芳綸纜繩具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊、耐高溫、柔韌、耐磨等優(yōu)異性能,是集結(jié)構(gòu)承載和功能于一身的高性能特種材料.目前已廣泛應(yīng)用于各種武器裝備上,其對(duì)促進(jìn)武器裝備的輕量化、小型化、隱身化、增強(qiáng)防護(hù)性能起到了至關(guān)重要的作用,己發(fā)展成為現(xiàn)代國(guó)防軍工關(guān)鍵性的支撐材料.

日前在上?？傃b下線的我國(guó)自主研制的較早出現(xiàn)的款新一代噴氣式干線客機(jī)C919,機(jī)艙內(nèi)部等結(jié)構(gòu)大規(guī)模采用高技術(shù)耐高溫芳砜綸纖維,不僅阻燃、耐腐蝕和抗熱氧老化性能優(yōu)異,還實(shí)現(xiàn)了大飛機(jī)再"瘦身"30公斤以上,意味著飛機(jī)油耗更小,成本更低,更環(huán)保節(jié)能.

芳綸纜繩-集結(jié)構(gòu)和功能于一身

芳綸纜繩,俗稱雜環(huán)芳綸,其綜合性能在芳族聚酰胺家庭中排名優(yōu)先,具有高比強(qiáng)度、高比模量、低壓縮強(qiáng)度和低密度等優(yōu)異性能,性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)芳綸1414,是我國(guó)非常重要的戰(zhàn)略物資.因具有強(qiáng)度高、模量高、尺寸穩(wěn)定、抗沖擊、耐磨、透波、耐候、電絕緣、耐疲勞、質(zhì)量輕等特點(diǎn),芳綸Ⅲ集防彈、隱身等功能于一體,在飛機(jī)構(gòu)件、防彈裝備、機(jī)載/星載/艦載雷達(dá)罩、透波形結(jié)構(gòu)件、衛(wèi)星部件、儀器房艙、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用.此外,隨著低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,芳綸Ⅲ在節(jié)能減排及裝備輕量化方面的應(yīng)用也受到重視,成為高性能纖維復(fù)合材料領(lǐng)域的關(guān)鍵材料.

    一、 芳綸纜繩應(yīng)用領(lǐng)域

芳綸纜繩作為一種綜合性能較好的輕質(zhì)高強(qiáng)材料之一,集優(yōu)越的抗彈性、輕量化、隱身和結(jié)構(gòu)于一體,廣泛應(yīng)用于我國(guó)新一代武器裝備的研發(fā)和生產(chǎn)中,滿足戰(zhàn)略武器、航天航空、高端防彈、船舶航海等領(lǐng)域的迫切需求,對(duì)增強(qiáng)我軍作戰(zhàn)能力、提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力有重要戰(zhàn)略意義.

    1、芳綸纜繩應(yīng)用于航天航空

芳綸纜繩在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

    新型芳綸復(fù)合材料能適應(yīng)和滿足嚴(yán)酷的空間應(yīng)用條件和廣闊的設(shè)計(jì)范圍,是理想的現(xiàn)代宇航新型材料.在航空航天領(lǐng)域,

芳綸纜繩增強(qiáng)復(fù)合材料以其質(zhì)輕而強(qiáng)度高的特性,可廣泛用于飛機(jī)、火箭等結(jié)構(gòu)材料.

    在現(xiàn)代航天航空設(shè)備中,除安全性外,材料的減重效果被尤為關(guān)注,設(shè)備中每減輕1 kg的質(zhì)量就能降低好品質(zhì)萬(wàn)美元的成本.因此,芳綸Ⅲ復(fù)合材料因高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞性、低密度等優(yōu)異性能,以及獨(dú)特的材料可設(shè)計(jì)性的優(yōu)勢(shì),在飛機(jī)、宇航以及火箭等結(jié)構(gòu)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,從而使得自身質(zhì)量得以減輕,設(shè)備的有效負(fù)荷得以增加,節(jié)省了大量的動(dòng)力燃料.

