平流层飞艇蒙皮材料的研究现状_刘军虎
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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 k g / 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。
信息记录材料 2016年4月 第17卷第2期 综述·论著
DOI:10.16009/j.cnki.cn13-1295/tq.2016.02.001
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）
【摘要】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
2
信息记录材料 2016年4月 第17卷第2期 综述·论著
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
P B O 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 Z y l o n。P B O 纤维具有高强 度，拉伸强度可达到 7.0G P a，弹性模量达到 300 ～ 400G P a，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 P B O 纤维的复合材料的拉伸强度可达到 2950M P a，比 F -12 高出了 28.3%；李斌太等 [4] 人采用进口 P B O 织物与 P E T / P V F 复合膜复合制成的蒙皮材料拉伸 强度大于 1300N / c m；曹旭等人 [12] 采用自制 P B O 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 P B O 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 P B O 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。
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]。
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“－ C O O －”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 P E T 短纤维，其单纤维 断裂强度超过 6.4G P a。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 V e c t r a n 的聚酯纤维。它是一种 热致液晶聚芳酯（T L C P）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 V e c t r a n 纤维复合材料机械性能进行了报道， 对比了 V e c t r a n 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
1.引言 平流层飞艇是指飞行于大气平流层的飞Βιβλιοθήκη Baidu，
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]
表 2 芳香族聚酰亚胺的机械性能
Table 2 Mechanical properties of aromatic polyimide
品种 Kevlar 29 Kevlar 49 Kevlar 149
Nomex Twaron Twaron 高模量 Technora
强度 /GPa 2.03 2.08 1.68 0.485 2.10 2.10 2.20
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。
【关键词】平流层飞艇；蒙皮材料；复合工艺
【中图分类号】V217+.22
【文献标识码】A
【文章编号】1009-5624-（2016）02-0001-05
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) 【Abstract】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. 【Key words】 Stratospheric airships; Envelope material; Compound technology
0.44
5.25
Skyship 系列 5153
6666
0.37 ～ 0.40
1.85
Goodyear GZ-20
-
0.37
1.45
Lindstrand HALE
1.8×105
0.295
7.3
平流层飞艇（200m级） 2×105 ～ 4×105
0.21
6.8
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：
1
综述·论著 信息记录材料 2016年4月 第17卷第2期
表 1 一些飞艇的蒙皮材料性能
Table 1 The performance of some envelop materials
飞艇
飞艇体积 / m3 面密度 /(kg/ m3) 抗拉强度 /(kN/5cm)
美国海军飞艇 YEZ2A
70800
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
初始模量 /GPa 49 78 115 7.5 60 75 50
断裂伸长率 /% 3.6 2.4 1.3 35 3.6 2.5 4.4
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
信息记录材料 2016年4月 第17卷第2期 综述·论著
DOI:10.16009/j.cnki.cn13-1295/tq.2016.02.001
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）
【摘要】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
2
信息记录材料 2016年4月 第17卷第2期 综述·论著
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
P B O 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 Z y l o n。P B O 纤维具有高强 度，拉伸强度可达到 7.0G P a，弹性模量达到 300 ～ 400G P a，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 P B O 纤维的复合材料的拉伸强度可达到 2950M P a，比 F -12 高出了 28.3%；李斌太等 [4] 人采用进口 P B O 织物与 P E T / P V F 复合膜复合制成的蒙皮材料拉伸 强度大于 1300N / c m；曹旭等人 [12] 采用自制 P B O 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 P B O 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 P B O 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。
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]。
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“－ C O O －”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 P E T 短纤维，其单纤维 断裂强度超过 6.4G P a。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 V e c t r a n 的聚酯纤维。它是一种 热致液晶聚芳酯（T L C P）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 V e c t r a n 纤维复合材料机械性能进行了报道， 对比了 V e c t r a n 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
1.引言 平流层飞艇是指飞行于大气平流层的飞Βιβλιοθήκη Baidu，
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]
表 2 芳香族聚酰亚胺的机械性能
Table 2 Mechanical properties of aromatic polyimide
品种 Kevlar 29 Kevlar 49 Kevlar 149
Nomex Twaron Twaron 高模量 Technora
强度 /GPa 2.03 2.08 1.68 0.485 2.10 2.10 2.20
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。
【关键词】平流层飞艇；蒙皮材料；复合工艺
【中图分类号】V217+.22
【文献标识码】A
【文章编号】1009-5624-（2016）02-0001-05
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) 【Abstract】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. 【Key words】 Stratospheric airships; Envelope material; Compound technology
0.44
5.25
Skyship 系列 5153
6666
0.37 ～ 0.40
1.85
Goodyear GZ-20
-
0.37
1.45
Lindstrand HALE
1.8×105
0.295
7.3
平流层飞艇（200m级） 2×105 ～ 4×105
0.21
6.8
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：
1
综述·论著 信息记录材料 2016年4月 第17卷第2期
表 1 一些飞艇的蒙皮材料性能
Table 1 The performance of some envelop materials
飞艇
飞艇体积 / m3 面密度 /(kg/ m3) 抗拉强度 /(kN/5cm)
美国海军飞艇 YEZ2A
70800
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
初始模量 /GPa 49 78 115 7.5 60 75 50
断裂伸长率 /% 3.6 2.4 1.3 35 3.6 2.5 4.4
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