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[电池材料] 新技术新材料不断推进军警用装备及所需动力电池的创新发展

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发表于 2021-4-19 10:48:14 | 显示全部楼层 |阅读模式
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新技术新材料不断推进军警用装备及所需动力电池的创新发展

文罗益锋

全球军警用装备正向更轻量、更薄、更具防护性和长寿命的方向发展。所用防弹纤维及其复合材料,正向多品种化和复合使用的方向发展,个性化需求越来越高。新材料的出现和复合化应用,以及新一代电子元器件在军警用个体装备中的组合使用,是今后的重要发展方向。

全球军警用装备正向更轻量、更薄、更具防护性和长寿命的方向发展。所用防弹纤维及其复合材料,正向多品种化和复合使用的方向发展,个性化需求越来越高。

巡视以往美军在世界各地战场上所使用的主流防弹纤维及其装备的实效评价,将有助于军警用防弹装备参考借鉴。军警用装备因面对的环境复杂多样,往往还需具备耐高低温、耐化学腐蚀、阻燃、在火灾现场没有超标烟雾和有害气体放出的要求。

目前主流的对位芳酰胺纤维(p-ARF)和超高分子量聚乙烯纤维(UHMWPEF),通过技术创新都较大幅度提升了产品的力学性能和防切割性能等,诞生了新一代轻质高性能产品。同时一批新型高强、高模、高韧性纤维相继问世,以及石墨烯(GP)、碳纳米管(CNT)、中空微纳米陶瓷粉体等新型添加剂的出现,进一步提升了综合性能,并附加新功能。

军警用装备的现代化和信息化,不仅体现在个体防护装备,还涉及信息指挥系统和重要设施的安全保障,以及警车、无人机、海警船、甚至临近空间的飞艇侦察和通信联络、配套的新能源等。这些现代化装备,大都离不开高性能纤维的复合材料及某些功能纤维。

主流防弹纤维及其制品在严酷战争环境下的实用情况评价

根据美国陆军研究室武器和材料研究管理局的调查,美国军队在越南战场后期及1989年巴拿马战场,美军都釆用Kevlar增强热固型树脂头盔,而在伊拉克和阿富汉战场上釆用Spectra Shield的复材。两者相比,UHMWPEF头盔的防弹性能比P-ARF头盔高35%,为此军方更重视前者,许多武器装备都选用Honeywell产品。战场实践证实,釆用Honeywell公司的Spectra防弹衣和头盔等,可抵挡手榴弹、子母弹和管式炸弹的袭击,减少士兵伤亡。

所用复材树脂有弹性体、聚氨酯、聚烯烃和乙烯酯类,头盔须用刚性树脂以保持形状,而防弹背心需非刚性树脂,以保证柔软而舒适。

对装甲车辆的防弹板,要求具有高强高模和韧性,在遇路边炸弹、地雷及坦克炮弹的袭击时,不发生层间剥离。防弹车辆所用的模压复材结构件,须能抗更高的爆炸负荷,而且战车顶部还要承受放置远程武器的负荷。

对无人机和直升机而言,首位要求是减重,如美国的CH-47印地安人和AW101灰背隼,选用p-ARF、玻纤和UHMWPEF三种复材,才满足抗振、防摔和阻燃要求。

上述经验,对军警用防弹防爆产品,有借鉴意义。目前全球面临的威胁主要来自恐怖组织,除针对伊斯兰国的围歼战外,恐怖袭击的特点是没有固定的战场,随时都可能发生突发事件,因此防范的范围需不断扩大,这些任务在很大程度上落在武警身上。许多国家的后勤场所、巡逻车、运输用直升直升机、甚至船舶、学校,都开始装配能应対爆炸和小股暴徒破坏和火力攻击的防弹防爆设施。