    目前,芳綸纜繩于我國(guó)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體,較芳綸1414能大幅度提高容器特性系數(shù)(容器特性系數(shù)=PV/W,其中P是爆破壓強(qiáng),V 是殼體容積,W 是殼體質(zhì)量),減輕發(fā)動(dòng)機(jī)消極質(zhì)量,提高發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量比.

    芳綸纜繩復(fù)合材料可用于飛機(jī)的殼體、起落架艙門、貨艙、內(nèi)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(lǐng)域有來(lái)自碳纖維的強(qiáng)有力競(jìng)爭(zhēng),但芳綸Ⅲ的性能特點(diǎn)與碳纖維有著顯著的差異,它們分別適用于不同的應(yīng)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(fù)合材料具有抗張強(qiáng)度高、韌性好、耐疲勞、抗沖擊、透波、易加工等優(yōu)勢(shì)使其成為航天航空領(lǐng)域不可替代的關(guān)鍵材料.此外,芳綸Ⅲ還具有低介電常數(shù)、低介質(zhì)損耗因數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等性能優(yōu)勢(shì),而這些性能優(yōu)勢(shì)非常有利于促進(jìn)芳綸Ⅲ作為結(jié)構(gòu)隱身復(fù)合材料在透波領(lǐng)域的功能化應(yīng)用.因此,芳綸Ⅲ是集突出的強(qiáng)度、優(yōu)異的介電性能、良好的耐熱性與耐環(huán)境性為一體,在航空航天、飛機(jī)的減重節(jié)能等領(lǐng)域被證實(shí)具有突出的應(yīng)用價(jià)值.

    2、 芳綸纜繩的防彈性能

芳綸纜繩用作防彈頭盔

    芳綸Ⅲ作為高端防彈材料的優(yōu)勢(shì)尤為突出,應(yīng)用在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)、防暴和反恐中能有效減輕負(fù)荷,更利于發(fā)揮人員和裝備快速機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)從而贏得勝利.芳綸Ⅲ以其高抗沖擊性、防護(hù)裝備制造輕量化等特點(diǎn)在防彈衣、防彈頭盔和防彈鋼板等領(lǐng)域有著高端的運(yùn)用.

    相對(duì)于芳綸1414,芳綸Ⅲ防彈性能更優(yōu),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(guó)堪薩斯州威奇托測(cè)試實(shí)驗(yàn)室獲得的研究結(jié)果表明:芳綸Ⅲ的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度超過(guò)了有名的ZAYLON 材料,更遠(yuǎn)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(guó)際專家也將俄羅斯芳綸Ⅲ與芳綸1414以及超高分子質(zhì)量聚乙烯材料(Spectra、Dyneema 等)進(jìn)行對(duì)比,發(fā)現(xiàn)芳綸Ⅲ在單兵防護(hù)中具有更顯著的減重空間,其性能在同類產(chǎn)品中屬較優(yōu),處于國(guó)際防彈制品的高等地位.

    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(yōu)異,耐熱性好,且在高溫下強(qiáng)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(dāng)溫度較高時(shí),超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯的性能會(huì)大幅降低,不再具備防彈能力;而芳綸Ⅲ及其復(fù)合材料因其抗蠕變性與耐熱性優(yōu)異,抗沖擊強(qiáng)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(zhí)法部門大量采用,已長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年,其被廣泛認(rèn)為比芳綸1414對(duì)環(huán)境有更好的穩(wěn)定性.

    在防彈頭盔應(yīng)用上,芳綸Ⅲ集高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、易鑄型、防護(hù)面積增加、樣式美觀及良好的防護(hù)性能為一體,制造出的防彈頭盔具有很高的V50值(即在規(guī)定彈速范圍內(nèi),對(duì)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(hù)頭盔的理想材料.表2顯示了由中藍(lán)晨光芳綸Ⅲ制造的防彈頭盔性能測(cè)試結(jié)果.

