芳纶Ⅲ具有轻质高强、抗冲击、耐高温、柔韧、耐磨等优异性能,是集结构承载和功能于一身的高性能特种材料.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.

  日前在上海总装下线的我国自主研制的首款新一代喷气式干线客机C919,机舱内部等结构大规模采用高技术耐高温芳砜纶纤维,不仅阻燃、耐腐蚀和抗热氧老化性能优异,还实现了大飞机再"瘦身"30公斤以上,意味着飞机油耗更小,成本更低,更环保节能.

C919

  芳纶Ⅲ-集结构和功能于一身

  芳纶Ⅲ,俗称杂环芳纶,其综合性能在芳族聚酰胺家庭中排名第一,具有高比强度、高比模量、低压缩强度和低密度等优异性能,性能远远超过芳纶1414,是我国非常重要的战略物资.因具有强度高、模量高、尺寸稳定、抗冲击、耐磨、透波、耐候、电绝缘、耐疲劳、质量轻等特点,芳纶Ⅲ集防弹、隐身等功能于一体,在飞机构件、防弹装备、机载/星载/舰载雷达罩、透波形结构件、卫星部件、仪器房舱、发动机壳体等领域有着广泛应用.此外,随着低碳经济的发展,芳纶Ⅲ在节能减排及装备轻量化方面的应用也受到重视,成为高性能纤维复合材料领域的关键材料.

  一、 应用领域

  芳纶Ⅲ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

芳纶Ⅲ在航空航天领域的应用

  新型芳纶Ⅲ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Ⅲ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1 kg的质量就能降低100万美元的成本.因此,芳纶Ⅲ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Ⅲ应用于我国固体火箭发动机壳体,较芳纶1414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Ⅲ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,减重效果较芳纶1414更加明显.  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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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

防弹头盔

  芳纶Ⅲ作为高端防弹材料的优势尤为突出,应用在现代战争、防暴和反恐中能有效减轻负荷,更利于发挥人员和装备快速机动的特点从而赢得胜利.芳纶Ⅲ以其高抗冲击性、防护装备制造轻量化等特点在防弹衣、防弹头盔和防弹钢板等领域有着高端的运用.

  相对于芳纶1414,芳纶Ⅲ防弹性能更优,制造的防弹材料更轻.有研究表明:芳纶Ⅲ抗弹性能可比芳纶Ⅱ提高近30%.2007年12月美国堪萨斯州威奇托测试实验室获得的研究结果表明:芳纶Ⅲ的动态强度超过了著名的ZAYLON 材料,更远高于Kevlar,而且由芳纶Ⅲ制备的盔甲板的面密度要比Kevlar面板低27%,但它的防弹性能却比Kevlar的高出了12%.许多国际专家也将俄罗斯芳纶Ⅲ与芳纶1414以及超高分子质量聚乙烯材料(Spectra、Dyneema 等)进行对比,发现芳纶Ⅲ在单兵防护中具有更显著的减重空间,其性能在同类产品中属最优,处于国际防弹制品的顶尖地位.

  此外,芳纶Ⅲ制造的防弹衣不仅抗冲击性能更好、更柔软、更轻薄,而且它的抗蠕变性能优异,耐热性好,且在高温下强度保持率高.由于用在军事上,与火或热物体接触的可能性较大,当温度较高时,超高相对分子质量聚乙烯的性能会大幅降低,不再具备防弹能力;而芳纶Ⅲ及其复合材料因其抗蠕变性与耐热性优异,抗冲击强度几乎不受影响,是军事防弹装备的理想材料.由俄罗斯芳纶Ⅲ(Armos和Rusa)制造的防弹衣被俄军方和执法部门大量采用,已长达数十年,其被广泛认为比芳纶1414对环境有更好的稳定性.

  在防弹头盔应用上,芳纶Ⅲ集高强度、轻质量、易铸型、防护面积增加、样式美观及良好的防护性能为一体,制造出的防弹头盔具有很高的V50值(即在规定弹速范围内,对受试样品形成穿透概率为50%的极限速度),弹坑平均凹陷深度浅,是用于单兵防护头盔的理想材料.表2显示了由中蓝晨光芳纶Ⅲ制造的防弹头盔性能测试结果.

  3、船舶领域

芳纶Ⅲ在海洋船舶中应用

  芳纶Ⅲ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
纶Ⅲ在船体轻量化材料上优势明显,相较于芳纶1414,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Ⅲ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Ⅲ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 较芳纶1414、碳纤维而言,芳纶Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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、兵器

  现代化战争对兵器的机动性提出了越来越高的要求,芳纶Ⅲ增强复合材料兵器装备化应运而生.作为新型材料,芳纶Ⅲ坚韧耐磨、刚柔相济,具有极强的抗冲击性能.相较于芳纶1414 和碳纤维,芳纶Ⅲ对兵器的防护性能及机动性能有着更大的改观,能将坦克、装甲车和方舱的防护性能提高到一个崭新的阶段.例如,芳纶Ⅲ层压板应用在方舱上,能使方舱承受更大的超压和防洞穿,可承受核爆炸产生的压力波和热辐射高温,此外还可防化学和生化武器,防常规子弹和弹片等.因此,芳纶Ⅲ增强复合装甲兵器,不仅能增强兵器的防护性能,而且减重效果明显,能极大地增加兵器装备的战场机动能力和快速作战反应能力.

  5、 特种绳缆

  芳纶Ⅲ及其复合材料是目前最好的绳缆材料之一,比其他高性能纤维如芳纶1414、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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ优异性能

  芳纶Ⅲ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Ⅲ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.这是因为

   1、 力学性能

  芳纶Ⅲ力学性能居批产有机纤维之首.中蓝晨光芳纶Ⅲ的抗拉强度范围为4 400~5 500 MPa,比芳纶1414高出30%~50%,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1.43~1.45 g/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Ⅲ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Ⅲ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.另外,芳纶Ⅲ产品比进口芳纶1414(Kevlar、Twaron)具有更优异的抗热老化性能.

  1.3 阻燃性

  芳纶Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ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Ⅲ的耐高温酸碱性为最优.

  1.6 表面浸润性

  芳纶Ⅲ的表面浸润性优于芳纶1414.由于其与水的接触角较小,并且其表面存在不均匀的浅沟槽,能够增加比表面积,当树脂基体润湿纤维,能渗入纤维表面沟槽中,与之形成机械铆钉式的结合.因此,相较于芳纶1414,芳纶Ⅲ能形成更高的机械式结合力和更强的范德华力物理吸附作用,有利于增强纤维与树脂间的界面结合力.