碳纤维技术概况及其军事应用

碳纤维具有高强度、高模量、质量轻、耐高温等一系列优异性能,可以通过与金属、陶瓷、树脂等材料复合加工制成具有不同特性、不同用途的复合材料。目前碳纤维材料已被广泛应用于航空航天、国防军事、交通运输、建筑、体育休闲等领域。本文对碳纤维技术及其军事应用等进行了概述。

一.碳纤维技术概况

1. 分类及性能

碳纤维种类繁多,可按照原丝类型、力学性能、纤维数量等分为不同的类型。在性能上,碳纤维具有强度高、模量高、耐腐蚀、抗疲劳、耐高低温、密度小、导电等一系列优点,不同种类碳纤维的性能存在差异。

碳纤维技术概况及其军事应用-CompositesPlus

不同种类碳纤维特点及应用对比图

2. 制备技术

(1)PAN基碳纤维:PAN基碳纤维是以聚丙烯腈为原料,经过PAN原丝制备、预氧化和碳化等步骤制成。

PAN原丝制备包括聚合工艺和纺丝工艺。PAN原丝制备可根据两种工艺的连续性分为一步法和二步法,聚合液不需要分离就可以直接用来纺丝,称为一步法;若分离出PAN粉末后溶解形成纺丝原液再进行纺丝,称为二步法。

境外主要企业的碳纤维PAN原丝技术路线

PAN原丝耐热性能较差,若直接碳化会使原丝在高温下分解。因此,预氧化是生产PAN基碳纤维非常重要的中间过程。预氧化后,纤维在惰性气氛中先后进行低温碳化和高温碳化。石墨化是在惰性气体保护下进行进一步高温处理,获得含碳量99%以上的高模量碳纤维。

(2)沥青基碳纤维:沥青基碳纤维是以石油沥青或煤沥青为原料,经过调制、纺丝、不熔化/预氧化、碳化等步骤来制取沥青基碳纤维。

各国沥青纤维纺丝工艺对比图

沥青纤维的不熔化也叫预氧化,处理工艺包括气相法和液相法。预氧化后沥青纤维在惰性气氛下进行碳化处理,增加纤维含碳量以及单丝拉伸强度,提高沥青基碳纤维的力学性能。石墨化一般在中间相沥青基碳纤维的制备过程中,有助于纤维形成石墨片层结构,具有更高的强度、导电性和弹性模量。

(3)粘胶基碳纤维:粘胶基碳纤维以木浆和棉浆等为原料,粘胶纤维素浆粕配制成纺丝液,经过水洗、过滤、干燥,浸渍催化,预氧化和碳化工序转化为碳纤维。催化浸渍主要是浸渍催化脱水剂。粘胶纤维预氧化是在催化剂的作用下进行脱水、热裂和结构转化。粘胶纤维碳化同样分为低温碳化和高温碳化两步工序,低温碳化主要是深度脱水、热裂和芳构化;高温碳化主要是缩聚和芳构化。

(4)复合材料成型工艺:碳纤维复合材料成型工艺有很多,常用的工艺包括树脂传递模塑(RTM)成型、注射成型法、模压成型法、缠绕成型法、拉挤成型法、热压罐成型法、压力袋法、喷射成型法、手糊成型法等等。其中模压成型、热压罐成型等采用的是预浸料,缠绕成型、拉挤成型采用纤维在线浸润的方式,而RTM则是预成型体的液体成型,长程流动。

二.碳纤维材料的应用

1. 应用形式及领域

碳纤维及其复合材料具有高强、高模、轻质、柔软、耐高温等众多优良特性。碳纤维的应用形式包括碳纤维织物、短切碳纤维、碳纤维预浸料等。但碳纤维一般不单独使用,通常作为增强材料加入树脂、金属、陶瓷、水泥等材料中,制成碳纤维增强复合材料制品。

各类碳纤维复合材料特点及应用对比图

2. 碳纤维的军事应用

碳纤维具有质轻、高强度、高模量、耐腐蚀、耐高温等特点,碳纤维及其复合材料被广泛应用于火箭、导弹、装甲防护等军工领域,使军事装备性能不断提高。碳纤维及其复合材料已成为现代国防军工武器装备的重要战略物资。

(1)吸波隐身

普通碳纤维对电磁波是反射体,不具备吸波功能,通过对碳纤维进行表面改性(如镀镍、涂覆碳化硅涂层等)、研制新型碳纤维(如异形截面碳纤维、螺旋碳纤维、多孔碳纤维、碳纳米管等),能显著改善其电磁性能。

特种碳纤维用于制造隐身飞机,如B-2隐身轰炸机,其整体机身除了主梁和发动机机舱采用钛复合材料外,其余部分均采用碳纤维复合材料。美国隐身战机F-22,CFRP用量达到24%,英国Typhoon战机复合材料用量高达40%。结构型碳纤维吸波复合材料结合了复合材料轻质高强的结构优势和吸波特性,是雷达隐身材料的重要发展方向。碳纤维吸波材料属于功能和结构一体化的优良吸波材料,随着隐身结构材料的完善和提高,碳纤维复合材料的需求还将持续增长。

(2)导弹火箭

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、发射筒等结构。

碳纤维复合材料可有效减轻火箭和导弹的结构质量,加大火箭和导弹的射程,提高落点的精度,如战略导弹固体火箭发动机第三级结构质量减少1kg,可增加射程16km,弹头质量减少1kg,可以增程20km,碳纤维复合材料的使用能提高有效载荷的运载能力。

碳/碳纤维复合材料C/CFRP是用来制造洲际弹道导弹的鼻锥、发动机喷管和壳体的最好选材。其不仅具有优异的热力学性能,而且在烧蚀过程中烧蚀率低、烧蚀均匀和对称,能够保持良好的气动外形,有利于减少非制导误差。C/CFRP在美国民兵、三叉戟、MK等战略导弹上均已成熟应用。碳纤维复合材料还应用于固体发动机壳体,如美国战斧式巡航导弹、大力神-4火箭、法国的阿里安-2火箭改型、日本的M-5火箭等。

(3)装甲防护

由于碳纤维增强复合材料的轻质、高强等优异性能,在装甲防护领域如防护服、装甲舰艇、装甲车辆等均有应用。CFRP用于制造装甲车辆、舰艇,除装甲防护外,还能提高速度、节省燃料。如,美国的“短剑”高速快艇是使用CFRP一次成型制造的船体,船体外表光滑,重量大大降低,同时其磁信号特征也非常小,不易触发水雷。即使被鱼雷和导弹击中后,碳纤维船体很难完全解体,可避免毁灭性后果。

(4)其他

碳纤维材料还因其导电、高强度、耐腐蚀等性能,被应用在炸弹(石墨炸弹)、军用机架箱、压力容器(潜艇、鱼雷等的外压力容器)等军事领域。(编写:中物院科技信息中心  任正平)

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