航空航天领域用到的高分子材料

　　

　　1  特种橡胶材料

　　

　　我国航天工业建立伊始，为了满足当时急迫需求，开展了大量特种橡胶材料的研制攻关工作，随着我国工业技术的发展，高性能橡胶材料及应用技术也取得了长足进步。在航天领域使用的橡胶主要有氯丁橡胶、丁腈橡胶、氯醚橡胶、乙丙橡胶、硅橡胶、氟硅橡胶等。按功能主要有橡胶密封材料、橡胶阻尼材料、导热及导电橡胶等。

　　

　　氟橡胶

　　

　　氟橡胶（FKM）具有出色的耐热性能，能够长期使用于高温环境下，温度可达250℃。此外，它们还表现出优异的耐油、耐天候和耐溶剂性能。然而，氟橡胶的耐寒性较差，当温度低于－20℃时，其弹性基本丧失。由于其特殊的性能，氟橡胶密封件广泛应用于液压滑油系统、高温部位的动态和静态密封以及多种介质管路等领域。它们在这些应用中发挥着关键的作用，确保系统的正常运行和密封性能的可靠性。

　　

　　氟醚橡胶

　　

　　氟醚橡胶（FFKM）是一种由全氟甲基乙烯基醚、四氟乙烯、偏氟乙烯和交联单体等聚合而成的弹性材料。全氟醚橡胶是指共聚体系中不含偏氟乙烯单元的氟醚橡胶。通过在氟橡胶的分子侧链引入醚键，使其低温性能得到显着改善。因此，全氟醚橡胶在广泛应用的氟橡胶基础上，实现了更佳的低温特性。氟醚橡胶的优异性能使其适用于要求高温和化学稳定性的场合，例如航空航天、石油化工、汽车制造和半导体行业等。同时，低温品级的氟醚橡胶可在极寒环境下保持其弹性和密封性能，因此也被广泛用于极地科考、航天探测器和冷链运输等应用中。

　　

　　三元乙丙橡胶

　　

　　三元乙丙橡胶（EPDM），是一种合成弹性材料。它由乙烯、丙烯和二烯单体共聚而成。三元乙丙橡胶具有许多出色的性能特点。首先，它具有良好的耐候性，能够抵抗紫外线、氧气和臭氧的侵蚀，因此在户外环境下具有优异的耐久性。其次，三元乙丙橡胶具有出色的耐化学性，能够耐受多种酸、碱、溶剂和腐蚀性物质的侵蚀，因此在航空航天领域广泛应用。此外，乙丙橡胶还具有优异的耐热性和耐寒性，能够在高温和低温环境下保持弹性和性能稳定。

　　

　　硅橡胶

　　

　　硅橡胶（VMQ）密封材料是一种具有卓越性能的弹性材料。它的耐热性和耐寒性能突出，长期使用温度范围可达-60℃至250℃，在短期使用时甚至可以超过300℃。此外，它还具有出色的耐臭氧、耐日照、耐霉菌和耐海水等特性。硅橡胶在阻尼材料方面存在的主要问题是阻尼损耗较小。然而，随着新型高阻尼硅橡胶材料的问世和新型共混技术的应用，硅橡胶正逐步替代传统的丁基橡胶，成为航空航天阻尼减振结构中的首选材料。除了普通的硅橡胶密封材料，还有氟硅橡胶和苯基硅橡胶两种特殊类型。氟硅橡胶不仅具备硅橡胶的耐热、耐寒特性，还具有优异的耐油性。而苯基硅橡胶则以其卓越的耐高低温性能而着名。它能够在极端的温度条件(-120℃~300℃)下保持其弹性和性能稳定，广泛应用于需要承受极端温度环境的领域。

　　

　　丁腈橡胶

　　

