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国防军工中应用的氟材料

    本文转自:化工专业知识服务系统

    氟化学工业崛起于20世纪30年代,是化工行业中增长迅速的一个子行业,主要可分为无机氟化物、含氟高分子材料、含氟精细化学品、氟氯烃及代用品等几大类。由于具有耐化学品、耐高低温、耐老化、低摩擦、绝缘等优异的性能,氟化工产品广泛应用于军工、化工、机械等领域,且需求增长迅速。

    氟化工的发展与国防军工有历史的渊源。在科学家1886年成功分离元素氟后,很长时间里,氟化学的研究基本局限于少数化学家的实验室里。直到第二次世界大战期问,美国实施了著名的曼哈顿工程,在铀同位素分离等多项子项目中,发现了氟化学品的特殊作用,并对之进行了深入的研究,其中最主要的应用是分离铀235。另外,在处理六氟化铀时需要特殊的耐腐蚀材料和密封材料,为此促进了聚四氟乙烯和氟橡胶的发明和应用。

    二战后,参加过曼哈顿工程的美国杜邦公司和3M公司成功地把其中的部分新型材料和技术转型为民用产品,氟化学产品因其特殊效用越来越为民众所认识和接受。

    尽管氟化学品目前已经达到数十亿美元的市场销售,应用到从重工业到日常用品等各个方面,但是它与国防军工一直保持着天然的联系,许多新的氟化学品是应国防军工的需要所开发的。本文试就国防军工中的氟化学品做一简要的综述。

六氟化铀

    前已述及,氟化学品的大发展的引子是因铀同位素分离合成了六氟化铀。到目前为止,六氟化铀仍然是铀同位素分离的必经之路,所有进行原子能军事或和平应用的国家必须建立六氟化铀合成与其同位素分离的装置。

    六氟化铀是铀同位素分离中唯一合适的一种气体化合物。这种化合物在常温常压下是固体,但很容易挥发,在56.4℃即升华成气体。铀235的六氟化铀分子与铀238的六氟化铀分子相比,两者质量相差不到百分之一,但事实证明,这个差异已足以使它们分离了。

二氟化镁

    二氟化镁是一种稳定的无机氟化物,它可以经特殊的热压法合成光学晶体,这种晶体对红外光有良好的偏振作用。因此二氟化镁会被用作光学仪器镜头和滤光器的涂层材料、阴极射线屏的荧光材料、光学透镜的反折射剂等。

    在国防化工中,将高纯二氟化镁的结晶作为光学透镜透过红外光,作为导弹红外跟踪器窗口材料;另外,也作为宇宙飞船的紫外光学仪器的透镜配件。

氟气

    国际上生产氟气最主要的用途是生产六氟化铀和六氟化硫,但是,氟气本身是一种激光器材料,一般是氟气与惰性气体如氩、氪等混合使用;氟原子激光器是一种多波长的激光器,近年获得比较快的发展。

    此外,在合成氟油脂、处理工程材料表面等方面也要直接使用氟气。

密封材料

    国防化工中对密封材料有特殊的需求,特别表现在对耐高腐蚀介质、耐高温、耐低温、耐辐射、耐老化等的特殊要求上,部分特殊要求需要氟材料才能满足。例如,在飞机发动机和油箱油路密封方面,有时需要氟硅橡胶甚至特殊的苯撑氟硅橡胶作一些结构密封;运输车辆和装甲车辆的发动机和油箱油路密封方面,使用高氟含量的氟橡胶可以解决燃油渗漏问题;在导弹和飞船的火箭燃料系统密封方面,需要特殊的耐N2O4并且同时耐高低温的材料,这个场合只有全氟醚橡胶才能胜任。

 阻燃材料

    在飞机、火箭、潜艇等特殊场合,对电源导线和信号导线包皮都有较高的阻燃要求,目前较好的是使用聚全氟乙丙烯,该材料具有不燃性和高耐热性、高绝缘性,目前国内外已经发展到也应用于高层建筑电源线以及电脑网络信号线。

    对于工程塑料(PC/ABS、PP、PC,、ABS、HIPS)的阻燃加工,近年发现经过特殊加工的聚四氟乙烯微粉具有特殊的防止燃烧而产生的滴落的功能,并且具有无卤环保性,目前已经得到广泛的添加使用,用于提高制品的阻燃性。

