徐小偉 閆 超 田亦瑤 李祎燊 薛紅前

（1 中航西安飛機(jī)工業(yè)集團(tuán)股份有限公司，西安 710089）

（2 西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安 710072）

文 摘 介紹了國(guó)內(nèi)外芳香族聚酰胺纖維的歷史發(fā)展，歸納了其優(yōu)異的熱力性能、穩(wěn)定性和電絕緣性，分類概述了其在軍民用領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，進(jìn)而系統(tǒng)闡述了芳香族聚酰胺纖維及其復(fù)合材料在蜂窩材料、壓力瓶、飛機(jī)輪胎、發(fā)動(dòng)機(jī)等航空領(lǐng)域的應(yīng)用，總結(jié)出我國(guó)在發(fā)展芳香族聚酰胺纖維方面面臨高性能和高產(chǎn)能的需求。

0 引言

芳香族聚酰胺纖維（Aromatic polyamide fibers，縮寫AF）是一類新型的高性能纖維，又稱芳綸纖維或芳綸，最初被美國(guó)杜邦公司所發(fā)明，擁有卓越的機(jī)械性能和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，最初設(shè)想應(yīng)用于宇航研究材料等領(lǐng)域，現(xiàn)已成為一類重大的軍用戰(zhàn)略物資而受到國(guó)際關(guān)注。減重對(duì)航空航天領(lǐng)域來(lái)說(shuō)有著特別重大的意義，也是航空航天設(shè)計(jì)師除了安全性以外最為關(guān)注的性能指標(biāo)。研究表明，飛機(jī)每減質(zhì)量1 kg，可節(jié)約30 000 美元，而使用先進(jìn)的復(fù)合材料是達(dá)到減重目標(biāo)的唯一途徑［1］，芳香族聚酰胺纖維作為一種非常優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料，在航空領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用［2］，例如波音757 客機(jī)的起落架艙門［3］。本文首先簡(jiǎn)要介紹芳香族聚酰胺纖維的發(fā)展歷程以及性能指標(biāo)，然后對(duì)芳香族聚酰胺纖維在航空領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)行描述，最后指出我國(guó)應(yīng)加快芳香族聚酰胺纖維及其復(fù)合材料產(chǎn)品的自主研發(fā)進(jìn)度，以解決中國(guó)航空工業(yè)對(duì)先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)的需求。

1 芳香族聚酰胺纖維的簡(jiǎn)介

芳香族聚酰胺纖維又稱芳綸纖維，于1967年由美國(guó)杜邦公司率先完成了間位芳香族聚酰胺纖維的商品化生產(chǎn)，1972年對(duì)位芳香族聚酰胺纖維進(jìn)入了工業(yè)化，1974年，美國(guó)商業(yè)總會(huì)命名為“Aramid fibers”［2］。從分子角度來(lái)看，芳香族聚酰胺纖維是指大分子主鏈中含有85%以上的酰胺基團(tuán)直接連接在苯環(huán)的C 原子上。由于芳香族聚酰胺纖維大分子鏈中苯環(huán)和酰胺的平面共軛效應(yīng)以及分子鏈之間的氫鍵作用，賦予了其卓越的高強(qiáng)、高模、阻燃、耐熱、絕緣等特性，是一類新興的特種人工合成高分子材料。目前，市場(chǎng)上銷售的芳香族聚酰胺纖維主要是美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)的間位芳香族聚酰胺纖維（Nomex）與對(duì)位芳香族聚酰胺纖維（Kevlar）。正是由于芳香族聚酰胺纖維卓越的耐熱性與高模量，芳香族聚酰胺纖維廣泛應(yīng)用于航空結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域［4］。

