CN204773927U - 平流层浮空器蒙皮 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种平流层浮空器蒙皮。平流层浮空器蒙皮包括叠加设置的耐候层、阻隔层、承力层及焊接层；其中，阻隔层包括：第一镀铝高分子薄膜层；第二镀铝高分子薄膜层；以及位于第一镀铝高分子薄膜层和第二镀铝高分子薄膜层之间的二维片状纳米材料-树脂层。该蒙皮的阻隔层包括叠加设置的两层镀铝高分子薄膜层，且在两层镀铝高分子薄膜层之间还设置有二维片状纳米材料-树脂层。相较于其他形状纳米材料-树脂层而言，二维片状纳米材料-树脂层具有更加优异的气体阻隔性能。上述阻隔层中，两层镀铝高分子薄膜层和中间的二维片状纳米材料-树脂层形成了强大的气体阻隔屏障，降低了整个蒙皮的气体透过率，使浮空器保持长期稳定。
Description
技术领域
本实用新型涉及浮空器制造技术领域，具体而言，涉及一种平流层浮空器蒙皮。
背景技术
平流层浮空器是随着科学技术不断发展起来的一种新型近空间多功能飞行平台。它不同于飞行在航空层中的飞机、低空浮空器,也不同于工作在低轨道上的卫星,它有非常广泛的军事及民用价值，例如在导弹防御、反恐、通信、遥感、空间观测和大气测量等方面都具有极大的应用价值。
蒙皮作为浮空器的主要结构，其性能的高低直接影响了浮空器的应用性能，也是制约我国平流层浮空器发展的关键技术之一。在影响蒙皮性能质量的众多因素中，轻质和阻氦性是浮空器蒙皮材料两项至关重要的指标，特别地，蒙皮材料的气体阻隔性能是目前制约浮空器发展和应用的瓶颈。
基于上述问题，有必要提供一种气体阻隔性能优异的平流层浮空器蒙皮。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种平流层浮空器蒙皮，以解决现有技术中平流层浮空器蒙皮气体阻隔性能差的问题。
为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种平流层浮空器蒙皮，其包括叠加设置的耐候层、阻隔层、承力层及焊接层；其中，阻隔层包括：第一镀铝高分子薄膜层；第二镀铝高分子薄膜层；以及位于第一镀铝高分子薄膜层和第二镀铝高分子薄膜层之间的二维片状纳米材料-树脂层。
进一步地，二维片状纳米材料-树脂层为石墨烯-树脂层、氧化石墨烯-树脂层或云母-树脂层。
进一步地，第一镀铝高分子薄膜层和/或第二镀铝高分子薄膜层为镀铝PET层。
进一步地，二维片状纳米材料-树脂层为二维片状纳米材料-聚氨酯层。
进一步地，耐候层为聚偏氟乙烯层或聚偏二氯乙烯层；和/或，承力层为纤维层或纤维-热塑性聚合物复合层；和/或，焊接层为热塑性聚氨酯层。
进一步地，纤维层为聚乙烯纤维层、芳纶纤维层或PBO纤维层；纤维-热塑性聚合物复合层为聚乙烯纤维-热塑性聚合物复合层、芳纶纤维-热塑性聚合物复合层或PBO纤维-热塑性聚合物复合层。
进一步地，阻隔层中，第一镀铝高分子薄膜层和/或第二镀铝高分子薄膜层的厚度为15～35μm，二维片状纳米材料-树脂层的厚度为10～25μm。
进一步地，耐候层的厚度为10～30μm，承力层的厚度为80～200μm，焊接层的厚度为8～35μm。
进一步地，耐候层与阻隔层之间还设置有第一胶层；和/或阻隔层与承力层之间还设置有第二胶层；和/或承力层与焊接层之间还设置有第三胶层。
