一種帶有表面氦氣阻隔層的蒙皮及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具有氦氣阻隔層設(shè)計(jì)的蒙皮材料，特別是用于鄰近空間飛行器的蒙皮。
【背景技術(shù)】
[0002]鄰近空間飛行器是一種含推進(jìn)裝置、可控制飛行、依靠靜升力駐空工作的新型鄰近空間多功能飛行平臺(tái)，工作高度海拔約20Km。飛行器的飛行特點(diǎn)決定了其在軍事偵察、空間預(yù)警、通信中繼和空間探測(cè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，因而廣受各國(guó)科學(xué)工作者青睞。然而鄰近空間飛行器工作環(huán)境十分嚴(yán)酷:溫度低(最低溫度約_55°C)、晝夜溫差大；大氣密度僅為地面的1/14;紫外線輻射、臭氧作用強(qiáng)烈。在此種環(huán)境下工作，首先要求蒙皮材料具有極低的面密度和良好的耐候性;飛行器內(nèi)部溫度不斷變化，造成蒙皮內(nèi)外壓差增大，對(duì)長(zhǎng)航時(shí)飛行器而言，克服溫度變化引起的壓差尤為重要；由于飛行器在其服役過(guò)程中蒙皮內(nèi)外存在壓差，以及較多的工作載荷，因此蒙皮材料必須具有足夠的力學(xué)性能；同時(shí)為保持飛行器外形還需要蒙皮材料具備優(yōu)良的抗蠕變性能、縫合工藝性及易于修補(bǔ)的特性。除此之外飛行器多采用氦氣作為浮升氣體，長(zhǎng)期駐空的工作特性要求蒙皮材料必須具有極佳的阻氦氣滲漏性?；谝陨显蛐枰陲w行器蒙材料內(nèi)層另加一層氣體阻隔層防止氦氣滲漏，該層要與蒙皮材料之間有良好的粘接作用并能承受低溫，紫外線，高溫差等嚴(yán)格的外部環(huán)境。
[0003]近年來(lái)，有學(xué)者發(fā)現(xiàn)石墨烯材料可以作為氦氣阻隔材料，具有較好的阻隔效果(Science 27 January 2012: Vol.335n0.6067pp.442-444)，國(guó)內(nèi)也有公司采用化學(xué)氣相沉積(CVD)法生長(zhǎng)石墨烯薄膜進(jìn)行多次疊層對(duì)蒙皮內(nèi)側(cè)進(jìn)行貼合(金虎.復(fù)合氣體阻隔膜.中國(guó).201420846448.2015-07-01)以達(dá)到降低氦氣滲透的效果。但制備這種阻隔膜需要將CVD制備的石墨烯銅箔進(jìn)行刻蝕，得到單層石墨烯進(jìn)行逐層疊加而實(shí)現(xiàn)多層阻隔。但由于石墨烯的特性，層與層之間的結(jié)合力很弱，層數(shù)越多貼合會(huì)越困難；由于對(duì)貼合表面的平整度要求較高石墨烯只能貼覆在蒙皮內(nèi)側(cè);而且多層貼合成本高、工序復(fù)雜很難實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，且目前石墨烯薄膜生產(chǎn)難以采用超大尺寸制造技術(shù)，對(duì)于表面積動(dòng)輒幾千、幾萬(wàn)平米的臨近空間飛行器來(lái)講，基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)商業(yè)應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種可提升飛行器蒙皮氦氣阻隔性能的蒙皮，所述蒙皮適用于條件苛刻的鄰近空間飛行器；
[0005]本發(fā)明的另一目的是提供上述可提升飛行器蒙皮氦氣阻隔性能的蒙皮的制備方法。
[0006]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)具體實(shí)現(xiàn):
[0007]一種帶有表面氦氣阻隔層的蒙皮，所述氦氣阻隔層為TODA層和石墨烯粉體層相互交替貼合構(gòu)成，其中最里層的roDA層與蒙皮的表面貼合。
