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目前世界上先进的复合材料军用防弹衣的基本构型都基本相似。主要包括融合有战术背心功能的外套、采用芳纶或超高分子量聚乙烯纤维制成的软制防弹层,以及加强防护用的防弹插扳。美军于2001年1月开始陆续装备的“拦截者”防弹衣,主要以凯荚拉制成软制防弹层,以碳化硼陶瓷制成防弹插板;法国维和部队配备防弹衣以及防弹插板都是采用超高分子量聚乙烯纤维制成,全套质量不超过5kg,能抵御北约5.56mm、俄制7.62mm突击步枪普通弹的攻击。 宁波大成公司以UHMWPE纤维单向无纬布制作的2cm厚插板可以有效防御以AK-47为代表的突击步枪普通弹的攻击;1cm厚的碳化硅或氧化铝陶瓷块材料加上约50层UHMWPE纤维单向无纬布纤维片制成的防弹插板能够抵御狙击步枪穿甲弹的攻击,这样一块30cm×25cm的插板重约2.6kg。目前我军配备的95式突击步枪,口径5.8mm,弹丸初速930m/s,属于世界上威力相当大的突击步枪之一,采用这种插板也完全可以对其进行有效防护。 由于中国实现了高强UHMWPE纤维及单向无纬布的规模化生产,使中国士兵每人可配备价值5000元的全套防护装备,包括头盔、防弹衣、陶瓷插板、护颈、护肩等在内,装备防御水平赶超美军,接近了世界最高水平。 宁波大成公司以高强聚乙烯纤维为基础材料研制的系列防弹产品已全面进入国际、国内市场,远销欧美、中东、南亚、非洲等40余个国家和地区,普遍得到了用户的好评。在2004年伊拉克战场上有两位英国士兵身穿大成防弹衣连中数弹,而防弹衣均未被打穿,成功地保护了这两名战士的生命。 4.2纤维缠绕压力容器 UHMWPE纤维与其它高性能纤维性能的比较见表2。 表2UHMWPE纤维性能与其它高性能纤维性能的比较 性能 密度/(g/cm3) 强度/(kg/m) 模量/(kg/m) 伸长率/% 比强度 比模量 UHMWPE纤维 0.97 36.0 1250 3.5 4.14 146 芳纶纤维 1.44 26.0 800 2.5 1.33 60 碳纤维 1.81 22.0 1500 1.2 0.97 73 S玻璃纤维 2.50 20.0 360 5.2 0.74 14 如表中所示,UHMWPE纤维在高性能纤维中强度最高,模量仅次于碳纤维,由于密度小,比强度、比模量在所用纤维中是无可比拟的。但UHMWPE纤维在复合材料制造中最大的问题是与树脂不浸润,粘结性能差。大成公司与中国科学院光电研究院合作,采用了大气等离子体干法纤维在线处理工艺,很好地解决了聚乙烯树脂与树脂的粘结问题,使复合材料的层间剪切强度提高了1倍以上。 4.2.1纤维缠绕呼吸气瓶 宁波大成公司与国内有关科研院所合作,采用先进的设计思想和先进的纤维缠绕技术进行了呼吸气瓶的研制。使用铝合金内胆,在计算机控制下,把经过等离子体在线处理并涂胶的高强聚乙烯纤维和碳纤维按照计算的数学轨道,自动缠绕在瓶胆外而成。产品有较高的结构强度,能满足使用要求,产品质量达国际同类产品水平,并具有体积小、质量轻、便于携带、供气时间长、使用寿命长、抗腐蚀、耐疲劳、安全可靠、容重比大、电绝缘防护等优点,更符合中国人的生理特点。可供海军、高原驻军、防化兵以及航空航天、煤矿、消防等部门使用,也适合于潜水、旅游、登山等体育休闲活动,也是家庭常备的保键产品。 爆炸压力:>65MPa; 疲劳循环次数:在20MPa下疲劳次数为11000次; 热疲劳测试:无损坏,剩余爆破强度50MPa。 4.2.2天然气汽车的高压贮气罐 随着世界原油价格的不断上涨和汽车排放的二氧化碳等有害气体量的急速增长,寻找新的可替代能源已经成为各国政府广泛关注的话题。据预测,21世纪全球气温可能继续升高1.4-5.8℃,这个数字是20世纪人们发现气候变暖问题时气温升高度数的2-10倍,到2100年,海平面将继续升高88cm,会使1亿多生活在这一高度以下的人们的生存受到威胁。科学家认为,这些灾难都源于二氧化碳的大量排放,而排放二氧化碳的主力则是消耗汽油和柴油的汽车。 