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令人著迷的“黑色黃金” 碳纖維：撐起大國重器的“小材料”

發(fā)布日期：2018-8-21 來源:解放軍報

日前，美國國家航空航天局與美國空軍研究實驗室聯(lián)合研制出3D打印耐高溫聚合物的新技術(shù)，未來有望應(yīng)用于航空航天發(fā)動機，該技術(shù)使用的材料正是碳纖維�，F(xiàn)代戰(zhàn)爭武器裝備向著低能耗、大載荷、隱身化和高機動性快速發(fā)展，對制造武器的材料也提出了更高要求。被譽為“黑色黃金”的碳纖維復(fù)合材料，因其優(yōu)異的材料特性而被廣泛應(yīng)用于國防軍工等領(lǐng)域。借助碳纖維材料打造性能更優(yōu)的武器裝備，早已成為各軍事強國比拼較量的新戰(zhàn)場。

令人著迷的“黑色黃金”

還記得動畫電影《超能陸戰(zhàn)隊》里的機器人“大白”嗎？這個感動了無數(shù)人的醫(yī)療機器人的原型，體內(nèi)骨骼正是由碳纖維材料打造，這才讓外形軟綿綿的他能經(jīng)受住碾壓摔打。事實上，就連此前曾經(jīng)為超重問題所困擾的F-35戰(zhàn)斗機，*終也是靠著使用多達35%的碳纖維復(fù)合材料才得以實現(xiàn)飛天夢想。被譽為“黑色黃金”的碳纖維，早已在國防軍事領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，是火箭、衛(wèi)星、導(dǎo)彈、戰(zhàn)斗機和艦船必不可少的基礎(chǔ)材料。

碳纖維的起源*早可追溯至1860年，英國人瑟夫·斯旺在制作電燈燈絲時發(fā)明了碳纖維并獲得了專利。碳纖維真正迎來研究應(yīng)用“井噴”階段，還是20世紀50年代之后的事。1958年，美國研究人員*發(fā)現(xiàn)了高性能碳纖維，日本和英國研究人員緊隨其后，對碳纖維的性能進行改進升級。到20世紀70年代，碳纖維材料開始在戰(zhàn)斗機結(jié)構(gòu)件上嶄露頭角，F-15、B-1、F-16以及F-18等戰(zhàn)斗機上都能看到碳纖維材料的身影。除美國空軍的F-22和F-35戰(zhàn)斗機大量采用碳纖維復(fù)合材料外，X-47B、“全球鷹”等裝備更是借助碳纖維材料，實現(xiàn)了有效載荷、續(xù)航能力和生存能力的大幅度提升。

用“堅如磐石、韌如發(fā)絲”來形容碳纖維材料毫不為過。別看碳纖維材料像紡織纖維一樣柔軟可加工，卻是一種強度比鋼大，且耐腐蝕、耐高溫、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好的新一代高性能材料。人們平時接觸*多的碳纖維材料自行車，就是借助了碳纖維材料沒有塑性形變的特性，不但減輕了車身重量，更大大提升了自行車的使用壽命。

目前，碳纖維復(fù)合材料的特性還存在著巨大的提升空間。在碳纖維材料重點研究的樹脂領(lǐng)域，碳纖維的應(yīng)用將進一步提升武器裝備各部件的使用壽命，并將顯著改善武器裝備抗沖擊韌性、耐疲勞損傷性、工藝性和耐濕熱性。美國國家航空航天局和美國空軍研究實驗室實現(xiàn)的3D打印，更將進一步提升加工大尺寸、復(fù)雜零部件的可靠性。

大國競爭的“新材料之王”

現(xiàn)代戰(zhàn)爭武器裝備向著低能耗、大載荷、隱身化和高機動性快速發(fā)展，對制造武器裝備的新材料技術(shù)提出了新的更高要求�；仡櫄v史不難發(fā)現(xiàn)，碳纖維材料每次取得重大研究進展，都伴隨著相關(guān)軍事需求的有力牽引。20世紀50年代，為解決導(dǎo)彈噴管和彈頭耐高溫、耐腐蝕等關(guān)鍵技術(shù)難題，美國率先研制出了粘膠基碳纖維。此后，伴隨著更高性能、更多品種碳纖維材料的出現(xiàn)，看似柔軟的纖維也成了大國競爭的“新材料之王”。