    3、芳綸纜繩應(yīng)用于船舶領(lǐng)域

芳綸纜繩在海洋船舶中應(yīng)用

    芳綸Ⅲ作為新型功能結(jié)構(gòu)材料,具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度和比剛度高、耐疲勞、耐蠕變性能、耐化學(xué)腐蝕、耐磨性能好、熱膨脹系數(shù)低以及透波性好等特點(diǎn),備受造船界的重視,尤其是在制造高質(zhì)量的船體結(jié)構(gòu)方面有著巨大的優(yōu)勢(shì):

    ①綸Ⅲ在船體輕量化材料上優(yōu)勢(shì)明顯,相較于芳綸1414,其強(qiáng)度更高,與樹(shù)脂浸潤(rùn)性更好,因此制造的復(fù)合材料能更大程度地降低船艇重量,在相同動(dòng)力下能獲得更高的有效載荷,并節(jié)約燃料、降低成本;

    ②芳綸Ⅲ具有低介電常數(shù),微波穿透性好等特征,能透過(guò)電磁波且?guī)缀醪桓淖冸姶挪ǖ男再|(zhì),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(huán)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(shí)還可以賦予船艇結(jié)構(gòu)防彈、阻燃、耐沖擊和耐損傷的性能,使船體能有效吸收振動(dòng)及承受連續(xù)沖擊的能力,保障船航行平穩(wěn)和安全.

    因此,芳綸Ⅲ集強(qiáng)度高、耐磨、韌性好、耐高溫和低溫、耐海水和酸堿等性能優(yōu)點(diǎn)為一體,以其優(yōu)異的綜合性能成為現(xiàn)代造船業(yè)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(duì)提高軍事水平,展現(xiàn)綜合國(guó)力,有著重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)意義.

    4、兵器

芳綸纜繩在坦克中的應(yīng)用

    現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)兵器的機(jī)動(dòng)性提出了越來(lái)越高的要求,芳綸Ⅲ增強(qiáng)復(fù)合材料兵器裝備化應(yīng)運(yùn)而生.作為新型材料,芳綸Ⅲ堅(jiān)韌耐磨、剛?cè)嵯酀?jì),具有極強(qiáng)的抗沖擊性能.相較于芳綸1414 和碳纖維,芳綸Ⅲ對(duì)兵器的防護(hù)性能及機(jī)動(dòng)性能有著更大的改觀,能將坦克、裝甲車和方艙的防護(hù)性能提高到一個(gè)嶄新的階段.例如,芳綸Ⅲ層壓板應(yīng)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(chǎn)生的壓力波和熱輻射高溫,此外還可防化學(xué)和生化武器,防常規(guī)子彈和彈片等.因此,芳綸Ⅲ增強(qiáng)復(fù)合裝甲兵器,不僅能增強(qiáng)兵器的防護(hù)性能,而且減重效果明顯,能極大地增加兵器裝備的戰(zhàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)能力和快速作戰(zhàn)反應(yīng)能力.

    5、 特種繩纜

    芳綸Ⅲ及其復(fù)合材料是目前較好的繩纜材料之一,比其他高性能纖維如芳綸1414、超高相對(duì)分子質(zhì)量聚乙烯、碳纖維等更具優(yōu)勢(shì).因其具有強(qiáng)度大、耐腐蝕、耐磨損、密度小、彈性適中、質(zhì)地柔軟、使用方便等特點(diǎn),在光纜、高強(qiáng)繩索領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用.例如:芳綸Ⅲ對(duì)光纖(光纜)增強(qiáng)效果顯著,尤其適用于遠(yuǎn)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(jī)的吊繩以及船舶系泊或拖帶時(shí)的柔韌繩索,其能極大地增強(qiáng)繩索的負(fù)載強(qiáng)度和耐用性.

