高分子材料概论
平流层飞艇囊体用材料的研究
2011011743 分1 黄浩
一、背景
平流层飞艇是一种利用低密度气体来提供升力，并能在平流层长时间悬浮或低速机动飞
行的飞行器，是集高空观察、通信于一体的通用航天器平台。它具有滞空时间长、飞行高度
高、覆盖范围广、生存能力强、制造和运行维护费用低等优点，具有极高的军事应用价值。
美国、日本、韩国和欧盟等都将其作为空间战略目标予以高度重视，并相继开展了平流层平
台可行性研究论证及相关飞行验证试验，我国也陆续启动平流层飞艇平台的科研项目。
由于平流层飞艇不是低空飞艇，在研制的许多概念上，如工作环境、蒙皮材料、能源、
动力推进等关键技术上都是截然不同于低空飞艇，许多方面临着极大的挑战。其中最首要的
问题是飞艇的材料。而囊体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，如驻空高度、持续飞行时间、有效载荷和服役寿命等。
二、材料要求
1. 强度要高，因为材料强度取决于飞艇的体积，对于平流层飞艇而言，蒙皮材料的抗
拉伸断裂强度应大于300 N/cm2。
2. 质量要轻，面密度应小于300g/ m2，如果材料的面密度过高，飞艇的净浮力就会受
到极大的丧失，难以升到平流层高度。
3. 耐环境（耐候性）性能要好，环境因素包括高低温、湿度、超强紫外线辐射、耐臭
氧等；囊体材料的各项性能在平流层温度（－56.5℃左右）下能够长时间保持不变，至少不
会发生突变。
4. 阻氦气渗漏性能强，不论平流层飞艇采用氢气或氦气为浮升气体，都需长期工作，
阻氦气渗漏性能显得十分非常重要，平流层飞艇蒙皮材料阻氦气渗漏性能应为0.22 L/
m2.d.A~ 1.14L/m2.d.A 5. 其它性能，如抗皱折、为保持飞艇外型所需的抗蠕变性能、缝合工艺性及易于修补
性能都应当优良。如果用到军事领域，雷达隐身性能也是非常关键的一个因素。
三、材料选择及依据
目前，用于平流层飞艇囊体材料的主要是层压复合材料，包括承力层、气密层和防护层，
各层利用胶黏物质黏接起来，形成一个整体。如图1 所示。 高分子材料概论
图1 平流层飞艇囊体材料结构简图 （1）承力层
载荷承力层是承受飞艇内外压差、飞艇自重和载重并确保囊体材料强度的功能层，是囊
体材料的核心层。其选材从早期的棉、麻等天然材料，逐渐过渡到尼龙、聚酯等合成纤维，
到现在正在逐渐被高性能纤维所替代，如Dyneema R（高强聚乙烯纤维）、Kevlar R（对位
芳纶）、Vectran R（聚芳酯纤维）和Zylon R（基龙，PBO）等。Vectran优点是可从商用渠
道购置。PBO 材料主要特点是能减轻系统质量，此外，PBO还有超过所有其他纤维的比强
度和比刚度值，拉伸强度在1500N/cm2左右，200μm厚度的PBO面密度小于90 g/m2，并
有特别高的热稳定性，使用温度可达700℃。
（2）气密层
气密层既可以是一个涂层，即使用布基织物涂覆气密性树脂，也可能仅仅是一层薄膜。
在早期，所有材料都需要进行涂覆以隔离气体，随着层压技术的不断发展，气密层逐步演化
为一层薄膜。气密层除了要具备低渗透率以外，还应拥有较好的剪切强度、抗拉强度，以与
其他材料的性能相匹配，增强层压板的整体硬度。
气密层的常用材料有Tedlar（PVF，聚氟乙烯）、PVDF（聚偏二氟乙烯）、PVDC（聚偏
二氯乙烯）、EVOH（乙烯-乙烯醇共聚物）、Mylar（聚酯类）等。
其中Tedlar寿命长，可用15 ~ 20年，抗渗透率、抗霉菌性能都高，渗透氦气流率小于
0.5 L/m2.d.A，完全符合平流层飞艇的要求。
为节省成本，替代Tedlar的内囊材料可选择聚氯乙烯，但阻气性能稍差。此外，PVDC
在光氧化下会变脆，抗冲击性及耐寒性不佳；EVOH 耐热性差，受温度和湿度的影响大，
因此它们在平流层飞艇囊体材料上的应用受到一定的限制。
值得一提的是，有文献指出，聚酯是高分子材料中最具实际应用价值的气密层材料。美
国系留气球的防氦气渗漏层，采用的聚酯薄膜是由相对分子质量20 000~24 000之间的聚酯
材料，经双向拉伸而成，其厚度在0.02~0.03 mm
