开发与使用高强力／重量比的增强复合材料是航空航天领域的一个重要研究方向。本文重点介绍了4DG纤维、高强力／重量比纤维以及纳米纤维及其增强复合材料的技术特征及其在航空航天领域使用状况。
发展航空航天技术已成为世界各国提升综合国力的重要举措，涉及军用、民用和商业化等三大领域的航天活动的规模正不断扩大，新一轮国际太空的竞争格局正在形成。
空间环境与运载装置相互作用会对航天器的可靠性和使用寿命带来威胁，适应市场的需求，可抵御太空环境的材料的研究与开发始终是一个热点。通常，空间环境主要涉及自然环境和人工诱导环境两个方面。
航空器或其动力装置上使用的具有高强力，重量比的复合材料，可有效地降低乘用装置的重量，大大改善航天器的性能和运行效率。而聚合物纤维复合材料在航天器上的应用部位与使用量的多少正成为衡量航天器结构先进性的重要指标之一。
1 新型纤维材料在航天领域的使用
目前航天员舱外活动装备(EMU)使用的多层结构绝热材料，在火星空间探测中将会失去效用。美国国家航空航天局(NASA)探索可替代的绝缘材料，其热传导性能要求达到0.005W／(m·K)。
1.14DG热绝缘纤维材料
NASA选择3种纤维，即实体圆形截面纤维、四孔中空纤维和深槽型表面纤维(4DG)作为试样，纤维使用两种规格即6.67dtex／16.7dtex为筛选对象。
①要求实体结构纤维具有均匀的圆形截面，纤维直径为25μm或40μm。对于低孔隙率的纤维试样的选择，直径偏差要大干0.1μm，即直径分别为25.1μm或40.1μm。而对孔隙率较高的纤维来说，选择的纤维直径要扩大10倍，即选用250μm或400μm的样品。
②中空结构纤维试样要求纤维截面为圆形，呈四孔均匀分布，当纤维直径为25μm时，中孔径6μm，纤维直径为40μm时，中孔径9μm。中空四孔纤维由DuPont(杜邦)公司提供。
③槽状表面纤维。4DG纤维由Eastman(伊士曼)公司提供，具有沿纤维轴向分布的深陷沟槽，纤维截面以轮廓线观察为矩形，有6组叶片，其叶片尺寸如下：
6.67dtex纤维：纤维截面轮廓34μm×47μm，叶片宽8μm；
16.67dtex纤维：纤维截面轮廓50μm×74μm，叶片宽12μm。
NASA的实验结果显示，4DG作为热绝缘材料的性能最佳。图1所示为4DG纤维的截面。
4DG纤维是特别设计的纤维品种，其沿轴向分布的深槽，赋予了纤维独特的使用性能，即：
①具有流体自移动性能，按4DG纤维3种纤度6.6、11.2和16.67dtex的变异，最大的潜在通量分别为122、113和145mL／(g·h)；
②4DG纤维有贮存和扑集粉尘微型颗粒的功能；
③具有十分高的比表面积。圆形截面纤维的形状系数以1计，4DG纤维为2.5，即4DG的比表面积是相同细度纤维的250％～300％，实验所用4DG纤维样品的比表面积在1710～3130m2／g之间；
④与圆形截面纤维相比，其有更好的蓬松性和包覆性。
4DG纤维一般使用聚酯、聚丙烯和聚酰胺为原料，与其3种纤度规格——6.67、11.2和16.67dtex相对应的纤维截面的宽×长分别为34μm×47μm、42μm×58μm和50μm×74μm，纤维截面形状系数分别为2.7、2.7和2.4，沟槽面积所占比例分别为40％、40％和35％，主体叶片的宽／深尺寸分别为8／13μm、11／18μm和12／71μm。4DG纤维的性能特征如表1所示。
由于4DG纤维具有独特的使用性能，其潜在应用领域已被广为看好，目前在过滤介质、农业用纺织品、军用服装、油吸附材料、土工材料、化妆制品、揩巾和创伤敷料等领域的使用正取得进展。
1.2航天装备上使用的纤维材料
航天服是国际空间站或航天飞机乘用人员维系生存的装置，用以保护宇航员进入太空和月球行走的安全。美国阿波罗－9和阿波罗－11使用的太空服面料的多层结构中均配置了两层Nomex热绝缘层。
Nomex纤维的玻璃化温度(Tg)为275℃，具有优良的耐热性能，而相对较低的比热值(0.29cal／(g·K))则显示出良好的热绝缘性能。NASA使用的Nomex热绝缘层证明可以适应极端高温或低温的环境条件，同时Nomex纤维的模量为140g／D，断裂伸长率22％，可承载冲击负荷，并在负载条件下表现出很好的稳定性。目前的航天服中蜂窝Kevlar(凯夫拉)纤维和Nomex纤维仍然是重要的纤维组分。
航天服基本由13层结构材料构成，而一款阿波罗探月服装的面料则达21层之多。它为宇航人员提供舱外行走的功能，由于航天服将柔软部位与刚性部位组合为一体，可提供支撑、移动和舒适性功能。目前航天服使用的纤维制品主要是尼龙经编织物、PU涂层尼龙织物、氯丁橡胶涂敷尼龙织物以及聚四氟乙烯、Kevlar和Nomex等纤维制品。
随着空间技术的进步，火星的空间环境特点给航天服设计提出了新的课题。通常月球重力为地球的1／6，而火星重力则是地球的1／3，因此相对于探月航天服，火星航天服需要减轻重量。此外火星的空间环境存在着诸如CO2含量高达95％的微真空大气层、巨大温差变化(-120～20℃)、尘暴与微流星危害以及极强烈的辐射环境，这给火星航天服的设计提出了严苛的要求，其功能主要集中在3个部分，即液体冷却与透气服装设计(LCVG)、承压结构材料层(PS)和热机械性能结构材料层(TMG)。研究显示，LCVG系统中纤维织物复合材料层使用了芯吸效应优良的聚丙烯纤维；TMG部分耐冲击、耐刺破以及阻燃和耐高温织物层选用了Kevlar、Nomex和PBO纤维；而耐高能辐射层则使用了60％的碳纤维(CF)和聚醚醚酮(PEEK)的复合材料。
与阿波罗探月飞行和航天飞机使用的航天服比较，火星航天服明显轻量化，其厚度也可控制在4.8mm左右。NASA最近开发的新一代的NDX-1型航天服，可适应极端的环境条件，该航天服由多达350种材料构成，其中包括Kevlar和碳纤维。