从战略性新兴产业看纤维产业的发展(三)高性能纤维材料在航空航天领域的应用

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1、从战略性新兴产业看纤维产业的发展(三)：高性能纤维材料在航空航天领域的应用芦长椿期刊名称】纺织导报年(卷),期】2012(000)007【总页数】5页(P115-11&120) 【作 者】 芦长椿【作者单位】 全国化纤新技术开发推广中心【正文语种】 中 文开发与使用高强力/重量比的增强复合材料是航空航天领域的一个重要研究方向。本文重点介绍了 4DG纤维、高强力/重量比纤维以及纳米纤维及其增强复合材料 的技术特征及其在航空航天领域使用状况。It is an important developing trend to use high strength-to-weight ratio reinfo

2、rced composites in aerospace field. This article introduced the technological features of deepgrooved fiber (4DG fiber) , high strength-to- weight ratio fiber as well as nanofibers and their reinforced composites. Furthermore, the application of these materials in aerospace was also stated.发展航空航天技术已

3、成为世界各国提升综合国力的重要举措，涉及军用、民用和商 业化等三大领域的航天活动的规模正不断扩大，新一轮国际太空的竞争格局正在形 成。空间环境与运载装置相互作用会对航天器的可靠性和使用寿命带来威胁，适应市场 的需求，可抵御太空环境的材料的研究与开发始终是一个热点。通常，空间环境主 要涉及自然环境和人工诱导环境两个方面。航空器或其动力装置上使用的具有高强力/重量比的复合材料，可有效地降低乘用 装置的重量，大大改善航天器的性能和运行效率。而聚合物纤维复合材料在航天器 上的应用部位与使用量的多少正成为衡量航天器结构先进性的重要指标之一。目前航天员舱外活动装备（EMU ）使用的多层结构绝热材料，在火星

4、空间探测中 将会失去效用。美国国家航空航天局（NASA ）探索可替代的绝缘材料，其热传导 性能要求达到0.005 W/（mK）。NASA选择3种纤维，即实体圆形截面纤维、四孔中空纤维和深槽型表面纤维（4DG ）作为试样，纤维使用两种规格即6.67 dtex/16.7 dtex为筛选对象。 要求实体结构纤维具有均匀的圆形截面，纤维直径为25 pm或40 pm。对于低 孔隙率的纤维试样的选择，直径偏差要大于0.1 pm,即直径分别为25.1 pm或 40.1 pm。而对孔隙率较高的纤维来说，选择的纤维直径要扩大10倍，即选用 250 pm或400 pm的样品。 中空结构纤维试样要求纤维截面为圆形，

5、呈四孔均匀分布，当纤维直径为25 pm时，中孑孔径 6 pm,纤维直径为40 pm时，中孑孔径 9 pm。中空四孔纤维由 DuPont （杜邦）公司提供。 槽状表面纤维。4DG纤维由Eastman （伊士曼）公司提供，具有沿纤维轴向分布的深陷沟槽,纤维截面以轮廓线观察为矩形,有 6 组叶片,其叶片尺寸如下：6.67 dtex纤维：纤维截面轮廓34 pmx47 pm,叶片宽8 pm;16.67 dtex纤维：纤维截面轮廓50 pmx74 pm,叶片宽12 pm。NASA的实验结果显示，4DG作为热绝缘材料的性能最佳。图1所示为4DG纤 维的截面。4DG纤维是特别设计的纤维品种，其沿轴向分布的深槽

6、，赋予了纤维独特的使用 性能，即： 具有流体自移动性能，按4DG纤维3种纤度一一6.6、11.2和16.67 dtex的变 异，最大的潜在通量分别为122、113和145 mL/h）; 4DG纤维有贮存和扑集粉尘微型颗粒的功能； 具有十分高的比表面积。圆形截面纤维的形状系数以1计,4DG纤维为2.5 , 即4DG的比表面积是相同细度纤维的250% 300%，实验所用4DG纤维样品 的比表面积在1 710 3130 m2/g之间； 与圆形截面纤维相比，其有更好的蓬松性和包覆性。4DG纤维一般使用聚酯、聚丙烯和聚酰胺为原料，与其3种纤度规格6.67.11.2和16.67 dtex相对应的纤维截面的