　　丁腈橡胶（NBR）具有良好的阻尼损耗能力，能够有效吸收和消散机械振动、冲击和声波等能量。这使得丁腈橡胶在减振和噪音控制方面发挥着重要的作用。丁腈橡胶的阻尼特性源于其内部分子结构的特点。丁腈橡胶聚合物链中的丙烯腈单体单元和丁二烯单体单元之间的交联结构，使得材料具有较高的耐磨性和弹性。同时，丁腈橡胶的分子链结构还能吸收和分散能量，减少机械振动和冲击传导到周围结构的效应。在实际应用中，丁腈橡胶常被用于制造减振垫、密封件、管道衬里、悬挂系统等部件。它可以有效降低航空航天器件的振动和噪音水平，提供更加安全静音的工作环境。

　　

　　聚氨酯橡胶

　　

　　聚氨酯橡胶（PU）具有出色的弹性和阻尼特性并具有可调节的硬度和弹性模量，这使得它能够适应不同频率和振幅的振动条件。它的分子链结构可以通过弯曲和变形来吸收和分散振动能量，从而减少振动的传递。此外，聚氨酯橡胶还具有良好的耐磨损性和耐化学性能，使其在各种恶劣环境下都能保持其阻尼效果。在实际应用中，聚氨酯橡胶广泛应用于航空航天设备的减振垫、阻尼垫、隔振支撑、缓冲材料和阻尼涂层等产品中。

　　

　　氯丁橡胶

　　

　　氯丁橡胶（CR）具有优异的物理性能和化学稳定性，能够在广泛的温度范围内保持其弹性和机械性能。它具有优异的耐油性和耐溶剂性，可以在油、汽油、润滑剂等多种化学介质中工作。此外，氯丁橡胶还具有一定的抗氧化性和耐臭氧性能，能够在户外环境下长时间使用而不受损。氯丁橡胶的阻尼特性相对较好，能够吸收和分散机械振动和冲击能量，减少振动传递。这使得它在减振和隔振应用中得到广泛应用。氯丁橡胶还常被用作密封材料，因其在不同介质下的耐化学性能和封闭性能较好。在航空航天应用中，氯丁橡胶通常以橡胶制品的形式存在，如密封件、垫片、胶管等。它还可以与其他橡胶材料或塑料进行共混，以改善其物理性能和加工性能。

　　

　　2  特种工程塑料

　　

　　特种工程塑料是航空领域中一类重要的材料，它们被广泛应用于飞机、直升机、航天器以及其他航空器件的制造和构件中。这些塑料材料具有许多独特的性能和特点，使其成为航空工程中不可或缺的一部分。航空工程塑料具有优异的力学性能，能够在航空器的振动和高负荷工况下保持结构的稳定性和安全性。同时，它们还具备轻质化的特点，相比于传统的金属材料，航空工程塑料可以有效减轻航空器的重量，提高其燃油效率和飞行性能。航空工程塑料还具有出色的耐腐蚀性和耐热性，能够在极端环境条件下长时间稳定运行。这对于航空器在高海拔、低温、高温和湿度等复杂气候条件下的可靠性至关重要。此外，航空工程塑料还具备良好的电绝缘性能和耐化学性，能够有效防止电磁干扰和化学腐蚀的影响。

　　

　　聚酰胺

　　

　　聚酰胺（PA）是一种具有多重酰胺键结构的聚合物，其中酰胺键由酰胺基团中的氮原子与相邻的羰基碳原子形成的共价键。这种聚合物具有多种优良性质，如高强度、高耐热性、良好的机械性能和化学稳定性。在航天产品中，短切纤维增强的聚酰胺复合材料被广泛应用于制备各种次结构件。它被用于制造运载火箭液氢液氧箱体的外支架，起到承力和隔热的作用。此外，采用这种材料制作计算机、电源框架、计算机印制板框架等产品，具有重量轻、承载力大和良好的减振性能，完全取代了铝合金框架。还可以制造电器护盒、线圈骨架等配套产品。

　　

　　聚醚醚酮

　　

