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国防装备的新宠—芳纶Vs碳纤维?

来源:     时间:2020-11-20 点击数:

      芳纶是由芳香族聚酰胺树脂纺成的纤维,1972年首先由美国杜邦公司研制成功,随后俄罗斯、荷兰、日本及我国都研制出

具有抗弹性能的高性能芳纶纤维。


      一、 应用领域

      芳纶作为一种综合性能最好的轻质高强材料之一,集优越的抗弹性、轻量化、隐身和结构于一体,广泛应用于我国新一代武器

装备的研发和生产中,满足战略武器、航天航空、高端防弹、船舶航海等领域的迫切需求,对增强我军作战能力、提高国际竞争力

有重要战略意义。


      1、航天航空

      新型芳纶复合材料能适应和满足严酷的空间应用条件和广阔的设计范围,是理想的现代宇航新型材料.在航空航天领域,芳纶增

强复合材料以其质轻而强度高的特性,可广泛用于飞机、火箭等结构材料。

      在现代航天航空设备中,除安全性外,材料的减重效果被尤为关注,设备中每减轻1kg的质量就能降低100万美元的成本.因此,芳

纶复合材料因高比强度、高比模量、耐疲劳性、低密度等优异性能,以及独特的材料可设计性的优势,在飞机、宇航以及火箭等结

构领域得到广泛的应用,从而使得自身质量得以减轻,设备的有效负荷得以增加,节省了大量的动力燃料。

目前,芳纶应用于我国固体火箭发动机壳体,较芳纶能大幅度提高容器特性系数(容器特性系数=PV/W,其中P是爆破压强,V 是壳体

容积,W 是壳体质量),减轻发动机消极质量,提高发动机质量比。

      芳纶复合材料可用于飞机的壳体、起落架舱门、货舱、内部装饰件及座椅等,. 另外,尽管在航天航空领域有来自碳纤维的强有

力竞争,但芳纶的性能特点与碳纤维有着显著的差异,它们分别适用于不同的应用要求.碳纤维是脆性材料,抗冲击力差、不耐磨、

透波性能差,而芳纶及其复合材料具有抗张强度高、韧性好、耐疲劳、抗冲击、透波、易加工等优势使其成为航天航空领域不可

替代的关键材料.此外,芳纶还具有低介电常数、低介质损耗因数、低热膨胀系数等性能优势,而这些性能优势非常有利于促进芳纶

作为结构隐身复合材料在透波领域的功能化应用.因此,芳纶是集突出的强度、优异的介电性能、良好的耐热性与耐环境性为一体,

在航空航天、飞机的减重节能等领域被证实具有突出的应用价值.


      2、 防弹

      芳纶防护材料在防弹性能及轻量化方面具有的突出优势,对提升军警防护装备的品质具有重要而深远的意义。鉴于此,开展

了芳纶的应用研发工作,积累了大量的对比实验数据,为芳纶在防护装备领域的应用做出了突出的贡献,奠定了坚实的基础,并

成功应用于防护装备中。

      (一)芳纶软质防弹衣

      设计高性能防弹衣时,必须综合考虑防穿透和防钝伤两方面的功能,而防弹材料是决定防弹衣性能的关键因素,防弹材料的

性能与纤维本身性能、织物结构、树脂基体种类以及产品的成型工艺都有很大的关系。

      在减重方面,防弹衣芯片重量约1kg,比采用各种不同品牌的纤维制得的防弹衣轻11%~43%,减重效果明显;在轻薄程度

方面,防弹衣2级防弹芯片厚度不足5mm,整体结构轻薄隐蔽,是目前国内同等级防弹衣中最薄的。

      (二)芳纶防弹头盔

      防弹头盔是指能够吸收和耗散弹头能量,阻止穿透、减轻钝伤并有效保护人体头部的装备。由于UHMWPE纤维复合黏结技

术难度大,且在耐热性、刚性等方面比芳纶头盔稍逊一筹,目前在非金属防弹头盔市场上还无法取代芳纶头盔的主导地位。芳纶

防弹材料的研发成功,为提升防弹头盔的防弹等级提供了契机。目前更高防弹等级的芳纶防弹头盔已经研发成功,其防弹性能好、

重量轻、综合防护性能高。

      随着高性能纤维材料技术的不断发展,防弹头盔的性能也得到了不断提升,防弹头盔不仅要求有优异的防弹性能和良好的佩

戴舒适性,同时较小的变形可以避免对头部形成非贯穿性钝伤,轻型化更能够有效提高战争中军队的快速反应能力、战斗力和防

护能力,芳纶防弹头盔的成功研制具有非常重要的意义。

      (三)芳纶防弹装甲

      近十几年来,坦克车辆防护系统发展的一个重要趋势是轻量化和材料的多功能化。芳纶防弹装甲满足装甲轻量化的需求,能广

应用于武装直升机、武装运输机、坦克、战略导弹、步兵武器、舰艇的弹道仓、指挥仓等装甲兵器,能有效提高车辆的机动性能。


      3、船舶领域

      芳纶在海洋船舶中应用

      芳纶作为新型功能结构材料,具有质量轻、比强度和比刚度高、耐疲劳、耐蠕变性能、耐化学腐蚀、耐磨性能好、热膨胀系数低

以及透波性好等特点,备受造船界的重视,尤其是在制造高质量的船体结构方面有着巨大的优势:

      ①芳纶在船体轻量化材料上优势明显,相较于其他材料,其强度更高,与树脂浸润性更好,因此制造的复合材料能更大程度地降低

船艇重量,在相同动力下能获得更高的有效载荷,并节约燃料、降低成本;

      ②芳纶具有低介电常数,微波穿透性好等特征,能透过电磁波且几乎不改变电磁波的性质,非常适用于军用舰艇隐身材料;

      ③ 芳纶具有良好的耐候性、耐水性、耐腐蚀性,抗海生物附着,更适合在海洋环境中使用;

      ④较碳纤维而言,芳纶能吸收更高能量,抗冲击韧性好,故由其制造的船舶不易因碰撞、挤压而损坏,同时还可以赋予船艇结构防弹、

阻燃、耐冲击和耐损伤的性能,使船体能有效吸收振动及承受连续冲击的能力,保障船航行平稳和安全。

      因此,芳纶集强度高、耐磨、韧性好、耐高温和低温、耐海水和酸碱等性能优点为一体,以其优异的综合性能成为现代造船业的理

想材料.此外,芳纶还可用于深水水雷外壳、防弹装甲、救生艇、高压容器及螺旋桨制造等,能满足舰船轻量化需求,对提高军事水平,展

现综合国力,有着重要的社会和经济意义。


      4、 特种绳缆

      芳纶及其复合材料是目前最好的绳缆材料之一,比其他高性能纤维玻璃纤维、超高相对分子质量聚乙烯、碳纤维等更具优势.因其

具有强度大、耐腐蚀、耐磨损、密度小、弹性适中、质地柔软、使用方便等特点,在光缆、高强绳索领域有着广泛的应用.例如:芳纶对

光纤(光缆)增强效果显著,尤其适用于远距离、大张力光纤(光缆).此外,芳纶缆绳可代替钢丝,用作深海固定绳、吊装绳、抛锚绳和直升

机的吊绳以及船舶系泊或拖带时的柔韧绳索,其能极大地增强绳索的负载强度和耐用性。



     


      二、 芳纶优异性能

      芳纶目前已广泛应用于各种武器装备上,其对促进武器装备的轻量化、小型化、隐身化、增强防护性能起到了至关重要的作用,己

发展成为现代国防军工关键性的支撑材料.而芳纶是集结构承载和功能于一身的高性能特种材料,自身具有轻质高强、抗冲击、耐高温、

柔韧、耐磨等优异性能。

      1、 力学性能

      芳纶力学性能居批产有机纤维之首.其抗拉强度范围为4400~5500 MPa,超过高强型碳纤维T700水平;动态模量的范围是150~180

 GPa,仅次于钢丝和碳纤维;密度仅为1.43~1.45g/cm3,属轻质高强材料,其复合材料减重效果明显。

      1.2 耐热和耐热老化性

      芳纶具有突出的耐热性和耐热老化性,在氮气环境中温度达到538 ℃或在空气环境中温度达到520 ℃时才会分解.当芳纶被加热到

900 ℃时质量残余量还有58%,且只发生了碳化而不熔融,具有非常好的热稳定性。

      1.3 阻燃性

      芳纶具有优异的阻燃特性,其极限氧指数高达42%,因此当它离开火焰时不会继续燃烧.其抗燃性能好,不产生后燃烧,不帮助燃烧。

      1.4 稳定性

      芳纶可以长时间使用而不改变属性,耐湿性好,具有良好的生物稳定性.相比之下,普通芳纶的耐湿性较差,湿的芳纶会迅速失去其性能.

如果将芳纶在热水中放置一个月,其强度损失较小(强度保留率高于其他芳纶50%~70%).此外,芳纶尺寸稳定性好,具有非常低的热收缩

率,当在300~350 ℃使用时,芳纶纤维几乎没有收缩,在400~450 ℃的温度下使用时收缩不超过4%.同时芳纶具有非常高的热稳定性,在

高温下使用不会丧失其特性.

      1.5 耐化学性

      芳纶能耐绝大多数的化学物质,具有优异的耐酸碱性,而且耐有机溶剂、漂白剂以及抗虫蛀和霉变,对橡胶有良好的黏附性.例如,在高

温酸溶液处理后,芳纶的断裂强度可以保持在处理前的80%以上,断裂伸长率可保持在处理前的90%以上;在高温碱溶液处理后,芳纶的断

裂强度能保持在处理前的94.5%以上.因此在芳纶家族中,芳纶的耐高温酸碱性为最优。


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