7、宽x长分别为34 pmx47 pm、42 pmx58 pm和50pmx74 pm,纤维截面形状系数分别为2.7、2.7和2.4，沟槽 面积所占比例分别为 40%、40%和 35%，主体叶片的宽/深尺寸分别为 8/13 pm 11/18 pm和12/21 pm。4DG纤维的性能特征如表1所示。由于4DG纤维具有独特的使用性能，其潜在应用领域已被广为看好，目前在过滤 介质、农业用纺织品、军用服装、油吸附材料、土工材料、化妆制品、揩巾和创伤 敷料等领域的使用正取得进展。航天服是国际空间站或航天飞机乘用人员维系生存的装置，用以保护宇航员进入太 空和月球行走的安全。美国阿波罗-9和阿波罗-11使用的太空

8、服面料的多层结构 中均配置了两层Nomex热绝缘层。Nomex纤维的玻璃化温度（Tg ）为275 C,具有优良的耐热性能，而相对较低 的比热值（0.29 cal/（gK）则显示出良好的热绝缘性能。NASA使用的 Nomex热绝缘层证明可以适应极端高温或低温的环境条件，同时Nomex纤 维的模量为140 g/D，断裂伸长率22%，可承载冲击负荷，并在负载条件下表现 出很好的稳定性。目前的航天服中蜂窝Kevlar（凯夫拉）纤维和Nomex纤 维仍然是重要的纤维组分。航天服基本由 13 层结构材料构成，而一款阿波罗探月服装的面料则达 21 层之多。 它为宇航人员提供舱外行走的功能，由于航天服将柔软部

9、位与刚性部位组合为一体， 可提供支撑、移动和舒适性功能。目前航天服使用的纤维制品主要是尼龙经编织物、PU涂层尼龙织物、氯丁橡胶涂敷尼龙织物以及聚四氟乙烯、Kevlar和Nomex等纤维制品。随着空间技术的进步，火星的空间环境特点给航天服设计提出了新的课题。通常月 球重力为地球的1/6 ，而火星重力则是地球的1/3 ，因此相对于探月航天服，火星 航天服需要减轻重量。此外火星的空间环境存在着诸如CO2含量高达95%的微真 空大气层、巨大温差变化（-120 20 C）、尘暴与微流星危害以及极强烈的辐 射环境，这给火星航天服的设计提出了严苛的要求，其功能主要集中在 3 个部分， 即液体冷却与透气服装设

10、计（LCVG）、承压结构材料层（PS ）和热机械性能结构 材料层（TMG）。研究显示,LCVG系统中纤维织物复合材料层使用了芯吸效应 优良的聚丙烯纤维；TMG部分耐冲击、耐刺破以及阻燃和耐高温织物层选用了Kevlar、Nomex和PBO纤维；而耐高能辐射层则使用了 60%的碳纤维（CF ） 和聚醚醚酮（PEEK）的复合材料。与阿波罗探月飞行和航天飞机使用的航天服比较，火星航天服明显轻量化，其厚度 也可控制在4.8 mm左右。NASA最近开发的新一代的NDX-1型航天服，可适应 极端的环境条件，该航天服由多达350种材料构成，其中包括Kevlar和碳纤维。 将纳米结构材料应用于航空器与航天飞机，

11、可以有效地降低运载火箭的重量，强化 航空器的结构性能，提高耐用性和安全性。基于环境因素的制约，新型航空器的设 计要求减少燃料消耗，降低噪音和发射成本，而碳纳米管（CNT ）复合增强材料 制得的新型轻质复合材料就可使运载工具的重量降低约40%。航天飞机低温推进 剂储罐的重量（未装载燃料的储罐重量）通常占航天器总重的50%，如使用CNT 复合增强材料，其重量可减轻30%。NASA 开展的纳米纤维及其复合材料研究涉及工程材料，能量产生、贮存与分配， 电子技术、传感器和动力推进等领域。NASA使用Pyrograf公司的PR-19型碳纳 米纤维（CNF），探索其增强复合材料的性能特征，实验结果显示，含有

