芳綸Ⅲ具有輕質高強、抗沖擊、耐高溫、柔韌、耐磨等優異性能,是集結構承載和功能于一身的高性能特種材料.目前已廣泛應用于各種武器裝備上,其對促進武器裝備的輕量化、小型化、隱身化、增強防護性能起到了至關重要的作用,己發展成為現代國防軍工關鍵性的支撐材料.
日前在上海總裝下線的我國自主研制的首款新一代噴氣式干線客機C919,機艙內部等結構大規模采用高技術耐高溫芳砜綸纖維,不僅阻燃、耐腐蝕和抗熱氧老化性能優異,還實現了大飛機再"瘦身"30公斤以上,意味著飛機油耗更小,成本更低,更環保節能.
C919
芳綸Ⅲ-集結構和功能于一身
芳綸Ⅲ,俗稱雜環芳綸,其綜合性能在芳族聚酰胺家庭中排名第一,具有高比強度、高比模量、低壓縮強度和低密度等優異性能,性能遠遠超過芳綸1414,是我國非常重要的戰略物資.因具有強度高、模量高、尺寸穩定、抗沖擊、耐磨、透波、耐候、電絕緣、耐疲勞、質量輕等特點,芳綸Ⅲ集防彈、隱身等功能于一體,在飛機構件、防彈裝備、機載/星載/艦載雷達罩、透波形結構件、衛星部件、儀器房艙、發動機殼體等領域有著廣泛應用.此外,隨著低碳經濟的發展,芳綸Ⅲ在節能減排及裝備輕量化方面的應用也受到重視,成為高性能纖維復合材料領域的關鍵材料.
一、 應用領域
芳綸Ⅲ作為一種綜合性能最好的輕質高強材料之一,集優越的抗彈性、輕量化、隱身和結構于一體,廣泛應用于我國新一代武器裝備的研發和生產中,滿足戰略武器、航天航空、高端防彈、船舶航海等領域的迫切需求,對增強我軍作戰能力、提高國際競爭力有重要戰略意義.
1、航天航空
芳綸Ⅲ在航空航天領域的應用
新型芳綸Ⅲ復合材料能適應和滿足嚴酷的空間應用條件和廣闊的設計范圍,是理想的現代宇航新型材料.在航空航天領域,芳綸Ⅲ增強復合材料以其質輕而強度高的特性,可廣泛用于飛機、火箭等結構材料.
在現代航天航空設備中,除安全性外,材料的減重效果被尤為關注,設備中每減輕1 kg的質量就能降低100萬美元的成本.因此,芳綸Ⅲ復合材料因高比強度、高比模量、耐疲勞性、低密度等優異性能,以及獨特的材料可設計性的優勢,在飛機、宇航以及火箭等結構領域得到廣泛的應用,從而使得自身質量得以減輕,設備的有效負荷得以增加,節省了大量的動力燃料.
目前,芳綸Ⅲ應用于我國固體火箭發動機殼體,較芳綸1414能大幅度提高容器特性系數(容器特性系數=PV/W,其中P是爆破壓強,V 是殼體容積,W 是殼體質量),減輕發動機消極質量,提高發動機質量比.
芳綸Ⅲ復合材料可用于飛機的殼體、起落架艙門、貨艙、內部裝飾件及座椅等,減重效果較芳綸1414更加明顯. 另外,盡管在航天航空領域有來自碳纖維的強有力競爭,但芳綸Ⅲ的性能特點與碳纖維有著顯著的差異,它們分別適用于不同的應用要求.碳纖維是脆性材料,抗沖擊力差、不耐磨、透波性能差,而芳綸Ⅲ及其復合材料具有抗張強度高、韌性好、耐疲勞、抗沖擊、透波、易加工等優勢使其成為航天航空領域不可替代的關鍵材料.此外,芳綸Ⅲ還具有低介電常數、低介質損耗因數、低熱膨脹系數等性能優勢,而這些性能優勢非常有利于促進芳綸Ⅲ作為結構隱身復合材料在透波領域的功能化應用.因此,芳綸Ⅲ是集突出的強度、優異的介電性能、良好的耐熱性與耐環境性為一體,在航空航天、飛機的減重節能等領域被證實具有突出的應用價值.
2、 防彈
防彈頭盔
芳綸Ⅲ作為高端防彈材料的優勢尤為突出,應用在現代戰爭、防暴和反恐中能有效減輕負荷,更利于發揮人員和裝備快速機動的特點從而贏得勝利.芳綸Ⅲ以其高抗沖擊性、防護裝備制造輕量化等特點在防彈衣、防彈頭盔和防彈鋼板等領域有著高端的運用.
