CN109963779B - 轻于空气的具有壳体的飞行器，用于这种壳体的层压板以及这种层压板的制造方法 - Google Patents

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Abstract

轻于空气的具有壳体的飞行器，用于这种壳体的层压板材料以及这样的层压板的制造方法。轻于空气的飞行器包括层压板材料的壳体，该层压板材料具有增强纤维层例如
Figure DDA0002038269340000011
以及熔融粘结至纤维层中的第一和可选的第二乙烯乙烯醇薄膜。风化层保护该纤维免受紫外线降解。

Description

轻于空气的具有壳体的飞行器，用于这种壳体的层压板以及 这种层压板的制造方法
技术领域
本发明涉及一种轻于空气的具有壳体的飞行器，用于这种壳体的层压板以及这种层压板的制造方法。特别是，涉及具有增强纤维层和气体屏障膜的多功能层压板。
背景技术
轻于空气的飞行器具有柔韧的壳体，其充满气体，通常是氦气。如果该飞行器不具有内部结构框架，它也被称为软式飞艇，其中软式飞艇的形状通过内部压力维持，通常为细长形状。壳体必须由足够稳定而不会爆裂的层压板制成，并且该层压板还充当气体屏障，通常用于壳体内的氦气He。
用于高空的轻于空气的飞行器的壳体材料受到许多要求的限制。它必须重量轻，同时提供机械稳定性。它必须对高空的侵蚀性大气，尤其是空气中的臭氧含量有化学抗性。它还必须具有抗紫外线性能，并且在高温和低温下稳定且柔韧。虽然针对这些要求中的每一个的材料是已知的，但是它们的组合意味着对壳体材料的发展的严峻挑战。
Lavan等人转让给洛克希德马丁公司的美国专利No.7,354,636公开了一种层压板，其具有液晶聚合物纤维层例如维克特伦
Figure BDA0002038269320000011
固定在液晶聚合物纤维层上的聚酰亚胺(PI)层、以及固定在PI层上的聚偏二氟乙烯(PVDF)层。这些层用聚氨酯(PU)粘合剂彼此固定。相邻的层压材料可以通过外表面上的PVDF上封带和内表面上的结构带彼此固定。该结构带包括液晶聚合物纤维层和PI层，以确保飞行器的完整性。替代材料可包括液晶聚合物纤维层和设置在液晶聚合物纤维层两侧的PVDF层。重量约为5盎司每平方码(170克/平方米)。抗张强度约为240磅/英寸，相当于420N/cm。
鉴于有效载荷能力与壳体的重量直接相关，希望在保持或甚至增加强度的同时减轻重量。
由Maekawa和Yoshino在《航空器杂志》(Journal of Aircraft)2008年9月至10月第45卷第5期中发表的文章《高性能飞艇蒙皮材料的撕裂蔓延》(“Tear propagation of aHigh-performance Airship Envelope Material”)中找到了更好的重量与强度比。所公开的材料的重量为157g/m2，抗张强度为997N/cm。该层压板包括用于其基布的
Figure BDA0002038269320000012
纤维。
Figure BDA0002038269320000013
是日本东洋纺公司(Toyobo Corporation)用于刚性棒溶致液晶聚合物的商标名。更详细地，它是热固性液晶聚恶唑、聚对亚苯基-2,6-苯并二恶唑，也称为PBO。
与其他市场上可买到的高性能纤维相比，
Figure BDA0002038269320000014
(PBO)具有高比强度。
Figure BDA0002038269320000015
纱线还具有高抗蠕变伸长率，因此可用于层压材料中的纤维增强(FR)。然而，还已知PBO不仅对紫外线而且对可见光的光降解都非常敏感。已发现水分和氧气的存在加速了光降解。由于这些原因，尽管在高强度和低蠕变方面具有明显的优势，但当这种纤维材料用于平流层飞艇时也伴随着其他挑战。
Cuccias等人转让给洛克希德马丁公司的美国专利US6074722中公开了另一种壳体材料，其中，层压板由层压到塑料树脂材料的纤维层制成。该纤维层是编织材料或多层的单向丝状材料。在Vogt等人转让给美利肯公司(Milliken&Company)的US7713890中也公开了用于飞艇的机织物的层压板。Liggett等人转让给洛克希德马丁公司(Lockheed MartinCorporation)的US8152093中公开了壳体层中电子元件的集成。
由美国航空航天学会在2005年9月26日至28日在加利福尼亚州阿灵顿市的美国航空航天学会(AIAA)第五次航空、技术、集成和运营会议(ATIO)上Zhai和Euler发表的文章“用于高空应用中的轻于空气的系统的材料的挑战”(“Material challenges forLighter-Than-Air Systems in High Altitude Applications”)中讨论了各种壳体材料。该文章讨论了用于轻于空气的气囊材料的各种材料，特别是用于气体保留层的材料以及承受负荷/应力的承重编织结构层。这些层通过粘结层彼此粘合。参照聚氨酯、环氧树脂和丙烯酸来描述粘结。对于气体保留层，该文章认为将低温柔韧性作为各种所需性能中最重要的参数，各种所需性能还包括低透气性、最小重量、良好的粘合性、耐磨性和耐臭氧性。在该文章的表5中，提到乙烯-乙烯醇共聚物(EVOH)，由于其具有较差的低温柔韧性，表明EVOH不适合作为通常在高空出现的低温下的轻于空气的飞艇的气囊或壳体材料。由于这个明显的原因，该文章反而提到将聚烯烃、聚氨酯、三元乙丙橡胶(EPDM)和硅橡胶作为气体保留层最有前景的聚合物材料。
