高技术纤维材料在航空领域的应用

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1、20 0 9 化纤、非织造材料和相关行业振兴战略研讨会论文集 高技术纤维材料在航空领域的应用 朱逸生 上海市纺织科学研究院 随着我国航空工业的迅速发展，纤维材料及其各类制品在航空领域的应用R 益广泛。 除了人们具体感受到的飞机内饰件( 如客机的座椅套、地毯、隔离帘等) 外，人们不易接 触到的航空用纤维材料及制品主要有二大类：第一类是飞行器( 主要是飞机) 本身结构件 用复合材料；第二类是主体主要由纤维及其纺织品直接加工制成的各类航空用品，主要有 用于降落伞、个体防护装备、弹射座椅、飞机拦阻装置、空靶和气球等纺织材料。 1 航空用复合材料 近几年，世界各国对航空用复合材料的使用范围越来越广，使用

2、量越来越多，已经 与航空用铝合金、钛合金、钢一起成为飞机结构件用四大材料。用纤维或织物为基材经 深度加工而成的复合材料以比强度、比模量高等优异的机械性能和质量轻的特点在四大材 料中的使用增长量尤为明显。如1 9 6 0 年美国麦道D C - 9 使用的复合材料不足1 。1 9 8 0 年 欧洲空客A 3 1 0 使用量为1 0 左右，2 0 0 3 年超大型空客A 3 8 0 使用量达2 5 ，美国四代战机 使用量达2 5 45 ( 在增加有效载荷的同时，机动性能、隐身性能明显提高) 。复合 材料的应用范围和应用水平已成为评价飞机先进性的一个重要标志。欧洲空中客车公司有 一个统计，如机身减重3

3、 0 ，整个飞行成本可降低4 0 ，明显减少了飞行耗油量和废气排 放。我国在航空领域使用纤维纺织材料加工而成的复合材料亦有2 0 余年历史，歼击机的 使用量可达2 5 左右，直升机的最高用量可达5 0 ，民用机用量在1 0 2 0 左右。 1 1 通用要求和特点 航空用复合材料与其他民用或产业用材料不同，必须具备一系列相当苛刻的性能要 求，其主要性能特点为： 1 在质量轻的同时必须具备高强度和高模量； 2 能够在苛刻的环境条件下( 如耐热性、耐溶剂性、耐候性、耐水性等) 长时间 稳定使用； 3 复合加工时，必须满足苛刻的成型条件； 4 品种繁多，但同一品种产量少，成本高。 航空用复合材料采用的

4、纤维原料大多为高性能纤维( 或高技术纤维) 。就单一纤维 而言，没有一种纤维的性能和功能是可以“包打天下“ ，每一种纤维都有其独特的性能和使 用范围，而每一种高性能纤维都是技术密集、投资巨大的原料产品。与每年数以千百万吨 的一般纺织用纤维相比，其销售量显然是无法相比的，然而，这些高技术纤维的应用相对 集中在航天、航空等高技术领域，起着其它材料无法取代的作用。在这些领域更重视的应 该是纤维及其制品性能，而销售价格和加工成本并非第一要素。当然，随着应用领域的不 断扩大，应用技术的不断成熟，降低成本亦已成为此类复合材料的研究课题。 20 0 9 化纤、非织造材料和相关行业振兴战略研讨会论文集 1 2

5、 复合材料的主要品种 除了早期和目前仍然在使用的以玻璃纤维为原料的复合材料外，目前使用量急剧增长 的航空用复合材料主要为芳纶复合材料和碳纤维复合材料。 1 2 1 芳纶类复合材料 自1 9 7 0 年美国核潜艇“三叉戟C 4 ”潜地导弹发动机壳体首先采用芳纶复合材料以 来，此类复合材料以其高比模量、高比强度、耐疲劳等优异性能己广泛用于航空发动机内 绝热层材料，在民用客机的厕所、厨房、油箱等结构件方面也得到普遍应用。 1 2 2 碳纤维复合材料 目前，航空用结构件更多应用的是碳纤维复合材料。此类材料可明显有效降低飞机 的结构质量，提高飞行性能，因而随着飞机设计的改进和碳纤维复合材料的进步，大型

6、民用飞机的飞机尾翼、副翼、天线罩、方向舵、升降舵、起落架舱门等各种结构件都 大量选用碳纤维复合材料。这旱值得一提的是在直升机方面的应用，与固定翼飞机相比， 直升机最显著的特点是利用旋翼的旋转提供直升机的升力、前进力和操纵力，能有效灵 活完成空中悬停、垂直起降和前飞、后飞、侧飞等飞行动作，旋翼系统( 包括尾桨) 是直升机的核心技术之一，直接影响直升机的飞行质量和使用性能。复合材料制成的旋 转桨叶在直升机上已成功应用，明显改善了旋翼系统的各项性能指标和使用寿命。如 1 9 8 0 年我国引迸的海豚直升机生产技术，经多年消化、吸收已完全掌握了玻璃布预浸料、 碳纤维稚预浸料，经模压加工成各种旋转桨叶的

