0 引 言
随着航空航天产业的发展，一系列新的太空探索任务和实验随之展开。中国工程院在“新材料强国2035战略研究”重大咨询项目发布的《关于加快新材料产业创新发展的指导意见》中明确指出，要重点突破耐高温及耐蚀合金、高性能纤维及其复合材料、先进半导体材料、生物医用材料等关键材料，这为航天材料的发展提供了新的机遇[1]。另外，高真空、微重力、空间碎片等极端太空环境，也对航天材料提出了更高的要求。在此形势下，航天材料市场规模不断增长、技术持续创新，且更注重于环保和资源循环的利用。
航天材料的性能是航空航天领域发展的三大难点之一，也是材料科学领域中富有创造性和开拓性的一个重要分支，更是航天现代化和高科技发展的物质基础。航空航天用材料不仅要求质量轻、强度高，还需具备耐高温、抗腐蚀、抗辐射，以及耐疲劳等性能，以确保在极端条件下的长期稳定性和可靠性[2]。航天材料的种类繁多，其中应用最广泛的主要有复合板材、薄膜材料和纤维基编织材料。复合板材质量轻、强度高、耐腐蚀性好、热稳定性高且具有较好的可设计性，是航空航天发动机、重型燃气轮机、超临界火电机组等高端装备中必需的关键材料[3]。其中的先进结构陶瓷基复合材料，更能作为航天器隔热层的核心材料。但航空航天用复合板材普遍存在不同复合成分之间的各向异性问题，简单的层级结构无法实现各种复合材料性能的最大化利用。而薄膜材料则是航天飞行器电气系统中常用的一种关键材料，它质量轻、可折叠变形且具有一定的强度，通过添加功能性原料，甚至可以进一步提高它的耐高低温性能，具有较高的研究价值[4]。然而，复杂的航天设备通常需要多种材料进行连接和集成，由于薄膜材料的表面性质和物理特性与其他材料差异较大，导致其连接难度较高，通常需要开发特殊的连接技术和工艺。面对复合板材和薄膜材料所存在的缺陷，纤维基编织材料的出现提供了一种新的思路。纤维基编织材料是指由长纤维（如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维等）组成，通过编织、缠绕、铺设等技术形成的网状结构。纤维基编织材料的结构特点使其具有优异的抗冲击能力。通过纤维的交织和编织，材料能更好地分散外部冲击力，减少裂纹扩展，从而提高航天器的耐冲击性[5]。这使得纤维基编织材料更适用于航天器的结构组件，尤其是需要应对碰撞或外部压力变化的部位。
如今，航天器通常需要完成长时间的在轨任务，在此期间所遇到的状况需要航天器自主完成检测、分析并做出应对，这就要求航天材料具有灵敏的信号采集和传递功能。目前比较常见的信号探测手段是将各种光敏、压敏、热敏信号转化为电信号，从而实现数据的收集。纤维基编织材料中的高性能纤维材料，在结合复合板材高强度与薄膜材料轻质和可塑性等优点的基础上，还可以掺杂各种导电金属纤维，实现航天器表面传感元件的大面积覆盖，满足了传感响应型航天材料的开发需求。另外，高性能纤维结合了传统纺织技术的织造工艺和新型纤维材料的性能优势，正逐渐成为目前主流的航天器研发材料。
1 无机高性能纤维材料
无机高性能纤维是一类具有优异力学性能、热稳定性、耐腐蚀性等特性的纤维材料，广泛应用于航空航天、军事、汽车、体育器材以及防护装备等领域。本文所涉及的无机高性能纤维包括碳纤维、石英纤维、玄武岩纤维和氧化铝纤维。
1.1 碳纤维
目前，国内外主流的聚丙烯腈（Polyacrylonitrile，PAN）基碳纤维的制备通常采用湿法纺丝法。该工艺以PAN纤维为原料，经过纤维纺丝、热稳定（预氧化）、碳化和石墨化等一系列精密步骤，最终制备出高性能的碳纤维（如图1 所示）[10]。为了进一步提升碳纤维的性能，秦其峰等[11]采用响应面法优化了三元共聚体系的单体配比（丙烯腈∶丙烯酸甲酯∶衣康酸=94.5∶4.2∶1.3），通过凝胶渗透色谱分析显示，优化后的聚合物分子量分布指数（Polydispersity Index，PDI）由1.85降至1.32。所得原丝经电镜表征显示纤维直径呈正态分布（μ=9.08±0.23 μm），单丝拉伸测试表明其强度达到11.82±0.45 cN/dtex（n=50），较传统工艺提升了27.3%，为高性能碳纤维的制备提供了新的思路。
