“黑色黃金”碳纖維：新材料王國耀眼之星

　　近期一些軍事和科技強國，紛紛將目光鎖定在“碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展”等相關(guān)領(lǐng)域，競相推出加快發(fā)展可再生碳纖維材料計劃，并增設(shè)創(chuàng)新研究機構(gòu)，欲重點推動工程納米技術(shù)和碳纖維等6大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域快速發(fā)展，大有群雄逐鹿之勢。

　　科學(xué)探秘　“黑色黃金”碳纖維

　　碳纖維起源可追溯至1860年，由英國人瑟夫·斯旺在制作電燈燈絲中發(fā)明并獲得專利。它是一種纖維狀碳材料，呈黑色，質(zhì)堅硬，是一種強度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫，又能像銅那樣導(dǎo)電，具有電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等綜合優(yōu)異性能的新型材料，因其制造技術(shù)難度大、實用價值高，被業(yè)界譽為“黑色黃金”。

　　碳纖維“外柔內(nèi)剛”，不僅具有碳材料的本質(zhì)特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟和可加工性，是新一代高性能增強纖維。比頭發(fā)絲還細(xì)幾倍的碳纖維與樹脂、碳、陶瓷、金屬等基體，經(jīng)過特殊復(fù)合成型工藝制造，即可獲得性能優(yōu)異的碳纖維復(fù)合材料，能夠廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、交通、軍用裝備等眾多領(lǐng)域，是國防軍工和民用生產(chǎn)生活的重要材料。

　　難上難制造工藝復(fù)雜精細(xì)

　　20世紀(jì)50年代，為了解決導(dǎo)彈噴管和彈頭耐高溫、耐腐蝕等關(guān)鍵技術(shù)難題，美國率先研制出粘膠基碳纖維。1959年，日本近藤昭男發(fā)明了聚丙烯腈基碳纖維。由于碳纖維在軍事領(lǐng)域凸顯出提升武器裝備性能的優(yōu)異表現(xiàn)，引起了軍事強國的高度重視。隨后一些國家重點投入，不斷研制出更高性能、更多品種的碳纖維。日本先后突破高強、高模性兼?zhèn)涞纫幌盗嘘P(guān)鍵技術(shù)難題，使所研制的碳纖維復(fù)合材料獨具優(yōu)異的抗疲勞性能和環(huán)境適應(yīng)能力，其整體水平一路領(lǐng)先。

　　碳纖維看似簡單，但其制造工藝十分復(fù)雜，是一項集多學(xué)科、精細(xì)化、高尖端技術(shù)于一體的系統(tǒng)工程，涉及化工、紡織、材料、精密機械等多學(xué)科領(lǐng)域，整個流程包含溫濕度、濃度、粘度、流量等上千個參數(shù)高精度控制，稍有不慎就會嚴(yán)重影響碳纖維性能和質(zhì)量穩(wěn)定性，所以遠(yuǎn)非一般工藝技術(shù)所能媲美。

　　隨著當(dāng)今碳纖維及復(fù)合材料廣泛應(yīng)用，規(guī)模化生產(chǎn)成為其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的重大瓶頸。每個量級的生產(chǎn)雖原理相同，但對各種工藝參數(shù)精確控制難度卻有極大不同，十噸級、百噸級的生產(chǎn)線，不能簡單復(fù)制到千噸級，例如聚合反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱，使得溫度均勻性恒定性極難控制。正因如此，目前只有極少數(shù)國家能夠穩(wěn)定生產(chǎn)出高性能碳纖維，且核心技術(shù)長期主要掌控在日本和美國企業(yè)巨頭手中。其中，日本的三家公司碳纖維生產(chǎn)能力就占世界四分之三，成為業(yè)界“巨無霸”。

　　強中強國防裝備脫胎換骨

　　據(jù)外媒報道，傲視群雄的F-35戰(zhàn)斗機首飛時間一推再推，其中一個很重要原因，就是超重。為破解這一難題，洛克希德·馬丁公司采取了很多辦法，最終采用多達(dá)35%的碳纖維復(fù)合材料才大幅降低了機體重量。所以從某種意義上說，是碳纖維復(fù)合材料成就了F-35戰(zhàn)機。

　　如今，碳纖維復(fù)合材料不僅成為實現(xiàn)高隱身性能不可或缺的基礎(chǔ)性材料，更成為衡量武器裝備系統(tǒng)先進(jìn)性能的重要標(biāo)志。比如，由于X-47B、全球鷹、全球觀察者、西風(fēng)等飛行器應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料比例更高，使得其有效載荷、續(xù)航能力和生存能力均實現(xiàn)了新突破。

　　現(xiàn)役F-22戰(zhàn)斗機一個最大特點，就是隱身性能好，而這與其大量使用碳纖維復(fù)合材料休戚相關(guān)。此外，F(xiàn)-117A戰(zhàn)斗機、B-2隱身轟炸機等也都采用了碳纖維吸波材料，包括瑞典“維斯比”級巡邏艦艦體用的均為全復(fù)合材料，因而擁有了高隱身、高機動、長壽命等先進(jìn)作戰(zhàn)性能。

　　航天領(lǐng)域發(fā)展更是錙銖必較。如固體火箭發(fā)動機質(zhì)量每減少1千克，射程就可增加16公里。所以，碳纖維復(fù)合材料被大量應(yīng)用于美國“愛國者”導(dǎo)彈、“三叉戟”II、德國HVM超聲速導(dǎo)彈、法國“阿里安”-2火箭、日本M-5火箭等發(fā)動機殼體，未來碳纖維更是發(fā)展小型化、高機動性、高精度、高突防能力先進(jìn)戰(zhàn)略性武器裝備的重要基礎(chǔ)。

　　新型高性能碳纖維復(fù)合材料，具有更好的穩(wěn)定性和可靠性，目前在高超聲速飛行器、國際空間站、先進(jìn)衛(wèi)星等裝備系統(tǒng)中被大量應(yīng)用。美國防部在“面向21世紀(jì)國防需求的材料研究”報告中強調(diào)，“到2020年，只有復(fù)合材料才有潛力使裝備獲得20-25%的性能提升”。