尽管Zhai和Euler的文章指出EVOH对高空飞艇没有用，但有迹象表明EVOH与聚氨酯一起用于夹层时是有用的，聚氨酯在上述文章中也被认为是有前景的材料。这可参考可乐丽有限公司(Kuraray Co.Ltd.)的子公司Eval Europe NV的销售手册，该手册可在因特网网站http://eval-americas.com/media/15453/eval％20industrial％20application.pdf上找到。在该手册中，对于EVOH树脂(EvalTM)夹在热塑性聚氨酯(TPU)层之间的共挤塑薄膜结构，该夹层简称为TPU/EvalTM/TPU，除了在寒冷的大气条件下的适用性之外，还提到了极大的柔韧性和优异的气体阻隔性。这种夹层薄膜的建议用途是用作平流层飞艇的材料。该手册表明，在两个TPU薄膜之间夹入EVOH克服了EVOH本身低温柔韧性差的缺点。然而，对于轻质壳体材料，轻质壳体材料对飞艇的合适的升举能力是至关重要的，在TPU层之间夹入EVOH不利地增加了壳体的重量，却没有优化最终壳体材料的强度。
因此，似乎还没发现用于壳体材料的优化方案。总之，虽然现有技术已经提出了用于飞艇壳体的许多建议，仍有改进和优化的稳定需要。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供本领域的改进。另一个目的在于提供一种轻于空气的飞行器，其具有改进的壳体。具体地，改进的层压板壳体关于重量相对于强度进行了优化并且使透气性最小化。这些目的通过轻于空气的具有壳体的飞行器来实现，该壳体包括如下面更详细描述的层压板。
使用以下缩写：
ypi(克纱线每英寸)，1英寸＝2.54厘米，1ypi＝1/(2.54)克纱线每厘米
tpi(捻每英寸)；tpm(捻每米)；1tpi＝39tpm
gsm(克每平方米)
sqm(平方米)
UV-Vis风化-曝露于紫外线辐射和/或可见光下而降解
用于壳体的层压板包括作为气体屏障和承载结构的层压材料，该层压板包括增强纤维层和熔融粘合到纤维层一侧的纤维层中的第一乙烯乙烯醇薄膜，即EVOH薄膜，其中EVOH与增强纤维层直接接触。
术语“直接接触”意味着在EVOH层和纤维层之间没有设置其他材料层。特别地，EVOH薄膜并非作为复合膜的一部分提供，在该复合膜中，在将EVOH熔融粘合到纤维层之前，EVOH被夹在两个TPU层之间。
可选地，该层压板包括熔融粘合到该纤维层的相对侧上的纤维层中的第二EVOH薄膜，其中第二EVOH薄膜的EVOH也与增强纤维层直接接触。在这种情况下，增强纤维层夹在由乙烯-乙烯醇EVOH制成的第一和第二薄膜之间，EVOH薄膜在两侧熔融到该纤维层中。
EVOH对氦气具有非常低的透气性，这非常有用。它对紫外线稳定，具有抗臭氧性。此外，它是可热封的。当单独使用或在设有EVOH作为气体屏障层的层压板中使用时，实验上没有发现低温柔韧性差的现有技术说法成为问题。
对于壳体材料，第一EVOH薄膜从一侧熔融粘合到纤维层上并且至少部分地熔融粘合到纤维层中，并且可选地，第二EVOH薄膜从纤维层的相对侧熔融粘合到纤维层上并且至少部分地熔融粘合到纤维层中。通过将各层热压在一起来实现这种熔融粘合。例如，在175-180℃的范围内的温度是有用的。在如下段所述的层压板中，EVOH薄膜不仅充当粘合剂将这些层彼此粘合，而且还充当气体屏障。因此，它充当多功能层。
为了提供纤维增强(FR)层的高强度和轻重量，液晶纤维，例如聚对亚苯基-2,6-苯并二恶唑PBO是良好的候选物。如前言中已经说明，这种纤维作为
Figure BDA0002038269320000031
纤维进行销售。
为了优化强度和/或均匀性，在某些情况下包括加捻纤维、上浆纤维以及既上浆又加捻的纤维中的至少一种是有利的。可选地，上浆纤维有助于各层之间的额外粘合，特别是如果上浆纤维与粘胶层相容。上浆材料的实例是某些PVA(聚乙酸乙烯酯)纤维。另一个实例是以商品名Exceval销售的纤维。例如，通过将上浆材料作为纺丝油剂施加到纤维上来实现纤维的上浆。
合适的上浆剂是聚乙烯醇。这种试剂可以从例如日本公司可乐丽有限公司(
Figure BDA0002038269320000032
Co,Ltd)商购获得。来自可乐丽的商品名为ExcevalTM的疏水改性聚乙烯醇也已经在实验上使用，并具有良好的结果。这种基于聚乙烯醇的上浆剂具有高弹性、耐化学性，并且被证明与EVOH相容。实验显示，聚乙烯醇增强了
Figure BDA0002038269320000033
纱线。它还在织物和EVOH之间提供了更好的粘合。
例如，将纤维层中的第一组纤维加捻，第一组纤维可选地为液晶纤维，而纤维层中的第二组纤维不加捻，第二组纤维可选地为液晶纤维。
