碳纤维:这个“小材料”为何能撑起大国重器碳纤维:撑起大国重器的“小材料”


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日前,美国国家航空航天局与美国空军研究实验室联合研制出3D打印耐高温聚合物的新技术,未来有望应用于航空航天发动机,该技术使用的材料正是碳纤维。现代战争武器装备向着低能耗、大载荷、隐身化和高机动性快速发展,对制造武器的材料也提出了更高要求。被誉为“黑色黄金”的碳纤维复合材料,因其优异的材料特性而被广泛应用于国防军工等领域。借助碳纤维材料打造性能更优的武器装备,早已成为各军事强国比拼较量的新战场。

  令人着迷的“黑色黄金”

  还记得动画电影《超能陆战队》里的机器人“大白”吗?这个感动了无数人的医疗机器人的原型,体内骨骼正是由碳纤维材料打造,这才让外形软绵绵的他能经受住碾压摔打。事实上,就连此前曾经为超重问题所困扰的F-35战斗机,最终也是靠着使用多达35%的碳纤维复合材料才得以实现飞天梦想。被誉为“黑色黄金”的碳纤维,早已在国防军事领域得到广泛应用,是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船必不可少的基础材料。

  碳纤维的起源最早可追溯至1860年,英国人瑟夫·斯旺在制作电灯灯丝时发明了碳纤维并获得了专利。碳纤维真正迎来研究应用“井喷”阶段,还是20世纪50年代之后的事。1958年,美国研究人员首次发现了高性能碳纤维,日本和英国研究人员紧随其后,对碳纤维的性能进行改进升级。到20世纪70年代,碳纤维材料开始在战斗机结构件上崭露头角,F-15、B-1、F-16以及F-18等战斗机上都能看到碳纤维材料的身影。除美国空军的F-22和F-35战斗机大量采用碳纤维复合材料外,X-47B、“全球鹰”等装备更是借助碳纤维材料,实现了有效载荷、续航能力和生存能力的大幅度提升。

  用“坚如磐石、韧如发丝”来形容碳纤维材料毫不为过。别看碳纤维材料像纺织纤维一样柔软可加工,却是一种强度比钢大,且耐腐蚀、耐高温、导电导热性好的新一代高性能材料。人们平时接触最多的碳纤维材料自行车,就是借助了碳纤维材料没有塑性形变的特性,不但减轻了车身重量,更大大提升了自行车的使用寿命。

  目前,碳纤维复合材料的特性还存在着巨大的提升空间。在碳纤维材料重点研究的树脂领域,碳纤维的应用将进一步提升武器装备各部件的使用寿命,并将显著改善武器装备抗冲击韧性、耐疲劳损伤性、工艺性和耐湿热性。美国国家航空航天局和美国空军研究实验室实现的3D打印,更将进一步提升加工大尺寸、复杂零部件的可靠性。

  大国竞争的“新材料之王”

  现代战争武器装备向着低能耗、大载荷、隐身化和高机动性快速发展,对制造武器装备的新材料技术提出了新的更高要求。回顾历史不难发现,碳纤维材料每次取得重大研究进展,都伴随着相关军事需求的有力牵引。20世纪50年代,为解决导弹喷管和弹头耐高温、耐腐蚀等关键技术难题,美国率先研制出了粘胶基碳纤维。此后,伴随着更高性能、更多品种碳纤维材料的出现,看似柔软的纤维也成了大国竞争的“新材料之王”。

  碳纤维是含碳量在95%以上的新型高性能纤维,制造技术难度大,是衡量武器装备系统先进性能的重要标志。碳纤维材料的制造工艺十分复杂,涉及化工、纺织、材料、精密机械等领域,是一项集多学科、精细化、高尖端技术于一体的系统工程。由于整个生产过程事关湿度、浓度、粘度、流量等上千个参数的高精度控制,稍有不慎就会严重影响碳纤维材料的性能和质量稳定性。因此,目前只有极少数国家能稳定生产出高性能碳纤维材料。

  事实上,碳纤维材料尤其是高强度碳纤维原丝,可用于高性能武器装备研制,因而在一些国家的出口清单上达到了与核武器技术相提并论的禁运等级。因此,研制新一代碳纤维材料以及更高性能的武器装备,就成了各军事强国比拼尖端实力的“重头戏”。目前各军事强国纷纷将目光锁定在“碳纤维材料”领域,竞相推出研发碳纤维材料相关计划,或将引发碳纤维材料研制的“群雄逐鹿”。美国国防部高级研究计划局此前就曾投入巨资用于改善碳纤维材料强度项目研究,美国国家航空航天局也积极投入新型碳纤维热防护系统研究。

  “上天下海”发展前景广阔

  伴随着相关技术的日渐成熟和武器装备需求的不断加大,碳纤维材料的应用也日趋完善。具备轻质、高强度、耐化学腐蚀等诸多优点的碳纤维材料,势必全面进军武器装备领域,实现“上天下海”,发展前景广阔。

  在航空制造领域,碳纤维材料的应用早已不可或缺。F-35战斗机飞行头盔主体就全部使用了高性能碳纤维材料,可将空速、航向、高度、目标信息和雷达警告等直接投射到头盔的面罩上,为飞行员提供了前所未有的态势感知能力。2015年开启全球飞行之旅的“阳光动力2号”太阳能飞机,整体结构的80%都采用了碳纤维材料做“保暖外衣”,在飞行过程中还节约出了更多的动力。除满足机体减重和特殊性能需求外,能有效吸收雷达波的碳纤维材料还为战机披上了“隐身外衣”。美国B-2轰炸机的机身和F-117A战斗机也都采用了碳纤维吸波材料。

  在无人机领域,碳纤维材料更成为无可替代的“最佳外壳”。为保证承载和续航能力,无人机外壳需要结构强度大、重量轻的特殊材料。相比于此前广泛应用的铝合金和工程塑料,碳纤维材料重量轻、强度高,还具有较好的电磁屏蔽和隐身特性,且一体化制作成型较为方便,未来势必成为无人机外壳的主要材料。尤其是由碳纤维制成、仅重106毫克的微型无人机,能进入遭受挤压的狭小空间搜寻信息,在军用民用领域都有着广泛的应用前景。

  碳纤维材料不仅能上天,还能下海。美国“福特”号航空母舰就大量使用碳纤维材料来“瘦身”,瑞典皇家海军“维斯比”级隐形护卫舰采用碳纤维材料,不但具有很高的强度和耐用性,还具有优良的抗冲击性能。印度海军在制造“吉尔坦号”和“卡瓦拉蒂号”护卫舰时,也曾专门从瑞典进口碳纤维材料。

  此外,碳纤维材料也被大量应用于卫星、导弹和火箭发动机。尤其是卫星在太空飞行时面临“冰火两重天”,热膨胀系数几乎可以忽略不计的碳纤维材料恰恰是卫星的“拯救者”。研究人员甚至推出了一款碳纤维枪管,可大幅改善枪械的射击精度、耐用性和枪管寿命。一场属于碳纤维军事应用的“大戏”,才刚刚拉开帷幕。


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