【材料课堂】厉害了！碳纤维在国防装备中原来有如此广泛的应用！

2018-06-27 13:24:00 作者：本网整理来源：中国钢研战略所分享至：

目前国际上研制出一种世界上最小的无人机，如同苍蝇般大小，主体由碳纤维制成，仅重106毫克。该机可有望用于搜索和救援行动，比如进入遭受挤压的狭小空间内，搜寻特殊环境信息等，因而显示出军民两用的发展潜能。

另据报道，近期一些军事和科技强国，纷纷将目光锁定在“碳纤维产业发展”等相关领域，竞相推出加快发展可再生碳纤维材料计划，并增设创新研究机构，欲重点推动工程纳米技术和碳纤维等6大关键技术领域快速发展，大有群雄逐鹿之势。

科学探秘“黑色黄金”碳纤维

碳纤维起源可追溯至1860年，由英国人瑟夫·斯旺在制作电灯灯丝中发明并获得专利。它是一种纤维状碳材料，呈黑色，质坚硬，是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温，又能像铜那样导电，具有电学、热学和力学等综合优异性能的新型材料，因其制造技术难度大、实用价值高，被业界誉为“黑色黄金”。

碳纤维“外柔内刚”，不仅具有碳材料的本质特性，又兼备纺织纤维的柔软和可加工性，是新一代高性能增强纤维。比头发丝还细几倍的碳纤维与树脂、碳、陶瓷、金属等基体，经过特殊复合成型工艺制造，即可获得性能优异的碳纤维复合材料，能够广泛应用于航空、航天、能源、交通、军用装备等众多领域，是国防军工和民用生产生活的重要材料。

难上难制造工艺复杂精细

20 世纪50年代，为了解决导弹喷管和弹头耐高温、耐腐蚀等关键技术难题，美国率先研制出粘胶基碳纤维。1959年，日本近藤昭男发明了聚丙烯腈基碳纤维。由于碳纤维在军事领域凸显出提升武器装备性能的优异表现，引起了军事强国的高度重视。

▲进藤方式的PAN-CF制造流程

来源：罗益峰/低成本聚丙烯腈基碳纤维的创新发展

随后一些国家重点投入，不断研制出更高性能、更多品种的碳纤维。日本先后突破高强、高模性兼备等一系列关键技术难题，使所研制的碳纤维复合材料独具优异的抗疲劳性能和环境适应能力，其整体水平一路领先。

碳纤维看似简单，但其制造工艺十分复杂，是一项集多学科、精细化、高尖端技术于一体的系统工程，涉及化工、纺织、材料、精密机械等多学科领域，整个流程包含温湿度、浓度、粘度、流量等上千个参数高精度控制，稍有不慎就会严重影响碳纤维性能和质量稳定性，所以远非一般工艺技术所能媲美。

随着当今碳纤维及复合材料广泛应用，规模化生产成为其产业化发展的重大瓶颈。每个量级的生产虽原理相同，但对各种工艺参数精确控制难度却有极大不同，十吨级、百吨级的生产线，不能简单复制到千吨级，例如聚合反应产生大量的热，使得温度均匀性恒定性极难控制。正因如此，目前只有极少数国家能够稳定生产出高性能碳纤维，且核心技术长期主要掌控在日本和美国企业巨头手中。其中，日本的三家公司碳纤维生产能力就占世界四分之三，成为业界“巨无霸”。

强中强国防装备脱胎换骨

据外媒报道，傲视群雄的F-35战斗机首飞时间一推再推，其中一个很重要原因，就是超重。为破解这一难题，洛克希德·马丁公司采取了很多办法，最终采用多达35%的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。所以从某种意义上说，是碳纤维复合材料成就了F-35战机。

▲F-35

碳纤维复合材料优中优事关国家安全利益

外军认为，现代信息化战争既是高技术装备之战，更是高性能材料之战。

现代武器装备发展，隐身化、低能耗、高机动性、大载荷等趋势凸显，对碳纤维及复合材料性能要求越来越高。因此研制更高强度、更高模量的碳纤维和与之相匹配的高性能作战系统，已成为军事强国比拼尖端实力的重头戏。目前，发达国家正在碳纤维、先进树脂和制造技术三个方向上重点突进。

目前，碳纤维拉伸强度与模量在理论上和实验室中，存在着巨大的提升潜力和空间，因而激战正酣。

在树脂研究领域，重点发展高韧热固性树脂，能够提高武器装备部件的长效温度，并改善韧性、工艺性和耐湿热性能。而开发热塑性树脂，可显着提高武器装备抗冲击韧性和耐疲劳损伤性能。

现代先进的自动化制造技术，可实现构件三维模型到制造一体化集成，适于制造大尺寸和复杂结构件，可有效提高装备质量可靠性和降低成本，从而促进国防军工更好发展。

近年来，为适应我国国防建设发展需要，碳纤维及其复合材料已被列为国家重点支持的项目。专家认为，着眼未来建设完整自主的高水平产业链，努力把事关国家安全利益的核心技术真正掌握在自己手中，乃是实现兴国强军中国梦的必由之路。

不仅成为实现高隐身性能不可或缺的基础性材料，更成为衡量武器装备系统先进性能的重要标志。比如，由于X-47B、全球鹰、全球观察者、西风等飞行器应用碳纤维复合材料比例更高，使得其有效载荷、续航能力和生存能力均实现了新突破。

现役F-22战斗机一个最大特点，就是隐身性能好，而这与其大量使用碳纤维复合材料休戚相关。此外，F-117A战斗机、B-2隐身轰炸机等也都采用了碳纤维吸波材料，包括瑞典“维斯比”级巡逻舰舰体用的均为全复合材料，因而拥有了高隐身、高机动、长寿命等先进作战性能。

▲F-22

航天领域发展更是锱铢必较。如固体火箭发动机质量每减少1千克，射程就可增加16公里。所以，碳纤维复合材料被大量应用于美国“爱国者”导弹、“三叉戟”II、德国HVM超声速导弹、法国“阿里安”-2火箭、日本M-5火箭等发动机壳体，未来碳纤维更是发展小型化、高机动性、高精度、高突防能力先进战略性武器装备的重要基础。

新型高性能碳纤维复合材料，具有更好的稳定性和可靠性，目前在高超声速飞行器、国际空间站、先进卫星等装备系统中被大量应用。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调，“到2020年，只有复合材料才有潜力使装备获得20-25%的性能提升”。

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责任编辑：王元

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