　　聚醚醚酮（PEEK）是一种高性能的热塑性聚合物，由醚和酮功能团交替排列而成，具有优异的物理性能和化学稳定性。它具有多种出色的性能，如高温稳定性、耐化学品腐蚀性、良好的机械强度和刚度、耐磨性、低摩擦系数以及良好的电绝缘性能。PEEK能够在高温环境下保持其物理性能，其玻璃化转变温度约为143°C，可长期使用在高达250°C的温度范围内。碳纤维/PEEK复合材料可应用于战术导弹尾翼，并使用PEEK树脂制造火箭的电池槽、螺栓、螺母以及火箭发动机的零部件等。

　　

　　聚苯硫醚

　　

　　聚苯硫醚（PPS）具有多项出色的性能。首先，它具有出色的耐高温性能，能够在高温环境下保持其物理和机械性能。其熔点较高，可达到280°C以上，不易软化或变形。其次，PPS具有优异的耐化学腐蚀性能，能够抵抗多种有机和无机化学品的侵蚀，包括酸、碱和溶剂等。此外，PPS还表现出良好的机械强度和刚度，耐磨性好，且具有优异的电绝缘性能。在航天领域，PPS的应用也取得了显着成果。通过采用纤维增强PPS材料，制作的舱门比金属门减重约25%。PPS用于制备火箭惯导壳体，代替原铝合金壳体，明显减轻重量，提高减振性能，满足使用要求。

　　

　　聚酰亚胺

　　

　　聚酰亚胺（PI）具有出色的性能。首先，它具有卓越的耐高温性能，可在极端高温环境下保持稳定，熔点超过300°C。其次，聚酰亚胺具有优异的耐化学腐蚀性能，能抵抗酸、碱和溶剂等多种化学品侵蚀。此外，它具有良好的机械强度、刚度和耐磨性，以及优秀的电绝缘性能。PI塑料可通过模压或注塑工艺制备多种部件，如支架、绝缘套管、垫圈、螺母等。聚酰亚胺（PI）复合材料可制备耐磨件，如液压活塞套和低温密封环。填充聚酰亚胺材料可制作卫星耐磨碰撞垫块。在深冷低温条件下，PI具有接近铝合金的线胀系数，可作为液氢温度密封副材料，满足高压密封需求。填充材料广泛用于制备动密封件和耐磨件，且PI具有自润滑性。

　　

　　聚四氟乙烯

　　

　　聚四氟乙烯（PTFE）是一种高性能聚合物材料，由四氟乙烯单体聚合而成。它具有多种独特特性。首先，PTFE具有卓越的耐高温性能，熔点高达327°C，可长期在高温环境下稳定运行。其次，PTFE具有优异的化学稳定性，可抵抗酸、碱、溶剂和腐蚀物质的侵蚀，耐腐蚀性强。此外，PTFE具有良好的电绝缘性能和低摩擦系数，是出色的绝缘和润滑材料。PTFE在航天领域有广泛应用，可制造透波头罩、支架、绝缘套管、垫圈、衬垫、密封件等部件。PTFE具有低摩擦系数，在无油润滑场合下广泛应用，特别适用于低速、低压的滑动条件。加入不同填充剂可以提高PTFE的耐磨性，用于固体润滑材料和航天产品。PTFE耐腐蚀性和耐老化性优异，适用于特殊介质的密封。在深冷条件下仍保持弹性和韧性，因此广泛应用于液氧等低温密封需求。

　　

　　聚甲基丙烯酰亚胺

　　

　　聚甲醛亚胺（PMI），是一种轻质、高性能的泡沫材料。它由聚甲醛亚胺树脂制成，具有许多独特的特性。首先，PMI泡沫具有极低的密度，非常轻便。其次，它具有出色的机械强度和刚性，能够在承受高载荷的情况下保持稳定。此外，PMI泡沫还具有优异的耐热性能，能够在高温环境下保持稳定，通常可耐受高达200°C以上的温度。PMI泡沫还具有良好的耐化学腐蚀性能，能够抵抗多种化学品的侵蚀，包括酸、碱和溶剂等。它还表现出较低的吸湿性，使其在潮湿环境下也能保持稳定的性能。它可用于重复使用亚轨道飞行器的液氢液氧低温绝热泡沫等应用领域。

