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新材料
來源：未知 日期：2016-12-22 點擊：次
《中國制造2025》將新材料作為十大重點領(lǐng)域。《中國制造2025》大力推進(jìn)新材料產(chǎn) 業(yè)發(fā)展，力爭在2025年以前使我國新材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入世界一流強國行列。報告把特種金屬功能材料、高性能結(jié)構(gòu)材料、功能性高分子材科、特種無機(jī)非金屬材科和先進(jìn)復(fù)合材料為發(fā)展重點，積極發(fā)展軍民共用特種新材料，加快技術(shù)雙向轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化，促進(jìn)新材料產(chǎn)業(yè)軍民融合發(fā)展。
軍工新材料是新一代武器裝備的基礎(chǔ)。軍用新材料是新一代武器裝備的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今世界軍事領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，是現(xiàn)代精良武器裝備的關(guān)鍵，是軍用高技術(shù)的重要組成部分。世界各國對軍用新材料技術(shù)的發(fā)展給予了高度重視，加速發(fā)展軍用新材料技術(shù)是保持軍事領(lǐng)先的重要前提。
復(fù)合材料：先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強度、高比模量、耐燒蝕、抗侵蝕、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隱抗高速撞擊等一系列優(yōu)點，是國防工業(yè)發(fā)展中最重要的一類工程材料。大體分為：樹脂基、金屬基、陶瓷基和碳-碳復(fù)合材料。在國防軍工中主要運用于飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)件。目前最先進(jìn)的戰(zhàn)機(jī)上復(fù)合材料用量已經(jīng)達(dá)到40%，在空客最近推出的A350飛機(jī)上復(fù)合材料用量更是高達(dá)52%。預(yù)計未來5年軍用航空市場需求量達(dá)到10.2萬噸，市場空間超過200億元；未來20年民用航空市場需求量達(dá)到35.4萬噸，市場空間超過700億元。
鈦合金：鈦合金具有較高的抗拉強度，較低的密度，優(yōu)良的抗腐蝕性能，在300?550℃溫度下有一定的高溫持久強度同時具有很好的低溫沖擊韌性，是一種理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鈥合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用主要是制作飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)件、起落架、支撐梁、發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤。它在F-22飛機(jī)上的用量占結(jié)構(gòu)重量的41%，在波音787上用量達(dá)到15%， 在A320上的V2500發(fā)動機(jī)上的用量達(dá)到31%。預(yù)計未來5年我國軍用航空領(lǐng)域的鈦合金市場規(guī)模為142億元，未來20年民用航空領(lǐng)域的鈦合金市場為265.5億元。
超材料：超材料是一種由材料構(gòu)成的“材料”。其中，介于宏觀和微觀之間的結(jié)構(gòu)是超材料的基本組成單元。超材料技術(shù)是一種材料逆向設(shè)計技術(shù)，具有超越自然界材料電磁響應(yīng)極限的特性。目前主要的國防應(yīng)用集中在超材料隱身技術(shù)、超材料特種天線和超材料雷達(dá)罩等領(lǐng)域。未來20年超材料在國防軍工的市場空間巨大，僅軍用飛機(jī)隱身材料應(yīng)用就超過1,000億，軍艦應(yīng)用市場也超過600億。
