利于軍工領域發(fā)展的碳纖維特性

現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭既是高技術裝備之戰(zhàn)，也是高性能材料之戰(zhàn)。碳纖維性能優(yōu)異，外柔內剛，兼具電學、熱學和力學等綜合特性。它強度高、韌性好，可大幅提升現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng)作戰(zhàn)性能。有著低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐嚴寒、耐摩擦、耐腐蝕、導電、抗沖擊、電磁屏蔽效果好等一系列優(yōu)越的性能，是極其重要的軍事戰(zhàn)略材料。

碳纖維復合材料是一種由碳纖維與樹脂、金屬、陶瓷等基體復合而成的高性能材料，具有高強度、高模量、低密度、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能。在軍工領域，對武器裝備的性能要求極高，碳纖維復合材料因其獨特的性能優(yōu)勢，成為了現(xiàn)代軍工裝備制造的重要材料，為提升武器裝備的性能和作戰(zhàn)能力發(fā)揮了關鍵作用。

碳纖維在軍工領域中的具體應用

01飛行器領域

碳纖維具有質輕、高強度、高模量、耐腐蝕、耐高溫等特點，碳纖維及其復合材料被廣泛應用于火箭、導彈、裝甲防護等軍工領域，使軍事裝備性能不斷提高。碳纖維及其復合材料已成為現(xiàn)代國防軍工武器裝備的重要戰(zhàn)略物資。

（一）軍用飛機

目前世界先進軍機中復合材料用量占全機結構重量的20%-50%不等，主要應用復合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、機翼、中前機身等。如果復合材料占飛機總重量的50%左右，則全機絕大部分結構件由復合材料制成，如B-2隱形轟炸機。在軍用飛機應用碳纖維的優(yōu)勢毋庸置疑，以殲-20、F-35為例，減輕1千克的重量不僅可以帶來經(jīng)濟效益，同時通過減輕飛機自身的重量也可以提高飛機的機動性，讓飛機在戰(zhàn)場上獲得更明顯的優(yōu)勢。機動性越好的飛機，在戰(zhàn)場上生存的概率越高，被擊落的可能性越小。除了先進戰(zhàn)斗機以外，很多直升機的機身材料也開始大量使用碳纖維復合材料，包括飛機外殼和機翼，起到降低機身重量的作用。并且用來降低戰(zhàn)爭成本的無人機使用碳纖維的比例卻是各類飛機中最高的。像美國的全球鷹無人機碳纖維復合材料使用比例高達65%，中國的云影無人機使用比例達到60%，美國的捕食者無人機和影子無人機復合材料應用比例都超過了90%，中國的彩虹無人機復合材料應用比例也超過了80%。由此可見，在無人機上大量應用碳纖維復合材料帶來的經(jīng)濟效益更明顯，帶來的飛機性能提升也更明顯。

（二）戰(zhàn)術及戰(zhàn)略導彈

碳纖維復合材料結實而又輕便的特點，在導彈領域備受歡迎。早期主要應用于導彈的彈頭部位和固體發(fā)動機的噴管，節(jié)約重量節(jié)省成本的同時，還能增加彈體強度、增加導彈射程、提高落點精度。目前碳纖維復合材料用于制造彈體整流罩、復合支架、儀器艙、誘餌艙、發(fā)射筒等主次承力結構部件。碳/碳纖維復合材料C/CFRP也是用來制造洲際彈道導彈的鼻錐、發(fā)動機噴管和殼體的最好選材。其不僅具有優(yōu)異的熱力學性能，而且在燒蝕過程中燒蝕率低、燒蝕均勻和對稱，能夠保持良好的氣動外形，有利于減少非制導誤差。據(jù)統(tǒng)計，導彈固體火箭發(fā)動機第三級結構質量每減少1kg，可增加有效射程16km，自20世紀80年代以來，多種戰(zhàn)術導彈的固體發(fā)動機殼體等結構開始使用該材料。美國新一代空面巡航導彈 ACMI58-JASSM 為降低成本、減輕彈體重量，不僅彈翼、尾翼、進氣道采用復合材料，整個彈身全部艙段都使用了碳纖維復合材料，全彈減重了30%，成本降低50%。

