高性能芳纶纤维具有高比强度、高比模量、低密度等一系列优点,是导弹壳体、卫星、复合装甲、飞机结构件、飞艇囊体等大量采用的增强纤维材料,是航天、航空等军事领域及高端民用市场复合材料应用的宠儿,在军事和民用领域发挥着不可替代的作用,多年来一直受到各国政府的高度重视。据国外公开资料称,美国研制的MX(和平卫士)井射洲际弹道导弹,其前三级固体火箭发动机在使用了芳纶II纤维后,发动机壳体质量减轻了35%,质量比达0.91至0.92。俄罗斯在其研制的移动洲际导弹SS-24“手术刀”、SS-25“白杨“以及最新型号SS-27“白杨-M”的各级发动机壳体中,均采用了其独创的芳纶III纤维,其质量比甚至高达0.93,大幅减轻了导弹重量,提高了战略生存能力。就连法国、印度、巴西其最新研制的固体火箭发动机,也大量采用了高性能芳纶纤维作为复合材料壳体。

  据国内公开资料介绍,高性能芳纶包括芳纶II和芳纶III,是目前世界上产量最大,应用最广的高性能纤维,是国家安全、经济建设和科技进步不可或缺的重要战略物资,我国高性能芳纶产品一直依赖于进口,多种战略武器装备研发生产受制于人。而拥有其制备技术的美、俄、日等国家将其视为战略物资而严加管控,芳纶II的高品质纤维如美制凯夫拉-29、凯夫拉-149基本不向误判国出售,俄制芳纶-III纤维也无法从正常渠道购买,使我国在航空、航天等事业的发展受到了很大影响。为了使这一关键战略原材料不受制于人,解决航空、航天及武器装备对高性能芳纶的迫切需求,打破国外在此领域的技术封锁和产品垄断,上世纪90年代起,在我国东风31型战略导弹发动机对高性能芳纶的需求牵引下,原航天工业总公司第四研究院46所(以下简称“46所”)于1994年开始了高性能杂环芳纶(国内也称芳纶Ⅲ)的研制,产品代号“F-12纤维”。

  在F-12纤维研制之初,世界上还只是俄罗斯拥有这一产品和制备技术,国内尚属空白。近日,在介绍中国航天科工集团第六研究院四十六所(简称46所,又称内蒙合成化工研究所)研究员冯艳丽的先进事迹中,首次披露了F-12高性能纤维在我国航空航天应用的一些简况。目前,世界上只有美国、日本、俄罗斯、韩国和我国等5个国家能够研制、生产芳纶II型对位芳纶纤维,其中只有俄罗斯和我国能够研制、生产性能更高的芳纶-Ⅲ型杂环芳纶纤维,俄罗斯代号为“Armos“纤维,我国代号为“F-12纤维”。据公开资料推测,在航天导弹领域,F-12纤维已替代俄罗斯产的Armos纤维,应用于东风-31A、东风-31AG等洲际弹道导弹的末助推级多弹头母舱姿控系统,实现了F-12纤维的国产化应用。

  F-12短切纤维已应用于红旗-9B,FD-2000等多种地空导弹型号发动机内绝热层上,显著增强了烧蚀性能,大幅延长了发动机工作时间,提高了防空导弹的射程,使其成为世界上第三个能独立自主研制生产射程200公里以上防空导弹的国家。此外,F-12短切纤维已应用于巨浪-2A等导弹固体发动机外防热材料,解决了高速飞行状态下壳体受气动加热冲蚀问题,正在配合型号研制,在多次成功试射后该导弹即将定型批产。在航空及航空发动机领域,支撑航空工业集团高性能纤维复合材料国产化应用项目,全面替代进口芳纶,F-12纤维应用于直-10,直-19,直-20系列直升机的尾桨,外表面蒙皮等,在大幅减重的同时又具有优良的防弹性能,实现了芳纶在武装直升机上的国产化批量应用。

  在新一代飞行员头盔方面,均普遍采用F-12纤维制造,质轻、防水、隔热、耐腐、不燃,防弹,且长时间使用上述性能也不下降。用于军、民用运输机的大涵道比涡扇发动机风扇包容机匣在发动机工作过程中具有重要作用。它不仅为通过风扇的外来空气提供进气的通道,而且对风扇叶片起到一定的保护作用。为防止风扇叶片失效断裂甚至像“刀片”一样飞出,造成飞机坠毁和人员伤亡,还要求对风扇叶片碎片有包容作用。最早的包容机匣采用又笨又重的金属结构。美、法联合研制的CFM-56系列航空发动机采用的就是纯金属风扇机匣。该包容机匣由不锈钢制造的3个圆环和12根加强肋焊接而成,重达300公斤,是整个发动机中重量最大的部件,直接影响发动机的效率,所以减重势在必行。

  使用国产F-12纤维研制的涡扇-20航空发动机包容环,具有优异的力学性能、断裂伸长率和抗冲击性能,不仅能够有效地包容风扇叶片碎片,而且可以大大减轻发动机重量,减重率为50%,为先进航空发动机国产化做出了重要贡献,推动了国产运-20飞机项目的研制。

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