相對于芳綸1414,芳綸Ⅲ防彈性能更優,制造的防彈材料更輕.有研究表明:芳綸Ⅲ抗彈性能可比芳綸Ⅱ提高近30%.2007年12月美國堪薩斯州威奇托測試實驗室獲得的研究結果表明:芳綸Ⅲ的動態強度超過了著名的ZAYLON 材料,更遠高于Kevlar,而且由芳綸Ⅲ制備的盔甲板的面密度要比Kevlar面板低27%,但它的防彈性能卻比Kevlar的高出了12%.許多國際專家也將俄羅斯芳綸Ⅲ與芳綸1414以及超高分子質量聚乙烯材料(Spectra、Dyneema 等)進行對比,發現芳綸Ⅲ在單兵防護中具有更顯著的減重空間,其性能在同類產品中屬最優,處于國際防彈制品的頂尖地位.
此外,芳綸Ⅲ制造的防彈衣不僅抗沖擊性能更好、更柔軟、更輕薄,而且它的抗蠕變性能優異,耐熱性好,且在高溫下強度保持率高.由于用在軍事上,與火或熱物體接觸的可能性較大,當溫度較高時,超高相對分子質量聚乙烯的性能會大幅降低,不再具備防彈能力;而芳綸Ⅲ及其復合材料因其抗蠕變性與耐熱性優異,抗沖擊強度幾乎不受影響,是軍事防彈裝備的理想材料.由俄羅斯芳綸Ⅲ(Armos和Rusa)制造的防彈衣被俄軍方和執法部門大量采用,已長達數十年,其被廣泛認為比芳綸1414對環境有更好的穩定性.
在防彈頭盔應用上,芳綸Ⅲ集高強度、輕質量、易鑄型、防護面積增加、樣式美觀及良好的防護性能為一體,制造出的防彈頭盔具有很高的V50值(即在規定彈速范圍內,對受試樣品形成穿透概率為50%的極限速度),彈坑平均凹陷深度淺,是用于單兵防護頭盔的理想材料.表2顯示了由中藍晨光芳綸Ⅲ制造的防彈頭盔性能測試結果.
3、船舶領域
芳綸Ⅲ在海洋船舶中應用
芳綸Ⅲ作為新型功能結構材料,具有質量輕、比強度和比剛度高、耐疲勞、耐蠕變性能、耐化學腐蝕、耐磨性能好、熱膨脹系數低以及透波性好等特點,備受造船界的重視,尤其是在制造高質量的船體結構方面有著巨大的優勢:
①綸Ⅲ在船體輕量化材料上優勢明顯,相較于芳綸1414,其強度更高,與樹脂浸潤性更好,因此制造的復合材料能更大程度地降低船艇重量,在相同動力下能獲得更高的有效載荷,并節約燃料、降低成本;
②芳綸Ⅲ具有低介電常數,微波穿透性好等特征,能透過電磁波且幾乎不改變電磁波的性質,非常適用于軍用艦艇隱身材料;
③ 芳綸Ⅲ具有良好的耐候性、耐水性、耐腐蝕性,抗海生物附著,更適合在海洋環境中使用;
④ 較芳綸1414、碳纖維而言,芳綸Ⅲ能吸收更高能量,抗沖擊韌性好,故由其制造的船舶不易因碰撞、擠壓而損壞,同時還可以賦予船艇結構防彈、阻燃、耐沖擊和耐損傷的性能,使船體能有效吸收振動及承受連續沖擊的能力,保障船航行平穩和安全.
因此,芳綸Ⅲ集強度高、耐磨、韌性好、耐高溫和低溫、耐海水和酸堿等性能優點為一體,以其優異的綜合性能成為現代造船業的理想材料.此外,芳綸Ⅲ還可用于深水水雷外殼、防彈裝甲、救生艇、高壓容器及螺旋槳制造等,能滿足艦船輕量化需求,對提高軍事水平,展現綜合國力,有著重要的社會和經濟意義.
4、兵器
現代化戰爭對兵器的機動性提出了越來越高的要求,芳綸Ⅲ增強復合材料兵器裝備化應運而生.作為新型材料,芳綸Ⅲ堅韌耐磨、剛柔相濟,具有極強的抗沖擊性能.相較于芳綸1414 和碳纖維,芳綸Ⅲ對兵器的防護性能及機動性能有著更大的改觀,能將坦克、裝甲車和方艙的防護性能提高到一個嶄新的階段.例如,芳綸Ⅲ層壓板應用在方艙上,能使方艙承受更大的超壓和防洞穿,可承受核爆炸產生的壓力波和熱輻射高溫,此外還可防化學和生化武器,防常規子彈和彈片等.因此,芳綸Ⅲ增強復合裝甲兵器,不僅能增強兵器的防護性能,而且減重效果明顯,能極大地增加兵器裝備的戰場機動能力和快速作戰反應能力.
