01
軍工復(fù)合材料概述
材料科學(xué)的發(fā)展造就了高強度、高模量、低比重的碳纖維,從而掀開了先進復(fù)合材料的時代。日本于1955年首先發(fā)明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維,并于60年代初進入工業(yè)化生產(chǎn),70年代中期誕生了以碳纖維為增強相的先進復(fù)合材料。碳基增強具有無可比擬的高比強度及高比剛度性質(zhì)及耐腐蝕、耐疲勞特性,非常適用于航空飛機和航天飛機。PAN碳基纖維較早時候是T300級別的用于武器裝備上,20世紀(jì)60年代末,美國開發(fā)出了硼纖維增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料,1971年成功應(yīng)用于F-14戰(zhàn)斗機尾翼上,此后又有F-15、F-16、米格29、幻影2000、F/A-18等復(fù)合材料尾翼問世。此時一般一架軍用飛機的垂尾、平尾全采用復(fù)合材料,可占總重的5%左右。經(jīng)過以后的發(fā)展,目前的飛機上復(fù)合材料用量到20%~50%不等,如美國的B-2戰(zhàn)斗機大約占50%左右,機身大部分為復(fù)合材料。

復(fù)合材料除了在軍用飛機上有突出貢獻,在導(dǎo)彈彈頭上也大量應(yīng)用,復(fù)合材料最早應(yīng)用在導(dǎo)彈彈頭的是層壓玻璃/酚醛復(fù)合材料,后來發(fā)現(xiàn)不足,產(chǎn)生了模壓高硅氧/酚醛。目前,科學(xué)家開發(fā)出了更好的碳/碳復(fù)合材料,碳/碳復(fù)合材料具有低密度(<2.0g/cm3)、高比強、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù),以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點,是目前在1650℃以上應(yīng)用的唯一備選材料,最高理論溫度更高達2600℃,因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料。近期研制的導(dǎo)彈頭帽幾乎都采用了碳/碳復(fù)合材料。目前為了提高導(dǎo)彈的打擊能力,由開發(fā)出碳/酚醛復(fù)合材料用作導(dǎo)彈彈頭的防熱層。另外在固體火箭發(fā)動機的噴管上,復(fù)合材料也不短改進,從最早的金屬到后米的金屬/非金屬,現(xiàn)在一開始使用碳/碳復(fù)合材料,使導(dǎo)彈的性能得到很大的提高。