　　

　　3   特种涂层材料

　　

　　航空特种涂料在现代航空工业中扮演着至关重要的角色，它们被广泛应用于飞机、直升机、航天器以及其他航空器件的保护、美观和功能性涂装。航空特种涂料具有出色的性能和特性，能够应对航空环境中的极端条件和挑战。航空器需要面对高空飞行、气候变化、紫外线辐射、湿度和化学物质等多种不利因素，因此，航空特种涂料需要具备耐腐蚀、耐热、防腐、防蚀、抗紫外线和耐化学品侵蚀等特性，以保护飞行器的外观和结构免受损害。

　　

　　环防涂层材料

　　

　　航天防护涂层是为了保护航天产品和设备，在地面、海洋和空间环境下进行长时间的储存而开发的。这些涂层包括三防涂层、四防涂层和抗核电磁脉冲多功能涂层。它们具有溶剂挥发性、常温固化和施工简便的特点。随着航天器轻量化和复合材料的广泛应用，静电积累成为一个问题，因此航天产品需要防静电涂层。此外，疏水涂层具有低表面能和粗糙结构的特点。通过添加疏水剂和制造微突结构，可以实现超疏水效果，使得接触角可达139°。航天防护涂层在保护航天产品和设备的可靠性和寿命方面起着重要作用，解决了不同环境条件下的挑战，确保其安全运行和长时间储存。这些涂层的开发和应用为航天领域提供了关键的保护措施，保证了航天任务的成功执行。

　　

　　隐身吸波防护涂料

　　

　　隐身吸波防护涂料通过在表面涂覆结构或材料，赋予其特殊的声、光、电、磁和运动特性，以实现产品的加固和反识别。主要涵盖隐身、抗核和抗激光涂层材料等。为了减少目标的可探测性，研究人员分别进行了雷达吸波隐身涂层材料和红外隐身涂层材料的研究，以降低目标对雷达波和红外辐射的反射特性。抗激光涂层方面，开展了基于烧蚀防热和反射原理的研究。通过以上研究，隐身吸波防护涂料能够提供重要的功能，有效加固产品并降低其被探测的可能性，以确保航天器在各种环境条件下的安全运行。

　　

　　耐高温涂层材料

　　

　　现有航天防热涂层体系主要包括有机硅树脂、环氧树脂和酚醛树脂等。其中，有机硅体系具有出色的耐烧蚀性能和隔热性能，同时具备良好的弹性和长期稳定性。由于有机硅是非成碳材料，它易于与雷达、红外等吸波隐身涂层相配合。然而，有机硅涂层的粘附性能较差，不适用于强热流或强气动冲刷环境。环氧树脂虽然耐热性较差，其涂层的隔热效果不如有机硅，但具有优秀的结合力。制成的涂层具有较强的粘附力和紧密结合的特点，因此在防护强热气流冲刷方面表现出良好的性能。

　　

　　热控涂层材料

　　

　　热控涂层主要应用于空间飞行器和各种仪器设备的表面，通过调节涂层的太阳吸收率和热辐射率，以控制表面温度，确保航天器内部结构和仪器设备在适宜的温度范围内正常工作。这些涂层对于航天器的可靠性和寿命至关重要。随着空间技术的发展，新型航天器趋向于结构复杂化、体积小型化、功能多样化和电功率大型化等方向发展，传统的具有单一太阳吸收比和发射率的热控涂层已无法满足需求。近年来，基于相变和电致变色原理的智能热控涂层得到了研究和发展。通过调节材料厚度和掺杂酸种类等因素，可以有效提高发射率的范围，该技术呈现出良好的应用前景。

　　

　　4   特种胶黏剂及密封剂

　　