在一些实施方式中，两组纤维设置在不同方向上。例如，将定向在第一方向上的第一组纤维加捻，而定向在第二方向上的第二组纤维不加捻。例如，第一方向和第二方向的方向之间的角度为至少30度，例如45度，可选地垂直。具有的捻度为30至50捻回数每米的加捻纤维获得了良好的结果。
平衡和非平衡的纤维层都可能有用。在一些实施方式中，第二组纤维中的纤维比第一组纤维厚至少两倍。在一些实施方式中，第一组纤维具有第一线密度，第二组纤维具有第二线密度，且第二线密度与第一线密度相差至少两倍。
对于轻于空气的飞行器，重量是至关重要的，用重量在40至70克每平方米的纤维层得出了实验结果。
例如，EVOH层的厚度在10到20微米之间。
有利地，层压板包括熔融粘合到第一EVOH层的多功能风化层，其中该风化层包括金属化聚合物薄膜，仅在聚合物薄膜的一侧具有单个金属层，或者在聚合物薄膜的两侧都有金属层。如果该风化层仅具有单个金属层，有利地，使金属层朝向EVOH定向并熔融粘合到第一EVOH薄膜层上。这样，其受到风化层朝外定向的聚合物，例如聚酰亚胺的保护。这种风化层必须保护壳体免受反应性臭氧侵蚀和其他化学侵蚀，并保护增强纤维层免受紫外线辐射。如最初所讨论的，PBO例如
Figure BDA0002038269320000041
在UV光下非常快地降解。此外，它还充当附加的气体屏障。风化层中聚合物的良好候选物是聚酰亚胺PI。用于此目的的替代材料的实例是聚氟乙烯PVF。例如，风化层的厚度在10到20微米之间。
要指出的是，朝外定向的聚合物层也可用于在相邻的层压板之间产生牢固的接缝。
尽管EVOH是良好的气体屏障，但是通过在壳体内侧的层压板上添加金属化气体屏障层可以改善气密性，该气体屏障层与风化层相对。为此目的，金属化气体屏障层可选地熔融粘合到第二EVOH膜上。金属化聚合物薄膜层的候选物是聚对苯二甲酸乙二醇酯PET；例如，PET层的厚度在4到8微米之间。
在实验中，已经表明可以制造气密且稳定的重量在90和110gsm之间的层压板，下面还将更详细地进行描述。例如，实验发现层压板的韧度与重量的比值高于890kNm/kg。
在一些实施方式中，纤维层是具有经纱和纬纱的编织层。对于细长的软式飞艇，壳体在横向方向的必要强度高于在纵向方向的必要强度。因此，可选地，经纱和纬纱具有不同厚度和/或密度的长丝。当使用非卷曲纤维层时，它由具有单向长丝的多个层组成，不同的层具有不同的长丝方向，例如垂直方向。同样在这种情况下，有利地，在一个方向上的长丝比在第二方向上更厚和/或更密集，以便优化强度而不会增加不必要的重量。
发现平衡和不平衡结构都是有用的。平衡或不平衡结构的选择取决于目的。例如，在一个方向上与其他方向相比可能需要更高的强度。这与壳体的形状稳定性以及重量的最小化相关，因为不平衡结构通常具有更高的潜力来优化强度/重量之比，因为织物上的力由于细长的壳体形状在纵向、横向方向上不同。
从上文看来，层压板包括多层，其组合是多功能的。功能包括对紫外线辐射、可见光、臭氧、单线态氧和热量的防护。最外层还通过具有低辐射率来提供热管理。
对于在第一值和第二值之间的范围，可选地包括第一值和第二值。
附图说明
将参照附图更详细地解释本发明，其中
图1示出了壳体材料的层压板的原理示意图；
图2示出了壳体材料的层压板的另一种原理示意图；
图3示出了a)非卷曲2层正交的和b)编织的；c)非卷曲3层的纤维增强(FR)层；
图4原型P3，a)原理图设计和b)外部和内部的照片；
图5原型P4，a)原理图设计和b)外部和内部的照片；
图6原型P9，a)原理图设计和b)外部和内部的照片；
图7原型P10，a)原理图设计和b)外部和内部的照片；
图8新型层压板原型和其他研究中开发的层压板材料的强度和重量的比较；
图9新型层压板原型和其他研究中开发的层压板材料的强度与重量比值的比较；
图10热曝露和加速UV-Vis风化前后的原型抗张强度的比较；
图11热曝露和加速UV-Vis风化之后的强度损失；
图12割缝撕裂样品的示意图；
图13承受1250N的恒定载荷的原型P4的载荷延伸曲线；
图14原型P12，原理图设计
图15原型P13，原理图设计
图16原型P14，原理图设计
图17示出了对a)EVOH薄膜、b)聚酯薄膜、c)PI膜、d)原型P4的经纱进行的DMA测量。
具体实施方式
为了提供薄而轻质的壳体材料层压板，同时该层压板具有气密性、抗紫外线性、耐热性和耐化学性，特别是抗单线态氧性和抗臭氧性，使用下面的在图1中示例的基本方案。承载纤维增强(FR)层夹在两个粘结层之间，该粘结层用于将FR粘合到另外的层，例如外壳层，该外壳层在下文中称为风化层，和作为气体屏障的可能的内壳层。特别地，粘结层设置为具有低透气性的有效气体屏障。例如，粘结层是主要的气体屏障层，使得粘结层的总透气性小于其余层的透气性。粘合性和低透气性的这种功能组合是非常规的。与此相反，在现有技术中，存在与粘结层不同的特定主要气体屏障层，其中该主要气体屏障层具有比粘结层更低的透气性。在本文中，透气性涉及壳体内的气体，通常是氦气或氢气。