1.1 芳香族聚酰胺纖維的發(fā)展

自芳香族聚酰胺纖維首次出現(xiàn)以來(lái)，該特種高分子材料得到了飛速的發(fā)展，目前國(guó)外研究芳香族聚酰胺纖維集中在美國(guó)、日本和俄羅斯，主要生產(chǎn)公司有：美國(guó)尼莫爾·杜邦公司、日本帝人株式會(huì)社、俄羅斯特威爾化纖股份公司、俄羅斯卡明斯克化纖股份公司、韓國(guó)科隆工業(yè)公司、韓國(guó)曉星集團(tuán)［5］。20世紀(jì)60年代，美國(guó)尼莫爾·杜邦公司率先研制成功了芳香族聚酰胺纖維，1967年，間位芳香族聚酰胺纖維（商品名為Nomex）首次商品化生產(chǎn)，1972年，對(duì)位芳香族聚酰胺纖維（商品名為Kevlar）實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。同年，日本帝人株式會(huì)社完成了間位芳香族聚酰胺纖維（產(chǎn)品名為Conex）的商業(yè)化，日本帝人株式會(huì)社生產(chǎn)的對(duì)位芳香族聚酰胺纖維產(chǎn)品共有2個(gè)牌號(hào)，分別為Technora和Twaron，其中Technora是日本帝人株式會(huì)社1987年自行研發(fā)并工業(yè)化的商品，而Twaron是日本帝人株式會(huì)社2000年并購(gòu)的荷蘭阿克蘇諾貝爾公司的產(chǎn)物，另外，日本帝人株式會(huì)社在1987年完成了共聚改性芳香族聚酰胺纖維（產(chǎn)品名為Technora）的工業(yè)化。1985年，俄羅斯特威爾化纖股份公司完成了共聚改性芳香族聚酰胺纖維的工業(yè)化，商品名Armoc。20世紀(jì)90時(shí)代中期，俄羅斯卡明斯克化纖股份公司開始研制芳香族聚酰胺纖維，目前該公司共生產(chǎn)5個(gè)牌號(hào)的芳香族聚酰胺纖維，商品名為APMOC、Pycap、apmek、apyc和CBM。1979年，韓國(guó)科隆工業(yè)公司開始研制對(duì)位芳香族聚酰胺纖維，2005年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，商品名為Heracron，2009年韓國(guó)曉星集團(tuán)實(shí)現(xiàn)對(duì)位芳香族聚酰胺纖維的產(chǎn)業(yè)化。圖1是國(guó)外芳香族聚酰胺纖維的發(fā)展史。

圖1 國(guó)外芳香族聚酰胺纖維的發(fā)展史Fig.1 The development history of aromatic polyamide fiber in abroad

我國(guó)芳香族聚酰胺纖維起步較晚，但發(fā)展速度較快。芳香族聚酰胺纖維作為高技術(shù)研究發(fā)展項(xiàng)目，被列入國(guó)家“863”計(jì)劃，20世紀(jì)80年代，國(guó)內(nèi)有多家公司進(jìn)行了研究，如中藍(lán)晨光化工研究院、北京橡膠工業(yè)研究設(shè)計(jì)院、西安交通大學(xué)等［6］。20世紀(jì)90年代，中藍(lán)晨光化工研究院掌握了對(duì)位芳香族聚酰胺纖維的制造技術(shù)，2005年，中藍(lán)晨光化工研究設(shè)計(jì)院實(shí)現(xiàn)了芳綸Ⅲ（雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維）的產(chǎn)業(yè)化，商品名為STARAMID F-3。1999年，煙臺(tái)泰和新材料公司啟動(dòng)建設(shè)了國(guó)內(nèi)第一個(gè)間位芳香族聚酰胺纖維項(xiàng)目，2004年順利實(shí)現(xiàn)間位芳香族聚酰胺纖維的工業(yè)化生產(chǎn)，商品名為泰美達(dá)，2009年投資對(duì)位芳香族聚酰胺纖維產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目，2011年完成工業(yè)化，商品名稱Taparan。2011年，蘇州兆達(dá)特纖科技有限公司與東華大學(xué)合作，采用國(guó)產(chǎn)原材料、國(guó)產(chǎn)專用設(shè)備，進(jìn)行間位和對(duì)位芳香族聚酰胺纖維正常連續(xù)化制造以及銷售，已有產(chǎn)品芳綸1414長(zhǎng)絲、芳綸紗線、芳綸短纖維、芳綸布、芳綸有色長(zhǎng)絲等。2011年，株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司開始自主研發(fā)高性能間位芳綸材料，2019年第一批芳綸紙實(shí)現(xiàn)正式投產(chǎn)。2013年，煙臺(tái)民士達(dá)特種紙業(yè)股份有限公司研制并商業(yè)化生產(chǎn)了間位芳香族聚酰胺纖維紙（商品名為Metastar）。此外，廣東彩艷股份有限公司研發(fā)并商業(yè)化了間位芳香族聚酰胺纖維以及共聚改性芳香族聚酰胺纖維；河北硅谷化工有限公司研發(fā)并生產(chǎn)了對(duì)位芳香族聚酰胺纖維（芳綸Ⅱ），商品名為特威綸［7］；江蘇圣歐集團(tuán)（中國(guó)）有限公司生產(chǎn)了X-FIPERTM超美斯芳綸紙、芳綸纖維，是國(guó)內(nèi)間位芳香族聚酰胺纖維第二大制造企業(yè)，實(shí)現(xiàn)了芳香族聚酰胺纖維紙規(guī)模化，芳香族聚酰胺纖維絕緣紙生產(chǎn)能力也名列世界第二；四川力通自主建設(shè)了間位芳香族聚酰胺纖維蜂窩生產(chǎn)線，依托國(guó)產(chǎn)化的芳香族聚酰胺纖維紙及浸漬樹脂等技術(shù)，研發(fā)生產(chǎn)出各種高品質(zhì)的蜂窩芯材制品；四川輝騰科技股份有限公司生產(chǎn)了雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維（芳綸Ⅲ）及其復(fù)合材料，目前已具備年產(chǎn)50 t芳綸Ⅲ的生產(chǎn)能力。以上研究表明我國(guó)的芳香族聚酰胺纖維發(fā)展速度極快，在不久的將來(lái)會(huì)趕上并超越國(guó)外水平。