7、全套技术，产品性能达到法国同类复合 材料水平。目前在开展军民两用技术推广中，也已成功用于风力发电的旋叶制造。 从纤维直至航空用复合材料整个产业链来讲，纺织行业一般主要承担的是纤维制备、 纺织加工直至各类预浸料为止，而复合材料最终复合加工成型为航空结构件一般由下游专 业企业( 包括航空系统专业企业) 完成。 2 航空用纺织材料 与纺织材料密切相关的航空用装备主要有降落伞、个体防护装备、弹射座椅、飞机 拦阻装置、空靶和热气球等。 2 1 降落伞 降落伞通常由引导伞、主伞、伞衣套和背带等主要部件组成，降落伞种类繁多，分 类方法也不尽相同，有按伞衣结构或按用途来划分，如按用途来划分可分为救生伞、投物

8、伞、阻力伞、航弹伞、伞兵伞、动力伞、运动伞和回收伞等。 2 1 1 降落伞对纺织材料的通用要求 2 1 1 1 使用纤维种类 降落伞用纺织材料所使用的纤维品种相当多，既包括蚕丝、棉、麻等天然纤维，也 包括涤纶、锦纶、芳纶、超高强聚乙烯等，分别织造成或编织成绸、布、绳、带、线等织 物。目前，使用范围量大面广的主要还是以锦纶为主，在线、带方面，一些高性能的芳纶、 高强聚乙烯的应用亦逐步推广。 2 1 1 2 材料性能 200 9 化纤、非织造材料和相关行业振兴战略研讨会论文集 降落伞各组件根据其功能采用不同性能和要求的织物来加工制造。绸和布类织物主要 用于制造伞衣、伞包等组件的主体。用于制造伞衣的

9、织物要求强力高，以保证伞衣能承 受一定的动力载荷；要求重量轻，以便背挂方便，提高有效载荷，并使其下降稳定； 要求透气性能适当，以保证开伞性能；减少开伞动载；此外还要具备耐磨、抗热、抗 撕裂、耐同晒、防腐、耐辐射等良好性能，用于制造伞包的织物要求强力高，受外力 后变形小、耐磨、防水、防霉变性能良好。 2 2 个体防护装备 航空个体防护装备与改善飞行员( 包括各类乘客) 飞行条件和确保生存安全关系密 切，主要装备有高空代偿服、抗荷服、海上救生服、通风服、救生船等众多品种。 2 2 1 对纺织材料的通用要求 个体防护装备主要是在飞机做机动飞行和应急状态时，保证飞行员的生命安全，因 此所有材料必须除了

10、具备比重小，强度高、阻燃等通用技术要求外，还应具有耐高、低 温、防水透湿、抗静电、防辐射、耐霉变、防老化、手感柔软等特性，现将这些防 护装备对纤维纺织品的主要性能分述如下： 2 2 1 1 比重小 在保证防护装备使用性能的前提下，材料的重量越轻越好，尤其在产品更新换代的 研制中，其材料更换的前提条件是保证不增加装备的总重量，对衣面材料而言，选用耐 高温阻燃织物是大势所趋。锦纶的比重为1 0 4 1 1 4 ，比涤纶轻2 0 ，比维纶轻1 4 ， 考虑到锦纶的强度、抗老化和可加工性等综合性能。如赋予一定的阻燃性能，它就是_ 种较理想的个体防护面料。对新型战机飞行员用代偿服而言，考虑到面料需要更高

11、的强 度和阻燃性能，选用芳纶和其他阻燃纤维的混纺织物是设计师的首选材料。 2 2 1 2 强度高 纺织材料的强度本身就是一项重要的力学性能，也是确保防护装备正常工作的一个极 其突出的质量指标，代偿服和抗荷服等装备是依靠充入一定气压进行正常工作。作为压 力传递的主体衣面材料及绳、带、线都承受来自充气胶囊的张力。由于服装结构形态不 规则，充气加压时，某些部分因应力集中而受力相当大，在使用时，如果纺织材料一 旦撕裂或断裂，就会导致飞行员身体拉伤危及生命，因而要求材料具有规定的强度指标 以满足产品的技术性能要求。 2 2 1 3 伸长率要求不同 航空个体防护装备用衣面材料的伸长率直接影响产品的使用性能

