先进高分子材料在国防相关领域的研发和应用进展.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,2016,国防装备高分子材料设计、加工与应用过交流会,先进,高分子材料在国防相关领域,的研发和应用进展,罗益锋,中国新材料技术协会,会长,中德新能源合作公司 中方首席专家,全国特种合成纤维,信息中心 主任,高科技纤维与应用,杂志 主编,2016,年,元,月,22,23,日 江苏 无锡,前言,先进高分子材料在国防装备现代化中起到了举足轻重的作用，要想打赢信息化条件下的现代战争和包围我国的万里海疆必须通过不断创新继续更新和发展陆海空三军的武器装备，并从薄弱环节迎头赶上和超过对手，方能确保我国自身的安全以下仅介绍特种薄膜和纤维在某些国防装备上的应用1.,临近空间飞艇,所谓临近,空间即平流层是指距地球高度约,20,50Km,的空间，一般的飞机是在,15Km,以下的空间飞行，而人造卫星是在,100Km,以上的太空运行，而平流层是在,20,50Km,之间由于现代化战争中双方要攻击的对象之一是摧毁卫星通讯指挥系统，我国已成功打掉自己的报废卫星，意味着有能力摧毁敌方的军事和民用通讯卫星，而美国已研发出能捕捉对方卫星的飞行器，在这种情况下发展平流层飞艇是各发达国家的新战略目标。

它可代替卫星进行信息和数据传输、,GPS,定位等，又可定点投放军事物资或救灾物资、监视对方的军事活动、在战时携带武器实施高空打击等目前我国的研发单位不少，既有国有研究院所，也有民企或中外合作企业，代表性单位有电子科工集团,14,所、深圳光启科技、上海,华丽,家族、航天科工集团技术信息研究院和波恩项目投资有限公司等国内外所研发的飞艇种类和形状各异，有椭圆形、球形、橄榄形和莲藕形等，军方要求至少能携带,0.5,1t,重物并驻空,15,天以上，通过地面遥控可以返回维修，轮流升空，成本只有卫星的,1/50,，成功后不产生太空垃圾要,达到上述指标难度极大，是一项综合技术和先进高分子材料的组合，既涉及到柔性高效太阳能背板和高效轻量的新型电池，又需要碳纤维复合材料（,CFRP,）的骨架和大小螺旋桨及超轻量膜结构等要想使飞艇稳定驻留在平流层定点位置，其高分子膜结构材料至关重要，膜材质要求：薄而轻，气体屏蔽性好，防氦气渗漏，膨胀系数小，在,+70,-70,温差范围稳定，耐紫外光和宇宙射线，耐热、耐低温性和热稳定性好目前正试验的有高密度聚乙烯（,HDPE,）、,PA-6,、聚芳酯（,LCP,）、萘环聚酯和聚酰亚胺薄膜等。

为了稳定艇类的形态，其骨架采用热膨胀系数极低的碳纤维复合材料拉挤成型条，其性能完全符合上述各条件目前波恩项目投资有限公司和德国合作开发的“空中飞龙”，已完成过十几次飞行试验，经空气动力学试验研究证明，采用如图,1,所示的设计外形是最佳方案，计划于,2016,年,3,月在西班牙的欧盟飞艇基地放飞图,1.,空中飞龙的试飞照片,2.,固体钒动力电池（,SVPB,）,波恩公司与德国合作开发的固体钒动力电池（,SVPB,），具有设计创新、无需充电、靠硼化钒（,VB,2,）纳米粉在催化剂存在下与空气中的氧反应产生电流，反应产物可再生循环使用主要创新点在于将传统的平板式隔膜改成双微管膜或中空纤维膜，以及两绝缘膜之间的电解质溶液和最内外层膜表面的高导电层与催化剂层VB,2,粉在多根膜间隙循环，如图,2,所示图,2.SVPB,的关键部件结构示意图,基于这种新颖的设计，导致微管或中空纤维膜直径越小，单位体积能容纳的膜越多，膜面积越大，反应效率越高，加之,1,个,VB,2,分子能产生,11,个电子，而一般电池只产生,1,或,2,个电子，因此能量密度极高图,3,微管直径与电池能量密度的关系而且,SVPB,是由两部分组成，反应器和,VB,2,粉体储存器，靠小泵将,VB,2,在两者间循环，当,VB,2,全被氧化或,V,2,O,5,和,B,2,O,3,时，电动汽车须到换粉站用特制设备将储存器中的氧化物真空抽吸，并,置入新,VB,2,粉，时间只需,3,5min,，无需将电池卸下。