进一步地，第一胶层、第二胶层及第三胶层分别独立地选自热塑性聚氨酯胶粘层、聚酯胶粘层或二维片状纳米材料-聚氨酯胶粘层。
本实用新型提供了一种平流层浮空器蒙皮，上述平流层浮空器蒙皮中，阻隔层包括叠加设置的两层镀铝高分子薄膜层，且在两层镀铝高分子薄膜层之间还设置有二维片状纳米材料-树脂层。相较于其他形状纳米材料-树脂层而言，二维片状纳米材料-树脂层具有更加优异的气体阻隔性能。上述阻隔层中，两层镀铝高分子薄膜层和中间的二维片状纳米材料-树脂层形成了强大的气体阻隔屏障，降低了整个蒙皮的气体透过率，使浮空器保持长期稳定。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本实用新型的一种实施方式中平流层浮空器蒙皮的结构示意图；以及
图2示出了根据本实用新型的另一种实施方式中平流层浮空器蒙皮的结构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
正如背景技术部分所介绍的，现有的平流层浮空器采用的蒙皮的气体阻隔性能较差。为了解决这一问题，本实用新型提供了一种平流层浮空器蒙皮，其包括叠加设置的耐候层110、阻隔层120、承力层130及焊接层140；其中，如图1所示，阻隔层120包括第一镀铝高分子薄膜层121，第二镀铝高分子薄膜层122，以及位于第一镀铝高分子薄膜层121和第二镀铝高分子薄膜层122之间的二维片状纳米材料-树脂层123。
本实用新型所提供的上述平流层浮空器蒙皮中，阻隔层120包括叠加设置的两层镀铝高分子薄膜层，且在两层镀铝高分子薄膜层之间还设置有二维片状纳米材料-树脂层123。相较于其他形状纳米材料-树脂层而言，二维片状纳米材料-树脂层具有更加优异的气体阻隔性能。上述阻隔层120中，两层镀铝高分子薄膜层和中间的二维片状纳米材料-树脂层形成了强大的气体阻隔屏障，降低了整个蒙皮的气体透过率，使浮空器保持长期稳定。
上述阻隔层120中，二维片状纳米材料-树脂层123可以与第一镀铝高分子薄膜层121以及第二镀铝高分子薄膜层122中的镀铝层相邻，也可以与第一镀铝高分子薄膜层121以及第二镀铝高分子薄膜层122中的高分子薄膜层相邻。优选地，第一镀铝高分子薄膜层121中的镀铝层远离二维片状纳米材料-树脂层123，这样的设置有利于照射在蒙皮上的太阳光被镀铝层更及时地反射，提高蒙皮的耐候性。
本实用新型提供的上述浮空器蒙皮，二维片状纳米材料-树脂层123中应用的纳米材料只要具有二维片状结构，就能够提高蒙皮的气体阻隔性能。在一种优选的实施方式中，上述二维片状纳米材料-树脂层123为石墨烯-树脂层、氧化石墨烯-树脂层或云母-树脂层。这几种二维片状纳米材料-树脂层均具有较高的气体阻隔性能，且密度较轻，作为浮空器蒙皮的结构层不会产生过多的附加重量。
本文中的术语“二维片状纳米材料-树脂层”是指二维片状纳米材料作为填料分散在树脂层中形成的复合层；术语“石墨烯-树脂层”是指石墨烯作为填料分散在树脂层中形成的复合层；术语“氧化石墨烯-树脂层”是指氧化石墨烯作为填料分散在树脂层中形成的复合层；术语“云母-树脂层”是指云母作为填料分散在树脂层中形成的复合层。石墨烯、氧化石墨烯和云母均是二维片状纳米材料。
