开栏语

复合材料因具有轻质、高模高强、可设计性、热稳定性优异和耐腐蚀等特点，非常适合用于对承载及轻量化有高要求的航空航天器结构。随着复合材料技术的不断发展，其在航空航天领域的应用水平不断提高、应用范围不断扩展，已基本覆盖了“弹箭星船器”等航空航天系统的各类结构。同时，随着航空航天产业的进一步发展，尤其是空间站时代的到来，新的太空探索任务和太空生活、实验等正对先进复合材料提出更多的需求和更高的要求，先进复合材料的发展及应用已经成为航空航天领域公认的关键技术之一。除了对材料的选择外，纺织结构也是影响复合材料性能及应用的重要因素，各类高端网格结构复合材料、三维充气柔性膜结构材料、异形结构复合材料等被设计并应用于航空航天领域。本刊特设“航空航天用先进复合材料技术进展”栏目，以期为读者提供系统性内容。

层状结构复合材料是指利用纺织工艺将纤维编织成片状增强体，再与基体复合形成单层或多层结构的一类材料，其已被广泛的应用于飞行器蒙皮、降落伞伞面、隔热防护层和宇航服等航空航天领域。二维机织物是最常见的单层结构，织物组织结构包括平纹、斜纹和缎纹等。其中，平纹组织的交织点多，质地坚牢，表面平整；斜纹组织的密度较大，较为厚实，手感松软。双层结构是将两层面料通过特殊的编织方式如交叉编织、平行编织等相互连接，形成整体的织物，该结构可以增加织物的厚度和密度，提高整体的抗拉强度和耐磨性。经编多轴向织物是由经编线圈将不同方向平行铺置的纤维束缚在一起形成的多层复合织物，具有抗拉强力大、抗撕裂性能好、可设计性强、生产成本低和效率高等优点。

01 蒙皮

蒙皮是飞艇和飞机等航空器的关键部位，主要由高性能纺织材料经特殊缝合工艺复合而成。早期的蒙皮织造方式主要采用平纹组织，但上下交织的经纬纱线在压力作用下容易滑移，降低气密性。为了解决这一问题，研究人员采用高密度轴向编织，通过增加纤维的密度和排列紧密度，多层多角度堆叠，形成牢固致密的层状屏障。随着飞艇在军事侦察、应急救援和气象探测等领域的广泛应用，其工作环境愈加严苛，对蒙皮的强度和耐候性等要求越来越高。因此，平流层飞艇的蒙皮材料现多采用多层复合工艺编织而成，由内到外分别为承力层、阻隔层和耐候层，其中，承力层的织物结构形式一般采用平纹织物或平纹/斜纹的双层布，粘结性和撕裂强度较好。

国外对飞艇的研究起步较早，德国的齐柏林飞艇（Zeppelin）于20世纪初设计制造，是历史上最著名的飞艇之一，其采用了帆布和天然橡胶的复合材料作为飞艇蒙皮，尽管具有一定的气密性和耐用性，但重量较大，影响了飞行性能。英国的Airlander 10是一种现代飞艇，其蒙皮采用热封技术，通过加热和压合形成氟化聚合物涂层的高强度聚酯织物多层层压结构，使接缝部分具有更好的气密性和强度。美国的固特异飞艇（Goodyear Blimps）作为全球最知名的广告飞艇之一，其蒙皮主要使用高强度的锦纶和聚酯纤维材料，表面涂有聚氨酯涂层，同样采用热封技术形成多层层压结构。我国首个军民通用新型临近空间平台“圆梦号”飞艇于2015年10月13日在内蒙古锡林浩特成功飞行，其艇身是由13层材料层压而成的功能层，能够做到抗压差，防臭氧、紫外线。此外，中国航空器材集团公司、中国南方航空科技有限公司（CASIC）和中国航天科技集团公司等国内领先的航空器材制造商单位也先后研发了一些高技术含量的飞艇，用于测绘、监视和宣传等用途。其中，CASIC在一些试验型飞艇蒙皮上使用了芳纶复合材料和自修复涂层的多层结构，提高了蒙皮在使用过程中对小损伤的修复能力。

飞艇

飞机蒙皮的制备技术与飞艇蒙皮类似，也需要利用多层层压结构抵御飞行环境空气稀薄、紫外线强和温差大等问题。此外，有的飞机蒙皮还会采用夹层结构，内部为泡沫夹层或蜂窝夹层，上下面板则是高性能纤维复合材料，不仅承力大，还能提供较好的隔热保护。波音787梦想客机和空客A350 XWB在机身和机翼部分的蒙皮大量采用了碳纤维复合材料，显著减轻了飞机的重量并有效提高了整体寿命。国产C919大飞机的蒙皮也大量使用了碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料，通过优化蒙皮设计确保了在各种飞行条件下的强度和耐久性。C919大飞机还配备了先进的健康监测系统，可以实时监控蒙皮和机身结构的状态，及时发现和预警潜在的损伤或疲劳问题。

02 降落伞

降落伞伞面面料要求强度越高越好，透气量越小越好。平纹结构的伞面强度高、耐磨性好、稳定性高，可广泛用于标准降落伞面料，如军用降落伞、跳伞伞衣等，但其柔韧性和抗撕裂性能较其他结构差。斜纹结构的伞面具有更好的柔韧性和耐磨性，抗撕裂性较好，但成本较高，织物的重量和厚度可能较大，常用于需要更高强度和耐用性的降落伞，如竞技跳伞伞衣和特殊作业伞衣。缎纹结构的伞面具有更高的抗撕裂性和更平滑的表面，但耐磨性相对较差，可在需要光滑表面和低摩擦的特殊降落伞中使用。此外，可在平纹组织中穿插重平组织或方平组织形成格栅结构，在表面形成小格点或方格状的加固线条，增强织物的抗撕裂能力，提升耐用性，该结构广泛用于各种降落伞，如美国M1950降落伞和T-10降落伞都采用了抗撕裂锦纶织物。

降落伞

03 救生滑梯

我国民用飞机的救生滑梯大多采用抗撕组织织物与热塑性聚氨酯橡胶复合，再经过多道功能性涂层等复杂工序制备得到。国外公司在航空救生复合材料已开发了系列产品，其中瑞典的特瑞堡公司是目前最大的聚合物涂层纤维供应商，其产品广泛用于制造航空防护服装及一系列飞机安全产品。但国内在救生滑梯材料方面与国外产品存在着较大的差距，还未通过适航认证。

图片来源：瑞典的特瑞堡公司。

疏散滑梯

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