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纤维新材料的军事应用与发展

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发表于 2018-10-8 22:17:31 | 显示全部楼层 |阅读模式
纤维新材料的军事应用与发展

军事科学院系统工程研究院军需工程技术研究所
郝新敏   闫金龙

随着科学技术的迅速发展,新型纤维材料不断涌现和被采用,新纤维材料在新产品开发与应用中的作用日益重要。新型纤维复合材料及特种加工技术对新型武器装备的研制和生产,起到举足轻重的作用,是现代工业不可缺少的重要组成。
1. 国内外纤维新材料的军事应用发展
1.1 美国纤维材料军事应用的发展

2015 年3 月18 日,奥巴马亲自宣布“革命性纤维与织物制造创新机构” 开启竞标。2016 年4 月1 日,美国国防部长阿什顿• 卡特宣布成立革命性纤维与织物制造创新机构(RFT-IMI),这是美国制造创新网络中第八家制造创新机构,该机构由美国国防部牵头组建,获得由联邦政府、地方政府、大学和企业等超过3 亿美元的投入资金。RFT-IMI 由麻省理工学院(MIT) 负责领导,并接受美国国防部监管。

纤维科学的新进展已经创造出了具备非凡属性的纤维。这些新属性已经使纤维与织物应用空间发生了变革——因此使用了“革命性” 这个词。革命性纤维与织物具有与众不同的属性,不可思议的轻质、防火性,非凡的强度以及包含纤维材料的电子传感器等。RFT 覆盖了一系列称作“技术纺织品” 的纤维系统,由特种面料、工业面料、电子纺织品、智能面料以及其它先进纺织品组成。美军士兵系统的装备,高性能纤维及复合材料应用突出。
促织网-纺织知识网-2018纤维报告305-3.jpg


革命性纤维与织物的国防需求十分广泛。主要包括四大类:(1)个人挑战与货物空投系统;(2)软墙/ 刚性墙掩体/ 帐篷和营地系统;(3)士兵电源与数据集成系统;(4)士兵制服。具体包括:士兵服装(可穿戴电子纺织品电源和数据传输总线),微小气候管理以及单兵装备,掩体/ 帐篷,降落伞,弹药与爆炸防护,化学、生物、辐射与核(CBRN) 防护,阻燃阻热、环境保护、安全浮游装置、反重力外套等。

1.2 我国高度重视纤维新材料的发展
材料是工业的基础。大力推动新材料产业的发展对做强“中国制造” 具有重要意义。2016 年12 月23 日,国务院成立了“国家新材料产业发展领导小组”,小组决定国家重大工程“重点新材料研发及应用” 已于2017 年启动并发布指南。

基础材料产业是实体经济不可或缺的发展基础,我国基础材料产量面临总体产能过剩、产品结构不合理、高端应用领域尚不能完全实现自给等三大突出问题,迫切需要发展高性能、差别化、功能化的先进基础材料,推动基础材料产业的转型升级和可持续发展。先进基础材料是指具有优异性能、量大面广且“一材多用” 的新材料,其发展重点为:一是先进钢铁材料;二是先进有色金属材料;三是先进石化材料;四是先进建筑材料;五是先进轻工材料;六是先进纺织材料。这些材料中的高端材料,对国民经济、国防军工建设起着基础支撑和保障作用。

对于高端装备用特种合金、高性能分离膜材料以及高性能纤维及复合材料等我国所需的关键工程战略材料要转移高端、加大国产化比重,我国前沿材料须抢占战略制高点。但是目前而言,在发挥前沿新材料引领产业发展方面,我国的自主创新能力严重不足,迫切需要在3D 打印材料、超导材料、智能仿生与超材料、石墨烯等新材料前沿方向加大创新力度,加快布局自主知识产权,抢占发展先机和战略制高点。

1.3 纤维材料在军工国防中的应用
碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维、生物基聚酰胺纤维等高性能纤维在军工国防、航空航海 、体育器材、医疗卫生及建筑纺织等军用、民用行业具有重要的应用价值。这些高性能纤维及其复合材料应用于战略导弹发射设备、航空航天器、人造卫星、战斗机、单兵防护等方面不仅能提高各项器材的防御性能,还能提高单兵作战效率。
为了提高战斗效率,减少战斗人员体能消耗,降低高昂的运输成本要加强研究便于执行多样化任务、轻质的地面战斗车辆和战斗防护服。如比重小、强度高的高强聚酰胺纤维、用于帐篷支架、背架等的碳纤维增强复合材料,可制造轻便防弹衣,防弹插板等的高强高模纤维,可减小单兵背囊、帐篷支架、枪托的负重。

复合纤维材料是减重纤维研究的重要方向。传统的金属材料疲劳性能较差,而纤维增强树脂基复合材料单向力学性能虽高,但层合过后性能降低很多,并且呈脆性断裂。纤维金属层板则是打破两者的界限,采用合适的工艺将二者结合起来,使它们相互取长补短,相得益彰。金属纤维层状材料被认为是用于下一代飞机的先进材料,不仅重量轻,而且还具有较好的力学性能。目前DLR 在机身壳体部件自动化铺放方面已取得了部分成果,未来将致力于机身自动化生产线的研究,并用该生产线生产出首架机身。