军警用装备的创新方向

随着军警用器材和装备轻量化、高性能化、多功能化和智能化要求,以及可穿戴式微型电子传感器件及柔性电池等新材料、新能源和新技术的出现,上述趋势正在加速实现。国外某些特种部队和武警,正在试验在防弹衣中组合入多功能材料和微型智能传感器,以监控军警的心率,传递各种重要信息,这样可大大减少警务人员完成危险任务时可能带来的伤亡。

随着石墨烯(GP)的迅速产业化和低成本化,有些公司把长远希望寄托在GP上,并预测今后随着科技进步,在未来较长时间内GP将可生产出比钢强度高10倍、质量轻10倍的防弹材料。

美国ANF公司的开发方向则瞄准氧化铝纳米纤维(AONF),商品名Nafen,用它来增强环氧、聚氨酯和酚醛树脂,就可提高复材的层间剪切强度、弯曲韧性和抗冲击强度。Alchemie集团将Nafen混入环氧树脂中,与该公司生产的AuTx纱或纺织品组合成防弹复材背心,可减重27%,现正试制轻量防弹头盔。Purdue大学对上述新材料进行测试确认,这种未公开成份的AuTx纤维,比Kevlar KM2或Twaron 50f1000的韧性髙2倍。AuTx比Dyneema贵,在一定温度下Dyneema层压制品可很好阻挡某些子弹,而AuTx预成型体在-8℃-124℃下,具有很高模量并可保留韧性。另外,含Nafen粒子的防弹复材,用V50子弹试射时,其防弹性能比p-ARF复材高20%-40%。

清华道记纳米技术研究院在复材的树脂中,添加廉价的中空微纳米陶瓷粉体,可以提高模量、抗燃性、耐磨性、耐高低温性、保温性、隔音性和抗冲击性,并附加电磁波屏蔽功能,而成本有所下降。

可见,新材料的出现和复合化应用,以及新一代电子元器件在军警用个体装备中的组合使用,是今后的重要发展方向。

新型高强高模纤维为装备提供多样化选材机会

一批新型高强高模纤维纷纷参入防弹复材领域,为军警用防弹装备提供多样化的选材机会。

第一,髙强高韧性碳纤维的出现,将改变以往碳纤维的脆性本质,有望参入防弹领域。

目前有4种高韧性PAN-CF产品相继出现,第一种是高伸长率碳纤维,由日本NEDO和东京大学牵头,三大PAN-CF厂家参与的低成本、高伸长率CF,伸长率为2.5%以上。

第二种为东丽最近开发的T-1100G碳纤维(强度6.6GPa、模量324GPa、伸长率约2.2%),与3940环氧树脂制成的预浸料,拉伸强度和抗冲击强度各提高30%,压缩强度和层间强度也有所提升,是新一代航空航天材料及防护结构材料。

第三种是尤尼吉卡公司开发的“纳米分散技术”,能把CNT一根根附着于碳纤维表面,使复材的界面强度提高约30%,拉伸强度和抗冲击强度有所提高,并具有振动衰减性。

第四种是超碳纤维,强度和模量约为东丽T1000的10倍以止,伸长率3%-7%左右,是未来防弹材料之王,其复合材料的防穿甲弹能力提高6倍。

第二,日、中多家企业推动液晶共聚聚酯纤维(LCPF)的产业化。日本现有4家企业引领世界LCPF的产业化,产能最大的是可乐丽公司,是唯一具有1000t/ a的规模,而强度最高的是KB Celen公司的细径产品,强度可达到30cN/ dtex,远超p-ARF。东丽是新介入的企业,但却是全球首家拥有从LCP缩聚至纤维产品的全套产业链,其中树脂产能2000t/a,主要用于各种电子元器件等,而LCPF产能约50t/a,商品名“Sibelas”,计划于2018年导入新设备实现百吨级产能,到2021年的销售目标,预期将从2017年的5亿日元翻番至10亿日元。聚塑料公司拥有全球最大的LCP树脂产能,约为1.5万t/a,商品名“Labelos”,最近才开发薄膜和纤维产品,两者所占的树脂销量各占10%,即LCPF产能约150t/ a。