超高強度鋼：超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1,200兆帕和1,400兆帕的鋼， 它是為了滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)對強度的高要求而研發(fā)的。超高強度鋼大量用于制造火箭發(fā)動器 壓容器和一些常規(guī)武器。由于鈦合金和復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用逐漸廣泛，鋼在飛機(jī)上用量有所減少，但是飛機(jī)上的關(guān)鍵承力構(gòu)件仍采用超高強度鋼。目前，在國際上有代表性的低合金超高強度鋼300M，是典型的飛機(jī)起落架用鋼。此外，低合金超高強度鋼D6AC是典型的固體火箭發(fā)動機(jī)殼體材料。超高強度鋼在不斷提高韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力，未來會有更廣泛的應(yīng)用。預(yù)計2020年超高強度鋼年市場規(guī)模近10億。
高溫合金——航空發(fā)動機(jī)關(guān)鍵材料
高溫合金是在600℃以上的高溫及一定及一定應(yīng)力作用下長期工作的一類金屬。高溫合金區(qū)別于傳統(tǒng)金屬、合金的特點在于：在高溫工作環(huán)境下合金具有較高的強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性，并在各種溫度下保持良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性等綜合性能，在西方也稱之為超合金（Superalloys）。
渦輪盤是幾個部件中質(zhì)量最大的，其工作溫度并不是特別高，但是要承受各種復(fù)雜 應(yīng)力，所以它的主要材料是變形高溫合金；
燃燒室是將燃油的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為熱能的場所，需要合金材料在800度以上的環(huán)境中 工作，所受的機(jī)械力較小熱應(yīng)力較大，目前主要材料為變形高溫合金，但是隨著發(fā)動機(jī)性能提升，變形高溫合金已經(jīng)達(dá)到其極限，現(xiàn)在開始嘗試新型高溫合金；
導(dǎo)向葉片是調(diào)整燃燒室出來的燃?xì)獾牧鲃臃较虻牟考?，是受熱沖擊最大的零件之一， 需要足夠的持久強度及良好的熱疲勞能力，主要制造材料是鑄造高溫合金；
渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)上最關(guān)鍵的構(gòu)件，因為渦輪前的燃?xì)鉁囟戎苯記Q定了發(fā)動機(jī) 的推重比，所以渦輪葉片材料的性能直接決定了發(fā)動機(jī)的性能，其工作環(huán)境最為惡劣，故采用最為先進(jìn)的單晶合金。
綜合來看，變形高溫合金的耐熱性能已經(jīng)可以滿足大部分的結(jié)構(gòu)材料，只有部分核心零件比如渦輪葉片，這種工作環(huán)境極惡劣的零件需要鑄造高溫 合金或其他新型合金。由于變形合金的技術(shù)門檻較低，工藝相對簡單，目前變形高溫合金的需求量遠(yuǎn)大于鑄造高溫合金和其他類型合金。
航空發(fā)動機(jī)
航空發(fā)動機(jī)被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術(shù)含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機(jī)動力裝置的航空發(fā)動機(jī)，特別重要的是金屬結(jié)構(gòu)材料要具備輕質(zhì)、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結(jié)構(gòu)材料中最高的性能要求。
在現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)中，高溫合金材料用量占發(fā)動機(jī)總量的40%-60%。在航空發(fā)動機(jī)上，高溫合金主要用于燃燒室、導(dǎo)向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機(jī)匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
