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碳纖維:這個“小材料”為何能撐起大國重器

來源:中國軍網(wǎng)綜合作者:許妍敏 玥凡責(zé)任編輯:楊帆
2018-08-17 03:17

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(jī)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。回顧歷史不難發(fā)現(xiàn),碳纖維材料每次取得重大研究進(jìn)展,都伴隨著相關(guān)軍事需求的有力牽引。20世紀(jì)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(jìn)性能的重要標(biāo)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(jī)械等領(lǐng)域,是一項(xiàng)集多學(xué)科、精細(xì)化、高尖端技術(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(yán)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(shí)上,碳纖維材料尤其是高強(qiáng)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(dá)到了與核武器技術(shù)相提并論的禁運(yùn)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(qiáng)國比拼尖端實(shí)力的“重頭戲”。目前各軍事強(qiáng)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(jì)劃,或?qū)⒁l(fā)碳纖維材料研制的“群雄逐鹿”。美國國防部高級研究計(jì)劃局此前就曾投入巨資用于改善碳纖維材料強(qiáng)度項(xiàng)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(hù)系統(tǒng)研究。

“上天下?!卑l(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(qiáng)度、耐化學(xué)腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)的碳纖維材料,勢必全面進(jìn)軍武器裝備領(lǐng)域,實(shí)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(jī)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(biāo)信息和雷達(dá)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(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(jī),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(jī)體減重和特殊性能需求外,能有效吸收雷達(dá)波的碳纖維材料還為戰(zhàn)機(jī)披上了“隱身外衣”。美國B-2轟炸機(jī)的機(jī)身和F-117A戰(zhàn)斗機(jī)也都采用了碳纖維吸波材料。

在無人機(jī)領(lǐng)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(xù)航能力,無人機(jī)外殼需要結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī),能進(jìn)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(hù)衛(wèi)艦采用碳纖維材料,不但具有很高的強(qiáng)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(hù)衛(wèi)艦時,也曾專門從瑞典進(jìn)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(jī)。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(jì)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。

(制圖:陳晨)

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