更优选地，上述二维片状纳米材料-树脂层123为石墨烯-树脂层或氧化石墨烯-树脂层。除了具有较高的气体阻隔性能和较轻的密度外，石墨烯-树脂层和氧化石墨烯-树脂层具有较好的导热性能。这有利于提高蒙皮的整体导热性能，使蒙皮在接收太阳光照射时能够及时将热量传导至整个蒙皮，从而使蒙皮各部分的温度较为均一，进而防止蒙皮因局部受热爆破的危险。
更优选地，上述二维片状纳米材料-树脂层123为二维片状纳米材料-聚氨酯层。相较于其他二维片状纳米材料-树脂层而言，二维片状纳米材料-聚氨酯层与其他层之间具有较好的粘结性能。
在一种优选的实施方式中，上述第一镀铝高分子薄膜层121和/或第二镀铝高分子薄膜层122为镀铝PET层。相较于其他镀铝高分子薄膜层，镀铝PET层具有更优异的阻气性能。同时，镀铝PET层还具有良好的耐候性，在低温下的韧性较高，更适宜作为蒙皮结构层在温度较低的临近空间使用。
在一种优选的实施方式中，耐候层110为聚偏氟乙烯层或聚偏二氯乙烯层；和/或承力层130为纤维层或纤维-热塑性聚合物复合层；和/或焊接层140为热塑性聚氨酯层。在使用过程中，耐候层会暴露在高空环境中。
术语“纤维-热塑性聚合物复合层”是指增强纤维和热塑性聚合物层通过热熔缝合后形成的复合层。
聚偏氟乙烯层或聚偏二氯乙烯层具有极高的耐候性能，作为耐候层110能够进一步起到抗紫外、保护内层材料以及防止气体泄漏的作用。
纤维层和纤维-热塑性聚合物复合层具有较高的强度和模量，作为承力层130能够提高蒙皮的综合力学性能。优选地，承力层130为纤维-热塑性聚合物复合层，纤维-热塑性聚合物复合层中的热塑性聚合物层能够在热熔缝合时起到粘结作用，并且可以填充纤维在缝纫时产生的针孔，从而进一步提高整体蒙皮的阻气性能。更优选地，上述纤维层为聚乙烯纤维层、芳纶纤维层或PBO纤维层；纤维-热塑性聚合物复合层为聚乙烯纤维-热塑性聚合物复合层、芳纶纤维-热塑性聚合物复合层或PBO纤维-热塑性聚合物复合层。这些纤维层和纤维-热塑性聚合物复合层均具有更佳的力学性能，其耐候性较好、密度较轻，更适宜作为浮空器蒙皮的结构层。
本实用新型提供的这种平流层浮空器蒙皮，其阻隔层120只要具有两层镀铝高分子薄膜层及位于二者之间的二维片状纳米材料-树脂层，即可提高浮空器蒙皮的气体阻隔性能。在一种优选的实施方式中，第一镀铝高分子薄膜层121和/或第二镀铝高分子薄膜层122的厚度为15～35μm，二维片状纳米材料-树脂层123的厚度为10～25μm。上述第一镀铝高分子薄膜层121和第二镀铝高分子薄膜层122的厚度相同或不同。将阻隔层120中各层的厚度控制在上述范围内，能够使蒙皮具有较高阻气、导热性能性能的基础上兼具较轻的质量。此外，二维片状纳米材料-树脂层123中二维片状纳米材料的含量优选为0.5～10wt％。
本领域技术人员可以选择耐候层110、承力层130和焊接层140的具体厚度。在一种优选的实施方式中，耐候层110的厚度为10～30μm，承力层130的厚度为80～200μm，焊接层140的厚度为8～35μm。将耐候层110、承力层130和焊接层140的厚度控制在上述范围，能够在较低密度的前提下，使平流层浮空器蒙皮具有较高的综合性能。