1.2 芳香族聚酰胺纖維的品種

芳香族聚酰胺纖維根據(jù)元素類型可分成兩大類：全芳香族聚酰胺纖維和雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維。全芳香族聚酰胺纖維按照酰胺基團(tuán)和苯環(huán)上的C 原子的連接情況不同劃分為對(duì)位芳香族聚酰胺纖維（酰胺基團(tuán)連接在苯環(huán)的對(duì)位上）和間位芳香族聚酰胺纖維（酰胺基團(tuán)連接在苯環(huán)的間位上）。雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維（又成芳綸Ⅲ）是由含有其他元素如氮、硫、氧和雜原子之間的二胺和二酰氯縮聚而成的芳香族聚酰胺纖維。在航空復(fù)合材料領(lǐng)域中，目前對(duì)位芳香族聚酰胺纖維和間位芳香族聚酰胺纖維應(yīng)用最為普遍［2］，隨著雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維的深入研究，未來(lái)其在航空復(fù)合材料領(lǐng)域中將會(huì)得到廣泛應(yīng)用。目前，產(chǎn)業(yè)化的對(duì)位芳香族聚酰胺纖維商品名有Kevlar（杜邦）、Technora（帝人）、Twaron（帝人）等；產(chǎn)業(yè)化的間位芳香族聚酰胺纖維商品名有Nomex（杜邦）、Conex（帝人）等，雖然二者化學(xué)元素組成相同，但由于酰胺基團(tuán)和苯環(huán)的連接方式不同，造就了二者的性能特性差別很大，且應(yīng)用領(lǐng)域也各有不同。

1.3 芳香族聚酰胺纖維的性能

由于苯環(huán)和酰胺的平面共軛效應(yīng)以及分子鏈之間的氫鍵作用，賦予了芳香族聚酰胺纖維強(qiáng)大的物理化學(xué)性能［8］，如圖2所示。

圖2 芳香族聚酰胺纖維的主要性能指標(biāo)Fig.2 Main performance indexes of aramid fiber

（1）優(yōu)異的機(jī)械特性。芳香族聚酰胺纖維具有很大的強(qiáng)度，為一般優(yōu)良鋼鐵的5～6 倍，模量則為普通鋼鐵及玻璃纖維復(fù)合材料的2～3倍，彈性則為普通鋼鐵的2倍，密度卻僅為普通鋼鐵的1/5，其中對(duì)位芳香族聚酰胺纖維的強(qiáng)度為2.8～3.5 GPa，模量為72～175 GPa［9］，目前，國(guó)產(chǎn)芳綸Ⅲ的強(qiáng)度可達(dá)為2.2 GPa，模量為115 GPa。

