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專題報告

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軍工復合材料現狀與發展

01

軍工復合材料概述


材料科學的發展造就了高強度、高模量、低比重的碳纖維,從而掀開了先進復合材料的時代。日本于1955年首先發明了聚丙烯腈(PAN)基碳纖維,并于60年代初進入工業化生產,70年代中期誕生了以碳纖維為增強相的先進復合材料。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60年代末,美國開發出了硼纖維增強的環氧樹脂復合材料,1971年成功應用于F-14戰斗機尾翼上,此后又有F-15、F-16、米格29、幻影2000、F/A-18等復合材料尾翼問世。此時一般一架軍用飛機的垂尾、平尾全采用復合材料,可占總重的5%左右。經過以后的發展,目前的飛機上復合材料用量到20%~50%不等,如美國的B-2戰斗機大約占50%左右,機身大部分為復合材料。

軍工復合材料現狀與發展

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

軍工復合材料現狀與發展

02

發展現狀

/

國際方面:美國軍事工業強大,其主要廠家赫氏及氰特屬于這類企業,主要服務于軍品任務,很少在民用市場銷售產品。日本軍事工業受限,發展空間有限,但日本東麗、東邦、三菱三家公司部分產能參與了日本及歐美軍工建設,他們在歐美積極加強本土產能建設,更深度地融入本地軍工建設。

美國國防部根據武器裝備的發展(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、激光定位舖層、蜂窩夾層、低成本復合材料制備技術、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 世紀革命性的材料技術共有 12項。

表1軍工革命性復合材料

序號

材料技術名稱

簡介

1

智能材料、結構與薄膜;

一種種感知外界環境變化并經過自身判斷后改變特性從而適應這種變化的新型功能材料,其自變形、自判斷和自適應等特點可以實現對生物智能的人工模仿,因而在各領域都有著重要的應用。

2

微機電(MEM )設備;

微機電系統是在微電子技術(半導體制造技術)基礎上發展起來的,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制作的高科技電子機械器件。

3

纖維光學

纖維光學技術的實際應用為纖維光學傳感器。它們是纖維光學陀螺儀和光時域反射儀(OTDR )系統。相干光控制新概念—— 光相干域反射儀(OcDR )將為光傳感系統帶來新應用。將孤子應用于OTDR系統,可望實現高分辨率。且通過引入時間分辨頻譜反射儀概念,實現非線性脈傳播的空間分辨率。

4

新一代碳纖維、納米碳管

是一種具有特殊結構的一維量子材料,其徑向尺寸為納米量級,碳納米管優異的光學性能使其在發光與顯示材料、寬帶限幅材料等方面具有潛在的應用前景。

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,可延長紡織鋼領的服役壽命。

6

高級合金的激光燒結

與其他快速成型技術相比,激光燒結制備的部件,具有性能好、制作速度快、材料多樣化,成本低等特點。歐美日等地已經逐漸認可激光燒結為下一代快速制造技術的標準。

7

生化模擬

生化模擬在材料領域通常指的是通過生物學和化學的原理來模擬和設計新型材料的方法。這種方法利用生物體系的結構和功能的特點,以及生物分子之間的相互作用,來啟發或指導材料的設計和合成。

8

高級設計方法學/測試方法

以計算材料學、微觀結構設計、高通量試驗等為基礎的一系列前沿方法理論。

9

在位高級纖維控制

在材料科學中通常指的是在材料制造過程中實時控制和調整纖維的排列、方向和分布,以優化材料的性能。

10

陶瓷基和金屬基復合材料

瓷基復合材料因具有良好的抗高溫性能,被廣泛應用于航空航天、核能等工業領域。隨著工程應用中對結構件性能要求越來越高,陶瓷基復合材料與金屬材料之間的焊接技術成為陶瓷基復合材料領域的研究方向。

11

虛擬工程

通過數字仿真和系統模擬技術來實現材料結構設計,從而發現新材料。

12

材料設計/組合合成

使用計算和實驗方法相結合的方式,來設計和合成具有特定性質和功能的新材料。


國內方面:航空航天軍工應用企業。以光威復材、中簡科技、太鋼鋼科為代表(還包括中復神鷹、恒神部分產能、 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,其他均已經或正在實現工業量產,基本解決了“卡脖子”問題。該類企業保證國家軍工安全,企業首要關注點是性能與超高質量穩定性,對低成本的追求和迫切程度遠不如后兩類企業。該類企業的發力點是:穩質增效,填補空白,降低成本。

國內市場方面,行業的基礎趨勢隨國家政策影響總體向好,下游企業合同負債和預收款項驗證大額訂單落地,景氣度將沿產業鏈向上、中游有序傳導,“十四五”期間配套企業需求放量確定性強。2022 年 12 月 2 日,中證軍工指數估值為 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%分位值繼續看好當前位置下板塊配置價值。

軍工復合材料現狀與發展

03

總結與展望


國防軍工復合材料行業自20世紀中期以來,經歷了顯著的發展。初始階段,日本開發的聚丙烯腈(PAN)基碳纖維為行業奠定了基礎。隨后,美國的硼纖維增強復合材料在F-14戰斗機上的應用,標志著復合材料在軍事領域的重要突破。此類材料以其高比強度、高比剛度、耐腐蝕和耐疲勞特性,廣泛應用于航空飛機和航天器。目前,飛機上復合材料的用量可達20%至50%,在美國B-2戰斗機中占比約50%。

展望未來,國防軍工復合材料行業將繼續注重技術創新和質量提升,以滿足日益增長的國防和安全需求。材料的輕質化、智能化和成本效益將是發展的關鍵方向,同時,國內外合作與交流也將成為推動行業發展的重要因素。


參考文獻:

  1. 李科.國防科技工業涉及哪些金屬材料和軍工材料[J].中國軍轉民,2018,(04):47-51.

  2.  學習貫徹二十大 法治軍工再出發——記國防科技工業政策法規培訓暨交流會[J]. 國防科技工業,2023(01)

  3. 2023年國防科技工業工作會議 全面貫徹落實黨的二十大精神 為建設先進國防科技工業體系努力奮斗[J]. 本刊編輯部.國防科技工業,2023(02)

  4. 趙稼祥.碳纖維在美國國防軍工上的應用[J].高科技纖維與應用,2003,(01):6-9.


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