中蓝晨光化工研究院有限公司与四川省纺织研究院合作,成立有机高性能纤维四川省重点实验室,共同开发LCPF,前者负责缩聚部分,后者负责熔纺与热拉伸部分。

该纤维的最大特点是强度是钢的7-8倍,模量高、吸湿率低、尺寸稳定性佳、介电常数和线膨胀系数小、耐磨性好。适用于海警船与军警用绳缆、临时应急帐篷、吊带、光缆补强件等,今后待进一步解决纤维与树脂的粘合问题,就有望应用于防弹复材制品。

第三,中、日竞相开发高强高模聚酰亚胺纤维(PIMF)。俄罗斯曾于1990年前后研制过高强高模PIMF及其共聚纤维,强度高达到25cN/ dtex以上,但因成本高,综合性能不如ARMOS和Rusar等系列产品(芳纶3),从而放弃产业化。

我国江苏先诺新材料科技有限公司,一马当先实现了30t/a的中试生产,纤维强度达到3.5GPa的世界领先水平。该公司有3项核心技术取得了美国专利,在我国也在申报中。东华大学所开发的高强PIMF,小试纤维强度为4.2GPa,模量150GPa,断裂伸长率2.5%-3.0%,居世界领先水平。

PIMF特点是强度、模量、耐热性、阻燃性、耐光性、耐辐射性均优于p-ARF,吸湿率只有1%,但强度等力学性能远不及芳纶3。

日本l.S.l公司也拥有独自的高强PIMF生产技术,商品名“IMIDETECH”,强度不及我国,只有2.7-3.0GPa,耐热性超过250℃。

这类纤维的主要用途是飞机发动机和高温风道周边的部件、耐高温轮胎帘子布和滤袋、人造卫星和航天有关机器的周边部件等。

第四,天然和人造蜘蛛丝(ASF)前程似锦。天然蜘蛛丝(NSF)已经在美国印地亚纳州的Kraig Biocraft实验室,实现规模化生产,并与美国军方签有协议,将大量用于士兵的防弹服等。有两种商品牌号,Dragon Silk(龙丝)和Monster(怪物),前者用于生产防爆破部件等。第一批龙丝预计于2017年6月完成供货,由Warwick公司加工后提供给军方。

瑞典皇家理工学院将蜘蛛丝蛋白加入纤维素纳米纤维中,制得了高性能复材,刚度为55GPa,拉伸强度1015MPa,韧性55MJ·M-3。

人造蜘蛛丝也已由几家公司投产,是由至少两种氨基酸制成的,其中由西班牙、瑞典、中国和英国组成的国际研发团队,利用共同开发的仿生SP纺丝技术,已生产出公里级的ASF。研发人员是从两种不同批次的spidrion(蜘蛛蛋白)中的仿生氨基酸,创制出水溶性的仿生蛋白质,因而可用细菌来大规模生产ASF。仿生纺丝方法也是模仿蜘蛛吐丝,在纺丝套筒中通过降低pH值并进行拉伸而制得,因此所设计的工艺过程,都是靠模仿天然蜘蛛吐丝的复杂分子形成机理达成的。

目前其用途主要用于人体组织工程、再生医疗及防弹领域,我国也在研制,今后可应用于武警医院和野战医院,以及绿色环保和可再生军警用防弹装备等。

超高强高模纤维迅速实现产品系列化

超高强高模纤维迅速实现产品系列化,有助于某些特警装备的更新换代和升级。

一,芳杂环酰胺类纤维(芳纶3)。俄罗斯所引领的世界最高水平有机纤维,近年来不断开发创新的系列品种,从开始起步的SVM和Armos,相继推出Rusar系列产品、Artex、RusIan和Arus。其中Rusar NT的拉伸强度高达7GPa,相当于已商品化的最高强度PAN-CF,而比强度超过碳纤维,唯不足的是耐紫外光性能略差。