三防膜材料

    对于防生化服装,橡胶材料尽管具有较好的隔离作用,但是由于不透气透湿,对于穿着人员的舒适性很差。由双向拉伸的高分子量聚四氟乙烯膜复合而成的纺织品则具有不透水透油但是可以透气透湿的作用,目前在军队装备(三防服装、战斗服装、军靴)中已经得到应用,民用方面也已广泛用于户外运动服装。这种纺织品也应用于车辆和飞机的防雨披布上,由于有透气性,可以防止内部过于湿热造成设备生锈。

    类似的膜材料还在海水淡化等水处理领域得到良好的应用。

电池膜材料

    较早开发出的燃料电池是应用于卫星和飞船上的,它的隔膜材料是复合的全氟离子交换膜。

    目前由于全球石油问题,对于用在汽车上的具有更低成本的氢燃料电池来说,全氟磺酸质子交换膜也是关键材料之一。另外,目前得到广泛应用的锂电池,其隔膜材料则是使用了改性聚偏氟乙烯,其电解液的主要成分也是含氟化合物——六氟磷酸锂;新开发的具有更高性能的电解液则采用了有机氟化物,例如三氟甲磺酰亚胺锂。

光学材料

    有一些特殊的含氟高分子材料适用于国防化工中的光学材料,例如含氟聚丙烯酸酯是一种良好的光纤外层材料,Teflon AF类型的透明氟树脂适合于做导弹红外窗口材料。α-氟代的特殊聚丙烯酸酯则是一种耐高温的有机玻璃材料,前苏联曾将其成功用于高速战斗机的前风挡上。

压电材料

    改性的聚偏氟乙烯材料是一种性能良好的压电材料,它的压电常数比石英和压电陶瓷都高,并且易成型、频响宽、耐老化性和耐潮湿、耐化学品性好,已经在海底侦测网络、水听器、声纳等方面得到应用。

国防涂料

    含氟涂料具有良好的耐腐蚀、耐老化、表面能低等特性,在国防军工上得到应用,例如含氟船底涂料可以降低阻力和防止海洋生物附着,含氟甲板涂料对于耐盐雾腐蚀具有良好效果,含氟涂料也已用作飞机蒙皮涂料;另外,氟涂料用做雷达表面涂层,可以防止雨雪附着。我国的氟涂料发展很快,已经在新型战机上得到应用。

含氟油脂

    含氟油脂主要有氟醚油、氟氯油、氟溴油等及其脂。它们主要具有比重大、粘温性好、耐氧化、耐老化、耐辐射等特性,能满足化学工业、电子/半导体工业、汽车制造工业、氧气工业等领域中的特殊工况下的应用,在国防军工中能够满足航空航天工业中极为苛刻的操作条件的要求,在潜艇氧气系统、火箭导航陀螺仪上也是一种必需材料。

人造代血浆和含氟麻醉剂

    部分氟碳化合物如全氟萘等,具有良好的携氧性,同时又是生物惰性,所以被开发为人造代血浆,用于特殊场合下的临时供血。我国20世纪70年代即已开发成功并有实际应用。

    目前广泛得到临床应用的吸入式全身麻醉剂都是含氟麻醉剂,主要品种有恩氟烷、异氟烷、七氟烷、地氟烷等,它们毒副作用小、麻醉起效快、苏醒时间短,对于战场小型手术具有特别的优势。

化学武器

    作为本文的最后一个含氟化合物的例子,化学武器是一个特殊份子。二战期间,德国发现了含氟的膦酸酯类化合物具有极强的毒性,研发了第一种该类神经毒气沙林;此后发现毒性更大的此类毒气梭曼(吸入毒性是沙林的2~4倍,皮肤毒性是沙林的5~10倍。中毒作用快且无特效解药。前苏联有装备。)、VX(毒性更强,是典型的持久性毒剂,杀伤作用持续时问长。是美国的化学战剂装备重点。)

    以上对国防军工中的含氟化学品做了一个简要的概述,总体上看,含氟化学品的开发和应用一直保持着与国防军工的紧密联系,应国防军工的需求而发展。我国的氟化学品的发展道路也是完全一样,老一代的氟化学家忘我工作,对我国两弹一星工程的顺利开展提供了有力保障,早期为军工开发和服务的氟化工产品逐步推广民用,得到了很大的发展壮大。

    目前,我国的氟化工正走在一个新的关键点上,我们的部分初级氟化工产品已经在国际市场上占有相当大的比例,但是附加值很低,部分高技术产仍然依赖进口,并且部分高科技产品的进口也受到西方国家的限制,需要提升我国氟化工的技术含量,满足国内工业进步的需求,满足国防军工提出的新需要,同时对外出口产品提高价值。