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新材料之王碳纤维是军事强国的必争之材 

2018-01-25 16:44:24
作者:本网发布
来源:《腐蚀防护之友》

现代信息化战争既是高技术装备之战,也是高性能材料之战。碳纤维性能优异,极成为其重要的军事战略材料。

    现代信息化战争既是高技术装备之战,也是高性能材料之战。碳纤维性能优异,外柔内刚,兼具电学、热学和力学等综合特性。它强度高、韧性好,可大幅提升现代武器装备系统作战性能。有着低密度、高强度、高模量、耐高温、耐严寒、耐摩擦、耐腐蚀、导电、抗冲击、电磁屏蔽效果好等一系列优越的性能,除了在民用工业(例如汽车制造、机械配件、体育用品、高铁零件等)有广泛的使用,也是极其重要的军事战略材料。

 

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    20 世纪 50 年代初,美苏冷战,为解决武器隔热问题,美国开始研制碳纤维材料并得到应用。现在的军事领域,碳纤维主要用于制造战斗机、无人机、隐身材料、导弹隔热部件、装甲外壳、电磁屏蔽部件等。例如法国的“阵风”战斗机,它的机身、机翼、垂直安定面、升降副翼都采用了这种高性能材料,用量占到总结构材料的 24%。英国的“台风”战机,全机表面 70% 使用了碳纤维复合材料。

    国内碳纤维行业发展较晚,不过在国家政策的支持和经济发展的带动下,军工领域碳纤维材料的用量越来越多了。十三五计划中,更把碳纤维列为重点发展对象。

    随着时代发展,军事材料正在向隐身、低能耗、高机动性方向发展,对于碳纤维材料的要求也越来越高。值得庆幸的是,碳纤维的性能有巨大的提升空间和潜力,作为军事强国的必争之材,需求量还将进一步上涨。

    “黑色黄金”碳纤维碳纤维

    起源可追溯至 1860年,由英国人瑟夫 · 斯旺在制作电灯灯丝中发明并获得专利。它是一种纤维状碳材料,呈黑色,质坚硬,是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温,又能像铜那样导电,具有电学、热学和力学等综合优异性能的新型材料,因其制造技术难度大、实用价值高,被业界誉为“黑色黄金”。

    碳纤维“外柔内刚”,不仅具有碳材料的本质特性,又兼备纺织纤维的柔软和可加工性,是新一代高性能增强纤维。比头发丝还细几倍的碳纤维与树脂、碳、陶瓷、金属等基体经过特殊复合成型工艺制造,即可获得性能优异的碳纤维复合材料,能够广泛应用于航空、航天、能源、交通、军用装备等众多领域,是国防军工和民用生产生活的重要材料。

    难上难 制造工艺复杂精细

    20 世纪 50 年代,为了解决导弹喷管和弹头耐高温、耐腐蚀等关键技术难题,美国率先研制出粘胶基碳纤维。1959 年,日本近藤昭男发明了聚丙烯腈基碳纤维。由于碳纤维在军事领域凸显出提升武器装备性能的优异表现,引起了军事强国的高度重视。随后一些国家重点投入,不断研制出更高性能、更多品种的碳纤维。日本先后突破高强、高模性兼备等一系列关键技术难题,使所研制的碳纤维复合材料独具优异的抗疲劳性能和环境适应能力,其整体水平一路领先。

    碳纤维看似简单,但其制造工艺十分复杂,是一项集多学科、精细化、高尖端技术于一体的系统工程,涉及化工、纺织、材料、精密机械等多学科领域,整个流程包含温湿度、浓度、粘度、流量等上千个参数高精度控制,稍有不慎就会严重影响碳纤维性能和质量稳定性,所以远非一般工艺技术所能媲美。

    随着当今碳纤维及复合材料广泛应用,规模化生产成为其产业化发展的重大瓶颈。每个量级的生产虽原理相同,但对各种工艺参数精确控制难度却有极大不同,十吨级、百吨级的生产线,不能简单复制到千吨级,例如聚合反应产生大量的热,使得温度均匀性恒定性极难控制。正因如此,目前只有极少数国家能够稳定生产出高性能碳纤维,且核心技术长期主要掌控在日本和美国企业巨头手中。其中,日本的三家公司碳纤维生产能力就占世界四分之三,成为业界“巨无霸”。

    强中强 国防装备脱胎换骨

    据外媒报道,傲视群雄的 F-35 战斗机首飞时间一推再推,其中一个很重要原因,就是超重。为破解这一难题,洛克希德 ? 马丁公司采取了很多办法,最终采用多达 35% 的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。所以从某种意义上说,是碳纤维复合材料成就了 F-35战机。

    如今,碳纤维复合材料不仅成为实现高隐身性能不可或缺的基础性材料,更成为衡量武器装备系统先进性能的重要标志。比如,由于 X-47B、全球鹰、全球观察者、西风等飞行器应用碳纤维复合材料比例更高,使得其有效载荷、续航能力和生存能力均实现了新突破。

    现役 F-22 战斗机一个最大特点,就是隐身性能好,而这与其大量使用碳纤维复合材料休戚相关。此外,F-117A战斗机、B-2 隐身轰炸机等也都采用了碳纤维吸波材料,包括瑞典“维斯比”级巡逻舰舰体用的均为全复合材料,因而拥有了高隐身、高机动、长寿命等先进作战性能。

    航天领域发展更是锱铢必较。如固体火箭发动机质量每减少 1 千克,射程就可增加 16 公里。所以,碳纤维复合材料被大量应用于美国“爱国者”导弹、“三叉戟”II、德国 HVM 超声速导弹、法国“阿里安”-2 火箭、日本 M-5 火箭等发动机壳体,未来碳纤维更是发展小型化、高机动性、高精度、高突防能力先进战略性武器装备的重要基础。

    新型高性能碳纤维复合材料,具有更好的稳定性和可靠性,目前在高超声速飞行器、国际空间站、先进卫星等装备系统中被大量应用。美国防部在“面向 21 世纪国防需求的材料研究”报告中强调,“到 2020 年,只有复合材料才有潜力使装备获得 20-25% 的性能提升”。

    优中优 事关国家安全利益

    外军认为,现代信息化战争既是高技术装备之战,更是高性能材料之战。

    现代武器装备发展,隐身化、低能耗、高机动性、大载荷等趋势凸显,对碳纤维及复合材料性能要求越来越高。因此研制更高强度、更高模量的碳纤维和与之相匹配的高性能作战系统,已成为军事强国比拼尖端实力的重头戏。目前,发达国家正在碳纤维、先进树脂和制造技术三个方向上重点突进。

    目前,碳纤维拉伸强度与模量在理论上和实验室中,存在着巨大的提升潜力和空间,因而激战正酣。

    在树脂研究领域,重点发展高韧热固性树脂,能够提高武器装备部件的长效温度,并改善韧性、工艺性和耐湿热性能。而开发热塑性树脂,可显著提高武器装备抗冲击韧性和耐疲劳损伤性能。

    现代先进的自动化制造技术,可实现构件三维模型到制造一体化集成,适于制造大尺寸和复杂结构件,可有效提高装备质量可靠性和降低成本,从而促进国防军工更好发展。

    近年来,为适应我国国防建设发展需要,碳纤维及其复合材料已被列为国家重点支持的项目。专家认为,着眼未来建设完整自主的高水平产业链,努力把事关国家安全利益的核心技术真正掌握在自己手中,乃是实现兴国强军中国梦的必由之路。

 

资料来源:网络

 

标签: 新材料, 碳纤维, 军事装备

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