我国自1990年前后就跟随俄罗斯自行研发相当于Armos的笫一代品种,迄今四川辉藤、中蓝晨光、广东彩艳和航天46所,已建有各300、50、50、和50t/a的生产线。目前产品已用于火箭固体发动机壳体、各种高档防弹产品、兵器工业的防弹房车等。“十三五”期间,有些科研院所也在研发性能/价格更合理、应用面更广的类似Rusar纤维品种,这将为未来新一代军警用装备的轻量化、高性能化和智能化打下基础。

二,聚苯并双噁唑纤维(PBOF)。该纤维是唯一有望和芳纶3相抗衡的有机纤维,但自多年前在美国其防弹背心被击穿并致两名执法人员丧生后,东洋纺的Zylon纤维产能一直维持在300-400t/a的水平。主要问题是耐紫外光和湿热老化性较差,其他性能均无可挑剔,强度5.5-6.5GPa,模量300GPa,热分解温度650℃,L0I值68,LOI仅次于聚四氟乙烯纤维(PTFEF,95)。

我国新晨新材科技有限公司正在兴建380t/a的生产装置,现所订购设备已基本到位,年内有望试生产。盐城鼎龙化工有限公司釆用浙江工业大学的技术,在原10t/a的小试基础上,将于2017年10月扩大至50t/a。纤维强度4.5GPa,耐热温度高达660-670℃。大庆缘通电子科技股份有限公司在哈尔宾工业大学技术基础上,建有1t/a的小试装置,今后将投资数百万元建设20-50t/a的小型生产厂。

目前从事这方面研发的还有东华大学、华东理工、上海交大、深圳新纶公司研究院和中科院化学所等。中蓝晨光现拥有2t/a的小试装置,主要用于国防军工,而中科院化学所希望与北京旭成集团公司合作建100t/ a的装置,但能否成功尚待时日。

防弹材料获多方面创新应用

为应对全球反恐、校园安全和自然灾害,防弹材料获多方面创新应用。

由于恐怖分子的爆破对象、时间及地点的不确定性,以及校园枪击事件的不断发生,发达国家开始釆取各种预防手段,值得我们参考。

美国南方州立公司为应对恐怖分子的突袭,开始生产防弹复材墙体和屏障,应用于公共设施、地下工事和其他关键设备和装备的伪装和防范。PolyOne公司为同样的目的,生产连续玻纤板和各种防弹产品,既轻量又可防各种威胁。某些大使馆为安全防范,寻求轻而又可移动防弹板,一方面起房间隔板作用,另一方面起第一道防护屏障。有些学校的简易箱、教室的书写板、白板,都由防弹材料制成,在紧急情况下可移至教室门或窗,用于阻挡恐怖袭击者的子弹。

Buckeye Springs公司为飓风多发地区,设计制造抗冲击的耐久屏障,如穹形的掩蔽体,是选用超高模量聚丙烯纤维Innegra(密度0.84g/ cm3)复材制的,内部可藏6人左右,其下部用混凝土掩埋于地下。

我国目前正实施的“一带一路”战略,将为我国的各种先进防弹和防爆器材和装备走向国外,创造了良好的机遇。

材料技术进步和成本为研发创造条件

主要高性能材料的技术进步和成本的不断下降,为现代化军警用器材、装备和高效电池的研发,创造了条件。

首先,各种新一代抓捕器材和反恐装备。最近由于日本NEDO和东京大学牵头、三家日本碳纤维公司参与的碳纤维重大创新计划,其最重要的原材料碳纤维,实现生产效率提高10倍,能耗和碳排放量各下降约50%,成本大幅下降。同时p-ARF和UHMWPEF相继投产超高性能和有效防切割新品种,为军警用器材和装备的轻量化和产品升级换代,打下良好基础。其中UHMWPEF熔纺工艺的探索实验和LCPF热处理时间的大幅度缩短,将有利于降低成本和产品售价。

