碳纤维及其复合材料在军工领域的应用

  碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合,制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料的比强度、比模量等综合指标,在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、质量、耐疲劳特性等有严格要求的领域,在要求高温、高化学稳定性的场合,碳纤维复合材料都颇具有优势。

  1.在火箭、导弹上的应用

  在2000℃以上的高温环境中,碳材料是唯一强度不下降的物质,连钛金属及其合金也无法比拟,而军Y碳纤维可耐3000℃以上高温,碳纤维凭借耐烧蚀和轻质高强的特点被广泛应用于火箭的助推器、防护罩、发动机罩和导弹壳体、发射简等结构。碳纤维复合材料可以减轻火箭和导弹的质量,加大火箭和导弹的射程,提高落点的精度,而且航天飞行器的质量每减少1kg,就可使运载火箭减轻500kg,因此,在航空航天工业中普遍采用先进的碳纤维复合材料。

  2.在军Y飞机上的应用

  碳纤维因其“轻而强”和“轻而硬”的特性,被广泛应用于战斗机和直升机的机体、主翼、尾翼、刹车片及蒙皮等部位,起到了明显的减重作用,大大提高了抗疲劳、耐腐蚀等性能。CFRP在国外军Y飞机制造业中占有举足轻重的地位,据统计,目前碳纤维复合材料在军Y飞机上的使用量占30%-40%,并且碳纤维的使用逐渐从非承力、次承力结构向主承力结构和全复合材料结构方向发展,可大幅度减轻质量20%-30%。

  3.在个体防护方面的应用

  碳纤维复合材料防弹盔甲质量轻,导热、散热性好,能即时将子弹的冲击能量迅速、快捷地分散到整个面积上,穿透层数少、凹陷度小,对身体有效防护。通过弹道实测,达到GA141-2001安全标准,凹陷度9.3-10.4mm,并实现了一衣多能:防弹、防割、防刺、防暴、防火。

  英国剑桥大学研发出一种新型碳纤维,是由数以百万计的极小纳米碳管制成,纳米碳管是中空的碳圆柱体,仅约一个原子的厚度,号称是全世界最强的纤维,未来可制成超强防弹衣。这种新型的碳纤维强度与硬度比起目前用在防弹衣上的纤维高出好几倍,可以织成超强的护体盔甲,供军警使用,而且非常坚硬、质轻,可吸收物体碎片高速移动时产生的能量。美国一家企业将玻璃纤维和碳纤维织造成矩阵网预制造防弹材料,产品中加入了聚酯树脂,利用压层法完成3D防护服的纤维加工,给予了防弹最佳消散冲击力的功用,拥有更加强大的冲击力抵御能力,它能分层抵抗冲击力。

  4.在军Y箱体方面的应用

  机架箱采用碳纤维和碳-Kerlar纤维制造,具有超轻质和很高的结构硬度,同时具有防弹性能。采用模压成型工艺可以制造任何尺寸和壁厚的军Y箱。这种军Y箱能够防水,密封性能好,能够防沙和灰尘,同时具有防震性能。

  碳纤维是军民两用新材料,属于技术密集型和政治敏感的关键材料,在我国也是伴随航空航天及国防事业的快速发展而成长起来的新型材料,属于国家大力发展的战略性新兴产业。