复合材料在军事上的应用

树脂基复合材料在武器上的应用张权16085204210023前言材料的复合化是材料发展的必然趋势之一，近代以来，由于科学技术的迅速发展，对材料性能的要求也在日益提高，单质材料越来越难满足高科技对材料性能的高要求，复合材料由于其优异的性能及其可设计性而得到人们的重视。树脂基复合材料是目前技术比较成熟且应用较为广泛的一类复合材料，广泛应用于航空、航天、兵器、船舶、交通、体育器材、基础建设等许多领域。树脂基复合材料简介树脂基复合材料是以树脂材料为基体、高性能纤维为增强材料，通过复合工艺制备而成，具有明显优于原组分材料的性能的一类新材料。目前广泛应用的树脂包括热固性树脂和热塑性树脂，增强纤维主要包括碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、超高分子量聚乙烯纤维等。增强纤维简介凯夫拉纤维：是美国杜邦公司研制的一种芳纶纤维材料，学名叫“聚对苯二甲酰对苯二胺”。这种新型纤维密度低、强度高、韧性好、耐高温、易于加工和成型，其强度为同等质量钢铁的5倍,但密度仅为钢铁的五分之一。超高分子量聚乙烯纤维：是目前世界上比强度和比模量最高的纤维，也是世界上最坚韧的纤维。其强度是同等质量钢铁的15倍，比碳纤维和凯夫拉纤维还要高2倍，是目前制造防弹衣的主要材料。玻璃纤维：是一种性能优异的无机纤维，种类繁多，优点是绝缘性好、耐热性强、抗腐蚀性好，机械强度高，但缺点是性脆，耐磨性较差。碳纤维：是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料。并且具有耐腐蚀、高模量的特性，在国防军工和民用方面都是重要材料。它不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼备纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。树脂基复合材料成型的突出优势是良好的成形工艺性，比强度和比模量都较高，密度低，具有突出的减震效果，抗腐蚀性较强，热导率不高，性能可设计性强，便于整体成型以及综合性能优异，在整个军工领域应用广泛。树脂基复合材料在武器装备上的应用枪械火箭发射器与无坐力发射器火炮坦克与装甲车辆军用飞机导弹舰船防弹头盔与防弹衣1.枪械目前，西方轻武器研制强国普遍采用树脂基复合材料制造枪托、护木、弹匣等枪械部件。(1)树脂基复合材料枪托、护木树脂基复合材料制造的枪托和护木具有隔热效果好、易加工成型、成本较低、握持舒适、质量轻等优点，目前已经逐渐取代木材、铝合金等材料来制造枪托、护木。美国陆军M16型步枪采用织物增强的酚醛树脂基复合材料的枪托和握把，英军L85步枪采用了石棉纤维增强酚醛树脂基复合材料护木。护木枪托钢制弹匣(2)树脂基复合材料弹匣树脂基复合材料制造的弹匣具有质量轻、易加工成型、成本较低等优点，目前已经大量用于制作枪械弹匣。俄罗斯AK74型突击步枪采用玻璃纤维增强聚乙烯醇改性酚醛树脂复合材料制造的30发装弹的弹匣，其质量为0.23kg，比金属弹匣轻28.5％。美国M60型7.62mm通用机枪采用树脂基复合材料弹链，质量比金属弹链轻30％。2.火箭发射器和无坐力发射器树脂基复合材料从20世纪40年代开始在弹箭上应用，主要包括轻质化结构材料和热防护材料。瑞典的AT-4单兵火箭发射筒由芳纶纤维(Kevlar)增强环氧树脂复合材料制造，美国M72步兵轻型反坦克武器(LAW)发射筒由铝合金内衬缠绕玻璃纤维增强环氧树脂制成。