我国江苏方园化工有限公司,釆用自研发的由二甲苯光氯化制苯二甲酰氯的新工艺,可使成本大幅下降,有利于削减芳纶成本。同样玄武岩纤维的大规模、全方位开发生产,及高效生产工艺的即将突破,为军警用装备的扩大应用打下基础。

其次,无人机和新一代平流层飞艇的研发获新突破。无人机在侦察、打击恐怖组织和维护社会稳定方面的作用正日益突现,随着我国碳纤维等高性能纤维品种实现系列化、复材快速成型技术的突破和电子摇控技术的发展,我国无人机已迈入世界先进水平。我国的无人机最近也实现了在平流层巡航侦察,通过太阳能电池和储能电池,可连续巡航数月,这是历史性的突破。

我国的平流层飞艇类项目,近年来取得了长足进步,至少有6-7家单位竞相研发,涉及北航、中科院电子所、深圳光启、上海美丽家族、航天技术信息研究院和中德合作飞龙项目等。

要想打赢信息化条件下的现代战争,除要拥有完整的北斗卫星系统外,还要防止敌人的破坏而有自己的隐身飞艇系列,代行侦察、拍摄、信息传输、导航、定点投放救灾物资和战时携带武器实施高空打击等。其结构材料便需釆用碳纤维拉挤成型复材,膜材料可选用LCP或PIM,这些材料在高低温巨大反差下热膨胀系数小、耐宇宙射线、耐极端高低温、对氦气的渗透具有屏蔽性等。其背面还有柔性太阳能板,必要时还要携带轻量、高效、安全和小型电池,以保证较长的驻空时间和飞艇能源的供应。

再次,新型电池有新的突破。目前我国新型电池的研发,出现“八仙过海,各显其能”的局面,几乎全球正在研制的我们都有,而且有新突破,以下仅列举几个重要案例。

石墨烯电池。宁波材料所用石墨烯复合锰基氧化物催化剂及石墨烯基高效空气阴极, 使铝空气能量密度高达510kWh,容量20kWh,输出功率1000W。

西班牙阿尔格瓦大学和石墨烯公司率先提出石墨稀电池的概念,而且充一次电只需8-10min,可续驶1000km。2017年深圳和上海有关电池企业也传出消息,他们研制的石墨烯电池,充电10min以内也可使电动汽车续驶1000km。

“闪充”汽车电池。以色列StoreDot公司发明的超快速充电电池,可在5min内完成充电,续驶里程483km,预期3年后打入市场。

固体钒动力电池。这是德国研发的先进电池技术,设计理念新颖,把传统电池的片状隔膜设计成微管膜,靠纳米硼化钒在膜表面的高效催化剂作用下与空气反应产生电流,无需充电,1个硼化钒分子能产生11个电子,因此能量密度极高,且反应温度不超过60℃,不会自燃和爆炸。将来其电动车续驶500-1000Km后,需更换硼化钒氧化产物,更换时间3-5min,且无需将电池组取下。现小试能量密度已达到400Wh/ Kg,改进型近600Wh/ Kg,且电池体积越小、质量越轻,能量密度极高,因此具有划时代意义。这些新型电池的产业化,无疑将对未来军警用装备的现代化起到积极的推动作用。

防弹纤维品种的多样化和混杂复合材料的发展趋势,为军警用产品提供了多样化选择,而军警防弹衣的轻量化,以及微型电子传感器和薄而柔性电池的出现,为智能化、信息化装备的实现打下了基础。

全球的反恐形势,迫使防弹防爆复材的需求扩大到从未渗入过的领域,而技术的创新和材料成本的不断下降,为先进复材的可持续发展提供了难得的发展机遇。


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