碳纖維是含碳量在95%以上的新型高性能纖維，制造技術(shù)難度大，是衡量武器裝備系統(tǒng)先進性能的重要標志。碳纖維材料的制造工藝十分復(fù)雜，涉及化工、紡織、材料、精密機械等領(lǐng)域，是一項集多學(xué)科、精細化、高*技術(shù)于一體的系統(tǒng)工程。由于整個生產(chǎn)過程事關(guān)濕度、濃度、粘度、流量等上千個參數(shù)的高精度控制，稍有不慎就會嚴重影響碳纖維材料的性能和質(zhì)量穩(wěn)定性。因此，目前只有極少數(shù)國家能穩(wěn)定生產(chǎn)出高性能碳纖維材料。

事實上，碳纖維材料尤其是高強度碳纖維原絲，可用于高性能武器裝備研制，因而在一些國家的出口清單上達到了與核武器技術(shù)相提并論的禁運等級。因此，研制新一代碳纖維材料以及更高性能的武器裝備，就成了各軍事強國比拼*實力的“重頭戲”。目前各軍事強國紛紛將目光鎖定在“碳纖維材料”領(lǐng)域，競相推出研發(fā)碳纖維材料相關(guān)計劃，或?qū)⒁l(fā)碳纖維材料研制的“群雄逐鹿”。美國國防部*研究計劃局此前就曾投入巨資用于改善碳纖維材料強度項目研究，美國國家航空航天局也積極投入新型碳纖維熱防護系統(tǒng)研究。

“上天下海”發(fā)展前景廣闊

伴隨著相關(guān)技術(shù)的日漸成熟和武器裝備需求的不斷加大，碳纖維材料的應(yīng)用也日趨完善。具備輕質(zhì)、高強度、耐化學(xué)腐蝕等諸多優(yōu)點的碳纖維材料，勢必全面進軍武器裝備領(lǐng)域，實現(xiàn)“上天下�！�，發(fā)展前景廣闊。

在航空制造領(lǐng)域，碳纖維材料的應(yīng)用早已不可或缺。F-35戰(zhàn)斗機飛行頭盔主體就全部使用了高性能碳纖維材料，可將空速、航向、高度、目標信息和雷達警告等直接投射到頭盔的面罩上，為飛行員提供了*的態(tài)勢感知能力。2015年開啟全球飛行之旅的“陽光動力2號”太陽能飛機，整體結(jié)構(gòu)的80%都采用了碳纖維材料做“保暖外衣”，在飛行過程中還節(jié)約出了更多的動力。除滿足機體減重和特殊性能需求外，能有效吸收雷達波的碳纖維材料還為戰(zhàn)機披上了“隱身外衣”。美國B-2轟炸機的機身和F-117A戰(zhàn)斗機也都采用了碳纖維吸波材料。

在無人機領(lǐng)域，碳纖維材料更成為無可替代的“*佳外殼”。為保證承載和續(xù)航能力，無人機外殼需要結(jié)構(gòu)強度大、重量輕的特殊材料。相比于此前廣泛應(yīng)用的鋁合金和工程塑料，碳纖維材料重量輕、強度高，還具有較好的電磁屏蔽和隱身特性，且一體化制作成型較為方便，未來勢必成為無人機外殼的主要材料。尤其是由碳纖維制成、僅重106毫克的微型無人機，能進入遭受擠壓的狹小空間搜尋信息，在軍用民用領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

碳纖維材料不僅能上天，還能下海。美國“福特”號航空母艦就大量使用碳纖維材料來“瘦身”，瑞典皇家海軍“維斯比”級隱形護衛(wèi)艦采用碳纖維材料，不但具有很高的強度和耐用性，還具有優(yōu)良的抗沖擊性能。印度海軍在制造“吉爾坦號”和“卡瓦拉蒂號”護衛(wèi)艦時，也曾專門從瑞典進口碳纖維材料。

此外，碳纖維材料也被大量應(yīng)用于衛(wèi)星、導(dǎo)彈和火箭發(fā)動機。尤其是衛(wèi)星在太空飛行時面臨“冰火兩重天”，熱膨脹系數(shù)幾乎可以忽略不計的碳纖維材料恰恰是衛(wèi)星的“拯救者”。研究人員甚至推出了一款碳纖維槍管，可大幅改善槍械的射擊精度、耐用性和槍管壽命。一場屬于碳纖維軍事應(yīng)用的“大戲”，才剛剛拉開帷幕。

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