另外,减重材料应用在车辆中可减轻车身重量( 减重100-200kg),即可减少燃料消耗,降低尾气排放,减少组装工序,降低劳动成本,实现现代化组装过程,提高运行效果,减小运动阻尼,提高发动机转速等。同样还可广泛应用于后勤装备,如帐篷支架、野炊箱组(盖板、油罐、挂件等)、冷藏箱(箱体、隔板等)、医疗方仓(仓体、担架)等。总之,减重材料可根据其性能的不同应用于现代化建设中的方方面面,百利而无一害。

我国纤维材料经过发展,建立了较完整的工业化生产体系,碳纤维、芳纶、聚酰亚胺等高性能纤维实现了国产化,常规纤维的差别化、功能化也取得了长足进展,这些带动了产业用纺织品发展,实现了纤维的跨行业对接,提升了防护服装的技术水平,在国防等关键领域得到了一定应用,为做强我国国防纤维材料奠定了基础。

1.4 我国前沿性纤维材料发展思考
我国高性能纤维还存在价格高昂、性能不稳定;低端多、高品质少;厂家投产多,销售比例低;投入多,盈利少;自己做的多,联合少;自身研究多,下道服务少;小试应用多,大批订单少;民用多,国防应用少;研究多,成果转化少;报奖多,得奖少;科研小项目多,大项目少等众多问题。

我国的高性能纤维材料中,民用多于国防应用,需借鉴国外“军民融合” 的成功经验,制定适宜我国国情的发展战略,引领新材料的发展方向,使高性能纤维进入快速发展阶段,解决上述不利问题,以应用需求牵引纤维开发,创建产学研用结合的研发系统,注重应用开发和应用服务,上下产业链联合,实现可持续发展,建立系统的标准化技术体系。

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 楼主| 发表于 2018-10-8 22:32:28 | 显示全部楼层
2. 国内外军民融合发展
为保证国家的军事能力,促进军事工业的持续进步,世界各国多采取了将国防和军队现代化建设深深融入经济社会发展体系之中,在更广范围、更高层次、更深程度上把国防和军队现代化建设与经济社会发展结合起来,也就是广义上的军民融合模式。

2.1 国外军民融合经验启示
目前,国外采取的军民融合模式主要有美国“军民一体化” 模式、日本“以民掩军” 模式、俄罗斯“先军后民” 模式、以色列“以民带军” 模式,这些国家的军民融合战略都取得了一定的成效,并且为我国发展军民融合起到一定的经验启示。

美军作为当今世界最为现代化、信息化的军队与其完备的标准化体系是密不可分的,美国军用标准化的发展做法有很多方面是值得我军借鉴的:(1)以法规制度促进军用标准化管理水平的提高;(2)以严格的质量要求控制军用标准数量的增长;(3)以非政府标准促进军民标准一体化的实现;(4)以民间标准制修订为主导提升民用标准的军用化程度;(5)以标准的输出主导世界国防科技产业的发展。

2.2 我国军民融合发展
我国在“十三五” 规划明确提出,“实施军民融合发展战略,形成全要素、多领域、高效益的军民深度融合发展格局”,真正意义上将军民融合发展上升为国家战略。我国军民融合发展战略在新材料领域提出,军民两用新材料是技术创新的先导、基础和支撑,新材料的使用改变着人类的生活习惯与生活方式,同时也为军工国防建设发挥重要作用。新建筑材料为人类创造了更加美观而舒适的居住条件;新交通运输材料使得火车与飞机更加快捷;生物材料为人类提供了新的医疗手段;新的合成纤维使人类突破自然纤维单一获取途径,得到更加丰富多彩的纺织品和服装;信息材料的发展,丰富了人类的通信手段,改变着人们的交流方式。新材料还为人类的航空航天事业提供了前提条件,为人类实现拓展生存空间提供可能的机会。

利用我国已有军工新材料产业发展的技术优势,优化配置军民科技力量和产业资源,推进国防科技成果加速向经济建设转化,促进军民新材料技术在基础研究、应用开发、生产采购等环节有机衔接,加快军民共用新材料产业化、规模化发展。鼓励优势新材料企业积极参与军工新材料配套,提高企业综合实力,实现寓军于民。建立军民人才交流与技术成果信息共享机制,积极探索军民融合的市场化途径,推动军民共用材料技术的双向转移和辐射。

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 楼主| 发表于 2018-10-8 22:33:06 | 显示全部楼层
3. 未来军民两用纤维发展趋势
科技创新和绿色发展已成为我国经济发展的新动力,先进基础材料、关键战略材料、前沿新材料则是国家战略性新兴产业发展的重要基础。加快培育和发展纤维新材料,对促进化纤工业转型升级、提升行业核心竞争力具有重要的战略意义。我国在军民两用纤维的主要发展趋势为高效化、高性价比、绿色化、轻质化、系统化、标准化,这些趋势将引领纤维的研发和应用。

我国纤维新材料的军民融合,应该制定并完善军民两用化纤标准体系以助推化纤应用,国防应用助推高性能纤维发展壮大,民用新纤维研发助推国防建设,军民融合发展助推化纤强国建设,使我国纤维新材料的研发得到创新性、前沿性,综合性发展。

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