3.火炮树脂基复合材料主要用于制造火炮身管、大架、摇架、热护套等部件，能够进一步降低火炮质量，提高火炮的性能。德国豹Ⅱ主站坦克的坦克炮采用两段玻璃钢热护套，防止火炮身管因受阳光或射击热量而出现身管弯曲，提高命中率。热护套4.坦克与装甲车辆坦克装甲车辆使用树脂基复合材料的主要目的是利用其密度低、比强度高、比模量高、耐腐蚀和制造成本低等优点，与装甲钢、高硬度陶瓷等材料一起制备高防护轻质量的复合装甲。在同体积战车上使用树脂基复合材料要比钢件减轻60%～70%,比铝合金减轻30%～50%,且制造成本降低20%～30%。美国的M1主战坦克的主装甲是用贫铀合金/Kevlar-29纤维增强环氧树脂复合材料,同时还采用轻质空隙陶瓷板连接前后结构单元,缓冲穿甲弹的冲击,吸收和分散能量。复合装甲苏俄T-72、T-80主战坦克也使用了复合装甲。T-72坦克的复合装甲是用两块均质钢板夹一层104mm的酚醛树脂基复合材料,而T-80坦克的主装甲是以均质钢为面板,中间为抗弹陶瓷和酚醛树脂基复合材料,背板为均质钢。另外,T-72主战坦克顶部披挂了30mm～50mm的凯夫拉纤维增强树脂基复合材料制作的轻型复合装甲,大幅度提高了顶部防护能力。5.军用飞机军用飞机用先进树脂基复合材料经过近40年的发展，已经从最初的非承力构件发展到应用于次承力和主承力构件，可获得减重20％~30％的显著效果。从用量来讲，当前先进军用飞机的复合材料用量己超过30％，今后在用量上的比例将趋于稳定。在军机制造中，树脂基复合材料可用于制造作战飞机的雷达罩、机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道等。鸭翼6.导弹1956年，美国“先锋号”火箭使用的第二级发动机壳体首先采用了玻纤增强塑料(玻璃钢)，接着美国在“北极星”、“雷神”、“大力神”、“宇宙”、“海神C3”、“民兵”等中远程导弹上先后采用了玻璃钢发动机壳体，法国M4、M20潜地导弹头部整流罩亦采用了玻璃钢。7.舰船树脂基复合材料自问世以来就一直在舰艇工业中发挥着重要作用。国内外对其在海军舰艇上的应用非常重视。树脂基复合材料在海军舰艇上应用时具有如下突出的优点:优良的力学性能，耐腐蚀(可耐酸、碱、海水侵蚀,水生物也难以附生)，大幅减重，透波、透声性好,无磁性,介电性能优良，优良的设计、施工性能，容易维护,维护费用远低于钢制舰艇和木制舰艇。例如，玻璃钢因为无磁性且高强度，广泛用于制造扫雷艇和猎雷艇。8.防弹头盔与防弹衣目前先进防弹头盔主要由UHMWPE纤维增强树脂基复合材料和芳纶纤维增强树脂基复合材料制成，这种防弹头盔的防弹能力强，防护面积大，舒适轻便，综合性能明显好于钢制防弹头盔，目前已大量装备各国军警。当前新型防弹衣由软质防弹背心与硬质防弹插板两部分组成，其中软质防弹背心由高强度纤维织物制成，而硬质防弹插板由防弹陶瓷片和纤维增强树脂基复合材料背板构成。这种防弹衣的防弹能力强，二次伤害小，舒适轻便，可根据任务强度灵活选择配置，综合性能明显优于钢制防弹衣。发展方向树脂基复合材料具有质量轻、比强度和比模量高、耐腐蚀等特性，制造工艺成熟，应用前景广阔。其在军工领域应用的发展方向有：(1)提高性能品级，研制开发新型纤维(如碳纤维)增强树脂基复合材料，取代目前大量应用的玻璃纤维和芳纶纤维增强树脂基复合材料；(2)由单一向多功能发展，使树脂基复合材料同时具备抗弹、隐身和结构等多种功能；(3)利用纳米材料技术改性树脂基体，提高树脂基复合材料综合性能。