊接强度。

目前可以选为粘接剂的
材料非常有限。

杜邦公司的弹性聚酯Hytrel,已作为粘接剂应用在艇膜
材料的粘接上。

临近空间飞艇蒙皮材料各层材料性能特点
分析
（4）耐气候层：(防老化层、耐环境层)耐气候层主要是防紫外线辐射,目前还没有非常理想的防老化材料。

高分子氟化物是目前耐环境最好的材料,但它也必须添加防老化剂,以避免紫外线通过氟化层伤害到艇膜的内层材料。

选用聚偏二氟乙烯PFDF、聚氟乙烯PVF膜(Tedlar) ,在耐弯折、耐磨损、自洁性方面都有不错的表现。

用PVF涂层的膜具有轻质、高强、弹性系数大,尺寸稳定、伸长变形小、自洁性好、还有气密性优的特点。

目前国内外防老化层也有使用TPU,它也有良好的热封强度、柔韧性,和耐高低温性能。

但对内层纤维的防老化还要靠添加耐老化的添加剂来完成。

耐气候层结构耐气候层结构薄膜一般都设置于在飞艇外层。

31212 飞艇的内气囊材料飞艇的膜材包括外囊和调节飞行高度艇体平衡的内气囊。

两者具有不同的要求,外气囊膜材应具有强力高、比高强(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。

所需膜材的极限抗拉强度决定了适用于制造飞艇可能达到的最大直径。

高比强的膜材使飞艇的重量最轻。

而膜材的其它因素会影响飞艇的使用寿命。

高比刚度可使飞艇的变形小,蠕变小。

而飞艇内的调节气囊应具有极高的阻氦气渗透、柔韧抗弯、耐磨性好、轻质、强度适中。

高阻氦渗透可减少氦气损耗,减小与空气的混合机会,从而延长飞艇的在位工作时间。

由于内气囊常在外气囊内晃荡。

因此材料耐磨性就显得十分重要。

由于内外气囊之间无压差,内气囊膜的受力很小,因此强度要求不高,可以稍低。

内气囊膜用超薄型聚酯或尼龙纤维薄纱(Mylar),双面涂层聚乙烯,表面层
国际上没有专门
的实验测试标准
国内提供的材料质量和综合性能有待提高
美国和欧洲也大多采用日本开发的材料临近空间飞艇蒙皮材料研究现状
国内可以自己提供
临近空间飞艇蒙皮材料国内相关研究已开展多年日本处于技术领先状态
我国临近空间飞艇蒙皮材料研究展望 临近空间飞艇的发展对艇膜材料的性能要求大大地提高了一步，但国内对临近空间飞艇蒙皮材料的研究起步较晚，目前只有为数不多的几家单位在研制。

产品在环境适应性、质量稳定性和应用性能上和国外成品蒙皮材料存在一定差距。

为了缩小国内外蒙皮材料差距，建议从基础、技术和生产三条途径开展工作：通过理论和技术基础研究为未来提高蒙皮性能提供方法和手段；通过关键技术攻关掌握高性能蒙皮材料实现的技术途径和细节；通过生产条件建设和集成复合工艺设计与优化研究保证蒙皮材料性能稳定性。