作为在图1中更详细地示出的实例，纤维承载层夹在两个EVOH层之间，这两个EVOH层不仅用作气体屏障，而且还用于起到可能的其他层的粘合剂的作用，特别是在下文称为风化层的外壳层以及作为另一个气体屏障的可能的内壳层。这些层尤其是风化层的其他功能在于提供对UV辐射、可见光、臭氧、单线态氧和热的防护。
尽管在优化过程中使用了两个EVOH薄膜层，但可以认为熔融粘合到纤维层中的单个EVOH层也比现有技术的层压板系统更有优势。
图2中示出了图1的设计概念的变形。在这种情况下，层压板材料不具有任何单独的内部主要气体屏障层。而是，在层压板成形之后，将层压板的内表面金属化。使用EVOH作为具有低透气性的粘合材料以及内表面的金属化使层压板材料产生了优异的气体阻隔性。气体屏障层的消除降低了整个层压板的重量，同时层压板的抗张强度不受影响。
在下文中，关于优化壳体层压板材料进行的实验讨论了材料以及生产方法。
纱线选择
为了同时优化低重量和高强度，有利地，使用高强度纤维。在结晶PBO(结晶聚恶唑、聚对亚苯基-2,6-苯并二恶唑)纤维，尤其是
Figure BDA0002038269320000062
品牌中发现了用于纤维承载层的有利材料的实例，因为在市售的高性能纤维中，这些纤维具有非常高的强度和比模量。这些纱线还具有高抗蠕变伸长率。因此选择
Figure BDA0002038269320000063
纱线用于在实验中使用的层压板材料中的纤维增强。然而，已知PBO非常容易受到光降解的影响。水分和氧气的存在加速光降解，因此必须找到保护机制。
对于纤维增强层，可以使用平衡和不平衡结构。在一些实施方式中，选择不平衡结构以提供LTA飞艇的纵向和环向所需的不同强度。
东洋纺公司(Toyobo Co.,Ltd)提供了99旦尼尔、150旦尼尔和250旦尼尔的纱线支数的
Figure BDA0002038269320000064
纱线。测试了所提供的具有零捻度(无捻)纱线的抗张强度。无捻99旦尼尔和250旦尼尔纱线的平均抗张强度分别为35.5gf/旦尼尔(4.8％cv；cv＝变异系数)和34.9gf/旦尼尔(3.0％cv)。认识到添加最佳捻度(捻系数)至纱线提供其最高抗张强度这个事实，进行了一系列测试，以确定在99旦尼尔和250旦尼尔的
Figure BDA0002038269320000065
纱线中可达到的最佳捻系数和相应最高抗张强度。捻系数(TF)取决于捻回数的数量(捻每英寸，tpi；捻每米，tpm；1tpi＝39tpm)和纱线支数，使用公式TF＝0.124·tpi·dtex0.5计算捻系数(TF)，其中dtex是支数的单位，也称为纱线线密度(1旦尼尔等于0.9dtex)。
将99旦尼尔(110dtex)和250旦尼尔(278dtex)的纱线以不同的捻度(tpi，tpm)值加捻并测试其抗张强度。表1中列出的结果表明，对于捻系数为10时99旦尼尔纱线和250旦尼尔纱线的抗张强度是最高的，其对应为：对于99旦尼尔纱线，为7.69tpi(或303捻每米，tpm)，对于250旦尼尔纱线，为4.84tpi(或190tpm)。
Figure BDA0002038269320000061
表1
纤维增强结构
在实验中，对于承载层，应用了几个原理。一种是如图3a所示的非卷曲的两层正交纤维增强层，另一种是如图3b所示的编织纤维增强层。采用90/±45度层叠的第三种原理在图3c中示出。
用于层压的薄膜选择
EVOH(乙烯-乙烯醇共聚物)对气体，特别是He具有非常低的渗透性，这是为何它是粘结层的良好候选物的原因。
发现了用于外部风化层对抗外部大气的良好候选物有PI(聚酰亚胺)，尽管其他聚合物，例如聚氟乙烯(PVF)也是可能的。有利地，将外部风化层金属化，以便抵抗辐射和热量。为了保护金属免受损坏，金属涂层朝向内部，其位于风化层的聚合物和EVOH之间。这样，该聚合物保护金属免受平流层中的腐蚀环境的影响。
或者，将风化层的两侧都金属化。如果风化层的两侧都金属化或曝露于环境的一侧金属化，则其被耐腐蚀涂层有利地保护。
在一些实施方式中，将内部气体屏障添加到多层的相对侧，与风化层相对，其中内部气体屏障层是金属化的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜，例如
Figure BDA0002038269320000071
尺寸为7.5英寸×7.5英寸(19厘米×19厘米)的层压板在在两块固定铝板之间285磅/平方英寸＝1965千帕的压力下，在175-178℃的温度下层压15分钟，该温度范围的上限显示最佳层压结果。这些样品用于如下所述的各种测试使用。
然而，温度和停留时间的不同组合是可能的。在其他实验中，在180-200℃的范围的较高温度下，较低的压力和较短的停留时间是成功的。例如，温度采用196℃时，在60磅/平方英寸＝414kPa的压力下层压2秒。
强度测量
根据ASTM D5035的对于纺织物的断裂强力和伸长率(条样法)的标准测试方法进行抗张强度测量。抗张强度值以N/cm和克重力/旦尼尔(gf/denier)(mN/tex＝88.3gf/den)为单位进行报告。以N/cm表示的抗张强度表示每cm单位宽度的样品韧度。以gf/denier表示的抗张强度表示在载荷方向上每纱线总旦尼尔数的样品韧度。以gf/denier表示的抗张强度用作标准化度量，以确定多少纱线强度转化为层压/非层压纤维增强强度。