5、 特種繩纜
芳綸Ⅲ及其復合材料是目前最好的繩纜材料之一,比其他高性能纖維如芳綸1414、超高相對分子質量聚乙烯、碳纖維等更具優勢.因其具有強度大、耐腐蝕、耐磨損、密度小、彈性適中、質地柔軟、使用方便等特點,在光纜、高強繩索領域有著廣泛的應用.例如:芳綸Ⅲ對光纖(光纜)增強效果顯著,尤其適用于遠距離、大張力光纖(光纜).此外,芳綸Ⅲ纜繩可代替鋼絲,用作深海固定繩、吊裝繩、拋錨繩和直升機的吊繩以及船舶系泊或拖帶時的柔韌繩索,其能極大地增強繩索的負載強度和耐用性.
二、 芳綸Ⅲ優異性能
芳綸Ⅲ目前已廣泛應用于各種武器裝備上,其對促進武器裝備的輕量化、小型化、隱身化、增強防護性能起到了至關重要的作用,己發展成為現代國防軍工關鍵性的支撐材料.而芳綸Ⅲ是集結構承載和功能于一身的高性能特種材料,自身具有輕質高強、抗沖擊、耐高溫、柔韌、耐磨等優異性能.這是因為
1、 力學性能
芳綸Ⅲ力學性能居批產有機纖維之首.中藍晨光芳綸Ⅲ的抗拉強度范圍為4 400~5 500 MPa,比芳綸1414高出30%~50%,超過高強型碳纖維T700水平;動態模量的范圍是150~180 GPa,僅次于鋼絲和碳纖維;密度僅為1.43~1.45 g/cm3,屬輕質高強材料,其復合材料減重效果明顯.
1.2 耐熱和耐熱老化性
芳綸Ⅲ具有突出的耐熱性和耐熱老化性,在氮氣環境中溫度達到538 ℃或在空氣環境中溫度達到520 ℃時才會分解.當芳綸Ⅲ被加熱到900 ℃時質量殘余量還有58%,且只發生了碳化而不熔融,具有非常好的熱穩定性.另外,芳綸Ⅲ產品比進口芳綸1414(Kevlar、Twaron)具有更優異的抗熱老化性能.
1.3 阻燃性
芳綸Ⅲ具有優異的阻燃特性,其極限氧指數高達42%,因此當它離開火焰時不會繼續燃燒.其抗燃性能好,不產生后燃燒,不幫助燃燒.
1.4 穩定性
芳綸Ⅲ可以長時間使用而不改變屬性,耐濕性好,具有良好的生物穩定性.相比之下,普通芳綸的耐濕性較差,濕的芳綸會迅速失去其性能.如果將芳綸Ⅲ在熱水中放置一個月,其強度損失較小(強度保留率高于其他芳綸50%~70%).此外,芳綸Ⅲ尺寸穩定性好,具有非常低的熱收縮率,當在300~350 ℃使用時,芳綸Ⅲ纖維幾乎沒有收縮,在400~450 ℃的溫度下使用時收縮不超過4%.同時芳綸Ⅲ具有非常高的熱穩定性,在高溫下使用不會喪失其特性.
1.5 耐化學性
芳綸Ⅲ能耐絕大多數的化學物質,具有優異的耐酸堿性,而且耐有機溶劑、漂白劑以及抗蟲蛀和霉變,對橡膠有良好的黏附性.例如,在高溫酸溶液處理后,芳綸Ⅲ的斷裂強度可以保持在處理前的80%以上,斷裂伸長率可保持在處理前的90%以上;在高溫堿溶液處理后,芳綸Ⅲ的斷裂強度能保持在處理前的94.5%以上.因此在芳綸家族中,芳綸Ⅲ的耐高溫酸堿性為最優.
1.6 表面浸潤性
芳綸Ⅲ的表面浸潤性優于芳綸1414.由于其與水的接觸角較小,并且其表面存在不均勻的淺溝槽,能夠增加比表面積,當樹脂基體潤濕纖維,能滲入纖維表面溝槽中,與之形成機械鉚釘式的結合.因此,相較于芳綸1414,芳綸Ⅲ能形成更高的機械式結合力和更強的范德華力物理吸附作用,有利于增強纖維與樹脂間的界面結合力.
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