电池的反应温度不超过,60,，而且微管膜是由耐高低温、阻燃、耐腐蚀、绝缘等聚合物或陶瓷组成，因此不存在自燃、冒烟和偶尔爆炸等不安全问题SVPB,上述特点，极适合应用于空中飞龙、飞艇、飞机、无人机、常规潜艇、备用电源、军车和军用通讯设施等，特别是在夺岛战争等无充电设施的条件下，保持通讯畅通尤为重要目前各种小样品（方形、圆柱形、块状等）已研制成功（见下图），正开展中试连续化试验图,4.,各种电池带动膜型卡车和飞龙飞行图,3.,航天用聚酰亚胺（,PI,）膜,3.1,航天飞行器的热保护膜（,MLI,）,为期,30,年的阿波罗登月计划已经终结，当时登月的探测器是采用金色的聚酰亚胺,KaptonH,镀铝膜材料作为多层热保护膜（,MLI,），是由,5,10,层厚度,10,50m,的,PI,和,PEI,（,聚醚酰亚胺,）膜内层或两面蒸覆,100nm,的,AL,（铝）或,Au,（金）膜它要抵御宇宙飞行器内部放出的热并,耐受,外部,-,20,+50,的运行温度，还要,经受,地球周边存在于低轨道并以,8Km/S,的高速度冲击飞行器的原子氧（,AO,）的袭击，其浓度为,10,12-13,原子氧,/m,3,这种原子氧能使各种高分子材料迅速氧,化、老化,，,PI,膜也不例外，因此开发了可抵御,AO,的含硅、含磷或氟化的,PI,，其中含,Si,的,PIBSF30,具有优良的耐受性。

图,5,示,出日本第一颗地球回收宇宙无人实验卫星（,SUF,）的,EPEX,表面的,MLI,结构,图,5.,日本首个回收实验卫星的,EPEX,表面,MLI,3.2,柔性膜结构与宇宙伸展结构物,人造卫星和航天器的质量和尺寸大小受到火箭性能与前端整流罩形状的制约，为此要求将大面积太阳能电池板、大型宇宙望远镜和宇宙抛物面天线等都紧凑地受容于其中，并能在火箭达到指定空间后展开，这就需要轻质的,PI,材料图,6,示出目前使用的宇宙空间站（,ISS,）的外形，其中两端的巨型太阳能柔性板（太阳能阵列片材：,SAW,）是,ISS,的重要供电源，是由,2,层长约,22m,、款,4.3m,的外毡和中央的伸展柱组成，各毡连接以,Kapton H,（,PI,）为基材的,82,张板，通过中央柱组合成可折叠和伸长的太阳能板在板上用硅树脂粘接,200,个,88cm,的太阳能电池，所产生的电力可输送至连接到,FPC,的,ISS,图,6.,太阳能板（,SAW,）全展开的,ISS,国际宇宙空间站,3.3,太阳能电池,IKAROS,膜,IKAROS,来自希腊神话，是,Interplanetary Kite-craft Accelerated Radiation Of the Sun,（星际风筝式飞机的太阳加速辐射）的每个字头缩写。

是为了实现,100,年前所提出的构想，即利用巨大扩展的“帆”式膜来反射太阳光，而靠光子的压力进行宇宙航行的太阳能电池之所以长期以来难以实现，其原因之一是找不到耐宇宙环境强而又超轻的大面积膜，用于实现以微弱的光子作为推动力进行持续的宇宙飞行曾经,有人提出采用耐宇宙环境性好的,KAPTON-H,膜，但由于它不软化，难以进行热贴合，因此不容易制得巨大的“帆”式膜结构直到,2007,年由日本航天航空研发机构（,JAXA,）所启动的太阳能计划,WG,后，才于,2012,年实现,反转羽式的,PI,太阳能电池,IKAROS,在宇宙展开成功，如图,7,所示图,7.,世界首次的聚酰亚胺太阳能电池,IKAROS,在宇宙展开的图像,图,8,示出由,PI,膜构成的方形太阳能电池膜面整体主要配置图,图,8.,太阳能电池膜面整体图,IKAROS,是由直径,1.6m,的探测器侧面的展开系统和支撑航天飞行器的无线电通路部组成，一片,PI,膜约长,13.6m,，厚,7.5m,IKAROS,探测器的质量为,296Kg,，直径,160cm,、高度,83cm,，如图,9,所示，在电池表面有,48,个约,10m,2,的薄膜太阳能单电池和在外围,72,个采用液晶薄膜的,PI,方向控制装置，靠硅树脂粘接在一起。