12、CNF的 聚酰亚胺（ PI ）复合材料可以改善材料的热失重性能，即耐老化性可提高38% ， 同时材料的热传导性能也随之变化。在对CNF/PI复合材料的动态机械性能测试中，也可以看出随着CNF添加量的增 加，复合材料的贮能模量可明显提升，在CNF添加量为1% ,100 C的条件下， 其贮能模量可达2 174 MPa。可以说，使用纳米纤维做分散相的增强复合材料表 现出了良好的性能，充分展示了其在航天领域的应用前景，被誉为“新一代轻质结 构的工程复合材料”。目前，世界碳纳米纤维的产量在7万磅/a左右，售价在 100美元/磅左右。水是地球上最宝贵的资源之一，航天器上的水更是珍贵。通常，处在低地球轨道上

13、 运行的飞行器用水成本在2.19万美元/L左右。NASA采用Ahlstrom （奥斯龙）公司“Disruptor”纳米纤维过滤介质的净化技 术，开发了一种革新性的航空器水净化与供给系统，即将宇航员的汗液与尿液经过 净化处理后成为饮用水，以保障长时间航天飞行中水的供给与循环。Disruptor采用纳米纤维过滤介质，具有去除病毒的功能，且可以稳定地吸收脱氧 核糖核酸（DNA ）和核糖核酸（RNA）。该项技术来源于印度Agonide公司的“Nanoceram ”高级饮用水净化装置，其过滤介质由氧化铝纳米纤维附着在金属 网或细旦玻璃纤维网上构成。纳米纤维直径2 nm，纤维长200 300 nm，过滤

14、介质厚度100 pm,滤材的比表面积为350 500 m2/g。Disruptor介质的过滤性能优越，在采用单层结构时，对直径0.025 pm的粒子去 除率达 99.99%，使用 3 层结构后滤材对相同直径粒子的去除率可达 99.999 9%。 该过滤介质可适应多种不纯物的净化处理，诸如细菌、病毒、有机腐物、寄生物和 不溶物等。运转性能显示其具有高通量、高污物容积能力和极小的压力降。表2 为Disruptor介质与其他过滤介质的污物容积能力比较。NASA航天电池研究团队使用CNF与硅晶须(Silicon whisker )的复合材料制得 了锂离子电池电极。CNF的单丝直径为100 200 nm

15、，纤维长度30 100 pm。CNF选用Pyrograf型碳纳米纤维，其品质如表3所示。硅晶须采用VLS (Vapor-Liquid-Solid )方法包覆在CNF上。VLS处理过程即于 500 C、压力30 Torr的条件下，四氢化硅的混合气体的流速控制在80 mL/min , 反应时间约10 min。复合材料电极的硅晶须/CNF组分比为50/50。锂离子电池 的容量高达1 000 mAh/g。电池的使用寿命在经过100个循环后，容量的衰减低 于20%。美国斯坦福大学研究开发了中空CNF复合材料的锂离子电池阴极材料，即将硫化 物灌封在中空CNF内壁中，使电池能有效捕集多硫化物。实验显示，该电

16、池容量 高达1 673 mAh/g，并具有良好的电化学循环特性。荷兰Delft技术大学航天工程部开发了以CNF为分散相的聚苯并咪唑(PBI)复合 材料，该产品研究的目的是用以抵御宇宙空间超强能量的辐射危害。航天器或航天飞机在太空环境下长期飞行，特别是在低地球轨道运行，它要求复合 材料在持续的运行条件下仍能保持非常高的耐热性能和耐辐射性能。PBI为一种杂环热塑性聚合物，具有优良的耐热性、耐化学性和机械性能，是未来 航天材料的理想选择。在已商业化的有机聚合物材料中，PBI具有较高的Tg(425 C)、良好的热分解温度(500 600 C)和优良的抗氧化性以及低温条 件下的强力保持性能。Delft技

17、术大学的研究结果显示，含有1% 2% CNF的PBI复合材料的使用性能 得以明显提高。添加2% CNF的PBI复合材料的TGA分析证明，其热稳定性能提 高。强力实验结果显示，复合材料的抗撕裂性、杨氏模量和刚性均有所改善。且通 过电镜扫描可以发现，CNF在PBI中分布十分均匀。依据NASA的研究报告，CNT复合结构材料在航天领域的使用效果极为令人满意， 其强度是传统铝合金材料的150倍，而电性能和热传导性能较之于CF复合材料可 提高10倍以上。由于强度极高，其复合材料的轻质化特点也十分突出。NASA的 实验结果显示，采用CNT复合材料的航天器干重（即未有燃料负载）可以减少 82%，对于空载飞机来