对于不平衡结构，如下文中所详细说明的，估算的抗张强度(基于纱线强度和纤维增强结构参数计算)在经向和纬向上分别为1033N/cm和516N/cm。通常，发现所有样品(除了层压的编织纤维增强物)的经向抗张强度接近1000N/cm，同时发现所有样品的纬纱都大于500N/cm。以gf/den表示的相应参数值在31-35的范围内。
还对平衡织物结构基于织物中的
Figure BDA0002038269320000072
纱线进行了实验。在平纹梭织中，经纱和纬纱均采用99旦尼尔的低捻度(3-5tpi)的密度为46-50ypi(约18-20克纱线每厘米)的
Figure BDA0002038269320000073
纱线。该
Figure BDA0002038269320000074
纱线用聚乙烯醇上浆。在经向和纬向上的抗张强度经测量在520至615N/cm和28至34gf/den的范围中，并且断裂伸长率为2.9-3.2％。这些结果对于此目的而言也是非常好的，因为这是织物的数值而不是整个层压板的数值。更详细地，测量了以下数据。
总之，已经证明，用高强度纱线的平衡和不平衡结构都非常有用。
实例1-P3
图4a示出了图2的原理示意图的具体实施方式。在图的左侧，每层的重量以克每平方米(gsm)为单位显示，并且厚度以微米为单位显示在右侧。在图4b中显示了所产生的层压板的照片。
在实验中称为P3的这种层压板原型的示意性设计包括作为纤维增强的不平衡的正交(双层)非卷曲织物。该织物在90度和0度方向采用250旦尼尔
Figure BDA0002038269320000081
纱线。织物的基重为48gsm，在90度方向上的纱线密度为30ypi(30克纱线每英寸约为12克纱线每厘米)，在0度方向上纱线密度为15ypi(约6克纱线每厘米)，因此，在90度方向上产生的强度比在0度方向上更大。该原型设计包括三层EVOH薄膜，其提供优异的粘合性和气体阻隔性。发现该层压板原型的估计重量和测量重量分别为111gsm和109gsm。
实例2-P4
图5a示出了图1中的原理示意图的具体实施方式。在图的左侧，每层的重量以克/平方米(gsm)为单位显示，厚度显示在右侧。所生产的层压板的照片示于图5b。
在实验中称为P4的这种层压板原型的示意性设计包括作为纤维增强的不平衡的正交(双层)非卷曲织物。该织物在纵向和横向上具有250旦尼尔的PBO纱线。该织物的基重为48gsm，在90度方向上纱线密度为30ypi(约12克纱线每厘米)，在0度方向上为15ypi(约6克纱线每厘米)。为了实现更小的层压板重量，该设计使用两层EVOH薄膜和作为主要气体屏障层的一层轻质金属化PET薄膜
Figure BDA0002038269320000082
的底层。该层压板原型的估计重量和测量重量为103gsm。
实例3-P9
图6a示出了图1的原理示意图的具体实施方式。在图的左侧，每层的重量以克每平方米(gsm)为单位显示，厚度显示在右侧。所生产的层压板的照片示于图6b中。
在实验中称为P9的这种层压板原型的示意性设计包括作为纤维增强物的不平衡织物。该编织织物分别在经向具有40tpm捻度的99旦尼尔的
Figure BDA0002038269320000083
纱线，在纬向具有无捻的250旦尼尔的
Figure BDA0002038269320000084
纱线。该织物的基重为50gsm，在经向的纱线密度为40ypi(约16克纱线每厘米)，纬向的纱线密度为30ypi(约12克纱线每厘米)。与原型P4一样，底层是轻质金属化PET薄膜
Figure BDA0002038269320000085
用作主要的气体屏障层。尽管175℃的层压温度在层之间产生令人满意的粘合性，但是将层压温度提高到178℃改善了层之间的粘合性。发现该层压板原型的估计重量和测量重量为105gsm。
实例4-P10
图7a示出了图1的原理示意图的具体实施方式。在图的左侧，每层的重量以克每平方米(gsm)为单位显示，厚度显示在右侧。所生产的层压板的照片示于图7b中。
在实验中称为P10的这种层压板原型的示意性设计包括作为纤维增强的不平衡的织物。与原型P9不同，原型P10使用的编织物分别在经向具有40tpm捻度99旦尼尔的
Figure BDA0002038269320000086
纱线，在纬向具有无捻的99旦尼尔
Figure BDA0002038269320000087
纱线。该织物的基重为50gsm，在经向的纱线密度为40ypi(约16克纱线每厘米)，在纬向的纱线密度为75ypi(30克纱线每厘米)。预计纬向上较高的ypi(克纱线每英寸)形成更稳定的织物结构，具有更光滑的表面纹理。在最初的试验中，使用175℃的层压温度，然而，这导致层压质量差、金属化的PI膜的粘附力弱。将层压温度提高到178℃改善了层压质量，但粘合不如原型P9好，但仍然令人满意。发现该层压板原型的估计重量和测量重量为105gsm。
气体阻隔性能
