強度超過碳纖維,廣泛應用於航天軍工領域的超強材料——凱夫拉

強度超過碳纖維,廣泛應用於航天軍工領域的超強材料——凱夫拉

提到凱夫拉可能很多人並不陌生,它被大量的用於防彈衣和防彈頭盔。其實用於防彈材料只是凱夫拉眾多用途中的一小部分。

強度超過碳纖維,廣泛應用於航天軍工領域的超強材料——凱夫拉

20世紀以來,由於航空、宇宙航行等行業的飛速發展,高速超重 負載輪胎複合材料的需求與日俱增。人們迫切需要一種低密度、強度高、韌性好、耐高溫的新材料。凱夫拉在這種情況下應運而生。

20世紀60年代,美國杜邦公司研製出一種新型芳綸纖維複合材料——芳綸1414。杜邦將這種材料在1972年實現商品化並註冊商標為Kevlar也就是卡夫拉。

強度超過碳纖維,廣泛應用於航天軍工領域的超強材料——凱夫拉

凱夫拉縴維具有十分優異的物理機械性能、熱穩定性、阻燃性及優良的電絕緣性。凱夫拉的強度是優質鋼材的5~6倍,模量是鋼材的2~3倍,韌性是鋼材的2倍,而重量僅為鋼材的1/5。凱夫拉的強度超過碳纖維,而質量比碳纖維還輕。凱夫拉材料的連續使用範圍極寬。在-196℃~204℃範圍內可長期正常工作,在150℃以下的收縮率為0,在560℃的高溫下不分解、不融化,具有優良的抗腐蝕性能,使用週期長具有“合成鋼絲”、“全能纖維”的美譽。

凱夫拉縴維主要分為兩種:對位芳酰胺纖維(PPTA)和間位芳酰胺纖維(PMIA)。

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對苯二胺

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對苯二甲酰胺

以凱夫拉-49纖維為例:它以對苯二胺和對苯二甲酰胺為原料,在有機溶液中進行低溫縮聚,得到高特性粘度、高結晶度的樹脂,採用液晶紡絲新技術,溶於濃硫酸或六甲基磷酸酰胺等一些溶劑中配成紡絲原液,然後進行乾溼法紡絲製造。

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凱夫拉的化學結構

凱夫拉擁有眾多優異性能,但也有缺陷,它的抗壓性能差,約為玻璃纖維複合材料的一半。在應用中往往加入其它纖維製成混雜複合材料來提高抗壓性能。如50%凱夫拉縴維和50%高強碳纖維與環氧樹脂組成的混合材料,彎曲強度超過620Mpa,抗衝擊強度是單獨使用高強度碳纖維的2倍。

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20世紀70年代荷蘭Deft技術大學的研究者曾採用鋁合金和鈦合金薄板與凱夫拉縴維製成凱夫拉縴維增強金屬層合板,從而開發出一種新型的超混雜複合材料。這種材料具有優良的耐疲勞性能和抗衝擊性能,並且具有良好的加工性能和吸溼性能,適用於航空航天和其他領域特殊性能的要求。

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事實上凱夫拉用於防彈衣、防彈頭盔的比例只佔7~8%,它還廣泛應用於航空航天、國防工業、電子通訊、汽車工業、油氣田的勘探和生產、體育休閒用品等產業。

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S-76商用直升機

為了減重和提高經濟效率,在商用飛機和直升機上都大量的採用了凱夫拉縴維增強複合材料。例如L-1011三星式客機總用量已達到1135公斤,使飛機減輕365kg。S-76商用直升機的外表面使用凱夫拉縴維複合材料高達50%。航天方面凱夫拉主要用於運載火箭發動機殼體和壓力容器、人造衛星、太陽能電池陣基板、拋物面天線反射器、SAR天線電氣板等,它還用於宇宙飛船的駕駛艙、氧氣、氮氣和氦氣容器。

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反坦克武器的出現促使人們在坦克、裝甲車靈活機動性能的前提下提高其防護性能。凱夫拉材料使這一問題迎刃而解,它將坦克、裝甲車防護性能提高到一個嶄新的高度。與玻璃鋼相比,相同的防護情況下用凱夫拉材料重量可減輕一半,並可經得起反覆撞擊。如採用 鋼-芳綸-鋼複合型裝甲能防穿甲厚度為700毫米的反坦克導彈,還可防中子彈。凱夫拉複合裝甲不僅廣泛應用於坦克、裝甲車而且用於核動力航空母艦及導彈驅逐艦。

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凱夫拉縴維可大幅減輕製品的質量。如造船工業採用凱夫拉複合材料後船體可減重28~40%,燃料節省35%,航程可延長35%。用作汽車和舢板材料可大幅減輕重量。

強度超過碳纖維,廣泛應用於航天軍工領域的超強材料——凱夫拉

在體育用品中也廣泛地應用凱夫拉材料,在曲棍球棒中以凱夫拉和木材混合使用,可以改進耐用性及剛性,在高爾夫球棒、網球拍、標槍、弓、釣魚竿與其他體育用品中都可見到凱夫拉縴維的身影。

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在過去的幾十年中,世界上只有美國、日本、韓國及俄羅斯擁有對位芳綸纖維的生產技術,在某種程度上能否生產對位芳綸成為一個國家實力的象徵之一。由於凱夫拉縴維在航天航空及國防工業的獨特作用,國外長期對我國進行技術封鎖,制約我國在相關領域的和應用和開發。直至2011年千噸對位芳綸纖維生產線投產我國才實現了近40年對位芳綸產業化的夢想。通過對生產工業一系列的創新優化,目前我國的凱夫拉縴維產品性能已達到國際先進水平,相信凱夫拉縴維會在中國製造的路上越走越遠。


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