表 1 PAN基碳纤维增强复合材料在航天型号上的典型应用Table 1 Typical applications of PAN-based carbon fiber reinforced composites in spacecraft models |
| 应用部位 | 应用部件 | 材料种类 |
| 载人飞行器 | 储运发射箱、燃气舵组件 | 碳/酚醛防热复合材料 |
| 火箭发动机 | 燃烧室绝热层、喷管座部件、扩散段等 | 碳/酚醛防热复合材料 |
| 火箭发动机 | 喉衬等防热部件 | 碳/碳防热复合材料 |
| 轨控发动机 | 推力室身部 | 碳/碳防热复合材料 |
| 飞行器 | 头部、翼前缘 | 碳/碳防热复合材料 |
| 弹体/箭体结构 | 整流罩、复合基座、惯组基座、卫星支架、级间段、 发射筒、仪器舱、诱饵舱等 | 碳纤维环氧树脂结构复合材料 碳纤维双马树脂结构复合材料 |
| 火箭发动机、助推器 | 壳体 | 碳纤维结构复合材料 |
1.2 石英纤维
石英纤维，又称玻璃纤维，是由高纯石英或天然水晶为原料制得的一种无机纤维，其直径通常处于微米级别。玻璃纤维的SiO2含量高达99.9%以上，凭借其卓越的耐高温、抗热震、高绝缘和优异的化学稳定性，在航空航天领域发挥着至关重要的作用。
石英纤维的制备主要采用化学气相沉积法、溶胶-凝胶法以及静电纺丝法等技术。其中，静电纺丝技术操作简便，且可制备超细纤维，成为近年来研究的热点。如图2 所示，Shahhosseininia等[14]通过静电纺丝技术，将硅酸乙酯、聚乙烯吡咯烷酮、丁醇等原料转化为性能优异的石英纤维。这种技术制备的纳米纤维材料具有轻质、高强度、耐高温、抗腐蚀等特点，为航空航天器复合材料、过滤器、传感器等材料和部件的制造提供了新选择。为进一步提升石英纤维的性能，鹿海军等[15]研究发现，采用QW280石英纤维织物作为增强纤维，聚酰亚胺树脂AC721作为基体，有效提高了复合材料在300 ℃下的抗氧化能力，为石英纤维在高温环境下的应用提供了新的解决方案。
石英纤维在航空航天领域应用广泛，如表2 所示。美国航天飞机所使用的柔性隔热材料，就是以石英纤维为主要成分，其最高使用温度可达750 ℃。美国Ames中心研发出一种新型刚性隔热材料[16]，该材料由60.0%~80.0%石英纤维、20.0%~40.0%氧化铝纤维和0.1%~1.0% B4C粉末组成。这种材料具有低热导性，能耐较高温度，常用于航天飞行器的隔热层。李久刚等[17]设计了一种复合型石英三维间隔织物，其上层织物为三层角联合互锁结构，下层为单层织物，中间间隔填充部分为纤维毡，连接部分按间隔织物的织造方式进行连接。这种结构极大地增强了织物结构的隔热性能，被使用在“神舟”系列飞船返回舱的外部隔热层上。
表 2 石英纤维在航空航天领域的应用Table 2 Applications of quartz fiber in the aerospace sector |
| 功能材料 | 航天航空应用场景 |
| 耐烧蚀材料的增强材料 | 航天飞行器再入大气隔热罩、火箭头锥体、雷达天线罩、喷管和排气管 |
| 透波材料的增强材料 | 石英纤维具有稳定的介电常数和介电损耗，常用于航天飞行器的电磁窗 |
| 高温隔热材料 | 运载火箭防护系统、火箭喷管、高温酸性液体与气体介质的过滤材料和反应堆的保温材料、高温过滤材料 |
| 铝箔板的增强材料 | 石英纤维印刷电路板用于航空航天、军工和超级计算机 |
1.3 玄武岩纤维
玄武岩纤维是将天然玄武岩矿石在1 500 ℃以上的高温下熔融，再通过铂铑合金漏板后高速拉制而成的连续纤维。玄武岩纤维具有良好的耐化学降解性、耐吸湿性、耐高温性，同时耐酸碱性介质能力也十分出色，是一种新型无机环保绿色高性能纤维材料[18]。