图,9.IKAROS,探测器照片,表,1,示出用于,IKAROS,太阳能电池膜的,PI,物理性质及耐宇宙环境性表,2,示出用于,IKAROS,电池的,PI,膜的构成,4.,超高性能碳纤维,4.1,东丽,T2000,碳纤维,东丽目前正研制强度高达,60GPa,的超高强度,PAN-CF,“,T2000,”，而已经商品化的,T1000 PAN-CF,，强度为,6.37GPa,，,T1000 PAN-CF,，强度为,6.37GPa,，,T1100 PAN-CF,强度为,6.6GPa,，,T2000,各相当于,T1000,和,T1100,的,9.5,倍和,9,倍据,报道，,PAN-CF,的理论强度为,180GPa,，,T2000,的强度仅为理论值的,1/3,，因此还有很大的发展空间，关键是能否找到实用化的工艺技术解决方案其难点之一：共聚单体问题，本来用纯聚,PAN,若能制得理想状态的,PAN,原丝，并解决预氧化过程的瞬间发热问题，就有利于形成有规的石墨层状结构，从而制得超高强高模,PAN-CF,，但由于纯聚,PAN,分子结构具有很强的范德华力和氢键,，使其纺丝过程难以形成柔软而无空隙的,PAN,原丝，更难以解决预氧化过程的集中放热所引发的的着火问题。

加入第,2,共聚单体如衣糠酸（,IA,），可改进纺丝成形状态，得到良好的,PAN,原丝，并在预氧化过程易促进分子的环化和控制反应热，但因引入共聚但体后破坏了最终纤维结构的高度规整性，影响了其力学性能，这就是目前国内外厂家普遍选用的方法引入第,3,共聚组份如丙烯酸酯、丙烯酯胺、甲基丙烯酸甲酯等，可进一步改善纺丝成形过程，在预氧化过程形成六元环的成核中心，但由于引入更多的共聚单体，使最终形成的,PAN-CF,结构呈现乱层石墨结构难点之二是聚合引发剂的加入，相当于在,PAN,原丝中引入了杂质，使最终形成的,PAN-CF,中产生结构缺陷，影响了其力学性能的提高，目前,T1100,的,PAN-CF,的拉伸强度仅为理论值的,4%,左右难点之三是如何保证在聚合过程始终保持各工艺参数的一致性和纺丝原液的均一性，以及在纺丝成型过程中的张力一致性，使其性能的离散系数（,CV%,）达到,5%,以下据,报道,T2000 PAN-CF,不采用聚合引发剂，而选用辐射引发丙烯酸及其共聚单体的聚合，并使影响,PAN-CF,力学性能提高的,5,大因素降至最低水平：杂质含量，内部空隙，结构缺陷，表面缺陷，毛丝和并丝等，从而极大地提升综合力学性能。

4.2,某,C,公司的超级,PAN-CF,该公司采用全新的,PAN,纺丝工艺，既不是湿纺、干喷,-,湿纺和干纺，也不是熔纺或离心纺丝法在碳化工艺后还有与众不同的后处理工艺，使其力学性能发生突变，,PAN-CF,的拉伸强度最高达到,76.59GPa,，模量,3113GPa,，断裂伸长率,8.8%,，各相当于,T1000,和,T1100,强度的,12,倍和,11.6,倍，模量各为,10.6,和,9.9,倍，比,T2000,高多了其纺丝速度最高可达到,900m/min,，相当于东丽的,3,倍，碳化速度约为,16m/min,，可根据需要生产,T700,、,T800,、,T1000,、,T1100,等水平的,PAN-CF,，而生产成本仅为目前常规生产工艺的,25%,目前已基本完成中试，正筹备建设生产厂由于纺丝流程缩短了，占地面积也随之缩短该新型纺丝装置还可纺制各种有机超高性能纤维，强度高达,5.5GPa,以上4.3,超高性能碳纤维在国防军工领域的应用,超高性能碳纤维除具有超高拉伸强度和模量外，其断裂伸长率随之提高，可高达,2.5%,8,%,，因此根本改变了传统,PAN-CF,属脆性材料的缺点，而形成具有高韧性和高冲击强。