02
發(fā)展現(xiàn)狀
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國際方面:美國軍事工業(yè)強大,其主要廠家赫氏及氰特屬于這類企業(yè),主要服務(wù)于軍品任務(wù),很少在民用市場銷售產(chǎn)品。日本軍事工業(yè)受限,發(fā)展空間有限,但日本東麗、東邦、三菱三家公司部分產(chǎn)能參與了日本及歐美軍工建設(shè),他們在歐美積極加強本土產(chǎn)能建設(shè),更深度地融入本地軍工建設(shè)。
美國國防部根據(jù)武器裝備的發(fā)展(包括:JSOW、JDAM、SLAM-ER、JASSM AIM-9X 計劃等)提出要改進提高的材料工藝有:RTM/ VRTM、纖維舖放技術(shù)、激光定位舖層、蜂窩夾層、低成本復(fù)合材料制備技術(shù)、注射成型、透波材料、高能材料、金剛石薄膜、超塑成型、無余 量加工等。美國海軍的航空平臺由 16 種不同的型號飛機減少到 9 種。提出 21 世紀(jì)革命性的材料技術(shù)共有 12項。
表1軍工革命性復(fù)合材料 | ||
序號 | 材料技術(shù)名稱 | 簡介 |
1 | 智能材料、結(jié)構(gòu)與薄膜; | 一種種感知外界環(huán)境變化并經(jīng)過自身判斷后改變特性從而適應(yīng)這種變化的新型功能材料,其自變形、自判斷和自適應(yīng)等特點可以實現(xiàn)對生物智能的人工模仿,因而在各領(lǐng)域都有著重要的應(yīng)用。 |
2 | 微機電(MEM )設(shè)備; | 微機電系統(tǒng)是在微電子技術(shù)(半導(dǎo)體制造技術(shù))基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,融合了光刻、腐蝕、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密機械加工等技術(shù)制作的高科技電子機械器件。 |
3 | 纖維光學(xué) | 纖維光學(xué)技術(shù)的實際應(yīng)用為纖維光學(xué)傳感器。它們是纖維光學(xué)陀螺儀和光時域反射儀(OTDR )系統(tǒng)。相干光控制新概念—— 光相干域反射儀(OcDR )將為光傳感系統(tǒng)帶來新應(yīng)用。將孤子應(yīng)用于OTDR系統(tǒng),可望實現(xiàn)高分辨率。且通過引入時間分辨頻譜反射儀概念,實現(xiàn)非線性脈傳播的空間分辨率。 |
4 | 新一代碳纖維、納米碳管 | 是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的一維量子材料,其徑向尺寸為納米量級,碳納米管優(yōu)異的光學(xué)性能使其在發(fā)光與顯示材料、寬帶限幅材料等方面具有潛在的應(yīng)用前景。 |
5 | 金剛石和類金剛石涂層和塊料 | 金剛石涂層(DLC)的抗沖擊性能,可延長紡織鋼領(lǐng)的服役壽命。 |
6 | 高級合金的激光燒結(jié) | 與其他快速成型技術(shù)相比,激光燒結(jié)制備的部件,具有性能好、制作速度快、材料多樣化,成本低等特點。歐美日等地已經(jīng)逐漸認(rèn)可激光燒結(jié)為下一代快速制造技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。 |
7 | 生化模擬 | 生化模擬在材料領(lǐng)域通常指的是通過生物學(xué)和化學(xué)的原理來模擬和設(shè)計新型材料的方法。這種方法利用生物體系的結(jié)構(gòu)和功能的特點,以及生物分子之間的相互作用,來啟發(fā)或指導(dǎo)材料的設(shè)計和合成。 |
8 | 高級設(shè)計方法學(xué)/測試方法 | 以計算材料學(xué)、微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計、高通量試驗等為基礎(chǔ)的一系列前沿方法理論。 |
9 | 在位高級纖維控制 | 在材料科學(xué)中通常指的是在材料制造過程中實時控制和調(diào)整纖維的排列、方向和分布,以優(yōu)化材料的性能。 |
10 | 陶瓷基和金屬基復(fù)合材料 | 瓷基復(fù)合材料因具有良好的抗高溫性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、核能等工業(yè)領(lǐng)域。隨著工程應(yīng)用中對結(jié)構(gòu)件性能要求越來越高,陶瓷基復(fù)合材料與金屬材料之間的焊接技術(shù)成為陶瓷基復(fù)合材料領(lǐng)域的研究方向。 |
11 | 虛擬工程 | 通過數(shù)字仿真和系統(tǒng)模擬技術(shù)來實現(xiàn)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計,從而發(fā)現(xiàn)新材料。 |
12 | 材料設(shè)計/組合合成 | 使用計算和實驗方法相結(jié)合的方式,來設(shè)計和合成具有特定性質(zhì)和功能的新材料。 |
國內(nèi)方面:航空航天軍工應(yīng)用企業(yè)。以光威復(fù)材、中簡科技、太鋼鋼科為代表(還包括中復(fù)神鷹、恒神部分產(chǎn)能、 煤化所揚州基地、西安康本、河南永煤、中油吉化、吉研高科和吉林神舟等)。生產(chǎn)的纖維品種,除了以 T1100 級、IM10 級和 M60J 級等為代表的頂級碳纖維品種,其他均已經(jīng)或正在實現(xiàn)工業(yè)量產(chǎn),基本解決了“卡脖子”問題。該類企業(yè)保證國家軍工安全,企業(yè)首要關(guān)注點是性能與超高質(zhì)量穩(wěn)定性,對低成本的追求和迫切程度遠不如后兩類企業(yè)。該類企業(yè)的發(fā)力點是:穩(wěn)質(zhì)增效,填補空白,降低成本。
國內(nèi)市場方面,行業(yè)的基礎(chǔ)趨勢隨國家政策影響總體向好,下游企業(yè)合同負(fù)債和預(yù)收款項驗證大額訂單落地,景氣度將沿產(chǎn)業(yè)鏈向上、中游有序傳導(dǎo),“十四五”期間配套企業(yè)需求放量確定性強。2022 年 12 月 2 日,中證軍工指數(shù)估值為 54.2 倍,處于歷史 PE 的 10.2%分位值,截止2023年11月27日,處于歷史 PE 的 24%分位值繼續(xù)看好當(dāng)前位置下板塊配置價值。

03
總結(jié)與展望
國防軍工復(fù)合材料行業(yè)自20世紀(jì)中期以來,經(jīng)歷了顯著的發(fā)展。初始階段,日本開發(fā)的聚丙烯腈(PAN)基碳纖維為行業(yè)奠定了基礎(chǔ)。隨后,美國的硼纖維增強復(fù)合材料在F-14戰(zhàn)斗機上的應(yīng)用,標(biāo)志著復(fù)合材料在軍事領(lǐng)域的重要突破。此類材料以其高比強度、高比剛度、耐腐蝕和耐疲勞特性,廣泛應(yīng)用于航空飛機和航天器。目前,飛機上復(fù)合材料的用量可達20%至50%,在美國B-2戰(zhàn)斗機中占比約50%。
展望未來,國防軍工復(fù)合材料行業(yè)將繼續(xù)注重技術(shù)創(chuàng)新和質(zhì)量提升,以滿足日益增長的國防和安全需求。材料的輕質(zhì)化、智能化和成本效益將是發(fā)展的關(guān)鍵方向,同時,國內(nèi)外合作與交流也將成為推動行業(yè)發(fā)展的重要因素。
參考文獻:
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