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碳纤维当属大国竞争的新材料之王
发布日期:2020-01-17  来源:挪恩复材  浏览次数:1279
 
  近期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。
 

 
  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。
 

 
  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”。
 
  国内的碳纤维发展相对较晚,与国外存在一定的技术差距,不过随着国内碳纤维市场的不断扩大和完善,国内与国外的碳纤维技术差距也在不断缩小。
 
  

 
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