碳纤维复合材料优势多需求旺，在头盔与防弹衣的应用有哪些？-pg电子竞技平台

2023-01-03 18:26:21  信息编号：k226384  浏览次数：21

目前碳纤维复合材料已在航空航天、风力发电、飞机制造等领域得到很好的应用，近年来在体育休闲、汽车制造、工业机械、轨道交通、医疗器械等领域也得到了扩展。

那么，碳纤维复合材料有什么优势？碳纤维复合材料的需求如何？在头盔与防弹衣的应用有哪些？

碳纤维复合材料的优势

碳纤维复合材料的抗拉强度一般都在3500mpa以上，比绝大多数金属的比强度高7倍以上。其碰撞吸收能是钢的6-7倍、铝的3-4倍，进一步保障了车辆安全。

碳纤维复合材料主要由碳纤维丝束和树脂材料组成，化学性质稳定，无需进行表面防腐处理，其耐候性及耐老化性极好，寿命一般为钢材的2-3倍。采用cfrp材料生产的功能性零部件的疲劳强度也远高于钢材。

在力学性能方面，碳纤维复合材料有着抗拉伸性能好，模量大，质量轻，有着很高的比强度以及很高的比模量。和传统的金属相比，碳纤维复合材料有着很多优势：密度小，高强度，高韧度。和同样有着新型材料称呼的硅基纤维复合材料对比，碳基纤维的拉伸强度是硅基复合材料的3-7倍。由于碳纤维复合材料的弹性模量比硅基纤维复合材料高，因此碳纤维复合材料在各个参数都相同的外载荷情况下，较小的形变，而且碳纤维复合材料制作的型材的刚度比硅基纤维复合材料型材高。高模量的碳纤维断裂伸长率约大概为0.5%，高强度碳纤维却可以达到1%，硅基纤维约为2.6%，而环氧树脂的约为1.7%，因此碳纤维复合材料强度高的特性能得到充分的发挥.因为碳纤维比较脆，冲击性能略差，所以在受到力太大的情况下也不会有大的形变，直至整体碎裂。

在热性能方面，碳纤维复合材料的热胀冷缩性稳定。不会因为温差大而降低性能和膨胀或变小，在惰性气体保护下，2000°c的高温依然有着很高的强度，即使在液中也不脆断。

碳纤维复合材料的导热性能好。有着较高的导热系数，但温度升高会降低碳纤维复合材料的导热系数会逐渐降低。碳纤维复合材料导热系数可以分为两种：第一种为沿纤维轴向，它的系数为0.04；第二种为垂直纤维方向，系数为0.002。

在耐腐蚀性能方面，碳纤维复合材料只可能被强氧化剂氧化，比如浓硝酸、次氯酸及重铬酸盐影响，其他的酸碱对碳纤维复合材料来说几乎没有影响，比硅基纤维复合材料耐腐蚀性更好。

碳纤维复合材料即使在潮湿的空气中也不会发生水解反应。此外还具有耐油、抗辐射以及减速中字运动等特性。综上所述，碳纤维复合材料具有重量轻、模量高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击、耐腐蚀、吸震性好等一系列优点，这些性能都是传统金属材料所欠缺的特性，相比于其他类型的新型复合材料也具有较强的性能。这使得碳纤维复合材料可以在很多领域获得广泛的应用，同时促进碳纤维复合材料的进一步研究，以继续提高其使用性能。

碳纤维复合材料需求旺盛

中国工程院院士、北京科技大学教授、长三角碳纤维及复合材料技术创新中心主任岳清瑞介绍，碳纤维及复合材料在航空航天、清洁能源、先进工程、轨道交通等重要战略领域，正在得到广泛的应用。从全球行业规模持续增长来说，2021年的全球需求11.8万吨，同比增长10.4%。自“十三五”以来，我国市场的需求非常旺盛，推动着技术的创新和产业快速发展。

江苏常州重点规划发展新型碳材料集群被列入工信部先进制造业集群，目前集聚企业近2000家，基本形成从原材料生产—复材成型—装备制造—终销产品及相关配套的完整产业链，成为推动经济高质量发展的新引擎和重要支撑。

但在相关专家看来，从国内产业现状来说，虽然产能有了快速的增长，但依然和先进国家有着比较大的一个技术差距。这个技术供给不足，既体现在基础科学研究的差距，也有应用技术、应用领域等方面的问题。

岳清瑞认为，应用起着重要牵引作用。当前，尤其需要通过整合产业链和创新链，组织协同技术创新和产业攻关，以拓展应用领域。

中国工程院院士、长三角碳纤维及复合材料技术创新中心理事长杜善义提出，要以应用为导向，围绕碳纤维及复合材料的原料开发、结构设计、工艺研究、装备开发、性能评价与诊断、回收及再利用等全流程，开展碳纤维及复合材料产业应用关键技术研究，为行业发展提供源头技术供给，支撑产业向中高端迈进发挥战略引领作用。

