碳纤维复合材料在军工领域难以被替代的原因
2024-07-30 16:16:58
作者：材料PLUS 来源：材料PLUS
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碳纤维复合材料主要应用领域之一就是军工领域，它在军工领域有很多难以替代的作用，不知道大家知不知道。对于飞行器来说，同样是减轻1千克重量，飞行速度越快的飞行器取得的经济效益越高。比如我们曾经介绍过，卫星每减少千克重量，能节约几万块钱的发射成本。当然有一些卫星本身就是军事卫星，通过使用碳纤维复合材料能节约成本。但是大家更关注的还是军用飞机和导弹。就拿军用飞机来说，达到超音速的飞机，比如歼-20、F-35这样的飞机，减轻1千克的重量不仅可以带来几千块钱的经济效益，同时通过减轻飞机自身的重量也可以提高飞机的机动性，让飞机在战场上获得更明显的优势，这可比普通的经济效益要划算多了。要知道，机动性越好的飞机，在战场上生存的概率越高，被击落的可能性越小，节省一架超音速战斗机的经济效益，可就不仅仅是几千块钱了吧。
所以，世界各大军事强国都在不遗余力地发展碳纤维复合材料先进战斗机上的应用。从一开始的只在不重要的部位使用碳纤维复合材料，后来不断拓展，碳纤维复合材料在军用飞机上的占比越来越高。美国最先进的战斗机F-35使用了大概35%的碳纤维复合材料，欧洲的台风战斗机复合材料占比更是超过了40%。另外，美国曾经最先进的轰炸机B-2，碳纤维复合材料的使用比例已经接近50%了。中国的歼10、歼11等上一代战斗机，碳纤维复合材料使用量并不算高，只有12%左右。到了四代战机歼-20，碳纤维复合材料使用量已经达到了27%，虽然比不上美国的F-35，但比美国的F-22碳纤维复合材料使用率还要高一些。通过碳纤维复合材料的使用，歼-20机身重量相对于使用铝合金材料来说，降低了9%左右。省出来的重量对于提升飞机的机动性是非常有帮助的，与此同时飞机的续航能力也能得到明显的提升。碳纤维复合材料应用到战斗机上，除了可以明显减轻机身重量以外，还有一些其他好处：（一）碳纤维的结构强度很高，能够让飞机机身在保证轻便的同时还能更加结实，碳纤维复合材料制作飞机机身已经经过充分验证了。不仅先进的大飞机大范围使用碳纤维复合材料，战斗机同样可以大范围使用碳纤维复合材料，像刚提到的台风战斗机，机身表面已经有70%的面积使用碳纤维复合材料了。（二）碳纤维复合材料抗腐蚀能力比较强。战斗机经常需要在空气盐分含量比较高的沿海地区活动，普通的金属材料很容易被腐蚀，飞机的保养成本非常高。但如果换用碳纤维复合材料的话，材料本身就不容易腐蚀，也不受空气中盐分的影响，飞机不容易腐蚀，从而降低维护保养的费用。（三）通过碳纤维改性或者添加一些特殊物质，碳纤维复合材料还可以起到隐身的作用。通过特殊处理的碳纤维复合材料，可以吸收雷达波，减少雷达波的反射，从而减少被雷达探测到的机会，也就可以起到隐身的作用。（四）除了这些先进战斗机以外，很多直升机的机身材料也开始大量使用碳纤维复合材料，包括飞机外壳和机翼，起到降低机身重量的作用。最有意思的是，虽然碳纤维复合材料被认为是非常昂贵的材料，往往应用到非常高端的领域，但是用来降低战争成本的无人机使用碳纤维的比例却是各类飞机中最高的。前面提到战斗机和民航飞机碳纤维复合材料使用比例达到50%就算很高了。但是无人机的使用比例要远远高于这个标准。像美国的全球鹰无人机碳纤维复合材料使用比例高达65%，中国的云影无人机使用比例达到60%，都能超过各类战斗机。看起来已经不少了，但这两款无人机应用比例还是偏低的。美国的捕食者无人机和影子无人机，复合材料应用比例都超过了90%，中国的彩虹无人机复合材料应用比例也超过了80%。由此可见，在无人机上大量应用碳纤维复合材料带来的经济效益更明显，带来的飞机性能提升也更明显。