高技术纤维材料在航空领域的应用

摘 要 我国高速发展的航空工业，使高技术纤维材料和复合材料得到了广泛应用，本文将概括高技术纤维材料运用于航空领域的要求和特点，并着重介绍纳米纤维及复合材料和高强力/重量比纤维材料在航空领域的具体应用和价值。

关键词 高技术纤维材料；纳米纤维；航天航空

中图分类号V25 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）98-0190-02

复合材料在飞机的应用范围和水平已经成为对评价飞机先进性的重要指标。与产业用材或其他民用材料相比，对航空用复合材料的要求更加苛刻，主要表现有以下几点：1）在要求最轻质量的前提下要保证其具备高模量、高强度；2）能够稳定使用于各种苛刻的环境条件下，比如耐热性、耐水性、耐溶剂性等；3）能够在苛刻的成型条件要求下进行复合加工；4）品种繁多，但同一品种产量少，成本高。不管是哪一种高技术纤维，都属于技术密集且投资巨大的原料产品，虽然无法和一般纺织用纤维的销售量相比，但是在航空业中却起着其他材料不可代替的作用。

1 使用纳米纤维过滤介质的航天器再循环水处理系统

作为地球上最宝贵的资源之一，水在航天器上显得尤为珍贵，据测算飞行器运行于低地球轨道水的成本大约为2.19万美元/L。在上述前提下，应运而生了Disruptor纳米纤维过滤介质的净化技术，其可以把航天员的汗液和尿液经过经过成为饮用水，以供给航天员在飞行过程中的用水。

Disruptor的过滤介质采用了纳米纤维，其构成主要是在金属网或细旦玻璃纤维网上下位附着氧化铝纳米，Disruptor拥有非常良好的过滤性能，如果采用单层结构进行水过滤功能，可去除99.99%的直径0.025μm的粒子；如果采用三层结构进行水过滤功能，对相同直径粒子，其去除率甚至可高达99.9999%。采用了纳米纤维的过滤介质不仅可以去除存在于水中的病毒，还可以对DNA（脱氧核糖核酸）和RNA（核糖核酸）进行稳定吸收。

2 使用碳纳米纤维符合材料的锂离子电池电极

锂电池电极经过NASA航天电池研究团队多年研究后制造得出，所采用的就是硅晶须与CNF的复合材料。其中CNF是采用单丝直径在100到200nm之间，纤维长度在30到100μm之间。其所选用的是Pyrograf型碳纳米纤维。硅晶须使用VLS方法包覆在CNF上。VLS要经过一定的处理过程，在500摄氏度、30Torr的压力环境下，将四氢化硅混合气体的流速严格控制为每分钟80mL，反应时间大约可设定为十分钟。锂离子电池的最高容量可达到1000mAh/g。除此之外，美国斯坦福大学历经了多年研究开发出了中空CNF符合材料的锂离子电池阴极材料，即在中空的CNF内壁灌封硫化物，让电池能够尽可能多地搜集多硫化物。这种电池的容量经实验显示会更加高，可达1673mAh/g，其电化学循环特性也是比较良好的。

3 高强力/重量比纤维材料在航天领域的应用

经测算可知，目前在地球轨道送入一颗卫星大约需要2万美元/磅的成本，在美国航天飞机升空大约需1万美元/磅的成本。在此巨额成本消耗前提下，就需要研究新材料和技术以完成保证航天器性能下功耗成本的降低，近年来高强力/重量比的工程纤维成为高技术纤维开发的热点，这与其可以有效减轻航天器的重量有很大的关系。这些高强力/重量比纤维材料也具备相关的技术特点：1）聚合物材料的玻璃化转变温度为90摄氏度；2）克重≥100g/㎡；3）若纤维材料使用时间超过5年，其保持率>85%；4）就纤维来讲，其强力与重量比≤1000；

目前研究的高强力/重量比的纤维主要设计有液晶纤维、聚对苯撑并双恶唑、超高分子量聚乙烯和芳香族聚酰胺等。其产品可以分为轻质挠性复合材料、中厚型挠性复合材料和重型挠性复合材料三个系列。超高分子量聚乙烯和聚对苯撑柄双恶唑纤维的强力/密度比是相当良好的，就强力/密度比而言，超高分子量聚乙烯为3.4，聚对苯撑并双恶唑为3.8；就模量/密度而言，超高分子量聚乙烯为53.2，聚对苯撑并双恶唑为114.4。虽然其他复合材料的强力/密度比没有前两类高，但是也举杯高性能纤维的基本特征。就重型挠性复合材料来讲，其具有强力高、伸长低、抗撕裂能力良好和高抗破坏性冲击等优良性能，多用于可充气压力构筑物、大型汽艇和挠性压力舱中。

4 碳纤维增强的复合材料材料在航天领域的应用

碳纤维是把有机纤维进行碳化和石墨化处理后而获得的微晶石墨型材料。其中在航空上主要应用到的是由碳纤维与环氧树脂结合形成的复合材料，它具有比重小、强度高、刚性好、密度低、非氧化的条件下能耐超高温以及X射线的透过性很好等优势。在航天器构建的制作中得到广泛的应用，在应用中可以减轻航天器的重量，这样每减轻1公斤，运载火箭就可以减轻500公斤。因此，这种材料的应用大大减轻了航天器的负担。譬如美国航天飞机的3只火箭推进器关键部件以及先进的MX导弹发射管等构件，都是利用碳纤维的复合材料制作的。

5 纺织材料在航空领域的应用

纺织材料在航空领域主要应用于降落伞、以及航天员的个体防护装备等方面。主要的纤维材料有天然的纤维如棉、蚕丝以及麻等；涤纶、芳纶、锦纶和高强度聚乙烯等材料。其中这些材料都具有密度小、抗老化、防辐射、耐高温、拉伸率高、防水、保温等优势，这样的材料用来制作降落伞、航天员个体装备可以帮助航天员有效的适应太空高辐射等环境，同时能够起到很好的保护作用。其中在降落伞、航天员的个体装备主要应用的就是锦纶、芳纶以及高强度的聚乙烯材料。

6 结论

航空航天工业对技术要求非常高，虽然其风险和投入都较高，但是也具备巨大的经济效益，也体现了其重大的军事价值。我国作为航天工业大国，有必要承担起提供高性能纤维及其复合材料的重任。加大对高技术纤维材料的开发与利用，制造出更多品种、性能更好的材料，并广泛的应用于航天、军事领域，并通过突破技术障碍、提高材料的应用性来实行大规模生产与应用，形成材料的市场化。这样不仅能够促进我国航天领域和军事领域的发展，同时能够解决原材料短缺的问题，在一定程度上能够带来很大的经济效益，促进经济的发展。因此，今后要加大对高技术纤维材料的研发并广泛应用于航天等领域，为航天事业做贡献。

参考文献

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