【復材資訊】國防裝備的新寵—芳綸Vs碳纖維?

2020-11-24 澎湃新聞

芳綸是由芳香族聚醯胺樹脂紡成的纖維，1972年首先由美國杜邦公司研製成功，隨後俄羅斯、荷蘭、日本及我國都研製出具有抗彈性能的高性能芳綸纖維。

我國將芳綸纖維劃分為：

·芳綸Ⅰ，也稱芳綸14，指聚對苯甲醯胺（PBA）纖維；

·芳綸Ⅱ，也稱芳綸1414，指聚對苯二甲醯對苯二胺（PPTA）纖維；

·芳綸Ⅲ，也稱雜環芳綸，指雜環芳香族聚醯胺纖維。

今天我們重點介紹芳綸Ⅲ。

與芳綸Ⅱ相比，芳綸Ⅲ的分子結構更複雜、力學性能更優異。芳綸Ⅲ是一種具有雜環結構的三元共聚對位芳香族聚醯胺纖維,由對苯二胺、對苯二甲醯氯、含有雜環結構的二胺等三種單體共縮聚而成，故稱芳綸Ⅲ，也稱雜環芳綸。芳綸Ⅲ的雜環結構使其具有超高強度和超高模量，並且在耐高溫、耐衝擊、耐磨損、透波等方面均具有優異性能，而且也更有利於纖維與樹脂的複合，從而綜合抗彈性能更優異。另外，芳綸Ⅲ還克服了芳綸Ⅱ、PBO纖維的耐紫外性能較差等缺點，可以說芳綸Ⅲ是當今世界上已批產的綜合性能最好的有機纖維。

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、隱身和結構於一體,廣泛應用於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

新型芳綸Ⅲ複合材料能適應和滿足嚴酷的空間應用條件和廣闊的設計範圍,是理想的現代宇航新型材料.在航空航天領域,芳綸Ⅲ增強複合材料以其質輕而強度高的特性,可廣泛用於飛機、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1kg的質量就能降低100萬美元的成本.因此,芳綸Ⅲ複合材料因高比強度、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應用於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係數(容器特性係數=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複合材料可用於飛機的殼體、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,儘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,它們分別適用於不同的應用要求.碳纖維是脆性材料,抗衝擊力差、不耐磨、透波性能差,而芳綸Ⅲ及其複合材料具有抗張強度高、韌性好、耐疲勞、抗衝擊、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、低熱膨脹係數等性能優勢,而這些性能優勢非常有利於促進芳綸Ⅲ作為結構隱身複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

芳綸Ⅲ防護材料在防彈性能及輕量化方面具有的突出優勢，對提升軍警防護裝備的品質具有重要而深遠的意義。鑑於此，開展了芳綸Ⅲ的應用研發工作，積累了大量的對比實驗數據，為芳綸Ⅲ在防護裝備領域的應用做出了突出的貢獻，奠定了堅實的基礎，並成功應用於防護裝備中。

（一）芳綸Ⅲ軟質防彈衣

設計高性能防彈衣時，必須綜合考慮防穿透和防鈍傷兩方面的功能，而防彈材料是決定防彈衣性能的關鍵因素，防彈材料的性能與纖維本身性能、織物結構、樹脂基體種類以及產品的成型工藝都有很大的關係。

在減重方面，防彈衣晶片重量約１kg，比採用纖維製備的芳綸Ⅱ防彈衣輕33%，比採用各種不同品牌的纖維製得的防彈衣輕11%～43%，減重效果明顯；在輕薄程度方面，防彈衣2級防彈晶片厚度不足５mm，整體結構輕薄隱蔽，是目前國內同等級防彈衣中最薄的。