常州市人民政府市长盛蕾介绍，2022年3月，由常州市人民政府、南京航空航天大学、江苏省产业技术研究院合作，共同启动建设长三角碳纤维及复合材料技术创新中心，将聚焦碳纤维及复合材料产业领域，利用国内外创新资源，以应用为牵引，开展关键技术研发，为我国产业发展提供高水平技术供给，争取建成国内一流的研发机构和创新基地，以及国家级碳纤维及复合材料技术创新中心。

据介绍，常州将从政策、人才、平台和应用等方面，支持创新中心进一步整合国内外高校、科研院所、企业的优势资源，重点建设创新资源集聚、组织运行开放的综合性产业创新平台，加速全球碳纤维及复合材料领域创新资源在常州的集聚，全力提升碳纤维及复合材料产业的科研技术水平和国际竞争力。

在头盔与防弹衣的应用有哪些？

1、f-35飞行头盔

f-35飞行头盔主体全部使用高性能碳纤维复合材料，先进的头盔显示系统为飞行员提供了前所未有的态势感知能力。所有飞行员需要的信息如空速、航向、高度、目标信息和雷达警告均投射在头盔的面罩上。远比传统抬头显示器先进的头盔使飞行员能够更好的发挥战力。

科学家们经多年努力，研制出了碳纤维复合材料防弹头盔，其性能明显优于同等重量的芳纶头盔。在采用t300级碳纤维材质，头盔仅重1.2公斤的情况下，可有效防止54式手gun连续发射5发子 弹的侵彻。在采用t800至t1000级碳纤维材质，头盔重1.8公斤的情况下，可有效防住ak47、56半动步gun等不同gun型发射的制式子 弹的侵彻。

同时还开发出了碳纤维复合材料防弹胸插板，在重量减轻20%的情况下，可有效防止ak47连续发射5发56式的侵彻，以及85式发射53式制式子 弹的侵彻。同时，其寿命延长到10年以上，至少为芳纶防弹头盔的一倍。

2、umw智能盔甲

uwm由澳大利亚chiron global公司开发，该公司召集了一群经验丰富的工程、技术和产品设计人员，最终设计和打造了这款智能盔甲。

uwm智能盔甲的主体部分是一件由高强度碳纤维复合材料打造的胸甲，这件盔甲被设计成可以抵抗真实武器的高冲击力攻击。除了能最大程度地保护穿戴盔甲的选手之外，这件胸甲还配备了定制感应器系统，能够感应到接受到攻击的具体部位和强度。

3、exfil战术头盔

team wendy美国俄亥俄州克利夫兰的护具制造商,它生产头盔被部分现役美军特种部队采用。team wendy 的"exfil" 战术头盔的盔体采用高强度碳纤维复合材料材质，重量轻、强度高、耐磨性强且内衬部分采用了全新设计。

内衬由tpu（热塑性聚氨酯弹性体橡胶）材料制成，采用了一系列获得专利的热塑性聚氨酯（tpu）结构，对冲击防护进行了优化，能够充分分散外部冲击力。tpu 内衬可抵抗磨损和极端环境，透气性好。

4、防弹衣

在现代化单兵作战过程中，防弹衣是一种很好的保护措施。当前新型防弹衣由软质防弹背心与硬质防弹插板两部分组成，其中软质防弹背心由高强度纤维织物制成，而硬质防弹插板由防弹陶瓷片和纤维增强树脂基复合材料背板构成。这种防弹衣的防弹能力强，二次伤害小，舒适轻便，可根据任务强度灵活选择配置，综合性能明显优于钢制防弹衣。

传统防弹材料凯夫拉（kevlar）

凯夫拉是一种具有超高强度、超高模量、耐高温的合成纤维。这种高性能纤维的出现使柔软的纺织物防弹衣性能大为提高，同时也在很大程度上改善了防弹衣的舒适性。相比尼龙和玻璃纤维防弹衣，重量减轻50%；在单位面积质量相同的情况下，其防护力至少可增加1倍，并且具有很好的柔韧性。

超高分子量聚乙烯纤维uhmwpe

超高分子量聚乙烯纤维（uhmwpe）是由相对分子质量在100万到500万的聚乙烯纺成的纤维，是目前世界上强度最高与比重最轻的纤维，其强度比钢丝高15倍，但是很轻，最多可比芳纶等材料轻40%。

在国防军需装备方面，由于该纤维的耐冲击性能好，比能量吸收大，在军事上可以制成防护衣料、头盔、防弹材料，如直升飞机、坦克和舰船的装甲防护板、雷达的防护外壳罩、导弹罩、防弹衣、防刺衣、盾牌、降落伞等，其中以防弹衣的应用最为引人注目。