材料新宠——芳纶

        警用装备网讯： 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。

　　我国将芳纶纤维划分为：

　　·芳纶Ⅰ，也称芳纶14，指聚对苯甲酰胺（PBA）纤维；

　　·芳纶Ⅱ，也称芳纶1414，指聚对苯二甲酰对苯二胺（PPTA）纤维；

　　·芳纶Ⅲ，也称杂环芳纶，指杂环芳香族聚酰胺纤维。

　　今天我们重点介绍芳纶Ⅲ。

　　与芳纶Ⅱ相比，芳纶Ⅲ的分子结构更复杂、力学性能更优异。芳纶Ⅲ是一种具有杂环结构的三元共聚对位芳香族聚酰胺纤维,由对苯二胺、对苯二甲酰氯、含有杂环结构的二胺等三种单体共缩聚而成，故称芳纶Ⅲ，也称杂环芳纶。芳纶Ⅲ的杂环结构使其具有超高强度和超高模量，并且在耐高温、耐冲击、耐磨损、透波等方面均具有优异性能，而且也更有利于纤维与树脂的复合，从而综合抗弹性能更优异。另外，芳纶Ⅲ还克服了芳纶Ⅱ、PBO纤维的耐紫外性能较差等缺点，可以说芳纶Ⅲ是当今世界上已批产的综合性能最好的有机纤维。

　　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

　　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1kg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着的差异,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

　　芳纶Ⅲ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Ⅲ的应用研发工作，积累了大量的对比实验数据，为芳纶Ⅲ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Ⅲ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，比采用纤维制备的芳纶Ⅱ防弹衣轻33%，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。

　　总之，国产芳纶Ⅲ软质防弹衣的研制成功对有效减轻了作战人员的负担,提高机动性、提高穿着率和战斗力具有重要意义。

　　（二）芳纶Ⅲ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。受限于防弹材料的防弹性能和头盔重量，目前国产防弹头盔的防弹等级普遍只能达到防弹衣的2级水平。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Ⅲ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Ⅲ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，较相同防弹性能的芳纶Ⅱ防弹头盔减重20～30%。

　　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Ⅲ防弹头盔的成功研制具有非常重要的意义。

　　（三）芳纶Ⅲ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Ⅲ防弹装甲满足装甲轻量化的需求，能广泛应用于武装直升机、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芳纶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)增强效果显着,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。

　　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。

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