除了军用飞机和军用卫星上大量使用碳纤维复合材料以外，军用导弹上应用碳纤维复合材料的范围也是非常广泛的。碳纤维复合材料结实而又轻便的特点，在导弹领域也是非常受欢迎的。早期主要应用于导弹的弹头部位和固体发动机的喷管，节约重量节省成本的同时，还能增加弹体强度、增加导弹射程、提高落点精度。世界各大军事强国都在不遗余力地想办法把碳纤维复合材料应用到导弹上。除了弹头和喷管以外，火箭外壳、火箭发射筒等等都开始使用碳纤维复合材料。中国著名的东风31导弹，就使用了碳纤维复合材料的弹头外壳，通过降低弹头重量，来改善导弹的性能，提升导弹的射程和打击精度。到了东风41导弹，碳纤维复合材料使用比例明显提高，导弹外壳也换成了碳纤维复合材料，更加明显地提高了导弹性能，射程更远、携带弹头更多、打击精度更高。除了路基导弹以外，潜艇发射的潜射导弹和飞机发射的导弹对弹体重量更加敏感，应用碳纤维复合材料的比例更高。尤其是飞机发射的空空导弹和空地导弹，通过自身减重，增加飞机的弹载量，降低飞机的负担，提高导弹的射程和打击精度。所以机载导弹应用碳纤维复合材料是更加必要的选择。除了飞机和导弹会用到碳纤维复合材料以外，以后会有越来越多的军事装备应用碳纤维复合材料，以充分发挥其结实而又轻便的特点。除此以外，还有两个比较重要军事应用值得说一说。在伊拉克战争中有一种武器让人刮目相看，那就是石墨炸弹。这种石墨炸弹，本身爆炸的威力并不大，冲击波也不会带来太大的危害，但是爆炸完以后会产生很多能导电的细丝，这些细丝能够搭到电线上，让电线短路，从而破坏当地电网造成电网瘫痪。美国在后面的多次战役中均大量使用这种炸弹给敌方带来很大的损失。这种炸弹释放的细丝就是一种导电能力很强的碳纤维，碳纤维本身就有导电性，通过特殊改性还能加强导电能力。炸弹释放碳纤维细丝以后，由于碳纤维密度很小，可以在空中长时间漂浮，沉降下来以后就会给电网带来很大的危害。电网一旦受到破坏，当地的通讯、照明、生产都会受到影响，而且短时间内难以恢复，甚至有可能给发电站带来难以修复的伤害。碳纤维在军事领域还有一个很重要的应用，那就是生产特殊的防护服。首先是防弹衣，虽然目前主流的防弹衣并不是用碳纤维材料来制造的，但不排除未来批量生产碳纤维材料的防弹衣。因为随着碳纤维材料生产成本的不断下降，其优异的性能优势越来越有吸引力，已经有越来越多的新型防弹衣研发开始采用特种碳纤维材料了。碳纤维用来做防弹衣的面料，有重量轻、结构强度大、导热性好，子弹打到上面，不仅可以迅速分散受力，还可以快速传导热量，减少局部受损情况。当然，碳纤维不仅可以制作面料，碳纤维复合材料还可以用来做防弹衣的夹心材料，也就是防护板。既然碳纤维复合材料可以用来制作飞机上的骨架结构，自然说明这种材料结构强度已经够大，用来制作防弹衣的防护板自然也是没有问题的。关键是用碳纤维复合材料制作的防护板质量轻，结构强度大，在有效防护士兵生命安全的同时，能尽量减少对士兵行动能力的影响。此外，碳纤维复合材料还可以用来制作防弹的头盔等防护器具，作用原理跟防护板差不多。碳纤维不仅可以制作防弹衣，还可以用来制造热防护服装和电磁防护服装。碳纤维材料结合气凝胶材料就可以制作出非常好的热防护服，能保护战士在高温环境下作战，提高战士在火灾中的生存能力。碳纤维本身导热性好，有利于分散热量，避免局部过热，而气凝胶又能有效隔绝热量，即使外部大火直喷，也不会对衣服内部的人员造成伤害。至于电磁防护服装，则是利用碳纤维良好的导电性。碳纤维本身就有不错的导电性，能够屏蔽电磁波，为了增强屏蔽效果，往往还会在碳纤维之外再添加一些特殊成分，能够大幅度提升对电磁辐射的防护能力，避免电磁辐射对士兵身体的伤害。
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