先进高分子材料在国防相关领域的研发和应用进展

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1、2016国防装备高分子材料设计、加工与应用过交流会先进高分子材料在国防相关领域的研发和应用进展罗益锋中国新材料技术协会会长中德新能源合作公司中方首席专家全国特种合成纤维信息中心主任《高科技纤维与应用》杂志主编2016年元月22～23日江苏无锡前言先进高分子材料在国防装备现代化中起到了举足轻重的作用，要想打赢信息化条件下的现代战争和包围我国的万里海疆。必须通过不断创新继续更新和发展陆海空三军的武器装备，并从薄弱环节迎头赶上和超过对手，方能确保我国自身的安全。以下仅介绍特种薄膜和纤维在某些国防装备上的应用。1.临近空间飞艇所谓临近空间即平流层是指距地球高度约20

2、～50Km的空间，一般的飞机是在15Km以下的空间飞行，而人造卫星是在100Km以上的太空运行，而平流层是在20～50Km之间。由于现代化战争中双方要攻击的对象之一是摧毁卫星通讯指挥系统，我国已成功打掉自己的报废卫星，意味着有能力摧毁敌方的军事和民用通讯卫星，而美国已研发出能捕捉对方卫星的飞行器，在这种情况下发展平流层飞艇是各发达国家的新战略目标。它可代替卫星进行信息和数据传输、GPS定位等，又可定点投放军事物资或救灾物资、监视对方的军事活动、在战时携带武器实施高空打击等。目前我国的研发单位不少，既有国有研究院所，也有民企或中外合作企业，代表性单位有电子科工

3、集团14所、深圳光启科技、上海华丽家族、航天科工集团技术信息研究院和波恩项目投资有限公司等。国内外所研发的飞艇种类和形状各异，有椭圆形、球形、橄榄形和莲藕形等，军方要求至少能携带0.5～1t重物并驻空15天以上，通过地面遥控可以返回维修，轮流升空，成本只有卫星的1/50，成功后不产生太空垃圾。要达到上述指标难度极大，是一项综合技术和先进高分子材料的组合，既涉及到柔性高效太阳能背板和高效轻量的新型电池，又需要碳纤维复合材料（CFRP）的骨架和大小螺旋桨及超轻量膜结构等。要想使飞艇稳定驻留在平流层定点位置，其高分子膜结构材料至关重要，膜材质要求：①薄而轻，②气体

4、屏蔽性好，防氦气渗漏，③膨胀系数小，在+70℃～-70℃温差范围稳定，④耐紫外光和宇宙射线，⑤耐热、耐低温性和热稳定性好。目前正试验的有高密度聚乙烯（HDPE）、PA-6、聚芳酯（LCP）、萘环聚酯和聚酰亚胺薄膜等。为了稳定艇类的形态，其骨架采用热膨胀系数极低的碳纤维复合材料拉挤成型条，其性能完全符合上述各条件。目前波恩项目投资有限公司和德国合作开发的“空中飞龙”，已完成过十几次飞行试验，经空气动力学试验研究证明，采用如图1所示的设计外形是最佳方案，计划于2016年3月在西班牙的欧盟飞艇基地放飞。图1.空中飞龙的试飞照片2.固体钒动力电池（SVPB）波恩公司

5、与德国合作开发的固体钒动力电池（SVPB），具有设计创新、无需充电、靠硼化钒（VB2）纳米粉在催化剂存在下与空气中的氧反应产生电流，反应产物可再生循环使用。主要创新点在于将传统的平板式隔膜改成双微管膜或中空纤维膜，以及两绝缘膜之间的电解质溶液和最内外层膜表面的高导电层与催化剂层。VB2粉在多根膜间隙循环，如图2所示。图2.SVPB的关键部件结构示意图基于这种新颖的设计，导致微管或中空纤维膜直径越小，单位体积能容纳的膜越多，膜面积越大，反应效率越高，加之1个VB2分子能产生11个电子，而一般电池只产生1或2个电子，因此能量密度极高。图3微管直径与电池能量密度的

6、关系。而且SVPB是由两部分组成，反应器和VB2粉体储存器，靠小泵将VB2在两者间循环，当VB2全被氧化或V2O5和B2O3时，电动汽车须到换粉站用特制设备将储存器中的氧化物真空抽吸，并置入新VB2粉，时间只需3～5min，无需将电池卸下。电池的反应温度不超过60℃，而且微管膜是由耐高低温、阻燃、耐腐蚀、绝缘等聚合物或陶瓷组成，因此不存在自燃、冒烟和偶尔爆炸等不安全问题。SVPB上述特点，极适合应用于空中飞龙、飞艇、飞机、无人机、常规潜艇、备用电源、军车和军用通讯设施等，特别是在夺岛战争等无充电设施的条件下，保持通讯畅通尤为重要。目前各种小样品（方形、圆柱形

7、、块状等）已研制成功（见下图），正开展中试连续化试验。图4.各种电池带动膜型卡车和飞龙飞行图3.航天用聚酰亚胺（PI）膜3.1航天飞行器的热保护膜（MLI）为期30年的阿波罗登月计划已经终结，当时登月的探测器是采用金色的聚酰亚胺KaptonH镀铝膜材料作为多层热保护膜（MLI），是由5～10层厚度10～50μm的PI和PEI（聚醚酰亚胺）膜内层或两面蒸覆100nm的AL（铝）或Au（金）膜。它要抵御宇宙飞行器内部放出的热并耐受外部-20℃～+50℃的运行温度，还要经受地球周边存在于低轨道并以8Km/S的高速度冲击飞行器的原子氧（A·O）的袭击，其浓度为101

8、2-13原子氧/m3。这种原子氧能使各种高分子材料迅