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碳纖維:撐起大國重器的“小材料”
時間:2019年06月14日 來源:甘肅郝氏炭纖維有限公司  作者:郝氏碳纖維 瀏覽次數:

碳纖維:撐起大國重器的“小材料”

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


令人著迷的“黑色黃金”


還記得動畫電影《超能陸戰隊》里的機器人“大白”嗎?這個感動了無數人的醫療機器人的原型,體內骨骼正是由碳纖維材料打造,這才讓外形軟綿綿的他能經受住碾壓摔打。事實上,就連此前曾經為超重問題所困擾的F-35戰斗機,最終也是靠著使用多達35%的碳纖維復合材料才得以實現飛天夢想。被譽為“黑色黃金”的碳纖維,早已在國防軍事領域得到廣泛應用,是火箭、衛星、導彈、戰斗機和艦船必不可少的基礎材料。


碳纖維的起源最早可追溯至1860年,英國人瑟夫·斯旺在制作電燈燈絲時發明了碳纖維并獲得了專利。碳纖維真正迎來研究應用“井噴”階段,還是20世紀50年代之后的事。1958年,美國研究人員首次發現了高性能碳纖維,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斗機結構件上嶄露頭角,F-15、B-1、F-16以及F-18等戰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戰斗機大量采用碳纖維復合材料外,X-47B、“全球鷹”等裝備更是借助碳纖維材料,實現了有效載荷、續航能力和生存能力的大幅度提升。


用“堅如磐石、韌如發絲”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、導電導熱性好的新一代高性能材料。人們平時接觸最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域,碳纖維的應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的3D打印,更將進一步提升加工大尺寸、復雜零部件的可靠性。


大國競爭的“新材料之王”


現代戰爭武器裝備向著低能耗、大載荷、隱身化和高機動性快速發展,對制造武器裝備的新材料技術提出了新的更高要求。回顧歷史不難發現,碳纖維材料每次取得重大研究進展,都伴隨著相關軍事需求的有力牽引。20世紀50年代,為解決導彈噴管和彈頭耐高溫、耐腐蝕等關鍵技術難題,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,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,制造技術難度大,是衡量武器裝備系統先進性能的重要標志。碳纖維材料的制造工藝十分復雜,涉及化工、紡織、材料、精密機械等領域,是一項集多學科、精細化、高尖端技術于一體的系統工程。由于整個生產過程事關濕度、濃度、粘度、流量等上千個參數的高精度控制,稍有不慎就會嚴重影響碳纖維材料的性能和質量穩定性。因此,目前只有極少數國家能穩定生產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尖端實力的“重頭戲”。目前各軍事強國紛紛將目光鎖定在“碳纖維材料”領域,競相推出研發碳纖維材料相關計劃,或將引發碳纖維材料研制的“群雄逐鹿”。美國國防部高級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研究。


“上天下海”發展前景廣闊


伴隨著相關技術的日漸成熟和武器裝備需求的不斷加大,碳纖維材料的應用也日趨完善。具備輕質、高強度、耐化學腐蝕等諸多優點的碳纖維材料,勢必全面進軍武器裝備領域,實現“上天下海”,發展前景廣闊。


在航空制造領域,碳纖維材料的應用早已不可或缺。F-35戰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,為飛行員提供了前所未有的態勢感知能力。2015年開啟全球飛行之旅的“陽光動力2號”太陽能飛機,整體結構的80%都采用了碳纖維材料做“保暖外衣”,在飛行過程中還節約出了更多的動力。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機披上了“隱身外衣”。美國B-2轟炸機的機身和F-117A戰斗機也都采用了碳纖維吸波材料。


在無人機領域,碳纖維材料更成為無可替代的“最佳外殼”。為保證承載和續航能力,無人機外殼需要結構強度大、重量輕的特殊材料。相比于此前廣泛應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,在軍用民用領域都有著廣泛的應用前景。


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用于衛星、導彈和火箭發動機。尤其是衛星在太空飛行時面臨“冰火兩重天”,熱膨脹系數幾乎可以忽略不計的碳纖維材料恰恰是衛星的“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用的“大戲”,才剛剛拉開帷幕。

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