12、和安全效果，以代偿 背心为例，根据产品的工作原理，当充入气体时，气囊随着气体的快速进入而快速膨胀，随 后通过系带、衣面对人体快速施压。对人体的加压速度是代偿服功能优劣的重要评判指标， 如果服装衣面及绳、带的伸长率大，就会减小对人体表面的代偿压力。试验表明：服装加 压后，体表受压如为2 0 0 毫米汞柱，此时如果织物伸长率增大1 0 ，就会损失体表压力2 0 毫米汞柱，相当于代偿服在1 5 0 0 0 2 0 0 0 0 米高空损失2 0 0 0 米高度的保护效果，这是十分 可惜的。为了克服这种损失，需要衣面、绳、带等纺织材料伸长率越小越好。而对防护服 人体局部活动部位，除了满足气密、水密性能外

13、，还要求材料具有良好的伸长率和回弹性， 在保证产品功能的前提下，提高服用的舒适性。 2 2 1 4 防水、保温性 1 l 2009 化纤、非织造材料和相关行业振兴战略研讨会论文集 在地球表面有四分之三的面积是海洋，人类活动随着科学技术的发展，海空飞行的 飞机也不断增多，因而飞机的坠海事故不可避免，尤其是一旦发生战争，各类飞机的坠 海现象相当频繁，因此对海上救生的要求更为突出。我国海域辽阔，在上海以北海域， 全年半年以上的时间海水表面温度低于1 5 ，渤海湾以北海域，海水表面温度低于1 5 的时间更长。为了满足飞行员坠海后安全救生，需要为飞行员配备各种海上个体防护装 备。当飞行员被迫跳伞落入海中

14、，救生服除了保证飞行员浮于海面，还必须能防护低温 海水对身体的侵害，有效阻止人体体热在短时间内大量散失，维持人体正常的生理功能， 从而延长飞行员在海中生存待救的时间。 2 2 1 5 防老化 所有的纤维纺织材料在储存和使用过程中，都会受环境因素的影响出现性能下降等老 化现象。老化是高分子材料的一种普遍属性，只是老化的程度、老化的种类因材料的不同 各有不同而已。目前在航空用纺织材料方面，无论是定型产品或在研新品，其储存期和使 用期限要求越长越好。因此各项材料对耐光、耐氧化、耐腐蚀等耐老化性能都有明确的考 核指标。 2 2 1 6 耐高温、阻燃 世界各地因纺织品引起的火灾导致人员伤亡事故时有发生，

15、航空救生领域也有类似问 题存在，飞行员在飞机事故中的主要危险有碰撞受伤和高温或火焰烧伤，碰撞受伤还不 是飞行事故中最主要的危险，最主要的危险是飞行员能否逃离局部温度可能高达1 2 0 0 的 火焰燃烧环境，飞行员在应急着落时经常处于火焰环境中，据美国空军资料报道，在未 使用阻燃救生服前，五年中有2 1 2 名飞行员被烧伤，其中局部烧伤7 名，大面积烧伤1 2 4 名，死亡8 1 名。值锝注意的是美国空军飞行员死于飞机起火的人数比飞行员弹射死亡的 人数更多，比如在1 9 6 6 - 1 9 6 7 年期间因飞机起火被烧死的飞行员为9 0 人，而弹射失败而 死亡的人数为5 0 人，因此飞行员防护服

16、阻燃性能的好坏直接关系到飞行员逃生时的生命安 全。 2 2 1 7 防电磁辐射 各类飞机的机舱内布满了种类繁多的电子仪表、仪器，尽管种类和功能不同，它们 都是电磁能的辐射源。电磁能辐射的频段范围在3 H z - - 3X1 0 , 2H z 之间，随着电子电器设 备的应用同益广泛，电磁辐射成为继空气污染、水污染和噪声污染的第四种污染源。人体 长期处于电磁辐射环境中，神经系统、心血管系统、内分泌系统、生殖系统都会受到不同 程度的伤害。在机舱内经受一定强度和一定时间的电磁辐射，飞行员会产生一系列不良反 应，主要表现为头疼、头晕、周身不适、疲劳乏力、失眠多梦、记忆力减退等症状，并对 心脏、眼睛造成一定损伤，给飞行员的身心健康和正常工作带来严重危害。如何有效地增 加航空防护服纺织材料抗电磁辐射功能已成为近年研究的一个热点。 2 3 弹射座椅 弹射座椅是在飞机遇难时依靠飞行员座椅下的动力系统，将飞行员迅速弹射出机舱， 然后张开降落伞使飞行员安全降落的一种座椅