氦气渗透性测试结果(表2)显示，虽然层压板原型P3和P4具有的氦气渗透率均远低于目标值的132立方厘米/平方米·天·标准大气压(cc/m2·day·atm)，但与原型P3相比，层压板原型P4具有明显更低的氦气渗透率。原型P4的较低渗透性归因于金属化
Figure BDA0002038269320000093
层的存在，这也降低了原型P4的总重量。
Figure BDA0002038269320000091
表2
考虑到相同的成层原理，预计原型P9和P10的氦渗透率值与原型P4的氦渗透率值相同，对于气密性，原型P4优于P3。
层压板强度
层压板原型P4、P9和P10的经向和纬向抗张强度示于表3中。发现原型P3的一个样品的抗张强度为1086N/cm。
Figure BDA0002038269320000092
表3
基于纱线强度和纤维增强结构参数计算的估计的抗张强度在两个方向上为1033N/cm和516N/cm。测得的原型的抗张强度略低于估算值。与估计的抗张强度相比，抗张强度更低归因于层压板原型的手动实验制备，这导致纱线没有完全对齐而且纱线中张力不均匀。这些瑕疵导致承载纱线之间的载荷分配不均匀，这最终导致在抗拉试验期间样品的过早破裂。据认为，当在专用的大规模生产设备中生产层压板时，抗张强度得到改善并且近似于理论值。然而，要指出的是，实验值偏离理论值小于10％，这是非常令人满意的结果。
与其他研究的比较
在图8中显示了该新型层压板原型和在文献中的其他研究中开发的层压板材料的强度和重量的比较。在本节末尾可看到关于表4的参考文献。
图9中显示了该新型层压板与其它研究开发的层压板的强度与重量之比的比较。新型层压板原型不仅比具有相似抗张强度的任何其他层压板轻得多，而且比具有相似重量的任何层压板强得多。新型层压板原型的强度与重量之比高于其他研究中开发的所有层压板。
从该比较中可以看出，相比重量，层压板P3、P4、P9和P10的强度非常高，使得它们非常适合用于轻于空气的飞行器。然而，要指出的是，如图9所示的优异的韧度与重量之比被认为可以扩展到更厚的层压板，这使得示例的层压板也优于图8中具有总体较高韧度的那些层压板。
Figure BDA0002038269320000101
Figure BDA0002038269320000111
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热和UV-Vis风化的影响
层压板原型P4、P9和P10经受两种不同的风化条件。在一次风化曝露中，将这些原型在80℃的烘箱中进行热曝露24小时。另一种风化曝露涉及加速的曝露于～275至700nm的UV和可见光(UV-Vis)光谱，持续170小时(在10km的高度实时曝露～60天)。这些原型曝露在Atlas Ci 3000+老化测试机(www.atlas-mts.com)中，在340nm下，具有的辐照度为1.1瓦特/平方米。在UV-Vis风化期间，原型的温度保持在约80℃。对于UV-Vis的风化，将样品安装在金属框架上，样品的内侧(
Figure BDA0002038269320000122
侧)覆盖有两层黑色卡片纸以防止曝露到内侧。然后将这些框架安装在Atlas Ci 3000+老化测试机的风化室内的圆形轨道上，使得样品的外侧面向UV和可见光源。
测试每次风化曝露后原型的抗张强度。强度损失百分比定义如下：
Figure BDA0002038269320000121
这被用作评估热和光降解的度量标准。
发现热曝露和UV-Vis风化之前和之后的平均抗张强度在统计学上是相同的(在95％置信水平下使用t-检验进行统计分析)。因此可以得出结论，由热和UV-Vis风化引起的降解可忽略不计。重要的是，注意到在风化曝露前后测试的样品取自相同原型的不同复制品。由于原型的人工制备，复制品本中存在固有的差别以及相同原型的不同复制品之间的差别。与相应的未曝露的样品相比，一些曝露于热的样品显示出更高的强度，这强烈地表明了样本中样品的可变性。图10中示出了原型P4、P9和P10在热曝露和UV-Vis风化前后抗张强度的图形比较。
图11中示出了原型P4、P9和P10在热曝露和加速UV-Vis风化之后的强度损失％。
发现热曝露和UV-Vis风化前后的平均抗张强度在统计学上是相同的(在95％置信水平下使用t检验进行统计分析)。因此可以得出结论，由热和UV-Vis风化引起的降解可忽略不计。重要的是，注意到在风化曝露前后测试的样品来自相同原型的不同复制品。由于原型的人工制备，复制品中存在固有的差别以及同一原型的不同复制品之间的差别。与相应的未曝露样品相比，一些曝露于热的样品显示出更高的强度，这强烈地表明样本中样品的可变性。
撕裂强度测量
使用割缝撕裂试验方法MIL-C-21189测量原型P4和P9的撕裂强度。图12中示出了撕裂样品的示意图。在样品中心垂直于试验方向处制作1.25英寸的割缝。样品宽4英寸，夹具之间的测试标距长度为3英寸。
通过在撕裂试验期间取5个最高峰值载荷的平均值来计算样品的撕裂强度。在经向和纬向上测试每个样本的三个样品。原型P4和P9的撕裂强度结果如表5所示。
Figure BDA0002038269320000131