　　航空特种胶粘剂在航空工程中扮演着关键的角色，它们是实现飞行器部件连接、防热密封和结构粘接的重要材料。航空特种胶粘剂具有出色的耐高温、耐腐蚀和耐烧蚀等特性，能够在极端环境下提供可靠的粘接和密封效果。飞行器的部件连接处以及窗口等位置面临着高温、高压和振动等复杂的工作条件，因此需要具备优异的粘接性能和耐久性。

　　

　　热防护层粘接胶黏剂

　　

　　航天飞行器需要在高速飞行过程中抵御高温，因此通常在其结构壳体表面涂覆防热层。结构壳体与防热层之间由于材料线膨胀系数的差异，需要使用胶黏剂进行连接。为此研制了适用于大部件套装粘接的触变性环氧树脂胶黏剂、适用于一般零部件粘接的流动型胶以及适用于缝隙填充的环氧树脂胶黏剂。这些胶黏剂可在室温下固化，具有良好的三防性能，贮存寿命超过10年。同时，研制的橡胶改性环氧胶能够在110℃下安全使用，并具有优异的耐老化性能。此外，研制的环氧聚酰胺型胶可在120℃下安全使用。

　　

　　耐热防护密封粘接剂

　　

　　飞行器的部件连接处和窗口等需要解决局部防热和密封粘接的问题。为此，研发了具有优异性能的酚醛树脂胶粘剂。当用于粘接玻纤/酚醛复合材料时，该胶粘剂在300℃下的剪切强度可达≥20 MPa，并能在短期内耐受高达500℃的温度。由于材料之间的线膨胀系数相差较大，通常采用耐烧蚀性能良好的硅橡胶胶黏密封剂。为提高粘接强度，硅橡胶胶黏剂通常与硅烷表面处理剂配合使用。在航天领域中，有机硅密封剂得到广泛应用。许多航天产品需要具备长期耐受300℃的密封能力，短期耐受400℃以上甚至瞬间耐受1,000℃以上的密封能力。这些粘接和密封材料的研发和应用，为航天领域的技术进步提供了关键支持。

　　

　　耐低温胶黏剂

　　

　　耐低温胶粘剂是一种专门设计用于在极低温环境下使用的胶粘剂。这些胶粘剂具有优异的低温性能和耐寒特性，能够在极端低温条件下维持粘接强度和可靠性。耐低温胶粘剂通常在-253℃（液氮温度）或更低的温度下仍能保持其性能。它们被广泛应用于航天、航空、军事以及极地科学等领域的设备和组件的粘接和密封。这些胶粘剂能够抵御低温引起的脆性和变形，确保粘接点的稳定性和耐久性。这些低温胶粘剂在极端低温环境下能够保持良好的性能和粘接强度。

　　

　　其他功能胶粘剂

　　

　　导热胶是一种具有良好导热绝缘性能的胶粘剂，主要用于传感器与测温部件内壁之间的粘接。它能够在-40℃至150℃的温度范围内使用，并保持导热效果。导热胶的使用有助于传导热量，提高传感器的准确性和响应速度。导电胶粘剂是专为噪声传感器而设计的导电胶。它能在-40℃至150℃的温度范围内使用，并具有导电性能。这种胶粘剂能够提供可靠的导电连接，有助于噪声传感器的准确测量。耐油密封粘接通常采用环氧-聚硫胶粘剂，它在油中使用时保持良好的粘接强度，不会因油的接触而降低。这种胶粘剂能够在不同油品环境下提供可靠的密封性能，确保航天产品的可靠性和耐久性。高温耐油胶粘剂对多种材料具有良好的粘接强度。防水胶粘剂主要用于航天产品中需要防水的电器连接件、电缆端部和插头、线路板以及其他电器组件的灌封，主要防止水分和其他环境因素对电子元件的损害。

　　

　　5   航空增强织物

　　