天然气具有资源丰富、分布广、价格低、燃烧排放物污染小等优点,经过多年的研究,专家们普遍认为天然气是替代汽油、柴油最现实的选择。从环保效益、经济效益看,压缩天然气汽车与燃油汽车相比,尾气排出的氮氧化合物下降约40%,碳氢化合物下降约90%,一氧化碳下降80%,二氧化碳下降25%;1cm3天然气相当于约1.1L汽油,且天然气价格较汽油便宜;从公交车看,使用天然气比汽油节省40%的费用,维修保养费节约50%,可见天然气汽车具有广阔的应用前景。 压缩天然气(CNG)气瓶是压缩天然气汽车的主要设备之一。大成公司采用高强聚乙烯纤维与碳纤维、玻璃纤维混合缠绕,不但有效地降低了气瓶质量,而且还提高了气瓶的冲击强度、能量吸收水平和耐疲劳性能,具有使用寿命长、抗腐蚀、耐疲劳、安全可靠、容重比大、电绝缘防护等优点。 4.3建筑工程结构加固补强 纤维增强复合材料(Fiber-ReinforcedPlastic/Poly-mer,FRP)是一种新型高性能结构复合材料。具有质量轻、高强度、抗腐蚀、耐疲劳等优于建筑钢材的特点。因此,在土木建筑工程结构加固中采用FRP比采用钢板或其它传统加固方法有非常明显的优势。使用FRP材料还有以下优点:施工速度快、施工干扰小、质量易保证、附加载荷小、应用时效长、综合造价低及加固后不改变结构外观和形状等优点。 FRP加固混凝土结构最常用的方法是表面粘贴法,即通过树脂类粘结剂,在需加固的构件表面粘贴FRP布或板,以提高或改善其受力性能。但是这种方法也存在不足之处,即FRP粘贴在构件表面容易受到恶劣环境(高温、高湿和冻融等)的不利影响,易遭受磨损和撞击等意外载荷的作用,不防火,不易与相邻构件锚固等需要改进的地方。 最近国外研究人员提出了NSM法(NearSurfaceMounted),即在需加固的构件表面开槽(混凝土保护层内),将FRP筋或板条嵌入其中,利用粘结剂使其与构件结合紧密,达到加强其弯曲或剪切能力的目的。这是一种很有发展前途的结构加固新技术,它与表面粘贴法相比,还具有以下主要优点:FRP嵌贴在混凝土保护层中,可避免磨损和撞击等意外载荷的作用,特别适用于桥面板和连续梁负弯矩区域的加固;FRP与混凝土的粘结表面积增加,提高了FRP的利用率和加固效率;减少了混凝土构件的表面处理工作量,增加工作效率,且便于与相邻构件锚固;可利用水泥基粘结剂取代环氧树脂,因而能应用于高温、高湿的加固工程中。此外,FRP筋的性价比也比较合理,因此近几年来NSM法已是国外研究FRP加固混凝土结构技术的一个新热点。 以建筑加固补强为例,碳纤维和芳纶是目前世界上所采用的主要高性能纤维加固补强用的新型材料。大成初步的研究结果表明,高强聚乙烯纤维与碳纤维和芳纶相比,密度最小、强度最高、耐化学药品性好、耐低温性能好、耐紫外性能好,具有更好的性价比。在桥梁、隧道、房屋等结构抗震加固补强方面具有极为广阔的应用前景。 5结语 宁波大成公司目前已成为全世界第4个能大规模生产高强聚乙烯纤维并拥有自主知识产权的高科技企业,2005年宁波大成高强聚乙烯纤维已全面进入国际市场取得了2.8亿的可观经济效益和巨大的社会效益。今天宁波大成公司正在利用这一契机迅速扩产,目前产量已经超过1200t/a,预计年底将达到1600t/a的规模,届时纤维产量将超过美国,仅次于荷兰DSM公司,位居世界第二。 宁波大成正在以企业为主体,联合国内著名科研院所共同申报国家863科技开发项目,以UHMWPE纤维为增强剂研制开发各种性能优异的复合材料,在单兵弹道防护装备、航空航天、火箭、战斗机、舰艇、风力发电、高压气瓶、建筑工程结构加固等领域开拓更多的应用。为促进军队武器装备的升级换代,增强军队的战斗力;在更多领域替代碳纤维,节约相关武器装备的制造成本;可形成新的军民两用技术,寓军于民,有力地推动我国未来这一重大高科技产业的形成等方面做出新的贡献。
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