表5
与原型P9相比，原型P4的经向撕裂更高的原因是由于用来构造这两个结构的经纱旦尼尔的差异。在原型P4中，使用250旦尼尔纱线，而在原型P9中，使用99旦尼尔。在文献中已充分确定撕裂载荷通过纱线的断裂强度增加而增加。
抗蠕变伸长率
原型P4的1英寸宽的样品在MTS载荷框架(www.mts.com)上承受1250N的恒定载荷持续1天，载荷框架在载荷控制模式下运行。测试样品的标距长度为3英寸(76毫米)。测试的载荷延伸曲线如图13所示。在瞬时延伸1.6％后，P4样品显示了非常小的蠕变伸长率，为0.02％。
替代的层压板
图14和图15示出了图2的原理示意图的轻重量的具体实施方式。
在图14中示出的实验上称为P12的层压板原型的示意性设计使用了不平衡的正交非卷曲织物或不平衡编织织物作为纤维增强。该48gsm的织物由PBO纱线制成。层压板成形后，将层压板的内表面(粘结层)金属化。层压板原型的估计基重为96gsm。
相反，预计到使用三层非卷曲织物不仅可以进一步降低纤维增强材料的重量，而且还可以增加层压板的抗张强度。具有三层纤维增强的层压板原型的实例在下面关于图15进行描述。在图15中示出的实验上称为P13的这种层压板原型的示意性设计使用三层织物(250旦尼尔的纱线)，其在90°的方向上为15ypi(约6克纱线每cm)，在+/-45°的方向上为11ypi(约4克纱线每cm)。这三层布置成如图3c中所示。纤维增强重量等于41gsm。与原型P12类似，在层压过程之后将该层压板的内表面(粘结层)金属化。层压板的估计重量预计为89gsm。估计层压板原型P13的估计的抗张强度高于1000N/cm。
如图16所示的实验上称为P14的层压板原型的示意性设计使用了三层织物(250旦尼尔纱线)，在90°方向上为22ypi(约9克纱线每cm)，在+/-45°方向上为16ypi(约6克纱线每cm)。该纤维增强重量等于59gsm。三层布置成如图3c中所示。与原型P12类似，在层压过程之后将层压板的内表面(粘结层)金属化。层压板原型P13的估计重量预计为107gsm。估计层压板原型P13的估计抗张强度高于1550N/cm。估计强度与重量之比接近1400kN·m/Kg，这远远高于其他研究中开发的所有层压材料。
温度稳定性测量
动态力学分析(DMA)是在许多样品上针对大温度范围进行的，以便阐明低温是否会成为材料柔韧性的问题。温度范围为-60℃至100℃。在该区间中，使用由美国TA仪器公司(纽卡斯尔，特拉华州19720(www.TAInstruments.com))提供的Q800DMA测量装置以MPa为单位对关于非弹性性质和能量耗散相关的损耗模量以及关于弹性性质相关的储能模量进行测量。此外，计算了这两个参数之间的比率，其也称为Tanδ。测量值在图17a、17b和17c中示出。
测量值如图所示：
图17a为EVOH薄膜样品，具有的尺寸为20×7×0.0130mm，
图17b为Mylar薄膜样品，具有的尺寸为22×7×0.0050mm，
图17c为聚酰亚胺(PI)薄膜样品的样品，具有的尺寸为23×7×0.0130mm，
图17d为P4的经纱张力3的样品，具有的尺寸为19×6×0.1020mm。
测量值表明，EVOH、Mylar和PI薄膜在低温下稳定，没有显示出低温缺陷。对于EVOH薄膜，考虑到引言中讨论的Zhai和Euler的文章，这是令人惊讶的。Tanδ曲线显示了相变，这对于低温下的薄膜似乎不会发生。对于原型P4的层压板，没有观察到分层和物理损伤的迹象。可以认为，在加工过程中将织物加热至180℃导致织物中的聚合物交联成为最终状态，这有利于稳定性。
结论
开发了用于高空的轻于空气的飞行器的壳体的轻质层压板材料，其具有改进的性能。该新型层压板原型不仅比具有近似抗张强度的现有技术层压板轻得多，而且比具有近似重量的现有技术层压板明显更强。该层压板原型的比强度(强度与重量的比)显著高于当前的现有技术。该层压板原型还具有出色的抗热降解性、抗光降解性、耐化学性、特别是抗单线态氧和抗臭氧性，优异的阻气性能以及优异的抗蠕变伸长率。此外，最外层的薄膜/层还提供优异的热管理，包括低辐射率。因此，层状材料具有高水平的多功能特性。层压板设计概念可用于将层压板材料调节至更低或更高的重量，同时在很大程度上保持强度与重量的比值。

Claims (24)

1.一种轻于空气的飞行器，包括壳体，所述壳体包括层压板，所述层压板包括作为气体屏障和承载结构的层压板材料，所述层压板包括增强纤维层和熔融粘合到纤维层的一侧的纤维层中的第一乙烯乙烯醇薄膜，即第一EVOH薄膜，其中EVOH与所述增强纤维层直接接触。
2.根据权利要求1的轻于空气的飞行器，其特征在于，第二EVOH薄膜熔融粘合到在纤维层的相对侧上的纤维层中，其中所述第二EVOH薄膜的EVOH与增强纤维层直接接触。
3.根据权利要求1的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述增强纤维层包括由液晶制成的纤维。
4.根据权利要求3的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述液晶为聚对亚苯基-2,6-苯并二恶唑，即PBO。