传统的玄武岩纤维制备采用的是高温熔融拉丝法。如图3 所示，选用硅镁含量高的玄武岩矿石，经破碎筛分后，在1 500 ℃以上的电弧炉或燃气炉中使矿石熔融，形成均匀的熔体。熔体通过铂铑合金漏板的微孔，经高速拉丝形成连续纤维[19]。近年来，玄武岩连续纤维的制备开始采用连续式池窑拉丝技术。该方法将矿石熔化、熔融体均匀化、拉丝成形集成于池窑内，可以减少能耗并提升产率。
早期的玄武岩纤维因其出色的耐高温性能，常被用作航天器的耐高温保护层材料。例如，1975年美国“阿波罗”宇宙飞船的结构材料上就首次使用了玄武岩纤维。作为空间碎片防护结构的关键材料，玄武岩纤维能有效破碎、熔化甚至气化弹丸，并降低弹丸的速度，大幅度提升空间站抵御高速（>6.5 km/s）空间碎片撞击的能力。目前，由中国航天科技集团有限公司第五研究院和浙江石金玄武岩纤维股份有限公司联合开发的玄武岩纤维布已应用于我国空间站建设[20]。
1.4 氧化铝纤维
氧化铝（Al2O3）纤维是陶瓷纤维的一种，是以氧化铝为主要成分制备的高性能无机纤维。它具有强度高、模量高、热稳定性好、隔热和绝缘等特点，被广泛应用于航空航天领域。
氧化铝纤维的制备主要有物理成型法和前驱体转化法。物理成型法是将陶瓷粉料经高温熔融拉丝，然后冷却固化制成；而前驱体转化法则是利用含有目标元素且裂解可得到目标陶瓷的先驱体，经高温裂解制得[23]。如图5 所示，Shojaie-Bahaabad等[24]以AlCl3·6H2O（纯度≥99.9%）、铝粉（粒径<45 μm）和Y2O3（2 wt%）为原料，在HCl催化作用下形成Al-O-Y复合溶胶。通过旋转黏度计检测可知，当溶胶黏度为1 200±50 mPa·s时具备最佳纺丝性能。经1 000 ℃烧结后，获得了直径8~12 μm的α-Al2O3纤维，其抗拉强度达1.8 GPa（测试标准ASTM D3379），相较于传统工艺提升了40.0%。这种氧化铝纤维具有较高的抗拉强度和优异的抗氧化性能，能制成各种高性能复合材料。陈代荣等[25]以非晶态氢氧化铝悬浊液与小分子羧酸为原料，成功制备了羧酸铝溶胶。将这种溶液加入硅溶胶后，经浓缩和老化处理，得到了可纺性羧酸铝前驱体溶胶。后续通过干法纺丝获得主晶相为γ-Al2O3的连续氧化铝纤维。经过精确测量，所制得的氧化铝连续纤维直径为7~10 μm，长度最长可达1 500 m。这种氧化铝连续纤维展现出优异的强度特性与良好的可编织性，在多个领域具有潜在的应用价值。
2 有机高性能纤维材料
有机高性能纤维是以有机高分子为基础的一类纤维材料，这类纤维具有优异的力学性能、热稳定性、耐腐蚀性及化学稳定性，广泛应用于航空航天、军事装备、汽车工业、防护装备等领域。本文所涉及的有机高性能纤维包括芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、聚芳酯纤维。
2.1 芳纶纤维
芳纶纤维是一种新型高科技合成纤维，由芳香基团和酰胺基团组成的线性聚合物构成，具有高强度、高模量、耐高低温、耐酸碱和质量轻等优良特性。芳纶纤维的强度是优质钢材的5~6倍，模量是钢材或玻璃纤维的2~3倍，韧性是钢材的2倍，而重量仅为钢材的1/5。芳纶纤维可在−196~204 ℃的温度区间长期稳定工作，并且在560 ℃的高温环境下也不会发生熔解。将芳纶与薄铝板、环氧无纬布交叠热压后形成的复合层板，具有极高的模量比和强度，其抗疲劳寿命是铝合金板的100~1 000倍，可作为飞机的机身材料。采用芳纶纤维制备的树脂基增强复合材料应用于飞机壳体，可显著减轻飞机的重量[28]。芳纶纤维主要通过液晶纺丝法制得，如图6 所示，通过PPTA（聚苯二甲酰胺）粉末的去质子化得到了芳纶纳米分散液，这种分散液通过湿法纺丝可以得到芳纶纤维。
Song等[29]通过将柔性的双（4-氨基苯氧基）苯基引入主链，研制出两种新型的芳纶共聚物。通过在聚合物链的主链中引入柔性的双苯基（4-氨基苯氧基）（Bis（4-Aminophenoxy） Benzene，BAB）的基团，制备出了1,3双苯-4-氨基苯氧基苯（1,3-Bis（4-Aminophenoxy） Benzene，MBAB）-芳纶和1,4-亚氨苯氧基苯（1,4-Bis（4-Aminophenoxy） Benzene，PBAB）-芳纶。MBAB-芳纶和PBAB-芳纶所形成的薄膜分别表现出270.1 ℃和292.7 ℃的玻璃转变温度，以及449.6 ℃和465.5 ℃的热分解温度。这种高强度、超薄的芳纶纤维在薄膜、膜和功能涂层等多个行业中具有广泛应用潜力。