（2）優(yōu)良的阻燃、耐熱等特性。間位芳香族聚酰胺纖維的極限氧指數(shù)（LOI）約等于28，屬難燃纖維，不能在室內(nèi)自燃，且不會(huì)助燃，具備高自熄性，擁有“防火纖維”之美譽(yù)［10-11］，對(duì)位芳香族聚酰胺纖維的耐熱性能要優(yōu)于間位芳香族聚酰胺纖維，在560 ℃高溫下不分解、不熔化，芳綸Ⅲ的極限氧指數(shù)（LOI）可達(dá)42，在600 ℃下開始分解。

（3）杰出的化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。穩(wěn)定的化學(xué)結(jié)構(gòu)使芳香族聚酰胺纖維擁有良好的耐一般化學(xué)品的特性，耐一般無(wú)機(jī)酸及化工產(chǎn)物的腐蝕、抗蒸氣腐蝕性強(qiáng)，比如Kevlar-49 在90 ℃下的H2SO4和NaOH 中各浸泡4 d，纖維的拉伸模量仍保持在初始模量的84%和73%［12-13］。

（4）優(yōu)異的耐輻射性能。芳香族聚酰胺纖維耐α、β、χ 輻射和紫外光線輻照的特性都非常突出，如Kevlar-29在強(qiáng)紫外輻照168 h后，其拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率保持在初始拉伸強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率的52.10%和55.53%［14］。

（5）良好的材料耐久性能。芳香族聚酰胺纖維具有優(yōu)異的抗摩擦與耐刺傷性等特性，例如Kevlar具有優(yōu)異的抗刀割和抗尖刺測(cè)試性能，可應(yīng)用于個(gè)人防護(hù)材料以及防彈衣的設(shè)計(jì)［15-16］。

（6）極佳的電絕緣能力。芳香族聚酰胺纖維介電常數(shù)特別低，為世界公認(rèn)的優(yōu)秀絕緣材料，例如間位芳香族聚酰胺紙具有優(yōu)異的電氣性能，其介電常數(shù)為1.5～2.5，是一種優(yōu)異的絕緣材料，此外芳香族聚酰胺纖維在高熱、低溫、高濕等條件，都可維持極佳的電絕緣能力［17-18］。

1.4 芳香族聚酰胺纖維的應(yīng)用

芳香族聚酰胺纖維擁有輕質(zhì)、高強(qiáng)度、耐磨性好等優(yōu)異特點(diǎn)，在宇航、軍用、建筑、交通運(yùn)輸、電子電氣、體育及運(yùn)動(dòng)器械制造等諸多領(lǐng)域中均有廣泛應(yīng)用，如圖3所示。

圖3 芳香族聚酰胺纖維的主要應(yīng)用領(lǐng)域Fig.3 Main application areas of aramid fibers

（1）航空航天領(lǐng)域：芳香族聚酰胺纖維密度低、硬度高、耐腐性好，能夠作為運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體或者航空器的機(jī)翼前緣、尾翼前緣、鼻錐等部位作為承載沖擊能量的結(jié)構(gòu)部件［19］，以及航空器的翼面尾部，作為功能性透波材料［20］。

（2）軍用領(lǐng)域：由于化學(xué)、核和新型軍事兵器的迅速發(fā)展，人們對(duì)于軍事防護(hù)服的特性也有著越來(lái)越多新的需求：堅(jiān)固耐用、輕巧、防彈、阻燃，以及優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性與偽裝性能等。在防彈背心與鋼盔材料中加入適量芳香族聚酰胺纖維，會(huì)使成品體量小、質(zhì)量輕。此外，芳香族聚酰胺織物還可以粘附于結(jié)構(gòu)物的內(nèi)壁，達(dá)到高效吸附爆轟波，從而避免彈片對(duì)人體的危害［21］。

（3）建筑工程領(lǐng)域：芳香族聚酰胺纖維的延伸性好、密度小、加工自由靈活多樣，是一種理想的建筑工程增強(qiáng)材質(zhì)。用芳香族聚酰胺纖維編織成鋼筋狀，可用作大規(guī)模建筑工程的混凝土增強(qiáng)骨架材質(zhì)，具備結(jié)構(gòu)高強(qiáng)、質(zhì)輕，還能耐腐蝕，并同時(shí)發(fā)揮了良好的抗剪功能［22］。

