轻质低成本囊体材料设计与制备技术研究

轻质低成本囊体材料设计与制备技术研究

徐雷 熊伟

中国特种飞行器研究所  湖北荆门 448000

摘要：囊体材料作为制造浮空器关键主体结构气囊的核心材料，其面密度和制造成本直接影响了浮空器平台的整体重量和制造成本。本文以某型民用浮空器囊体材料为研究对象，以轻质低成本为研究目标，从承力层织物设计、热合层设计、耐候层设计等方面开展了囊体材料各功能层设计研究工作，然后结合该设计方案，开展了囊体材料制备技术研究。

关键词：囊体材料；轻质；低成本；设计技术

1. 引言

    气囊作为浮空器的关键主体结构，其最核心的是轻质高强且耐候优良的囊体材料，囊体材料一般多为纤维编织的增强层压型复合材料，它是一种由高强纤维丝编织增强与多层多功能膜层胶粘而成的薄膜复合材料[1]，其不仅要承担主要载荷，还应具有良好密封性和环境适应性[2、3]。采用轻质低成本囊体材料将大幅降低气囊结构重量，有效降低气囊的研制成本和使用成本。因此，开展轻质低成本囊体材料技术研究对于提高民用浮空器性能，改善结构维护性，有效降低研制成本和全寿命期使用成本具有重要意义。

2. 囊体材料各功能层设计

2.1 承力层织物设计

囊体材料的拉伸强度主要依靠承力层织物的强度实现。按照囊体材料的技术指标要求，气囊材料、热合材料的拉伸强度分别需要达到70N/mm和90N/mm，撕裂强度分别需要实现300N和400N。为了实现综合性能指标要求，根据设计经验按照（10-20）%的强度余量设计承力层织物，并设计对囊体材料的强度进行了较大程度的增强。根据囊体材料的拉伸强度特点，结构设计方案选取400D和1000D的Vectran纤维用来制备囊体材料的承力层织物。由表1可见，设计的织物实际强度与设计值基本一致，全部远超过指标要求的拉伸强度。

表1承力层织物参数

2.2 热合层设计

热合层位于囊体材料内侧，是囊体材料中用于热合的涂层薄膜。热合层材料需要具备热熔性、柔韧性、耐磨损等特性，满足热合工艺的浮空器制作工艺要求。囊体材料的剥离强度、热焊接强度等指标皆依赖于热合层的设计。结合近些年来的研究成果，已经实现了2N/mm的焊接剥离强度。随着结构设计、加工技术、材料技术的升级，可以有效降低热封层的面密度，在极低的热封层面密度条件下实现高剥离强度，从而有效实现轻量化要求。

2.3 阻隔层设计

囊体材料的阻隔性主要取决于所用阻隔层功能材料的性质，除了要具备低气体渗透率以外，阻隔层还应拥有良好的耐揉搓性和耐候性以使囊体材料整体具有较长的使用寿命。此外，阻隔层材料还需要具有良好的层压复合或涂层复合加工性，以使阻隔层与其相邻两层材料间有良好的界面粘结性能，保证囊体材料具有足够的层间剥离强度。设计方案利用聚酯膜（PET膜），对其进行镀层复合以增强其气体阻隔性，并成功制备了氦气渗透率满足材料性能指标要求的高阻隔性聚酯膜材料。

聚酯（PET）膜的阻隔性增强涉及本项目的重要性能指标—气囊材料的透氦率指标。传统的PET膜（杜邦商品名称为Mylar）的透氦率超过3L/m2·24h·atm，如果将其直接作为囊体材料的阻隔层，则囊体材料的透氦率无法满足指标要求，这就需要使用高阻隔性树脂对PET膜进行改性，制备具有高阻隔性的PET膜。这种工艺是新研发的工艺，经过前期的摸索，目前已经可以实现高阻隔膜的批量化制备。聚酯膜阻隔性能增强工艺已经得到了有效的验证，聚酯膜的镀层技术已经非常稳定。

