航空航天特种针织物——高应变动态场景下的大形变自适应柔性功能材料

航空航天领域的特种针织物，是高性能纤维纱线通过线圈串套的针织工艺制备而成的柔性织物。它和机织物最大的区别在于，线圈结构赋予了针织物极高的弹性形变能力，最大形变率可以超过500%，同时拥有优异的抗冲击和能量吸收特性，是航空航天各类高应变动态场景下，实现大形变自适应功能的独一无二的柔性材料。

在新一代航天员出舱航天服的关节部位柔性承压特种针织物研发项目中，国内研发团队突破了高强聚乙烯和氨纶包芯纱的双轴向经编针织技术，解决了舱外航天服关节在40kPa内压下的大角度灵活活动世界级难题。过去传统的舱外航天服关节部位，大多使用波纹式的金属结构，不仅重量大，关节活动的阻力也很大，航天员长时间出舱活动后非常容易疲劳。国内航天服材料研发团队经过多年技术攻关，开发出了全新的双轴向经编特种针织物，这款织物在径向和纬向都有高强度的承力纱线限制织物的过度膨胀，同时线圈结构本身又保留了足够的弹性形变能力。应用这款特种针织物制备的舱外服关节承压层，在内压为40kPa的工作状态下，关节可以轻松实现超过120度的自由弯曲，关节弯曲的阻力不到传统金属波纹关节的1/5，航天员出舱活动的体力消耗降低了60%以上。同时这款特种针织物的爆破强度超过2MPa，是航天服工作内压的50倍，拥有极高的安全冗余。在我国新一代飞天舱外航天服的全工况验证试验中，应用这款特种针织物的柔性关节，经过10万次的反复弯曲循环后，完全没有出现任何断线或者强度衰减的情况。目前这款柔性针织承压关节已经应用于我国新一代出舱航天服，在空间站的多次出舱活动中表现完美，大幅提升了航天员出舱活动的工作效率。

在大型民用飞机的航空发动机风扇叶片抗鸟撞特种针织防护层研发项目中，国内研发团队开发出了三维多轴向针织碳纤维特种织物，解决了大尺寸宽弦风扇叶片的高抗鸟撞性能难题。航空发动机的风扇叶片在飞行过程中，如果撞上1.8公斤的飞鸟，巨大的冲击能量很容易导致叶片断裂，引发严重的飞行事故。国内航空发动机研发团队将这款三维多轴向针织碳纤维织物作为增强体制备叶片的复合材料，这种三维针织结构让复合材料的层间剪切强度提升了200%，完全不会出现传统二维铺层复合材料鸟撞时的层间分层撕裂问题。在发动机的全尺寸鸟撞试验中，应用这款针织复合材料的风扇叶片，成功抵御了1.8公斤飞鸟的高速撞击，叶片没有出现任何断裂和飞出的情况，完全满足适航要求。目前这款三维针织碳纤维织物已经全面应用于长江-1000A大涵道比发动机的风扇叶片，为国产大发动机的适航取证提供了关键的材料支撑。

在新一代柔性变体飞机的蒙皮大形变特种针织基底研发项目中，国内研发团队开发出了形状记忆聚合物纤维编织的特种经编织物，解决了变体飞机蒙皮在大角度机翼变形时的自适应跟随难题。变体飞机的机翼可以在飞行过程中主动改变后掠角和展弦比，实现全飞行包线内的最优气动效率，这就要求蒙皮基底织物可以跟随机翼结构产生超过100%的大形变，同时保持表面的连续光滑。国内研发团队开发的这款特种针织物，最大弹性形变率可以达到150%，同时在形变过程中表面的平整度误差小于0.5毫米，完全满足变体飞机的气动外形要求。目前这款大形变特种针织物已经应用于我国变体无人机的技术验证样机，试飞过程中蒙皮随机翼变形全程平稳，没有出现任何褶皱或者损坏的情况。从舱外航天服的柔性关节承压针织物，到航空发动机风扇叶片的抗鸟撞针织复合材料，再到变体飞机的大形变蒙皮基底，特种针织物以其独特的大形变自适应特性，为航空航天各类高应变动态场景提供了不可替代的柔性功能解决方案。