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碳纤维复合材料(CFRP)的应用(2、3)——坦克装甲车篇&运载火箭篇

发布时间:2023-01-18  浏览人数:1453人

碳纤维复合材料(CFRP)的应用——坦克装甲车篇

1前 言
复合材料是军用新材料发展的重点,它既是优良的结构材料,也是理想的功能材料,采用先进的复合材料可以大大减轻武器装备的重量,提高战术与技术指标,在军事上具有重要的实用价值。
装甲防护能力是检验装甲车辆性能最关键的因素之一,防护材料就是装甲防护的基础。为了提高装甲车辆的防护性能和轻量化的要求,国内外推出了一系列新型非金属复合材料。目前,已经成功应用到装甲车上的复合材料有:高性能玻纤复合材料、芳纶纤维、陶瓷聚合物复合材料、高效多功能防中子内衬材料、碳纤维等等。

2坦克和装甲车
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%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。
苏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30m~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。
T-80坦克车体正面采用复合装甲,前上装甲板由多层组成。其中外层为钢板、中间层为玻璃纤维和钢板、内衬层为非金属材料。碳纤维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I主战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。

3采用复合材料以满足坦克隐形的要求
提高坦克战场生存能力还必须合理设计坦克外形,采用圆滑过渡的外表面,减少平面结合处的棱角,从而减少雷达波的有效反射面积。坦克金属装甲的固有的弱点是雷达信号特征明显,易被敌方的红外、雷达等光电探测器材发现。
复合材料不仅比重小,强度高,防弹性能好,还具有下述特点:
  • 对光波和雷达波反射比金属弱并可吸收部分雷达波;

  • 具有材料性能和结构外形的可设计性,以制成具有最佳隐形结构外形;

  • 可减少各发热部位的红外辐射和抑制车辆的推进噪声,使坦克的各种主、被动信号减少到最低限度。

近年来,一些国家研制成功可以吸收屏蔽雷达的凯夫拉纤维复合材料。美国研制的高强度S-2型玻璃纤维增强模压热固性复合材料、荷兰新近研究的超高强度聚乙烯纤维复合材料,都具有上述特点,是一种可供装甲车辆外形使用的很有前途的隐形材料。

4采用三维织物复合材料
三维织物复合材料具有高强度、高刚度抗冲击性能好的特点,因此将其用于坦克装甲材料不仅具有一般复合材料的特点,还可进一步提高坦克的防护能力。目前国外已有专利报道将其用于复合装甲,并拟采用此种结构复合材料制造坦克装甲车辆的车身、车底、炮塔、座椅等。

碳纤维复合材料(CFRP)的应用——运载火箭篇

采用碳纤维复合材料结构,“中子”(Neutron)号火箭将成为全球第一个碳纤维复合材料大型运载火箭。

凭借先前开发小型运载火箭“电子”(Electron)的成功经验,美国领先的发射和空间系统公司“火箭实验室”(Rocket Lab USA)开发了一款名为“中子”(Neutron)的大型运载火箭,其载荷能力达8吨,可用于载人航天、大型卫星星座发射和深空探测等任务。该火箭在设计、材料和可重复利用方面取得了突破性成果。

“中子”号火箭将是世界上第一款采用碳纤维复合材料的大型运载火箭。火箭将采用一种全新、特殊的碳纤维复合材料,重量轻、强度高、可以承受发射和再入的巨大热量和冲击,使第一级能够频繁地重复使用。为了实现快速制造,“中子”号火箭的碳纤维复合材料结构将使用自动纤维铺放(AFP)工艺制造,该工艺可以在几分钟内制造数米长的碳纤维复合材料火箭壳。
Aerojet Rocketdyne电机碳纤维绕线机于2020年初开始在阿拉巴马州的汉斯维尔生产大型固体火箭发动机壳体。
结构壳体采用碳纤维缠绕方式成型,最大生产直径为72英寸、长度为22英尺的机壳,其大小足以支持战略导弹计划,旨在制造用于各种导弹,导弹防御系统和高超音速系统的机壳,它同时支持的生产包括终端高空区域防御和标准导弹拦截器。
大型固体火箭发动机几乎都是由复合材料制成,这主要包括了碳纤维增强环氧树脂复合材料。从20世纪60年代初的民兵第三级和北极星火箭发动机外壳开始,随后的几乎所有弹道导弹发动机外壳都由复合材料(纤维和环氧树脂)制成。通常发动机外壳使用的材料具有高比强度(强度/重量)和高比刚度(模量/重量)。而用于火箭发动机外壳的纤维复合材料根据增强体不同,也经历了三代产品的发展:
第一代增强纤维以玻璃纤维为主,如S2型玻璃纤维;
第二代增强纤维为Kevlar 49为代表的芳纶纤维,随后发展为强度较低的标准模量碳纤维(如Hexcel公司的AS4、东丽T300);
第三代增强纤维以美国Hexcel公司IM7和日本东丽T1000为代表的高强中模碳纤维。与上述纤维配合使用的是玻璃化转变温度低于300°F的环氧树脂中。
在固体火箭发动机外壳复合材料中,碳纤维通常与环氧树脂(重量百分比为25%至35%)结合使用组成复合材料。但是,通常使用的树脂必须存储在冷藏箱中。在大多数情况下,用于固体火箭发动机壳体的树脂的玻璃化转变温度Tg高于250°F。在某些情况下,树脂甚至可能具有比其固化温度更高的Tg。
纤维和树脂混合并以复合形式使用后,材料系统的信息对复合材料案例设计/分析人员具有重要价值。纤维供应商通常会发布纤维特性,并且数据随时可用。树脂通常也是如此。但是,当将两者结合并在大型固体火箭发动机壳体上加工成复合材料时,信息就变得更为关键。必须将已发布的数据减小到允许的值(纤维强度转换),并将其用作压力容器的破坏强度。
近年我国已经在多种型号的运载火箭,特别是上面级结构中广泛采用复材,有效地减轻了上面级结构质量,对提高运载火箭发射有效载荷的能力具有十分明显的效果。
例如,在“开拓者-1”小型运载火箭的第四级发动机“采用了高性能碳纤维壳体;长征火箭(CZ-2C、CZ-2E、CZ-3A)的卫星接口支架和有效载荷支架(前后端框、环框、壳段、弹簧支架、井字形梁)采用了碳纤维增强环氧树脂基复材。