燃燒室的功用是把燃油的化學(xué)能釋放變?yōu)闊崮?，是動力機(jī)械能源的發(fā)源地。燃燒室內(nèi)產(chǎn)生的燃?xì)鉁囟仍?500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達(dá)800~900℃以上，局部可達(dá)1100℃。
導(dǎo)向葉片
導(dǎo)向葉片是調(diào)整從燃燒室出來的燃?xì)饬鲃臃较虻牟考?，是航空發(fā)動機(jī)上受熱沖擊最大的零件之一。一般來講，導(dǎo)向葉片的溫度比同樣條件下的渦輪葉片溫度高約100℃，但葉片承受的應(yīng)力比較低。
在熔模精鑄技術(shù)突破后，鑄造高溫合金成為了導(dǎo)向葉片的主要制造材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導(dǎo)向葉片的工藝也在試制中；此外，F(xiàn)WS10發(fā)動機(jī)渦輪導(dǎo)向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強化高溫合金。
渦輪盤
渦輪盤在四大熱端部件中所占質(zhì)量最大。渦輪盤工作時，輪緣溫度達(dá)550-750℃，而輪心溫度只有300℃左右，整個部件的溫差大；轉(zhuǎn)動時承受重大的離心力；啟動和停車過程中承受大應(yīng)力低疲勞周期。用于渦輪盤制造的主要材料是變型高溫合金，其中G4169合金是用量最大、應(yīng)用范圍最廣的一個主要品種。近年來，隨著航空發(fā)動機(jī)性能不斷提高，對渦輪盤要求也越來越高，粉末渦輪盤組織均勻、晶粒細(xì)小、強度高、塑性好等優(yōu)點使其成為航空發(fā)動機(jī)上理想的渦輪盤合金，但我國工藝生產(chǎn)的粉末渦輪盤夾雜物較多，正在進(jìn)一步研制中。
渦輪葉片是航空發(fā)動機(jī)上最關(guān)鍵的構(gòu)件，渦輪葉片的工作環(huán)境最惡劣，渦輪葉片在承受高溫同時要承受很大的離心應(yīng)力、振動應(yīng)力、熱應(yīng)力等。
用于渦輪葉片制造的主材材料是鑄造高溫合金。近三十多年來鑄造工藝的發(fā)展，普通精鑄、定向和單晶鑄造葉片合金得到了廣泛應(yīng)用。單晶合金在國際上得到了快速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展了五代單晶合金，成為高性能現(xiàn)金航空發(fā)動機(jī)高溫渦輪工作葉片的主要材料；我國在20世紀(jì)80年代開始單晶合金研制，根據(jù)專著《中國高溫合金50年》（師昌緒），第二代單晶合金已經(jīng)在先進(jìn)發(fā)動機(jī)中進(jìn)行使用。
航天發(fā)動機(jī)
航天發(fā)動機(jī)中的特殊工作環(huán)境要求使其使用材料必須受高溫、高壓、高的溫度梯度變化、高動態(tài)載荷和特殊戒指的考驗，因此對材料的綜合性能和加工性能提出了很高的要求。高溫合金材料已經(jīng)占據(jù)了航天發(fā)動機(jī)相當(dāng)大的比重，在發(fā)動機(jī)中的應(yīng)用比比例接近總重量的一半，高溫合金材料技術(shù)的發(fā)展直接影響航天發(fā)動機(jī)研制水平。
航天發(fā)動機(jī)用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動機(jī)用高溫合金，但航天發(fā)動機(jī)材料除了承受高溫沖擊外，還有低溫（-100℃以下）環(huán)境要求。由于高溫合金精密鑄造工藝限制，過去形狀極其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件在航天發(fā)動機(jī)上一直沒有真正加以應(yīng)用。隨著工藝的進(jìn)步，航天發(fā)動機(jī)上的許多關(guān)鍵熱部件都采用了無余量整體精密鑄造高溫合金精鑄件，簡化了發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，降低發(fā)動機(jī)重量，減少了焊接部分，縮短研制和生產(chǎn)周期，降低研制和生產(chǎn)成本，提高發(fā)動機(jī)可靠性。隨著航天發(fā)動機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，航天發(fā)動機(jī)用高溫合金逐漸呈現(xiàn)出復(fù)雜化、薄壁化、復(fù)合化、多位一體、無余量的趨勢。典型的有渦輪轉(zhuǎn)子、導(dǎo)向器、泵殼體等。