總之，國產芳綸Ⅲ軟質防彈衣的研製成功對有效減輕了作戰人員的負擔,提高機動性、提高穿著率和戰鬥力具有重要意義。

（二）芳綸Ⅲ防彈頭盔

防彈頭盔是指能夠吸收和耗散彈頭能量，阻止穿透、減輕鈍傷並有效保護人體頭部的裝備。受限於防彈材料的防彈性能和頭盔重量，目前國產防彈頭盔的防彈等級普遍只能達到防彈衣的2級水平。由於UHMWPE纖維複合黏結技術難度大，且在耐熱性、剛性等方面比芳綸頭盔稍遜一籌，目前在非金屬防彈頭盔市場上還無法取代芳綸頭盔的主導地位。芳綸Ⅲ防彈材料的研發成功，為提升防彈頭盔的防彈等級提供了契機。目前更高防彈等級的芳綸Ⅲ防彈頭盔已經研發成功，其防彈性能好、重量輕、綜合防護性能高，較相同防彈性能的芳綸Ⅱ防彈頭盔減重20～30%。

隨著高性能纖維材料技術的不斷發展，防彈頭盔的性能也得到了不斷提升，防彈頭盔不僅要求有優異的防彈性能和良好的佩戴舒適性，同時較小的變形可以避免對頭部形成非貫穿性鈍傷，輕型化更能夠有效提高戰爭中軍隊的快速反應能力、戰鬥力和防護能力，芳綸Ⅲ防彈頭盔的成功研製具有非常重要的意義。

（三）芳綸Ⅲ防彈裝甲

近十幾年來,坦克車輛防護系統發展的一個重要趨勢是輕量化和材料的多功能化。芳綸Ⅲ防彈裝甲滿足裝甲輕量化的需求，能廣泛應用於武裝直升機、武裝運輸機、坦克、戰略飛彈、步兵武器、艦艇的彈道倉、指揮倉等裝甲兵器，能有效提高車輛的機動性能

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、熱膨脹係數低以及透波性好等特點,備受造船界的重視,尤其是在製造高質量的船體結構方面有著巨大的優勢:

①芳綸Ⅲ在船體輕量化材料上優勢明顯,相較於芳綸1414,其強度更高,與樹脂浸潤性更好,因此製造的複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,並節約燃料、降低成本;

②芳綸Ⅲ具有低介電常數,微波穿透性好等特徵,能透過電磁波且幾乎不改變電磁波的性質,非常適用於軍用艦艇隱身材料;

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,抗衝擊韌性好,故由其製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、耐衝擊和耐損傷的性能,使船體能有效吸收振動及承受連續衝擊的能力,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、耐海水和酸鹼等性能優點為一體,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還可用於深水水雷外殼、防彈裝甲、救生艇、高壓容器及螺旋槳製造等,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增強複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,具有極強的抗衝擊性能.相較於芳綸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增強複合裝甲兵器,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及其複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,尤其適用於遠距離、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目前已廣泛應用於各種武器裝備上,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於一身的高性能特種材料,自身具有輕質高強、抗衝擊、耐高溫、柔韌、耐磨等優異性能。

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的抗拉強度範圍為4 400~5 500 MPa,比芳綸1414高出30%~50%,超過高強型碳纖維T700水平;動態模量的範圍是150~180 GPa,僅次於鋼絲和碳纖維;密度僅為1.43~1.45 g/cm3,屬輕質高強材料,其複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 ℃時質量殘餘量還有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,不產生後燃燒,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,耐溼性好,具有良好的生物穩定性.相比之下,普通芳綸的耐溼性較差,溼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(強度保留率高於其他芳綸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,具有優異的耐酸鹼性,而且耐有機溶劑、漂白劑以及抗蟲蛀和黴變,對橡膠有良好的黏附性.例如,在高溫酸溶液處理後,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;在高溫鹼溶液處理後,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的耐高溫酸鹼性為最優。

1.6 表面浸潤性

芳綸Ⅲ的表面浸潤性優於芳綸1414.由於其與水的接觸角較小,並且其表面存在不均勻的淺溝槽,能夠增加比表面積,當樹脂基體潤溼纖維,能滲入纖維表面溝槽中,與之形成機械鉚釘式的結合.因此,相較於芳綸1414,芳綸Ⅲ能形成更高的機械式結合力和更強的範德華力物理吸附作用,有利於增強纖維與樹脂間的界面結合力。