纖維新材料的軍事應用與發展

纖維新材料的軍事應用與發展

軍事科學院系統工程研究院軍需工程技術研究所
郝新敏   閆金龍

隨著科學技術的迅速發展，新型纖維材料不斷涌現和被采用，新纖維材料在新產品開發與應用中的作用日益重要。新型纖維復合材料及特種加工技術對新型武器裝備的研制和生產，起到舉足輕重的作用，是現代工業不可缺少的重要組成。
1. 國內外纖維新材料的軍事應用發展
1.1 美國纖維材料軍事應用的發展
2015 年3 月18 日，奧巴馬親自宣布“革命性纖維與織物制造創新機構” 開啟競標。2016 年4 月1 日，美國國防部長阿什頓• 卡特宣布成立革命性纖維與織物制造創新機構(RFT-IMI)，這是美國制造創新網絡中第八家制造創新機構，該機構由美國國防部牽頭組建，獲得由聯邦政府、地方政府、大學和企業等超過3 億美元的投入資金。RFT-IMI 由麻省理工學院(MIT) 負責領導，并接受美國國防部監管。

纖維科學的新進展已經創造出了具備非凡屬性的纖維。這些新屬性已經使纖維與織物應用空間發生了變革——因此使用了“革命性” 這個詞。革命性纖維與織物具有與眾不同的屬性，不可思議的輕質、防火性，非凡的強度以及包含纖維材料的電子傳感器等。RFT 覆蓋了一系列稱作“技術紡織品” 的纖維系統，由特種面料、工業面料、電子紡織品、智能面料以及其它先進紡織品組成。美軍士兵系統的裝備，高性能纖維及復合材料應用突出。

革命性纖維與織物的國防需求十分廣泛。主要包括四大類：（1）個人挑戰與貨物空投系統；（2）軟墻/ 剛性墻掩體/ 帳篷和營地系統；（3）士兵電源與數據集成系統；（4）士兵制服。具體包括：士兵服裝（可穿戴電子紡織品電源和數據傳輸總線），微小氣候管理以及單兵裝備，掩體/ 帳篷，降落傘，彈藥與爆炸防護，化學、生物、輻射與核(CBRN) 防護，阻燃阻熱、環境保護、安全浮游裝置、反重力外套等。

1.2 我國高度重視纖維新材料的發展
材料是工業的基礎。大力推動新材料產業的發展對做強“中國制造” 具有重要意義。2016 年12 月23 日，國務院成立了“國家新材料產業發展領導小組”，小組決定國家重大工程“重點新材料研發及應用” 已于2017 年啟動并發布指南。

基礎材料產業是實體經濟不可或缺的發展基礎，我國基礎材料產量面臨總體產能過剩、產品結構不合理、高端應用領域尚不能完全實現自給等三大突出問題，迫切需要發展高性能、差別化、功能化的先進基礎材料，推動基礎材料產業的轉型升級和可持續發展。先進基礎材料是指具有優異性能、量大面廣且“一材多用” 的新材料，其發展重點為：一是先進鋼鐵材料；二是先進有色金屬材料；三是先進石化材料；四是先進建筑材料；五是先進輕工材料；六是先進紡織材料。這些材料中的高端材料，對國民經濟、國防軍工建設起著基礎支撐和保障作用。

對于高端裝備用特種合金、高性能分離膜材料以及高性能纖維及復合材料等我國所需的關鍵工程戰略材料要轉移高端、加大國產化比重，我國前沿材料須搶占戰略制高點。但是目前而言，在發揮前沿新材料引領產業發展方面，我國的自主創新能力嚴重不足，迫切需要在3D 打印材料、超導材料、智能仿生與超材料、石墨烯等新材料前沿方向加大創新力度，加快布局自主知識產權，搶占發展先機和戰略制高點。

1.3 纖維材料在軍工國防中的應用
碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維、生物基聚酰胺纖維等高性能纖維在軍工國防、航空航海 、體育器材、醫療衛生及建筑紡織等軍用、民用行業具有重要的應用價值。這些高性能纖維及其復合材料應用于戰略導彈發射設備、航空航天器、人造衛星、戰斗機、單兵防護等方面不僅能提高各項器材的防御性能，還能提高單兵作戰效率。
為了提高戰斗效率，減少戰斗人員體能消耗，降低高昂的運輸成本要加強研究便于執行多樣化任務、輕質的地面戰斗車輛和戰斗防護服。如比重小、強度高的高強聚酰胺纖維、用于帳篷支架、背架等的碳纖維增強復合材料，可制造輕便防彈衣，防彈插板等的高強高模纖維，可減小單兵背囊、帳篷支架、槍托的負重。

復合纖維材料是減重纖維研究的重要方向。傳統的金屬材料疲勞性能較差，而纖維增強樹脂基復合材料單向力學性能雖高，但層合過后性能降低很多，并且呈脆性斷裂。纖維金屬層板則是打破兩者的界限，采用合適的工藝將二者結合起來，使它們相互取長補短，相得益彰。金屬纖維層狀材料被認為是用于下一代飛機的先進材料，不僅重量輕，而且還具有較好的力學性能。目前DLR 在機身殼體部件自動化鋪放方面已取得了部分成果，未來將致力于機身自動化生產線的研究，并用該生產線生產出首架機身。