[0008]優(yōu)選的，所述蒙皮的表面包括蒙皮的一面或雙面，為了保證阻隔膜的阻隔效率和工藝優(yōu)化，可在蒙皮內(nèi)外兩側(cè)表面進(jìn)行roDA層和石墨烯的交互貼層。
[0009]優(yōu)選的，所述F1DDA層與石墨稀粉體層共6層以上，例如:6層、8層、28層、40層、50層、60 層、70 層、80 層、90 層、100 層、110 層、140 層、150 層、180 層、200 層、230 層、270層、300層、400層、500層等，根據(jù)需求可以選擇更多的貼層。更優(yōu)選10-100層，例如:10層、14層、18層、22層、30層、34層、36層、40層、42層、46層、48層、50層、54層、60層、66層、72層、78層、86層、90層、92層、94層、96層、100層等;最佳優(yōu)選20-30層，例如:20層、22層、24層、26層、30層。
[0010]隨著層數(shù)的增加，阻隔氦氣的能力增強(qiáng)，層數(shù)增大到100層后，其阻隔氦氣的能力的提升收益不在明顯。本發(fā)明采用石墨烯與roDA交貼的表面貼層，在達(dá)到20層時(shí)，可以達(dá)到高水平的氦氣的阻隔要求。雖著層數(shù)的增加，經(jīng)對(duì)蒙皮的反復(fù)試驗(yàn)，由于PDDA具有很強(qiáng)的靜電吸附特性和防滲特性，100層以下時(shí)，機(jī)械性能不會(huì)受到層數(shù)的影響。然而，隨時(shí)層數(shù)的增多，蒙皮的重量和厚度在增大，使得貼層的工藝時(shí)間成本增加，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，以20-30層時(shí)，可以滿足鄰近空間飛行器的氦氣阻隔要求及飛行中帶來(lái)的機(jī)械性能等的需求，是成本與需求最佳的層數(shù)選擇。
[0011 ]優(yōu)選的，所述PDDA層的厚度為1-1OOOnm，例如:lnm、60nm、95nm、130nm、155nm、182nm、264nm、310nm、381nm、466nm、523nm、600nm、645nm、689nm、762nm、810nm、912nm、976]1111、1000111]1等；優(yōu)選 3nm;
[0012]所述石墨稀粉體層厚度為1-1OOOnm，例如:lnm、67nm、95nm、136nm、200nm、248nm、286nm、322nm、370nm、410nm、473nm、520nm、600nm、675nm、740nm、800nm、880nm、926nm、
IOOOnm 等；優(yōu)選 3nm。
[0013]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述roDA層與石墨烯粉體層的厚度比為1:0.8-1.5,更優(yōu)選為I: I。石墨烯層過(guò)厚對(duì)吸附性能有影響，PDDA層過(guò)厚會(huì)對(duì)阻滲作用起到影響作用。
[0014]優(yōu)選的，所述石墨稀粉體層為石墨稀粉體材料，本發(fā)明中所述石墨稀粉體材料為廣義的石墨烯材料，可以是氧化石墨烯粉也可以是還原氧化石墨烯粉，可以是單層石墨烯粉、多層石墨烯粉或石墨微片(層數(shù)多于10層的石墨烯)等。本發(fā)明選擇寬厚比高的石墨烯粉體材料所得產(chǎn)品品質(zhì)更高，墨烯粉是有由含微小石墨烯晶體組成的，這些晶體從單層多層不等，面積也在微米級(jí)別，所謂寬厚比指的是面積與層數(shù)之比，于本發(fā)明中寬厚比越大越好。
[0015]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述石墨烯粉體為氧化石墨烯粉。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在鄰近空間的晝夜溫差過(guò)大的并替環(huán)境中，氧化石墨烯對(duì)氦氣的吸附性能更加優(yōu)越。
