芳綸纜繩具有輕質高強、抗沖擊、耐高溫、柔韌、耐磨等優異性能,是集結構承載和功能于一身的高性能特種材料.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,己發展成為現代國防軍工關鍵性的支撐材料.

日前在上海總裝下線的我國自主研制的較早出現的款新一代噴氣式干線客機C919,機艙內部等結構大規模采用高技術耐高溫芳砜綸纖維,不僅阻燃、耐腐蝕和抗熱氧老化性能優異,還實現了大飛機再"瘦身"30公斤以上,意味著飛機油耗更小,成本更低,更環保節能.

芳綸纜繩-集結構和功能于一身

芳綸纜繩,俗稱雜環芳綸,其綜合性能在芳族聚酰胺家庭中排名優先,具有高比強度、高比模量、低壓縮強度和低密度等優異性能,性能遠遠超過芳綸1414,是我國非常重要的戰略物資.因具有強度高、模量高、尺寸穩定、抗沖擊、耐磨、透波、耐候、電絕緣、耐疲勞、質量輕等特點,芳綸Ⅲ集防彈、隱身等功能于一體,在飛機構件、防彈裝備、機載/星載/艦載雷達罩、透波形結構件、衛星部件、儀器房艙、發動機殼體等領域有著廣泛應用.此外,隨著低碳經濟的發展,芳綸Ⅲ在節能減排及裝備輕量化方面的應用也受到重視,成為高性能纖維復合材料領域的關鍵材料.

    一、 芳綸纜繩應用領域

芳綸纜繩作為一種綜合性能較好的輕質高強材料之一,集優越的抗彈性、輕量化、隱身和結構于一體,廣泛應用于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、芳綸纜繩應用于航天航空

芳綸纜繩在航空航天領域的應用

    新型芳綸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,是理想的現代宇航新型材料.在航空航天領域,

芳綸纜繩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1 kg的質量就能降低好品質萬美元的成本.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,芳綸纜繩于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系數(容器特性系數=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.

    芳綸纜繩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、低熱膨脹系數等性能優勢,而這些性能優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、 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勢尤為突出,應用在現代戰爭、防暴和反恐中能有效減輕負荷,更利于發揮人員和裝備快速機動的特點從而贏得勝利.芳綸Ⅲ以其高抗沖擊性、防護裝備制造輕量化等特點在防彈衣、防彈頭盔和防彈鋼板等領域有著高端的運用.

    相對于芳綸1414,芳綸Ⅲ防彈性能更優,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月美國堪薩斯州威奇托測試實驗室獲得的研究結果表明:芳綸Ⅲ的動態強度超過了有名的ZAYLON 材料,更遠高于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%.許多國際專家也將俄羅斯芳綸Ⅲ與芳綸1414以及超高分子質量聚乙烯材料(Spectra、Dyneema 等)進行對比,發現芳綸Ⅲ在單兵防護中具有更顯著的減重空間,其性能在同類產品中屬較優,處于國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異,耐熱性好,且在高溫下強度保持率高.由于用在軍事上,與火或熱物體接觸的可能性較大,當溫度較高時,超高相對分子質量聚乙烯的性能會大幅降低,不再具備防彈能力;而芳綸Ⅲ及其復合材料因其抗蠕變性與耐熱性優異,抗沖擊強度幾乎不受影響,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法部門大量采用,已長達數十年,其被廣泛認為比芳綸1414對環境有更好的穩定性.

    在防彈頭盔應用上,芳綸Ⅲ集高強度、輕質量、易鑄型、防護面積增加、樣式美觀及良好的防護性能為一體,制造出的防彈頭盔具有很高的V50值(即在規定彈速范圍內,對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,是用于單兵防護頭盔的理想材料.表2顯示了由中藍晨光芳綸Ⅲ制造的防彈頭盔性能測試結果.

    3、芳綸纜繩應用于船舶領域

芳綸纜繩在海洋船舶中應用

    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勢:

    ①綸Ⅲ在船體輕量化材料上優勢明顯,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,微波穿透性好等特征,能透過電磁波且幾乎不改變電磁波的性質,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沖擊的能力,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、耐海水和酸堿等性能優點為一體,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,展現綜合國力,有著重要的社會和經濟意義.

    4、兵器

芳綸纜繩在坦克中的應用

    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場機動能力和快速作戰反應能力.

    5、 特種繩纜

    芳綸Ⅲ及其復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、 芳綸纜繩優異性能

    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、耐磨等優異性能.這是因為

    1、 芳綸Ⅲ的力學性能

    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 ℃時質量殘余量還有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,不產生后燃燒,不幫助燃燒.

    1.4 穩定性

    芳綸纜繩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的耐高溫酸堿性為較優.

    1.6 表面浸潤性

    芳綸Ⅲ的表面浸潤性優于芳綸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.