5.根据权利要求4的轻于空气的飞行器，其特征在于，将至少一些所述液晶纤维加捻。
6.根据权利要求5的轻于空气的飞行器，其特征在于，加捻的液晶纤维包括的捻度为30至50捻回数每米。
7.根据权利要求5的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述纤维层包括至少第一组纤维和第二组纤维，其中在所述第一组纤维中的纤维为加捻的液晶纤维，并定向在第一方向上，其中在所述第二组纤维中的纤维为无捻液晶纤维，并定向在不同于所述第一方向的第二方向上。
8.根据权利要求7所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向的方向之间的角度为至少30度。
9.根据权利要求7所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向垂直。
10.根据权利要求7所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述第一组纤维具有第一线密度，所述第二组纤维具有第二线密度，且所述第二线密度与所述第一线密度相差至少两倍。
11.根据前述权利要求1-10任一项所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述纤维层的重量为40至70g每平方米。
12.根据前述权利要求1-10任一项所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述第一EVOH薄膜的厚度在10到20微米之间。
13.根据权利要求2所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述第二EVOH薄膜的厚度在10到20微米之间。
14.根据前述权利要求1-10任一项所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述层压板包括熔融粘合到第一EVOH薄膜的风化层，其中所述风化层包括金属化的聚合物薄膜。
15.根据权利要求14所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，金属化的聚合物薄膜包括金属层，所述金属层被所述第一EVOH薄膜层熔融粘合，并熔融粘合至第一EVOH薄膜层上。
16.根据权利要求14所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述风化层的厚度在10至20微米之间。
17.根据权利要求14所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述层压板包括金属化的气体屏障层，所述气体屏障层熔融粘合至第二EVOH薄膜上，所述第二EVOH薄膜在所述层压板相对于所述风化层的相对侧上。
18.根据权利要求17所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述金属化气体屏障层包括熔融粘合到所述第二EVOH薄膜上的金属化的聚合物薄膜，金属层相对于所述第二EVOH薄膜在金属化的聚合物薄膜的相对侧上。
19.根据权利要求18所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述金属化聚合物薄膜层为厚度在2到6微米之间的聚对苯二甲酸乙二醇酯即PET层。
20.根据前述权利要求1-10,13,15-19任一项所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述层压板的重量在85和120gsm之间。
21.根据前述权利要求1-10,13,15-19任一项所述的轻于空气的飞行器，其特征在于，所述层压板的韧度与重量的比高于890kNm/kg。
22.用于根据任一前述权利要求的轻于空气的飞行器的层压板的生产方法，所述方法包括：提供增强纤维层和在所述纤维层的一侧上的第一EVOH薄膜或者在所述纤维层两侧上的第一和第二EVOH薄膜；在175℃和200℃之间的温度下，将这些层热压在一起以熔融粘合。
23.一种层压板，用于根据权利要求2以及当权利要求11-21中的任一项从属于权利要求2时的权利要求11-21中的任一项所述的轻于空气的飞行器，所述层压板的重量在85至120gsm之间，并且所述层压板包括：由聚对亚苯基-2,6-苯并二恶唑纤维制成的增强纤维层，纤维层的重量在40至70gsm之间；10-15微米厚的第一和第二EVOH薄膜，其熔融粘合至纤维层的两侧；10-15微米厚的聚酰亚胺薄膜，其具有熔融粘合至第一EVOH层的金属化的一侧。
24.根据权利要求23的层压板，还包括：4-12微米厚的金属化的聚合物薄膜层，其熔融粘合至所述第二EVOH薄膜上，所述第二EVOH薄膜相对于风化层在所述层压板的相对侧上。
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