民用工業(yè)高溫合金的應(yīng)用
隨著工業(yè)化的推進(jìn)，工業(yè)向高端、大型化發(fā)展，高溫合金在民用工業(yè)中的需求也日益增長。高溫合金合金也是艦船、火車、汽車渦輪增壓器葉片及各類工業(yè)燃機(jī)葉片的優(yōu)選材料；鐵路運輸?shù)母咚倩?、造船業(yè)的高品質(zhì)要求（特別是出口造船）、艦艇動力的高效要求、工業(yè)燃機(jī)應(yīng)用的高速發(fā)展等急需高性能的高溫合金母合金。目前，國內(nèi)民用工業(yè)高溫合金占高溫合金總需求的20%，而美國50%的高溫合金應(yīng)用于民用工業(yè)領(lǐng)域。
燃?xì)廨啓C(jī)
燃?xì)廨啓C(jī)是高溫合金的另一個主要用途。燃?xì)廨啓C(jī)裝置是一種以空氣及燃?xì)鉃榻橘|(zhì)的旋轉(zhuǎn)式熱力發(fā)動機(jī)，它的結(jié)構(gòu)與飛機(jī)噴氣式發(fā)動機(jī)一致，也類似蒸汽輪機(jī)。燃?xì)廨啓C(jī)的基本原理與蒸汽輪機(jī)很相似，不同處在于工質(zhì)不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃?xì)廨啓C(jī)屬于內(nèi)燃機(jī)，所以也叫內(nèi)燃?xì)廨啓C(jī)。構(gòu)造有四大部分：空氣壓縮機(jī)，燃燒室，葉輪系統(tǒng)及回?zé)嵫b置。
燃?xì)廨啓C(jī)的需求增長迅速，除用于發(fā)電外，還用于艦船動力、天然氣疏松的加氣站等。與航空用高溫合金葉片相比，燃?xì)廨啓C(jī)用高溫合金的使用壽命長（10萬小時），耐熱腐蝕、尺寸大，質(zhì)量要求很高。
汽車廢氣渦輪增加器
汽車廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。目前，我國渦輪增壓器生產(chǎn)廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪，它和渦輪軸、壓氣機(jī)葉輪共同組成一個轉(zhuǎn)子。此外內(nèi)燃機(jī)的閥座、鑲塊、進(jìn)氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓等都可以采用鐵基或鎳基高溫合金。
渦輪增壓系統(tǒng)對燃油效率和性能提升均有明顯效果。渦輪增壓是利用發(fā)動機(jī)排出的廢氣的能量來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸。當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進(jìn)入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量就可以增加發(fā)動機(jī)的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機(jī)功率及扭矩要增大20%—60%。
核電與其它領(lǐng)域的高溫合金應(yīng)用
核電工業(yè)使用的高溫合金包括：燃料元件包殼材料、結(jié)構(gòu)材料和燃料棒定位格架，高溫氣體爐熱交換器等，均是其他材料難以代替的。例如，燃料元件包殼管的管壁在工作時需承受600-800℃的高溫，需要較高的蠕變強度，因此大量采用高溫合金材料。
高溫合金材料在玻璃制造、冶金、醫(yī)療器械等領(lǐng)域也有著廣泛的用途。在玻璃工業(yè)中應(yīng)用的高溫合金零件多達(dá)十幾種，如：生產(chǎn)玻璃棉的離心頭和火焰噴吹坩堝，平板玻璃生產(chǎn)用的轉(zhuǎn)向輥拉管機(jī)大軸、端頭和通氣管、玻璃爐窯的料道、閘板、馬弗套、料碗和電極棒等。冶金工業(yè)的軋鋼廠加熱爐的墊塊、線材連軋導(dǎo)板和高溫爐熱電偶保護(hù)套管等。醫(yī)療器械領(lǐng)域的人工關(guān)節(jié)等。
高端高溫合金被國外壟斷
國內(nèi)高溫合金市場較為分散