在一种优选的实施方式中，如图2所示，耐候层110与阻隔层120之间还设置有第一胶层101；和/或阻隔层120与承力层130之间还设置有第二胶层102；和/或承力层130与焊接层140之间还设置有第三胶层103。在层与层之间设置胶层，能够进一步提高蒙皮的各层之间的粘结性能。更优选地，第一胶层101、第二胶层102及第三胶层103分别独立地选自热塑性聚氨酯胶粘层、聚酯胶粘层或二维片状纳米材料-聚氨酯胶粘层。以上述几种胶粘层作为胶层，能够进一步提高平流层浮空器蒙皮的力学性能、耐候性能、气密性能等综合性能。上述二维片状纳米材料-聚氨酯胶粘层同样优选为石墨烯-聚氨酯胶粘层、氧化石墨烯-聚氨酯胶粘层或云母-聚氨酯胶粘层，且其中的二维片状纳米材料的含量为0.5～10wt％。将各胶层中的二维片状纳米材料的含量控制在上述范围内，有利于进一步提高蒙皮的气体阻隔性能，并使胶层具有较高的胶粘性能，以保证蒙皮各层之间的粘结强度。
另外，根据本实用新型的另一方面，还提供了一种平流层浮空器蒙皮的制备方法，其包括以下步骤：在第一镀铝高分子薄膜层121的一侧表面上形成二维片状纳米材料-树脂层123，并在二维片状纳米材料-树脂层123远离第一镀铝高分子薄膜层121一侧的表面上形成第二镀铝高分子薄膜层122，进而形成阻隔层120；以及将耐候层110、阻隔层120、承力层130及焊接层140依次叠放，然后经热压形成平流层浮空器蒙皮。
本实用新型所提供的上述制备方法所制成的平流层浮空器蒙皮中，阻隔层120包括叠加设置的两层镀铝高分子薄膜层，且在两层镀铝高分子薄膜层之间还设置有二维片状纳米材料-树脂层123。相较于其他形状纳米材料-树脂层而言，二维片状纳米材料-树脂层具有更加优异的气体阻隔性能。上述阻隔层120中，两层镀铝高分子薄膜层和中间的二维片状纳米材料-树脂层形成了强大的气体阻隔屏障，降低了整个蒙皮的气体透过率，使浮空器保持长期稳定。
上述在第一镀铝高分子薄膜层121和第二镀铝高分子薄膜层122之间形成二维片状纳米材料-树脂层123的步骤中，可以先在树脂胶液中掺入二维片状纳米材料形成混合胶，其次将混合胶涂覆在第一镀铝高分子薄膜层121的一侧表面上，再将第二镀铝高分子薄膜层122覆盖在混合胶膜上，最后经固化形成阻隔层120。
在一种优选的实施方式中，将耐候层110、阻隔层120、承力层130及焊接层140依次叠放的过程中，还包括以下步骤：在耐候层110与阻隔层120之间放置第一胶层固态预备层，和/或在阻隔层120与承力层130之间放置第二胶层固态预备层，和/或在承力层130与焊接层140之间放置第三胶层固态预备层，然后热压形成平流层浮空器蒙皮。
在一种优选的实施方式中，将耐候层110、阻隔层120、承力层130及焊接层140依次叠放的过程中，还包括以下步骤：在耐候层110下表面涂覆第一胶层液态预备层，和/或在阻隔层120下表面涂覆第二胶层液态预备层，和/或在承力层130下表面涂覆第三胶层液态预备层，然后热压形成平流层浮空器蒙皮。
以上为两种引入胶层的方法。其中第一种方法是先将固态的胶层铺在相应的位置，热压后实现各层粘结。第二种方法是预先在相应层上涂覆液态的胶层，然后经热压固化实现各层粘结。
根据本实用新型上述的教导，本领域技术人员可以选择具体的热压工艺。在一种优选的实施方式中，上述热压过程中，热压温度为80～180℃，热压压力为0.1～1mpa。将热压的温度和压力控制在上述范围，有利于进一步提高平流层浮空器蒙皮中各层之间的粘结强度。
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细描述，这些实施例不能理解为限制本申请所要求保护的范围。