18、说，其机体重量可降低45%。目前全球纳米纤维复合材料的年增长率在18.4%左右，表4 为已商业化的增强复 合材料使用的CF、CNF和CNT的技术性能。将卫星送入地球轨道的成本约2万美元/磅，美国航天飞机升空的成本在1万美元 /磅。因此说，提高航天器的性能，降低功耗成本，延长使用寿命，涉及到新材料、 新技术的使用，而开发高强度/重量比的工程纤维及其复合材料，对降低航天器的 重量效果显著，正成为航空航天领域研究开发的热点之一。一些高强力/质量比复合增强材料（诸如飞艇用复合材料）通常要符合如下的技术 特点：克重要低于100 g/m2 ；对于纤维来说，其强力与重量比大于1 000 ；聚合 物材料的玻璃

19、化转变温度为90 C;纤维材料在使用5年后强力保持率不低于 85%。当前航天领域的高强力/重量比的纤维研究与开发，主要涉及超高分子量聚乙烯（UHMWPE ）、液晶纤维、芳香族聚酰胺和聚对苯撑并双恶唑（PBO ）等纤维及 其复合材料。其产品主要有3个系列，即轻质挠性复合材料、中厚型挠性复合材 料与重型挠性复合材料。PBO和超高分子量聚乙烯纤维材料具有极佳的强力/密度比，前者的强力/密度比为3.8，模量/密度比为173.1，后者这两个数据分别为3.4和 114.4。其他如液晶纤维Vectran HT的强力/密度比为3.2，模量/密度比为53.2，也展现了高性能纤 维的基本特征。轻质挠性复合材料通常

20、采用多向复合层压结构，其技术特征如表5 所示。 中厚型层压复合材料多使用芳香族聚酰胺或液晶纤维，该系列复合材料一般用在LTA和可充气压力构筑物，其性能特征如表6所示。重型挠性复合材料具有高强力、低伸长、良好的抗撕裂和抗破坏性冲击性能。该系 列复合材料一般呈多轴向增强结构，主要用在大型汽艇、可充气压力构筑物以及挠 性压力舱等中。该类复合材料的技术特征如表7 所示。2006年美国Bigelow公司的可膨胀充气式实验舱成功升空，并进入了 550 km的 地球轨道，该实验舱被称为“太空旅馆”，直径2.4 m，长4.5 m，采用NASA 提供的Kevlar和液晶纤维材料。实验舱技术为开发亚轨道载人商业飞

21、行业务提 供了可能。据报道，在人类对月球空间的探索中，其可利用的纤维材料还是有很大选择空间的，如M5纤维，这是一种比芳香族聚酰胺和超高分子量聚乙烯更轻质的材料。使用 M5纤维编织的强力带，带宽30 mm，厚度0.03 mm，在月球表面可以承担2 000 kg负荷。作为防护材料使用，以Kevlar为基准，使用PBO的复合材料可 减轻重量25%，使用普通型M5型复合材料其重量可降低42%，标准型M5可减 重55%，强化型M5可减重63%。除M5纤维外，单壁碳纳米管（SWCNT ）、东丽公司碳纤维T1000G、Honeywell （霍尼韦尔）公司的超高分子量聚乙烯Spectra2000、杜邦公司 K

22、evlar-49和东洋纺公司的PBO纤维（Zylon ）纤维也具有巨大的使用潜力。 航空航天工业具有高技术、高风险和高投入的特点，其应用也展现出了巨大的经济 效益和军事价值。越来越多的国家认识到了航空航天技术的潜在效益和自身的空间 权益，世界航天技术的投入正进入快速增长的轨道。我国是航天工业大国，提供高性能纤维及其复合材料是化纤工业的重要任务之一。无疑，这需要不断的资金与技术投入，以不断产出全新的纤维材料。而高品质产品和市场供求预测的及时准确， 在航天新材料开发中不可或缺。随着空间技术在民用和载人商务飞行业务上的扩张， 航天技术产品的成本效率也值得关注，只有拥有核心技术，企业做大做强才有资本， 才具有可持续发展的可能，而不是单靠规模与产能的盲目扩张。