鋼研高納和撫順特鋼是國內(nèi)高溫合金龍頭。在國內(nèi)，目前消耗量最大的變形高溫合金主 要由撫順特鋼、鋼研高納、寶鋼特鋼、長城特鋼等企業(yè)生產(chǎn)，此類企業(yè)善于生產(chǎn)大批量、通用型、結(jié)構(gòu)較為簡單的產(chǎn)品。鑄造高溫合金主要是由鋼研高納、中科院金屬所和航材 院以及各發(fā)動機(jī)廠專屬精鑄件廠生產(chǎn)，前三者主要是承接發(fā)動機(jī)廠對外委托的精鑄件業(yè) 務(wù)。撫順特鋼和鋼研高納是兩個方向的龍頭企業(yè)，兩者在變形高溫合金業(yè)務(wù)上有一定競 爭，但總體發(fā)展方向不同。撫順特鋼以提高產(chǎn)量降低成本為發(fā)展方向；鋼研高納走研發(fā) 加產(chǎn)業(yè)化道路，產(chǎn)品更高端更具針對性。
高溫合金的市場空間測算
根據(jù)測算，我們認(rèn)為到2020年，國內(nèi)高溫合金需求約為39275噸，對應(yīng)市場空間90.5億元。
假設(shè)1：在航空發(fā)動機(jī)中高溫合金占總重量的40%-60%，在先進(jìn)發(fā)動機(jī)中這一比例超過50%甚至更多。我們判斷，隨著航空工業(yè)的繼續(xù)發(fā)展和高溫合金材料科技的進(jìn)步，這一比例還將繼續(xù)提升。我們假設(shè)高溫合金占軍用航空發(fā)動機(jī)重量的60%，占民用航空發(fā)動機(jī)和其他軍機(jī)重量的40%。
假設(shè)2：通過與已有國內(nèi)外相似型號飛機(jī)發(fā)動機(jī)規(guī)格對比，我們假設(shè)軍用戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)重量約1.7噸，軍用運輸機(jī)、民用大飛機(jī)發(fā)動機(jī)重量約4噸，其他飛機(jī)航空發(fā)動機(jī)重量約1噸。
假設(shè)3：高溫合金的材料性能、加工難度要高于普通合金和鋼材，其材料成型率遠(yuǎn)低于一般特鋼。我們估計，1）在鑄造和軋制過程中材料成型率70-80%左右；2）母合金進(jìn)行加工時，廢品率80%左右，全流程材料利用率15%-20%，我們假設(shè)高溫合金全流程材料利用率為20%。
根據(jù)測算，未來20年我國軍用航空發(fā)動機(jī)高溫合金需求為17.75萬噸，民用大中型飛機(jī)發(fā)動機(jī)高溫合金需求為7.36萬噸。此外，低空開放將有望打開我國通用航空發(fā)展的瓶頸，未來20年通用航空保有量超過20000架，以平均1臺發(fā)動機(jī)測算，通用航空發(fā)動機(jī)高溫合金需求為5萬噸。
軍事應(yīng)用占世界船用燃?xì)廨啓C(jī)市場絕大多數(shù)份額。在軍用領(lǐng)域，有75%以上的海軍主力艦艇采用燃機(jī)動力；在民用市場，燃機(jī)主要應(yīng)用于高速客船中。
隨著中國多型船用燃機(jī)相繼研制成功，中短期內(nèi)燃機(jī)普及有望提速。我們認(rèn)為，燃機(jī)普及將以30MW級船用燃機(jī)為核心，輔以4MW級小功率船用燃機(jī)。其中，30MW級燃機(jī)主要用于大型的驅(qū)逐艦、護(hù)衛(wèi)艦等；4MW級燃機(jī)主要用于氣墊登陸艇和導(dǎo)彈快艇。
未來15年，我們認(rèn)為海軍將形成3大近海防御艦隊+若干支航母編隊+若干只兩棲攻擊/登陸編隊為主體的作戰(zhàn)體系?？紤]到燃機(jī)應(yīng)用情況，常規(guī)/核動力航母、兩棲攻擊/船塢登陸艦將其作為主要動力源的可能性較小，應(yīng)用燃機(jī)的新型艦艇很可能主要配備在航母編隊和兩棲攻擊/登陸編隊中，且以驅(qū)逐艦和護(hù)衛(wèi)艦為主，近海防御艦隊則僅配備新型隱身導(dǎo)彈艇。
按照未來15年將建設(shè)5個航母編隊（2常+3核）、3個兩棲攻擊/登陸編隊和3個近海防御艦隊規(guī)模的假設(shè)，再考慮到燃機(jī)的更新與維護(hù)，我們估算未來15年30MW級燃機(jī)需求600臺，4MW級燃機(jī)需求1476臺。通過測算，未來15年燃?xì)廨啓C(jī)高溫合金需求達(dá)6.23萬噸，平均每年4152噸。
復(fù)合材料是由2種或2種以上的材料經(jīng)過復(fù)合工藝制備的多相材料，各種材料在性能上互相影響，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組分材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料由連續(xù)相的基體和被基體包容的分散相增強體組成。