另外，減重材料應用在車輛中可減輕車身重量( 減重100-200kg)，即可減少燃料消耗，降低尾氣排放，減少組裝工序，降低勞動成本，實現現代化組裝過程，提高運行效果，減小運動阻尼，提高發動機轉速等。同樣還可廣泛應用于后勤裝備，如帳篷支架、野炊箱組（蓋板、油罐、掛件等）、冷藏箱（箱體、隔板等）、醫療方倉（倉體、擔架）等。總之，減重材料可根據其性能的不同應用于現代化建設中的方方面面，百利而無一害。

我國纖維材料經過發展，建立了較完整的工業化生產體系，碳纖維、芳綸、聚酰亞胺等高性能纖維實現了國產化，常規纖維的差別化、功能化也取得了長足進展，這些帶動了產業用紡織品發展，實現了纖維的跨行業對接，提升了防護服裝的技術水平，在國防等關鍵領域得到了一定應用，為做強我國國防纖維材料奠定了基礎。

1.4 我國前沿性纖維材料發展思考
我國高性能纖維還存在價格高昂、性能不穩定；低端多、高品質少；廠家投產多，銷售比例低；投入多，盈利少；自己做的多，聯合少；自身研究多，下道服務少；小試應用多，大批訂單少；民用多，國防應用少；研究多，成果轉化少；報獎多，得獎少；科研小項目多，大項目少等眾多問題。

我國的高性能纖維材料中，民用多于國防應用，需借鑒國外“軍民融合” 的成功經驗，制定適宜我國國情的發展戰略，引領新材料的發展方向，使高性能纖維進入快速發展階段，解決上述不利問題，以應用需求牽引纖維開發，創建產學研用結合的研發系統，注重應用開發和應用服務，上下產業鏈聯合，實現可持續發展，建立系統的標準化技術體系。

2. 國內外軍民融合發展
為保證國家的軍事能力，促進軍事工業的持續進步，世界各國多采取了將國防和軍隊現代化建設深深融入經濟社會發展體系之中，在更廣范圍、更高層次、更深程度上把國防和軍隊現代化建設與經濟社會發展結合起來，也就是廣義上的軍民融合模式。

2.1 國外軍民融合經驗啟示
目前，國外采取的軍民融合模式主要有美國“軍民一體化” 模式、日本“以民掩軍” 模式、俄羅斯“先軍后民” 模式、以色列“以民帶軍” 模式，這些國家的軍民融合戰略都取得了一定的成效，并且為我國發展軍民融合起到一定的經驗啟示。

美軍作為當今世界最為現代化、信息化的軍隊與其完備的標準化體系是密不可分的，美國軍用標準化的發展做法有很多方面是值得我軍借鑒的：（1）以法規制度促進軍用標準化管理水平的提高；（2）以嚴格的質量要求控制軍用標準數量的增長；（3）以非政府標準促進軍民標準一體化的實現；（4）以民間標準制修訂為主導提升民用標準的軍用化程度；（5）以標準的輸出主導世界國防科技產業的發展。

2.2 我國軍民融合發展
我國在“十三五” 規劃明確提出，“實施軍民融合發展戰略，形成全要素、多領域、高效益的軍民深度融合發展格局”，真正意義上將軍民融合發展上升為國家戰略。我國軍民融合發展戰略在新材料領域提出，軍民兩用新材料是技術創新的先導、基礎和支撐，新材料的使用改變著人類的生活習慣與生活方式，同時也為軍工國防建設發揮重要作用。新建筑材料為人類創造了更加美觀而舒適的居住條件；新交通運輸材料使得火車與飛機更加快捷；生物材料為人類提供了新的醫療手段；新的合成纖維使人類突破自然纖維單一獲取途徑，得到更加豐富多彩的紡織品和服裝；信息材料的發展，豐富了人類的通信手段，改變著人們的交流方式。新材料還為人類的航空航天事業提供了前提條件，為人類實現拓展生存空間提供可能的機會。

利用我國已有軍工新材料產業發展的技術優勢，優化配置軍民科技力量和產業資源，推進國防科技成果加速向經濟建設轉化，促進軍民新材料技術在基礎研究、應用開發、生產采購等環節有機銜接，加快軍民共用新材料產業化、規模化發展。鼓勵優勢新材料企業積極參與軍工新材料配套，提高企業綜合實力，實現寓軍于民。建立軍民人才交流與技術成果信息共享機制，積極探索軍民融合的市場化途徑，推動軍民共用材料技術的雙向轉移和輻射。

3. 未來軍民兩用纖維發展趨勢
科技創新和綠色發展已成為我國經濟發展的新動力，先進基礎材料、關鍵戰略材料、前沿新材料則是國家戰略性新興產業發展的重要基礎。加快培育和發展纖維新材料，對促進化纖工業轉型升級、提升行業核心競爭力具有重要的戰略意義。我國在軍民兩用纖維的主要發展趨勢為高效化、高性價比、綠色化、輕質化、系統化、標準化，這些趨勢將引領纖維的研發和應用。

我國纖維新材料的軍民融合，應該制定并完善軍民兩用化纖標準體系以助推化纖應用，國防應用助推高性能纖維發展壯大，民用新纖維研發助推國防建設，軍民融合發展助推化纖強國建設，使我國纖維新材料的研發得到創新性、前沿性，綜合性發展。