之间。这种薄膜结构致密，具有良好的抗高分子材料概论
渗透性，并且不受大多数有机溶剂的腐蚀，耐老化性好。在文献中也有介绍，使用表面镀铝
的聚酯薄膜，放置于承力层和保护层的中间，可以起到二次气密和阻挡辐射的双重效果，此
外，它还可以进一步提高蒙皮材料的剪切强度。
（3）保护层
防护层结构薄膜一般都设置在飞艇囊体材料的外层，用于防紫外线辐射，但仍然需要添
加光防护剂，以避免辐射通过防护层进入内层材料。
高分子氟化物是目前耐环境最好的材料，目前普遍使用杜邦公司生产的聚氟乙烯膜
（PVF，Tedlar），具有轻质、高强、尺寸稳定、气密性好的特点，在耐磨损、自清洁方面都
有不错的表现。因此PVF可以兼做耐候性保护层和阻氦性气密层，分别层压在承力层的外表
面和内表面，在文献中的小型试验里可以见到这种选材方式。
1991 年首飞的美国海军Sentinel 1000飞艇，其囊体材料采用的就是Tedlar-聚酯布复合层
囊体材料，具有优异的耐候性，且对雷达具有隐身性能。此外，Sheldahl公司生产CBV-250A
型系留气球也选用了Tedlar作为防护层材料。除了Tedlar，应用到防护层的材料还有热塑性
聚氨酯，它具有优良的抗拉伸、抗撕裂和耐高低温性能，同时具有良好的耐老化性能。
（4）粘结层
黏合剂是结合囊体材料各层间的媒介体，要求把承力层、气密层和防护层之间都牢固地
黏合为一整体，因此它是层压复合材料中一项非常重要的组成部分，经多次屈挠后不得出现
层间滑脱，且耐候性、拉伸强度、剪切强度也要好，以保证整体的性能。
一般使用的黏合剂多为聚酯类、聚醚类或聚氨酯类，应用时可根据各层材料的性能选取。
聚碳酸酯抗紫外能力强，适用于外膜，据文献介绍，由杜邦公司生产的聚酯共聚物，简
称Hytrel，是一种聚酯型热塑性弹性体，已经在飞艇囊体材料上得到成功应用，黏合强度达
到0.069 MPa以上，同时它还有助于减小层压板的气体渗透率。
聚氨酯的优点则是成本相对较低。
除了用于层材间不同层之间的层合之外，粘合剂还可作为焊剂，用于膜片焊合缝，将两
张膜片对接焊合，涂覆剂的粘着力强弱会显著影响膜片的焊接强度。
四、材料连接
整个飞艇蒙皮材料的加工工艺可以分为两个步骤，其一是将各层的材料层压为复合膜，
其二是将多个蒙皮复合膜连接成一整张大的飞艇蒙皮，再经过修剪后，即可固定在飞艇支架
上。 高分子材料概论
第一步是层压。有文献中给出了人工逐层复合的方法，即从最外层的保护层开始，在表
面上涂覆聚氨酯粘合剂，然后将两层薄膜贴合到一起、用辊辊平，最后固化，如此逐层贴合。
但在工业生产中，可以利用压延法生产表面涂覆粘合剂的树脂薄膜，并使用擦胶法将粘合剂
擦入承力层织物中，然后利用层压技术将这些已经敷有粘合剂的薄膜、织物压实，最后固化
成型即可。
第二步是复合膜的连接。连接使用高频焊接或者超声波焊接即可实现，一般大型飞艇采
用对接法，使用专用对接膜带和胶合剂，两片间隙约1mm，这样气囊膜受力均匀，得到的
节点强度高。有文献建议，复合膜的拼接采用缝合方法，然后对针眼进行密封处理，这种连
接方法国外虽尚未使用，但值得研究。
五、当前挑战
1. 轻质高强纤维和高阻隔气密材料的制备技术。个人认为材料的因素仍然是制约平流
层飞艇发展的一个关键技术点，如上文所述，平流层飞艇的蒙皮材料需要高强度、低密度、
高阻气性以及优良的耐候性、耐低温性，许多相关材料仍然需要进口获取，尚未实现国产化。
2. 多层膜层压复合工艺技术和连接工艺技术。研究人员在进行小型化试产时，发现复
合工艺会影响层压材料的均匀性，如果工艺参数不当，则会出现层间剥离、褶皱等现象，当
然工艺上的技术是容易解决的。
3. 飞艇在平流层中的力学模型的分析。
六、参考文献
[1] PBO基质平流层飞艇蒙皮材料的制备研究. 曹旭,高诚贤. 高科技纤维与应用,2009.8
[2] 平流层飞艇蒙皮材料的研究. 顾正铭. 航天返回与遥感，2007.3
[3] 平流层飞艇囊体材料的发展现状及关键技术. 田越,肖尚明. 合成纤维,2013.42(3)
[4] 平流层飞艇囊体气密层材料及氦气透过聚合物研究现状. 赵臻璐,王小群,杜善义. 航空
学报,2009.9