二、 芳綸纜繩優(yōu)異性能

    芳綸Ⅲ目前已廣泛應(yīng)用于各種武器裝備上,其對(duì)促進(jìn)武器裝備的輕量化、小型化、隱身化、增強(qiáng)防護(hù)性能起到了至關(guān)重要的作用,己發(fā)展成為現(xiàn)代國(guó)防軍工關(guān)鍵性的支撐材料.而芳綸Ⅲ是集結(jié)構(gòu)承載和功能于一身的高性能特種材料,自身具有輕質(zhì)高強(qiáng)、抗沖擊、耐高溫、柔韌、耐磨等優(yōu)異性能.這是因?yàn)?/p>

    1、 芳綸Ⅲ的力學(xué)性能

    芳綸Ⅲ力學(xué)性能居批產(chǎn)有機(jī)纖維之首.中藍(lán)晨光芳綸Ⅲ的抗拉強(qiáng)度范圍為4 400~5 500 MPa,比芳綸1414高出30%~50%,超過(guò)高強(qiáng)型碳纖維T700水平;動(dòng)態(tài)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(zhì)高強(qiáng)材料,其復(fù)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?dú)猸h(huán)境中溫度達(dá)到538 ℃或在空氣環(huán)境中溫度達(dá)到520 ℃時(shí)才會(huì)分解.當(dāng)芳綸Ⅲ被加熱到900 ℃時(shí)質(zhì)量殘余量還有58%,且只發(fā)生了碳化而不熔融,具有非常好的熱穩(wěn)定性.另外,芳綸Ⅲ產(chǎn)品比進(jìn)口芳綸1414(Kevlar、Twaron)具有更優(yōu)異的抗熱老化性能.

    1.3 阻燃性

    芳綸Ⅲ具有優(yōu)異的阻燃特性,其極限氧指數(shù)高達(dá)42%,因此當(dāng)它離開(kāi)火焰時(shí)不會(huì)繼續(xù)燃燒.其抗燃性能好,不產(chǎn)生后燃燒,不幫助燃燒.

    1.4 穩(wěn)定性

    芳綸纜繩可以長(zhǎng)時(shí)間使用而不改變屬性,耐濕性好,具有良好的生物穩(wěn)定性.相比之下,普通芳綸的耐濕性較差,濕的芳綸會(huì)迅速失去其性能.如果將芳綸Ⅲ在熱水中放置一個(gè)月,其強(qiáng)度損失較小(強(qiáng)度保留率高于其他芳綸50%~70%).此外,芳綸Ⅲ尺寸穩(wěn)定性好,具有非常低的熱收縮率,當(dāng)在300~350 ℃使用時(shí),芳綸Ⅲ纖維幾乎沒(méi)有收縮,在400~450 ℃的溫度下使用時(shí)收縮不超過(guò)4%.同時(shí)芳綸Ⅲ具有非常高的熱穩(wěn)定性,在高溫下使用不會(huì)喪失其特性.

    1.5 耐化學(xué)性

    芳綸Ⅲ能耐絕大多數(shù)的化學(xué)物質(zhì),具有優(yōu)異的耐酸堿性,而且耐有機(jī)溶劑、漂白劑以及抗蟲(chóng)蛀和霉變,對(duì)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(qiáng)度可以保持在處理前的80%以上,斷裂伸長(zhǎng)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(qiáng)度能保持在處理前的94.5%以上.因此在芳綸家族中,芳綸Ⅲ的耐高溫酸堿性為較優(yōu).

    1.6 表面浸潤(rùn)性

    芳綸Ⅲ的表面浸潤(rùn)性優(yōu)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(dāng)樹(shù)脂基體潤(rùn)濕纖維,能滲入纖維表面溝槽中,與之形成機(jī)械鉚釘式的結(jié)合.因此,相較于芳綸1414,芳綸Ⅲ能形成更高的機(jī)械式結(jié)合力和更強(qiáng)的范德華力物理吸附作用,有利于增強(qiáng)纖維與樹(shù)脂間的界面結(jié)合力.