先進(jìn)復(fù)合材料是比通用材料有更高綜合性能的新型材料，其最重要的特點便是輕質(zhì)高能，而這正是軍事工業(yè)對武器裝備的設(shè)計理念和奮斗目標(biāo)，因此它在軍事工業(yè)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。
玻璃纖維復(fù)合材料
玻纖增強樹脂基復(fù)合材料是最早應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的復(fù)合材料之一。目前用于高性能復(fù)合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等，其中后2種玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是較為理想的耐熱防火材料，用其增強的復(fù)合材料部件大量應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈的防熱材料，另外玻璃纖維價格便宜，其高性價比受到應(yīng)用領(lǐng)域的青睞。
在輕型裝甲車中，玻璃纖維復(fù)合材料的應(yīng)用幾乎涉及裝甲車輛的各個部位，如側(cè)裙板、翼子板、各種油箱蓋板、復(fù)合裝甲板等，比具有同等功能的金屬材料大大減輕了車輛的重量。
碳纖維復(fù)合材料
碳纖維是一種直徑范圍在6～8μm以內(nèi)的連續(xù)細(xì)絲材料，碳纖維復(fù)合材料是用碳纖維和高性能的樹脂基體復(fù)合而成的先進(jìn)樹脂基復(fù)合材料，是目前用得最多、最重要的一種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。另外，對于軍用飛機(jī)可以屏蔽或衰減雷達(dá)波與紅外特征，提高自身生存和空防能力，在實現(xiàn)戰(zhàn)機(jī)輕量化、快速反應(yīng)、精確打擊等方面起著巨大作用，因此，碳纖維復(fù)合材料也是目前在軍用戰(zhàn)機(jī)領(lǐng)域用得最多的一種復(fù)合材料，例如，在A400M軍用戰(zhàn)機(jī)上，復(fù)合材料占結(jié)構(gòu)重量的比例達(dá)35%～40%，特別是機(jī)翼，碳纖維復(fù)合材料占機(jī)翼結(jié)構(gòu)重量比例高達(dá)85%。圖是A400M碳纖維復(fù)合材料戰(zhàn)機(jī)。
芳綸纖維是一種高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐腐蝕和高耐磨的有機(jī)合成纖維，由于其綜合性能優(yōu)異，其復(fù)合材料也具有優(yōu)異的性能，因而芳綸復(fù)合材料在軍事領(lǐng)域受到國內(nèi)外的高度重視和廣泛應(yīng)用。
芳綸復(fù)合材料在軍事上的另一個重要應(yīng)用便是用于人體防護(hù)，主要是指防彈衣、防刺服、防割手套和防彈頭盔等。圖是芳綸復(fù)合材料某防彈衣。
聚乙烯復(fù)合材料
聚乙烯復(fù)合材料最突出的特點便是輕質(zhì)高能。相比于玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維，聚乙烯纖維質(zhì)量最輕，密度約為0.97g·cm-3，而聚乙烯纖維復(fù)合材料的比沖擊總吸收能量分別是碳纖維、芳綸和E玻璃纖維的1.8、2.6和3倍，其防彈能力比芳綸裝甲結(jié)構(gòu)的防高彈能力高2.6倍。因此，聚乙烯復(fù)合材料是航空航天、防彈防刺等國防領(lǐng)域追求輕質(zhì)高能的理想材料。
在軍事上，聚乙烯復(fù)合材料主要用于裝甲的殼體、雷達(dá)防護(hù)外殼、頭盔、坦克的防碎片內(nèi)襯、防彈衣等。我國聚乙烯復(fù)合材料的起步較晚，但發(fā)展迅速。目前，上海斯瑞有限公司自主研發(fā)的由SD301聚乙烯纖維復(fù)合材料模壓的防彈插板、防彈衣、防刺服等，其防護(hù)性能高于世界先進(jìn)水平，已經(jīng)成功應(yīng)用于多種裝甲防護(hù)車輛及人體防護(hù)。聚乙烯復(fù)合材料在輕質(zhì)高能方面的突出特性為其贏得了國內(nèi)外的度重視和在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，例如，英國T.B.A公司生產(chǎn)的防彈服和AIIiedIignaI公司的一種防護(hù)夾層由聚乙烯復(fù)合材料制得，另外，俄羅斯、日本的防彈、防刺產(chǎn)品也廣泛采用了聚乙烯復(fù)合材料。