（4）交通運(yùn)輸領(lǐng)域：芳香族聚酰胺纖維具有密度低、耐高低溫，以及能與橡膠形成良好的界面結(jié)合等特性，可用作車輛及航空器上的輪胎簾子線。采用芳香族聚酰胺纖維制造的車輪質(zhì)量輕、車輪薄、滑動(dòng)阻低、強(qiáng)度高、耐磨性好、抗切割性能和抗穿刺特性能均十分優(yōu)異［23］。

（5）電子電氣領(lǐng)域：芳香族聚酰胺纖維具有較低的介電系數(shù)（與空氣的介電常數(shù)接近）、優(yōu)異的透波性能和力學(xué)性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性，因此芳香族聚酰胺纖維在變壓器的芯線、電路板基材、雷達(dá)天線等電氣絕緣以及電子領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。此外，芳香族聚酰胺纖維優(yōu)異的力學(xué)性能保障了細(xì)小且軟弱的光纜在拉伸時(shí)不會(huì)伸長(zhǎng)變形可用于制造成光纜中的“張力構(gòu)件”［24］。

（6）其他領(lǐng)域：由于芳香族聚酰胺纖維的物理化學(xué)性能和穩(wěn)定性較好，而且耐酸堿腐蝕，既輕質(zhì)又堅(jiān)固，因此可用作油田深井的纜繩。芳香族聚酰胺纖維耐熱、抗疲勞性很好，可以制成質(zhì)量較高的手球棍、釣魚竿、冰橇、單板滑雪、熘達(dá)桿、弓箭、賽艇、高爾夫球運(yùn)動(dòng)竿等，還可以來(lái)制成對(duì)戶外運(yùn)動(dòng)要求較嚴(yán)酷的高山鞋靴、拳擊手套、賽艇頭盔、賽艇車身之類。芳香族聚酰胺纖維代替石棉生產(chǎn)的強(qiáng)化橡膠保護(hù)板和密閉件，可用作車輛空氣制動(dòng)的襯墊與襯圈［25］。

2 芳香族聚酰胺纖維在航空領(lǐng)域中的應(yīng)用

減輕質(zhì)量對(duì)飛機(jī)和航天來(lái)說(shuō)都有著特殊重要性，航天器每減重1 kg，可節(jié)約近30 000美元經(jīng)費(fèi)，因此選擇先進(jìn)的纖維復(fù)合材料是達(dá)到減重目標(biāo)的唯一途徑［1］。采用芳香族聚酰胺纖維制備的復(fù)合材料具備比強(qiáng)度高、比模量高和抗耐疲勞性好等優(yōu)勢(shì)，用于大中型飛機(jī)、商用航空器以及運(yùn)載火箭等重要結(jié)構(gòu)部件，能在有效降低飛機(jī)自重的同時(shí)，提高飛行器的有效載荷，并節(jié)約動(dòng)力能源。如美國(guó)三叉戟戰(zhàn)術(shù)飛彈第三級(jí)運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體使用了對(duì)位芳香族聚酰胺纖維/聚砜樹脂碳纖維復(fù)合物，該復(fù)合材料與普通玻纖/環(huán)氧樹脂碳纖維復(fù)合物相比能使發(fā)動(dòng)機(jī)殼體減重30%～40%，在減重的同時(shí)并提升殼體的機(jī)械性能。用對(duì)位芳香族聚酰胺纖維簾子線取代了尼龍簾線作為橡膠骨架材料，也能夠促進(jìn)飛行輪胎輕量化和增長(zhǎng)壽命。此外對(duì)位芳香族聚酰胺纖維還能夠用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，以便在發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生故障的情形下，保護(hù)整體結(jié)構(gòu)不被破壞。