实施例1
在镀铝PET层的上表面上涂布云母-聚氨酯混合胶，并在胶层上方覆一层镀铝PET层，热压后，形成阻隔层备用；其中，中间的云母-聚氨酯层中云母的含量为0.5wt％；
将聚偏氟乙烯层、第一热塑性聚氨酯胶膜、阻隔层、第二热塑性聚氨酯胶膜、PBO纤维层、第三热塑性聚氨酯胶膜及焊接层热塑性聚氨酯层自下而上铺叠好，热压形成平流层浮空器蒙皮。其中，热压温度为80℃，压力为1mpa。
所形成的平流层浮空器蒙皮中，聚偏氟乙烯层的厚度为10μm，两层镀铝PET层的厚度均为35μm，云母-聚氨酯层为10μm，PBO纤维层为200μm，焊接层的厚度为8μm，各胶层的厚度为10μm。
实施例2
在镀铝PET层的上表面上涂布石墨烯-聚氨酯混合胶，并在胶层上方覆一层镀铝PET层，热压后，形成阻隔层备用；其中，中间的石墨烯-聚氨酯层中石墨烯的含量为0.5wt％；
将聚偏氟乙烯层、第一热塑性聚氨酯胶膜、阻隔层、第二热塑性聚氨酯胶膜、PBO纤维层、第三热塑性聚氨酯胶膜及焊接层热塑性聚氨酯层自下而上铺叠好，热压形成平流层浮空器蒙皮。其中，热压温度为80℃，压力为1mpa。
所形成的平流层浮空器蒙皮中，聚偏氟乙烯层的厚度为10μm，两层镀铝PET层的厚度均为35μm，石墨烯-聚氨酯层为10μm，PBO纤维层为200μm，焊接层的厚度为8μm，各胶层的厚度为10μm。
实施例3
在镀铝PET层的上表面上涂布氧化石墨烯-聚氨酯混合胶，并在胶层上方覆一层镀铝PET层，热压后，形成阻隔层备用；其中，中间的氧化石墨烯-聚氨酯层中氧化石墨烯的含量为0.5wt％；
将聚偏二氯乙烯层、第一氧化石墨烯-热塑性聚氨酯胶膜、阻隔层、第二氧化石墨烯-热塑性聚氨酯胶膜、PBO纤维层、第三氧化石墨烯-热塑性聚氨酯胶膜及焊接层热塑性聚氨酯层自下而上铺叠好，热压形成平流层浮空器蒙皮。其中，热压温度为80℃，压力为1mpa。各氧化石墨烯-热塑性聚氨酯胶膜中氧化石墨烯的含量为0.5wt％。
所形成的平流层浮空器蒙皮中，聚偏二氯乙烯层的厚度为30μm，两层镀铝PET层的厚度均为15μm，氧化石墨烯-聚氨酯层为25μm，PBO纤维层为80μm，焊接层的厚度为35μm，各胶层的厚度为10μm。
实施例4
在镀铝PET层的上表面上涂布石墨烯-聚氨酯混合胶，并在胶层上方覆一层镀铝PET层，热压后，形成阻隔层备用；其中，中间的石墨烯-聚氨酯层中石墨烯的含量为10wt％；
将聚偏二氯乙烯层、第一石墨烯-热塑性聚氨酯胶膜、阻隔层、第二石墨烯-热塑性聚氨酯胶膜、PBO纤维层、第三石墨烯-热塑性聚氨酯胶膜及焊接层热塑性聚氨酯层自下而上铺叠好，热压形成平流层浮空器蒙皮。其中，热压温度为180℃，压力为0.1mpa。各石墨烯-热塑性聚氨酯胶膜中石墨烯的含量为10wt％。
所形成的平流层浮空器蒙皮中，聚偏二氯乙烯层的厚度为30μm，两层镀铝PET层的厚度均为15μm，氧化石墨烯-聚氨酯层为25μm，PBO纤维层为80μm，焊接层的厚度为35μm，各胶层的厚度为10μm。
对比例1
在聚偏氟乙烯层上表面、镀铝PET层上表面及PBO织物层上表面分别涂覆液态的热塑性聚氨酯胶液，然后将涂覆好的三层自下而上铺叠好，并在最上方覆上焊接层热塑性聚氨酯层，热压形成平流层浮空器蒙皮。其中，热压温度为100℃，压力为0.8mpa。