　　在航空工程中，材料的选择至关重要，尤其是在航空增强织物的领域。航空增强织物是一种具有特殊结构和优异性能的复合材料，广泛应用于飞机、航天器和其他航空器件中。这些织物以其轻质、高强度和优秀的机械性能在航空领域中扮演着重要角色。航空增强织物采用高性能纤维材料作为增强体，如碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等，与树脂基体相结合形成复合材料。这种复合材料不仅具有优异的强度和刚度，而且具有出色的耐热性、抗腐蚀性和抗疲劳性能。它们能够承受高温、高压、剧烈振动等极端环境条件，并保持结构的完整性和稳定性并广泛应用于飞机机身、机翼、舵面、起落架等部件的制造，不仅能够减轻飞机的重量，提高燃油效率，还能提升飞机的飞行性能。

　　

　　涤纶织物

　　

　　涤纶是我国聚酯纤维的商品名称，也是合成纤维中的一种重要品种。涤纶具有许多优良的特性。它具有高强度、良好的弹性、耐热性、绝缘性、耐磨性和耐腐蚀性。因此，涤纶常被用于增强航空领域中高分子材料制品的耐磨性能和力学强度。然而，涤纶也存在染色性和吸湿性较差的特点，但它具有良好的色牢度，不容易褪色。由于这些特性，涤纶织物在航空领域得到广泛应用，特别是用于需要高强度和耐磨性的应用场景。

　　

　　芳纶织物

　　

　　芳纶纤维是一种芳香族聚酰胺纤维，其分子结构由芳香基团和酰胺基团组成，形成线性聚合物。这种纤维具有优异的力学性能和稳定的化学结构，拥有超高强度、高模量、耐高温、耐酸碱、质量轻以及耐磨损等出色特性。作为一种高强度合成纤维，芳纶具有卓越的耐热性、耐化学性和抗拉强度。芳纶纤维在航空领域中具有广泛应用，主要用于增强高分子材料制品的耐高温性能和力学强度。通过引入芳纶纤维，可以显着提升高分子材料制品的性能，特别是耐高温性能。其优异的力学性能和耐化学性使得芳纶织物成为一种理想的增强材料，可用于制造需要承受高温环境和高强度要求的航空产品。

　　

　　尼龙织物

　　

　　尼龙是一种合成纤维，也被称为聚酰胺纤维。它具有高强度、耐磨损和优异的弹性特性，因此在纺织品领域具有重要地位。尼龙的合成是合成纤维工业的重大突破，也是高分子化学发展的重要里程碑。尼龙纤维的最大优点是其结实耐磨、密度小、织物轻、弹性好以及耐疲劳破坏等特性。它具有较好的化学稳定性，对碱性物质具有较好的耐受性。然而，尼龙织物的耐日光性不佳，长时间暴露于阳光下会导致颜色变黄、强度下降。此外，尼龙纤维吸湿性较差，尽管相对于腈纶和涤纶有所改善。尼龙织物适主要用于航空高分子制品的内部力学增强。

　　

　　碳纤维复合材料

　　

　　碳纤维是一种由碳纤维束或纱线制成的高强度、轻质材料。碳纤维具有卓越的强度、刚度和耐腐蚀性，同时具有低热膨胀系数和优异的导电性能。在航空航天领域，碳纤维复合材料常用于制造飞机结构件、导电材料和航空器燃料储罐等。

　　

　　总结

　　

　　航空高分子材料是在航空领域中广泛应用的一类材料，具有多种特点。首先，航空高分子材料具有高强度和优异的力学性能，能够承受高应力和负载，确保飞行器的结构强度和可靠性。其次，这些材料具有轻质的特点，相比传统的金属材料更轻巧，有助于减轻飞行器的重量，提高燃油效率和节能减排。此外，航空高分子材料还具有耐高温、耐磨损和抗化学腐蚀等优异性能，能够在极端环境下保持稳定性。然而，它们也存在一些缺点，如耐日光性较差、吸湿性不佳等。综合来看，航空高分子材料在航空工业中发挥着重要作用，为飞行器的设计和制造提供了可靠的材料选择。