2.1 蜂窩結(jié)構(gòu)材料

芳香族聚酰胺纖維蜂窩是指一類仿照大自然中蜜蜂蜂巢構(gòu)造、由樹脂材料浸漬的芳香族聚酰胺纖維纖維紙構(gòu)成的非金屬?gòu)?fù)合材料。芳香族聚酰胺纖維蜂窩復(fù)合材料，具有低密度、高強(qiáng)度、高抗沖擊力，此外還具有減振、透波、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在航空應(yīng)用領(lǐng)域，芳香族聚酰胺纖維蜂窩是最重要的非金屬建筑材料，堪稱“瘦身專家”［26］。

杜邦公司的Kevlar 和Nomex 制成的蜂窩結(jié)構(gòu)材料在國(guó)際通用，使用芳香族聚酰胺纖維蜂窩材料所制成的飛機(jī)艙地板、行李艙和隔墻板能夠協(xié)助飛機(jī)制造商降低總載重［27-28］，在大型飛機(jī)上所占的比例是60%～70%，在戰(zhàn)斗機(jī)結(jié)構(gòu)上占了10%～15%。除體重更輕以外，蜂窩材料還具備了極低的導(dǎo)電和耐高溫性能，達(dá)到了行業(yè)規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)；出色的隔熱和隔聲特性增加了乘車的舒適性［29-30］。20世紀(jì)80年代，波音767 和空客A320 等商用班機(jī)使用了3%～5%的對(duì)位芳香族聚酰胺纖維或與碳纖維材質(zhì)結(jié)合的蜂窩材質(zhì)，減輕了飛機(jī)的質(zhì)量；此外歐盟的巨型客機(jī)空客A380和美國(guó)的波音787的飛機(jī)艙地板、內(nèi)飾件、機(jī)翼配件等均大量使用了間位芳香族聚酰胺纖維蜂巢材料，在減重的同時(shí)達(dá)到了減震的效果；美國(guó)采用了大規(guī)模的芳香族聚酰胺纖維纖維蜂窩芯制備了低成本輕型的美軍F35 戰(zhàn)斗機(jī)。中國(guó)將Nomex 蜂窩所制造的夾層構(gòu)造運(yùn)用在軍機(jī)和民機(jī)上，如飛機(jī)的襟板、副翼、發(fā)電機(jī)、座艙、貨柜、飛機(jī)前緣、直升機(jī)螺旋槳、飛機(jī)尾梁等部件。近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)科技水平的不斷突破，煙臺(tái)泰和新材料股份有限公司生產(chǎn)的間位芳綸蜂窩材料在國(guó)產(chǎn)直升機(jī)中有了廣泛的應(yīng)用，煙臺(tái)民士達(dá)特種紙業(yè)股份有限公司研發(fā)的間位芳綸蜂窩材料，通過(guò)了中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)的技術(shù)鑒定［31］，株洲時(shí)代新材料科技股份有限公司制備的間位芳香族聚酰胺纖維蜂窩材料，通過(guò)了AS9100：2016 國(guó)際航空航天產(chǎn)品質(zhì)量管理體系的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證評(píng)估等。目前，國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919 等開始使用國(guó)產(chǎn)的芳香族聚酰胺纖維蜂窩代替Kevlar和Nomex蜂窩材料［32-33］，來(lái)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)減重，應(yīng)用于大飛機(jī)的行李架、頂板等部位，這表明我國(guó)的芳香族聚酰胺纖維蜂窩材料的設(shè)計(jì)水平已在努力追趕世界步伐，但從國(guó)產(chǎn)和國(guó)外芳香族聚酰胺纖維蜂窩材料的使用量上看，我國(guó)與國(guó)外仍存在差距。

2.2 纖維纏繞壓力瓶

纏繞壓力瓶主要使用在呼吸機(jī)（如消防吸氧控制系統(tǒng)、登山、老年及疾病吸氧、飛行及飛行控制系統(tǒng)等）和車用壓縮天然氣燃油氣瓶?jī)纱髴?yīng)用領(lǐng)域。纖維纏繞壓力瓶首先在20世紀(jì)50年代用于軍事和飛機(jī)，壓力瓶主要作為軍用飛機(jī)的噴射控制系統(tǒng)，緊急激勵(lì)控制系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)重啟應(yīng)用控制系統(tǒng)等，又或者被用作飛行實(shí)驗(yàn)室的氧氣瓶以及導(dǎo)彈系統(tǒng)的氣壓源。每一架飛機(jī)都用了相當(dāng)數(shù)量的復(fù)合氣瓶，用作飛機(jī)艙內(nèi)壓縮空氣和推進(jìn)器以及控制系統(tǒng)的動(dòng)力。