[0016]優(yōu)選的，所述蒙皮為高空飛行器蒙皮、或者高空浮空器蒙皮，本發(fā)明更適用于鄰近空間飛行器蒙皮。
[0017]當(dāng)蒙為用于鄰近空間飛行器時(shí)，所述所述PDDA層與石墨烯粉體層共20-30層，例如:20、22、24、26、28、30層，所述PDDA層的厚度為3nm、所述石墨烯粉體層的厚度為3nm。此時(shí)，即滿足了對(duì)鄰近空間的氦氣阻隔要求，可以在艱難的環(huán)境中保證蒙皮的機(jī)械性能(韌性、耐高低溫的穩(wěn)定性)等的需求，保證了使用壽命，同時(shí)最大限度的節(jié)約了成本。
[0018]上述的帶有表面氦氣阻隔層的蒙皮的制備方法，包括如下步驟:
[0019]I)在清潔好的蒙皮上附著一層roDA溶液，烘干至溶劑全部蒸發(fā)后形成roDA層；
[0020]2)將帶有TODA層的蒙皮上再附著一層石墨烯粉體溶液，烘干至溶劑全部蒸發(fā)形成石墨烯粉體層；
[0021]3)重復(fù)步驟I)和2)至蒙皮表面所需要形成的層數(shù)。
[0022]優(yōu)選的，所述PDDA溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0I % -10 %，例如:0.0I %、0.08 %、0.10 %、
0.15%、0.20%、0.23%、0.28%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.5%、0.55%、0.58%、0.60%、0.64%、0.70%、0.76%、0.80%、0.85%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9 %、1 %等;優(yōu)選0.5%o I3DDA溶液(水溶液)的溶度過(guò)高濃度超過(guò)1 %時(shí)，I3DDA層加厚，所得蒙皮的機(jī)械性能和阻隔氦氣性能都將受到影響，0.5%時(shí)，既可保證蒙皮的最機(jī)械性能，同時(shí)，可與石墨烯牢固的膠合。
[0023]和/或，石墨烯粉體溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01-10%，例如:0.01%、0.08%、0.10%、0.15%、0.20%、0.23%、0.28%、0.30%、0.35%、0.40%、0.45%、0.5%、0.55%、0.58%、0.60%、0.64%、0.70%、0.76%、0.80%、0.85%、1%、2%、3%、4%、5%、6%、7%、8%、9%、10% 等;優(yōu)選 0.5%。
[0024]優(yōu)選的，所述步驟I)和步驟2)中，所述附著方法，采用浸泡提拉方法、光輥涂布、網(wǎng)輥涂布、刮刀式涂布、噴霧式涂布、簾式涂布或旋凃。
[0025]優(yōu)選的，附著PDDA溶液的方法采用浸泡提拉的方法，優(yōu)選的，浸泡時(shí)間?lmin，進(jìn)一步優(yōu)選的，浸泡時(shí)間為1min;
[0026]和/或，附著石墨烯粉體層的方法采用浸泡提拉的方法，優(yōu)選的，浸泡時(shí)間lmin,進(jìn)一步優(yōu)選的，浸泡時(shí)間為lOmin。
[0027]優(yōu)選的，所述步驟I)中，烘干的溫度為60-200°C、時(shí)間為8-15min，優(yōu)選烘干溫度為100 °C、干燥時(shí)間為1min;
[0028]和/或，所述步驟2)中，烘干的溫度為60-200 V、時(shí)間為8_15min，優(yōu)選烘干溫度為100 °C、干燥時(shí)間為1min。
[0029]本發(fā)明的有益效果是:
[0030]本發(fā)明產(chǎn)品采用全新的石墨烯粉體與PDDA(聚二烯丙基二甲基氯化銨)交互貼層的方法實(shí)現(xiàn)了飛行器蒙皮氦氣阻隔性能的提升，使氦氣的滲透率降低到原來(lái)的1/10—1/5。而且表面阻隔層質(zhì)量輕，密度小(密度僅為1.04