芳纶纤维在航空航天领域的应用从结构减重延伸至功能集成，几乎覆盖了飞行器设计的全生命周期。随着国产大飞机（如C919）和卫星技术的发展，芳纶纤维的需求将持续增长，技术迭代将聚焦于多功能复合化与低成本制造。
2.2 聚酰亚胺纤维
高性能聚酰亚胺纤维（Polyimide，PI）在近几十年中取得了快速发展。PI具有优异的机械性能、耐高温等独特性能，在航空航天、汽车和微电子行业有着巨大的应用前景。在轻质结构材料领域，PI泡沫因其高温稳定性和良好机械性能脱颖而出，成为研究最多的聚合物泡沫。
制备PI纤维多采用湿纺和干纺法。在湿法纺丝过程中，有机溶剂中的PI或聚（酰胺酸）（Poly（amic Acid），PAA）溶液被挤出（直接或通过短气隙）到非溶剂中，以进行纤维凝固和溶剂萃取。湿纺完成后，所得纤维在张力下通过退火处理，以提高拉伸强度和模量。在干纺过程中，挥发性溶剂从挤出的PAA纤维中蒸发，与热气体接触时发生部分亚胺化反应。
Aghababaei等[32]研发出一种用于航空航天极限热管理系统的聚酰亚胺气凝胶纤维束。采用毛细作用辅助凝胶化技术，利用表面张力自组装形成纤维束，解决了传统纺丝法对高黏度溶胶的工艺限制。此外，通过CO2的超临界干燥技术，在维持纳米孔结构的同时，避免了传统冷冻干燥的冰晶损伤问题（如图8 所示）。这一成果为新一代航天服、可重复使用火箭隔热层等场景提供了材料基础。
2.3 聚芳酯纤维
芳香族共聚酯液晶纤维具有耐高温、阻燃、耐腐蚀、耐外太空辐射的优点。利用聚芳酯熔体液晶特性，采用液晶纺丝结合后固相聚合技术，制备出高强度的聚芳酯纤维，纤维强度达到25 cN/dtex。聚芳酯纤维耐外太空辐射、耐高低温，可用于平流层飞艇、航空器的囊体、飞机降落减速伞等。此外，聚芳酯纤维的高强度、高模量特性，可用于特种电缆芯材的增强材料，还可用于高性能船用缆索、传送带、体育运动用品、防护用品等方面。
聚芳酯纤维通常采用湿法纺丝的方法成型。如图9 所示，钦维民等[33]探讨了高性能聚芳酯纤维——热致性液晶聚芳酯纤维的制备及其性能表征。他们选用双酚A为酚类单体，使其与酸酐进行酰化反应，生成双酚A二乙酸酯，再让其与对苯二甲酸、间苯二甲酸进行熔融酯交换反应，从而制备出双酚A-对/间苯二甲酸三元芳香共聚酯，后续通过熔融纺丝制备高强度聚芳酯纤维。
3 纤维的多功能交叉使用
纤维材料的多功能交叉使用是当前材料科学领域的核心研究方向之一，其核心在于通过多学科技术融合，赋予单一纤维多种性能或实现跨领域应用。未来，航空航天领域将面临更加复杂的情况。例如，未来月球基地需要能适应极端温度、辐射、微流星体撞击等恶劣环境的材料；航天器的柔性充气返回舱需要具备防热、隔热、阻气、承力等功能，因此将更需要纤维的多功能交叉使用。如增强型气囊材料通常采用高强聚酰胺纤维或高强聚酯纤维，这些材料具有较高的抗拉强度和弹性，有助于气囊在充气时保持形状；高强芳纶织物能加强结构的刚性和稳定性，确保舱体在进入大气层时能维持稳定形态。
4 总结与展望
随着全球航空航天技术的不断发展，可以预见，后续探索将涉及更大载荷的重型机械设备。这类设备在着陆时会产生更大的阻力，这对材料提出了更高要求。因此，如何在极端条件下保持轻质结构材料的高机械性能和灵活性，成为未来太空探索中亟待解决的关键问题。在这种情况下，高性能纤维及其复合材料在航天领域的应用拓展越来越广泛。
未来，将出现更多复合交叉多功能材料，以满足日益复杂的航空航天需求。例如，先进航空航天碳纤维增强复合材料通常与轻质结构（如泡沫、气凝胶、蜂窝等）相结合，能够在极端环境下保持较高的机械性能、隔热性能和耐温性能。此外，具有极高强度和模量的碳纳米管纤维，其理论强度远高于目前的纤维材料，这些都有望成为未来航空航天领域的理想结构材料。