20世紀(jì)70年代，美國(guó)聯(lián)邦交通部允許使用玻璃纖維和芳香族聚酰胺纖維制造的環(huán)繞氣瓶，航空器上帶有高壓氫氣（或其他氣體）的瓶子采用了Kevlar纖維細(xì)絲制成的外殼，有助于降低航空器的總質(zhì)量。一般的金屬合金氣瓶很可能引起爆裂，或噴射出高速的金屬碎屑對(duì)航空器產(chǎn)生破壞。而使用Kevlar 纖維細(xì)絲制成的氣瓶則只會(huì)引起韌性損傷，而不至于破碎為許多碎屑，這就極大地減少了對(duì)航空器的損傷危險(xiǎn)性。ZHELEZINA 等［34］人開發(fā)了一種芳香族聚酰胺復(fù)合層板結(jié)構(gòu)，該層壓板和由交替的金屬片和對(duì)位芳香族聚酰胺紡織層組成，具有優(yōu)異的高速?zèng)_擊穩(wěn)定性。WAGIH 等［35］人發(fā)明了碳纖維-對(duì)位芳綸/環(huán)氧樹脂混合復(fù)合層壓板，其中對(duì)位芳綸/環(huán)氧樹脂層為核心，碳纖維/環(huán)氧樹脂層為面板，這種設(shè)計(jì)有望利用對(duì)位芳綸/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的高能量吸收能力，使復(fù)合材料在受到?jīng)_擊以后，較其他復(fù)合材的強(qiáng)度損失小。結(jié)果表明，芳香族聚酰胺纖維復(fù)合材料可以減少?zèng)_擊時(shí)帶來(lái)的損傷，在纖維纏繞壓力瓶有著極大的應(yīng)用前景。

2.3 飛機(jī)輪胎

飛機(jī)輪胎作為飛機(jī)的主要安全性部件，用于保證飛機(jī)的平安起落。由于高性能車輪需要同時(shí)具有安全可靠、舒適性、質(zhì)量較小、易于收回和節(jié)油等綜合性能，因此對(duì)于飛機(jī)輪胎，安全性與減量然尤為質(zhì)要，這也就對(duì)飛機(jī)輪胎上提供支撐強(qiáng)度的簾子線提出了更高的性能要求。通過(guò)高性能簾子線，能給車輪提供更高的拉伸強(qiáng)度和更強(qiáng)的承載能力，在滿足航空器同等載重能力的同時(shí)降低了飛機(jī)輪胎的質(zhì)量，從而為增加軍事航空載彈載油的體積、民用飛機(jī)運(yùn)載量，給航空器及其他配件創(chuàng)造了更大的設(shè)計(jì)要求空間。

目前，用于飛機(jī)輪胎的尼龍簾子線由于硬度低，耐負(fù)荷小、容易變型等缺陷，現(xiàn)在廣泛使用對(duì)位芳香族聚酰胺纖維制備飛機(jī)輪胎的簾子線。芳香族聚酰胺纖維具有優(yōu)異的耐高溫、低密度等特性，能夠降低飛機(jī)輪胎載重的同時(shí)降低了車輪的滑動(dòng)阻力，有助于提高輪胎韌性和熱穩(wěn)定性［36-42］。日本帝人公司［43］開發(fā)的Tworon，由于高模量的特性，可以最大限度地減少飛機(jī)輪胎的增長(zhǎng)，與輪胎的低磨損性能提高100%的著陸次數(shù)。程莉等［44］人制備了一種對(duì)位芳綸/錦綸復(fù)合簾線，與常規(guī)錦綸簾線航空輪胎相比，復(fù)合簾線提高了輪胎強(qiáng)度，減輕了輪胎質(zhì)量，降低了油耗和滾動(dòng)阻力。JUNG 等［42］人通過(guò)將制備的對(duì)位芳綸納米纖維加入橡膠材料中，制備得到的纖維增強(qiáng)橡膠復(fù)合材料可以提高輪胎的整體性能要求，如耐磨性能和節(jié)油性能。吳春齊等［39］人采用對(duì)位芳綸制備了芳綸簾線，然后加入粘合增進(jìn)劑AIR-201 進(jìn)一步改善了芳綸簾線和膠料之間的粘合性。結(jié)合以上的研究，可以得知芳香族聚酰胺纖維用于輪胎的簾子線，將提高飛機(jī)輪胎的抗沖擊變形能力、胎體硬度和機(jī)械綜合性能，是飛機(jī)輪胎的理想骨架材料。

