材料新寵——芳綸

????????警用裝備網訊：?芳綸是由芳香族聚酰胺樹脂紡成的纖維，1972年首先由美國杜邦公司研制成功，隨后俄羅斯、荷蘭、日本及我國都研制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，指聚對苯甲酰胺（PBA）纖維；

　　·芳綸Ⅱ，也稱芳綸1414，指聚對苯二甲酰對苯二胺（PPTA）纖維；

　　·芳綸Ⅲ，也稱雜環(huán)芳綸，指雜環(huán)芳香族聚酰胺纖維。

　　今天我們重點介紹芳綸Ⅲ。

　　與芳綸Ⅱ相比，芳綸Ⅲ的分子結構更復雜、力學性能更優(yōu)異。芳綸Ⅲ是一種具有雜環(huán)結構的三元共聚對位芳香族聚酰胺纖維,由對苯二胺、對苯二甲酰氯、含有雜環(huán)結構的二胺等三種單體共縮聚而成，故稱芳綸Ⅲ，也稱雜環(huán)芳綸。芳綸Ⅲ的雜環(huán)結構使其具有超高強度和超高模量，并且在耐高溫、耐沖擊、耐磨損、透波等方面均具有優(yōu)異性能，而且也更有利于纖維與樹脂的復合，從而綜合抗彈性能更優(yōu)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(yōu)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(fā)和生產中,滿足戰(zhàn)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(zhàn)能力、提高國際競爭力有重要戰(zhàn)略意義。

　　1、航天航空

　　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(xiàn)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(xiàn)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復合材料因高比強度、高比模量、耐疲勞性、低密度等優(yōu)異性能,以及獨特的材料可設計性的優(yōu)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(jié)省了大量的動力燃料。

　　目前,芳綸Ⅲ應用于我國固體火箭發(fā)動機殼體,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,V 是殼體容積,W 是殼體質量),減輕發(fā)動機消極質量,提高發(fā)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(yōu)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(shù)、低介質損耗因數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等性能優(yōu)勢,而這些性能優(yōu)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(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、飛機的減重節(jié)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(yōu)勢，對提升軍警防護裝備的品質具有重要而深遠的意義。鑒于此，開展了芳綸Ⅲ的應用研發(fā)工作，積累了大量的對比實驗數(shù)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，并成功應用于防護裝備中。

　　（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系。

　　在減重方面，防彈衣芯片重量約１kg，比采用纖維制備的芳綸Ⅱ防彈衣輕33%，比采用各種不同品牌的纖維制得的防彈衣輕11%～43%，減重效果明顯；在輕薄程度方面，防彈衣2級防彈芯片厚度不足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軟質防彈衣的研制成功對有效減輕了作戰(zhàn)人員的負擔,提高機動性、提高穿著率和戰(zhàn)斗力具有重要意義。

　?。ǘ┓季]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、減輕鈍傷并有效保護人體頭部的裝備。受限于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。由于UHMWPE纖維復合黏結技術難度大，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(fā)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(fā)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(fā)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(yōu)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(zhàn)爭中軍隊的快速反應能力、戰(zhàn)斗力和防護能力，芳綸Ⅲ防彈頭盔的成功研制具有非常重要的意義。

　?。ㄈ┓季]Ⅲ防彈裝甲

　　近十幾年來,坦克車輛防護系統(tǒng)發(fā)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，能廣泛應用于武裝直升機、武裝運輸機、坦克、戰(zhàn)略導彈、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、熱膨脹系數(shù)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(yōu)勢:

　?、俜季]Ⅲ在船體輕量化材料上優(yōu)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(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,能透過電磁波且?guī)缀醪桓淖冸姶挪ǖ男再|,非常適用于軍用艦艇隱身材料;

　?、?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;

　?、茌^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(xù)沖擊的能力,保障船航行平穩(wěn)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(yōu)點為一體,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,對提高軍事水平,展現(xiàn)綜合國力,有著重要的社會和經濟意義。

　　4、兵器

　　現(xiàn)代化戰(zhàn)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(guī)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(zhàn)場機動能力和快速作戰(zhàn)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(yōu)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(yōu)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(fā)展成為現(xiàn)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(yōu)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(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(huán)境中溫度達到538 ℃或在空氣環(huán)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(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產品比進口芳綸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42%,因此當它離開火焰時不會繼續(xù)燃燒.其抗燃性能好,不產生后燃燒,不幫助燃燒。

　　1.4 穩(wěn)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(wěn)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(wěn)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(wěn)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(shù)的化學物質,具有優(yōu)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(yōu)。

　　1.6 表面浸潤性

　　芳綸Ⅲ的表面浸潤性優(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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