2.4耐候层设计

耐候层位于囊体最外层，设计方案使用聚偏氟乙烯（PVDF）作为气囊材料的耐候层，聚偏氟乙烯可以赋予囊体材料高耐候性能，同时可以降低囊体材料外表面的摩擦系数，提高整体的耐摩擦性能，有效避免囊体材料加工过程中因摩擦导致的破坏现象。气囊材料属于户外使用材料，利用涂层技术，制备聚偏氟乙烯涂层，作为囊体材料的耐候层，可以根据需要自主设计组成结构，使耐候层具有高耐候性、高光热控制功能、低摩擦系数，使囊体材料具有优秀的户外老化性能和较低的太阳光热吸收率，可以有效减少浮空器在工作过程中的热效应。此外，添加特殊功能填料的PVDF涂层可以具有良好的热合加工性能，配合气囊材料专用的外热合条使用，可以有效防止气囊对接缝处的气体泄漏。

2.5囊体材料结构设计

结合目前囊体材料广为采用的组合式结构，将囊体材料的多层结构组成设计为：耐候层/阻隔层/粘合层/织物（聚芳酯Vectran）/热合面，其中耐候层为囊体材料的最外层，热合面为囊体材料的最里层，见图1所示。

图1气囊材料组成结构示意图

囊体材料面密度分配如下：耐候层为PVDF涂层，面密度40g/m2；阻隔层为经阻隔性能增强改性的高阻隔性聚酯膜，面密度为

20 g/m2；粘合层和热合面使用黑色的聚氨酯涂层，二者面密度之和约为50 g/m2；织物采用Vectran纤维平纹织造，面密度（75~80）g/m2。该囊体材料的结构设计中含有PVDF涂层作为耐候层，能够在保证囊体材料户外使用性能的前提下，实现囊体材料的低摩擦系数和高红外发射率、低光热吸收率。

3 囊体材料制备技术

    囊体材料的工艺设计原则是在满足指标要求的前提下具有可操作性。为满足囊体材料技术指标要求，囊体材料的组成结构需要采用多层结构形式，在有限重量限制的条件下最大限度发挥各功能材料的使用性能。此外，还要考虑到所选择的功能材料的货源和质量稳定性、性能/价格比、相互间的匹配性以及可实现的复合工艺技术等多方面因素。

   以囊体材料的功能性和技术性指标为设计输入条件，优选高功能化原材料，依据性能测试结果优化组成设计和结构设计。通过对高分子共挤出复合膜技术、涂层复合技术、层压复合技术等复合工艺技术研究，优化复合工艺过程，提高集成复合工艺技术成熟度。以有效提升性能为目标，综合考虑环境、结构和功能要求，依据国内外材料和工艺技术进步，优化结构与集成工艺设计，实现囊体材料的高功能化和高性能化。

    复合工艺技术方案是将具有多层结构形式的囊体材料所涉及多种功能材料层压复合。所涉及的复合技术不仅仅是将几种功能材料做简单的叠加，其制备工艺过程精细复杂。以工艺稳定、过程精确可控、各技术环节间有良好的相互衔接、可操作性强为集成复合技术的输入条件，逐步完善各级工艺过程，提高集成复合工艺技术成熟度，囊体材料的制备工艺路线图见图2所示。

图2囊体材料的工艺路线图

4. 结论

    本文以一种民用浮空器囊体材料为研究对象，以轻质低成本为设计目标，从承力层织物设计、热合层设计、耐候层设计等方面开展了囊体材料各功能层的设计和制备研究工作，掌握了一种轻质低成本囊体材料的设计与制备技术。测试表明，在满足所有预期技术指标的前提下，该囊体材料的面密度和制造成本相比于原有材料均降低10%以上。

参考文献

[1] 李春友，李雪. 高空浮空器发展现状及趋势[J]. 高新技术产业发展. 2011(05):3+21.

[2] 顾正铭. 平流层飞艇蒙皮材料的研究[J]. 航天返回与遥感. 2007(01):62-6.

[3] 李斌太, 邢丽英, 周正刚, 蒋诗才, 陈祥宝. 高性能蒙皮材料力学性能研究[J]. 材料工程. 2010(12):1-4+13.