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)

隨著科技水平的不斷提高，對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的減重也迫在眉睫，航空發(fā)動(dòng)機(jī)減重是在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、安全性的前提下，盡可能降低其總質(zhì)量。芳香族聚酰胺纖維及其復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、比模量、抗疲勞、吸波、減震等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣等部件上得到廣泛應(yīng)用［45-48］。

風(fēng)扇機(jī)匣是航空發(fā)動(dòng)機(jī)最大的靜止部件，采用對(duì)位芳香族聚酰胺纖維復(fù)合材料包覆的風(fēng)扇機(jī)匣，又稱為風(fēng)扇包容環(huán)，其結(jié)構(gòu)是在鋁制機(jī)匣上纏繞多層Kevlar 編織物，最外層用樹脂對(duì)其進(jìn)行固化，發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量比之前減輕50%［48］。由于芳香族聚酰胺優(yōu)異的伸以及抗割裂等性能，當(dāng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生故障，風(fēng)扇葉片碎片撞擊到風(fēng)扇機(jī)匣后，會(huì)被芳香族聚酰胺編織物層所捕獲，從而保證了飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的安全性［47］。易凱等［49］人開發(fā)了一種基于對(duì)位芳香族聚酰胺纖維的混雜纖維復(fù)合材料層板應(yīng)用于風(fēng)扇機(jī)匣，采用碳纖維或玻璃纖維與Kevlar 纖維制備的混雜纖維復(fù)合材料層板具有比純Kevlar 復(fù)合層板更優(yōu)異的抗彈沖擊性能，表明可以通過(guò)加入第三組分與Kevlar混雜來(lái)進(jìn)一步增強(qiáng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣的力學(xué)性能。此外芳香族聚酰胺纖維還具有抗顫振和抗聲疲勞的特點(diǎn)，可用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)風(fēng)扇機(jī)匣內(nèi)側(cè)的消聲結(jié)構(gòu)，如CFM56和GE90等航空發(fā)動(dòng)機(jī)的消聲板均使用了對(duì)位芳香族聚酰胺纖維復(fù)合材料，張麗娜等［50］人的研究表明對(duì)位芳香族聚酰胺纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能滿足風(fēng)扇消音板材料的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

如上所述，芳香族聚酰胺纖維以密度低、比強(qiáng)度和比模量高、耐磨蝕、耐沖擊、低阻燃性等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于航天航空、建筑材料、交通、電子電氣和運(yùn)動(dòng)器械等領(lǐng)域。在飛機(jī)中廣泛應(yīng)用于二次結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)輪胎、壓力瓶以及發(fā)動(dòng)機(jī)等方面。但芳香族聚酰胺纖維的發(fā)展仍然存在以下問(wèn)題。

（1）國(guó)外芳香族聚酰胺纖維研究技術(shù)水平與生產(chǎn)工藝條件日益完善，國(guó)內(nèi)芳香族聚酰胺纖維加工和生產(chǎn)能力上，和國(guó)外水平仍然存在著很大的差距。

（2）國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的芳香族聚酰胺纖維僅作為國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的軍用戰(zhàn)略商品和民用重點(diǎn)物資，在國(guó)外市場(chǎng)上亟待投資與開發(fā)。

（3）芳香族聚酰胺纖維在航空中雖然有了很大的用途，但為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)航空減重目標(biāo)，需進(jìn)一步開發(fā)具有更高性能的芳香族聚酰胺纖維。

（4）芳香族聚酰胺纖維的來(lái)源仍然是石油基，對(duì)于綠色來(lái)源的芳香族聚酰胺纖維的開發(fā)也應(yīng)該得到重視。