復(fù)合材料技術(shù)的民事應(yīng)用
復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展發(fā)端于國防科技工業(yè)領(lǐng)域，經(jīng)過多年發(fā)展，復(fù)合材料技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。復(fù)合材料產(chǎn)品不僅應(yīng)用在軍用方面，近年來種類繁多的民用復(fù)合材料產(chǎn)品大量涌現(xiàn)，復(fù)合材料與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點，復(fù)合材料在航空、汽車、房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。特別是航空航天領(lǐng)域，成為全球復(fù)合材料市場中最大的單體市場，隨著復(fù)合材料技術(shù)的進(jìn)一步成熟，民用飛機(jī)的復(fù)合材料用量在大幅度提高，例如，波音公司的波音787飛機(jī)和空客公司的A350WXB飛機(jī)復(fù)合材料用量已達(dá)到甚至超過了50%。另外，在2010年航空業(yè)使用的2000多萬公斤復(fù)合材料中碳纖維復(fù)合材料占37%，玻璃纖維復(fù)合材料占35%，其他復(fù)合材料占28%。
國外復(fù)合材料技術(shù)的應(yīng)用比中國更早，對人們的日常生活覆蓋得越更廣，但其應(yīng)用領(lǐng)域基本是相同的。基于復(fù)合材料具有輕質(zhì)高能、耐磨、防腐等一系列共性，在民用工業(yè)中的應(yīng)用大多數(shù)是相互交叉的，但根據(jù)復(fù)合材料各自增強材料的不同，其應(yīng)用領(lǐng)域也有略微差別，圖3為主要復(fù)合材料產(chǎn)品在民事領(lǐng)域的應(yīng)用。表是以上4類復(fù)合材料的在民用工業(yè)中的主要應(yīng)用領(lǐng)域。
全球復(fù)合材料總產(chǎn)量已超過1000萬噸，其中美國占據(jù)領(lǐng)先位置，占全球產(chǎn)量的28%。 據(jù)JEC預(yù)測，美國復(fù)合材料工業(yè)將保持5%的年增長，主要由航空、車輛及建筑三大領(lǐng)域驅(qū)動。
中國的復(fù)合材料技術(shù)與世界領(lǐng)先水平存在相當(dāng)大的差距，特別是碳纖維方面，中國生產(chǎn)出來的碳纖維不均率高，毛絲多，力學(xué)性能不佳根本無法用來制造航天裝備，比如廣泛用于飛機(jī)機(jī)身的T800碳纖維，國外已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高性能化、低成本化和系列化，中國在2014年以前只能靠進(jìn)口。在玻璃纖維方面我國與國際領(lǐng)先水平差距不大，但是玻璃纖維制作工藝簡單，性能也遠(yuǎn)不如其他復(fù)合材料。
我國戰(zhàn)機(jī)復(fù)合材料使用量大約占總重6~9%，主要用于機(jī)翼、平尾、前機(jī)身，直升機(jī)使用量占總重的25?33%，主要用于機(jī)身和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)件。
復(fù)合材料航空市場空間廣闊 我國目前正不斷加強對航空領(lǐng)域復(fù)合材料的重視，預(yù)計未來我國航空飛行器中復(fù)合材料 的使用量會進(jìn)一步提高，我們假設(shè)中國飛機(jī)未來幾年復(fù)合材料的使用比例達(dá)到美國90年代水平，航空用復(fù)合材料制造損耗率為75?80%，由此我們估算2015?2020年軍用航空復(fù)合材料市場需求量為10.2萬噸，市場空間超過20億元；2015?2033年民用航空復(fù)合材料市場需求量為35.4萬噸，市場空間超過700億元。
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