所形成的平流层浮空器蒙皮中，聚偏氟乙烯层的厚度为30μm，镀铝PET层的厚度为15μm，PBO织物层为80μm，各层塑性聚氨酯层的厚度为10μm。
对实施例1至4和对比例1中所制备的平流层浮空器蒙皮的气体阻隔性能进行表征测试：
表征方法：按照GB/T1038-2000分别测量实施例1至4和对比例1中所制备的整个平流层浮空器蒙皮以及阻隔层的氦气阻隔性能，结果见表1。
表1
从以上的数据中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：将阻隔层设置为叠加的两层镀铝高分子薄膜层以及位于两层镀铝高分子薄膜层之间的二维片状纳米材料-树脂层，能够显著降低阻隔层和整个蒙皮的气体透过率，使浮空器保持长期稳定。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种平流层浮空器蒙皮，其特征在于，所述平流层浮空器蒙皮包括叠加设置的耐候层(110)、阻隔层(120)、承力层(130)及焊接层(140)；其中，所述阻隔层(120)包括：
第一镀铝高分子薄膜层(121)；
第二镀铝高分子薄膜层(122)；以及
位于所述第一镀铝高分子薄膜层(121)和所述第二镀铝高分子薄膜层(122)之间的二维片状纳米材料-树脂层(123)。
2.根据权利要求1所述的平流层浮空器蒙皮，其特征在于，所述二维片状纳米材料-树脂层(123)为石墨烯-树脂层、氧化石墨烯-树脂层或云母-树脂层。
3.根据权利要求1或2所述的平流层浮空器蒙皮，其特征在于，所述第一镀铝高分子薄膜层(121)和/或所述第二镀铝高分子薄膜层(122)为镀铝PET层。
4.根据权利要求1所述的平流层浮空器蒙皮，其特征在于，
所述耐候层(110)为聚偏氟乙烯层或聚偏二氯乙烯层；和/或，
所述承力层(130)为纤维层或纤维-热塑性聚合物复合层；和/或，
所述焊接层(140)为热塑性聚氨酯层。
5.根据权利要求4所述的平流层浮空器蒙皮，其特征在于，所述纤维层为聚乙烯纤维层、芳纶纤维层或PBO纤维层；所述纤维-热塑性聚合物复合层为聚乙烯纤维-热塑性聚合物复合层、芳纶纤维-热塑性聚合物复合层或PBO纤维-热塑性聚合物复合层。
6.根据权利要求4或5所述的平流层浮空器蒙皮，其特征在于，所述阻隔层(120)中，所述第一镀铝高分子薄膜层(121)和/或所述第二镀铝高分子薄膜层(122)的厚度为15～35μm，所述二维片状纳米材料-树脂层(123)的厚度为10～25μm。
7.根据权利要求6所述的平流层浮空器蒙皮，其特征在于，所述耐候层(110)的厚度为10～30μm，所述承力层(130)的厚度为80～200μm，所述焊接层(140)的厚度为8～35μm。
8.根据权利要求7所述的平流层浮空器蒙皮，其特征在于，所述耐候层(110)与所述阻隔层(120)之间还设置有第一胶层(101)；和/或所述阻隔层(120)与所述承力层(130)之间还设置有第二胶层(102)；和/或所述承力层(130)与所述焊接层(140)之间还设置有第三胶层(103)。
9.根据权利要求8所述的平流层浮空器蒙皮，其特征在于，所述第一胶层(101)、所述第二胶层(102)及所述第三胶层(103)分别独立地选自热塑性聚氨酯胶粘层、聚酯胶粘层或二维片状纳米材料-聚氨酯胶粘层。
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