（三）運載火箭

在運載火箭領域，碳纖維復合材料可用于制造固體發(fā)動機殼體結構、箭體整流罩、儀器艙、級間段、發(fā)動機噴管喉襯、衛(wèi)星支架、低溫貯箱等部件。例如，美國“中子”（Neutron）號火箭采用碳纖維復合材料結構，其載荷能力達8噸，可用于載人航天、大型衛(wèi)星星座發(fā)射和深空探測等任務?；鸺l(fā)動機殼體在工作時需承受來自內外部的壓力，以及軸壓、彎曲、扭轉及橫剪等外部載荷，因此所用的碳纖維大多為強度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高強中模碳纖維，如日本東麗T800、T1000和美國赫氏IM7等。近年我國已經(jīng)在多種型號的運載火箭，特別是上面級結構中廣泛采用復材，有效地減輕了上面級結構質量，對提高運載火箭發(fā)射有效載荷的能力具有十分明顯的效果。例如，在“開拓者-1”小型運載火箭的第四級發(fā)動機“采用了高性能碳纖維殼體;長征火箭(CZ-2C、CZ-2E、CZ-3A)的衛(wèi)星接口支架和有效載荷支架(前后端框、環(huán)框、殼段、彈簧支架、井字形梁) 采用了碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復材。

（四）衛(wèi)星和航天器

目前，衛(wèi)星的主要結構部件(太陽能電池陣、有效載荷、本體結構、桁架)都普遍采用了高性能復合材料。衛(wèi)星使用復合材料對減輕質量的作用非常明顯，一般說來，每減輕1kg衛(wèi)星質量，就可使發(fā)射質量減輕100kg，因此衛(wèi)星上應用復材較為廣泛，尤其是高模碳纖維的應用較多。1993年發(fā)射的9顆Intelsat-7衛(wèi)星中，先進復合材料已占其結構質量的50%。衛(wèi)星的減重對于提高其性能和任務能力具有重要意義。美國康維爾公司為雙元“OV - I”衛(wèi)星制作了CFRP的四根大梁結構，減重68%；美國“ATS”衛(wèi)星的地球觀測艙CFRP連接支架，長4.4米，僅重3.6公斤，可承受9頓負荷，比最好的金屬支架減重50%以上，而且高低溫度下的變形很小。我國衛(wèi)星從20世紀80年代中后期起，復合材料結構件用量迅速增加，使得衛(wèi)星結構質量不斷減輕。例如我國 2011 年發(fā)射的嫦娥二號探月衛(wèi)星，其定向天線的重要支撐部分定向天線展開臂，由哈爾濱玻璃鋼研究院研發(fā)的 CFRP 復材制成，總重量僅 500 余克，較使用鋁合金材質減輕近 300 克，但承重能力毫不遜色。

02船舶制造

復合材料質量輕、可設計性高、抗腐蝕性強，是未來追求更大有效負載、更強綜合隱身能力、更低全壽期費用艦船裝備的最佳材料選擇之一。相比于鋼和鋁合金等傳統(tǒng)造船結構材料，碳纖維復合材料具有以下優(yōu)勢：（1）易于制成流線型及其它復雜形狀；（2）耐腐蝕性能優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料；（3）能通過增強內部構件在阻尼振動下的穩(wěn)定性而減少噪音的產(chǎn)生；（4）可減少雷達反射截面達到隱身效果;非磁性，不容易被魚雷和水雷探測到；（5）能很大程度上降低艦艇的熱學特征;能根據(jù)需要改變基體和增強體來達到特定的目標。（6）可有效提高艦船的穩(wěn)定性、航速及運載能力；

應用案例：

瑞典皇家海軍“維斯比”級（VisbyClass）隱形護衛(wèi)艦是世界上第一個按照全隱形規(guī)范由碳纖維制造的戰(zhàn)艦美國“避風港”海事公司推出一種名為“梭魚”的隱身高速攔截艇，這種采用深V船形的高速艇在海上的最大航速超過40節(jié)（約合時速74千米），最大續(xù)航距離達370千米（大致相當于從天津到煙臺的海上里程），而且即使遭遇5級海況（浪高達4米）時也能正常航行。

03陸地武器裝備

（一）坦克裝甲車輛

在戰(zhàn)車領域，碳纖維復合材料同樣具有廣闊的應用前景。通過采用碳纖維復合材料制造戰(zhàn)車的車身和關鍵部件，可以顯著減輕戰(zhàn)車的重量，提高機動性和戰(zhàn)場生存能力。同時，碳纖維復合材料的耐腐蝕和耐高溫特性也有助于提升戰(zhàn)車的可靠性和耐久性。碳纖維復合材料可以用于制造坦克和裝甲車輛的裝甲板、炮塔、車身等部件。其優(yōu)異的防彈性能和抗沖擊性能可以有效提高裝甲車輛的防護能力，同時減輕車輛重量，提高機動性。碳纖維復合材料在坦克裝甲車輛上的應用始于20世紀70年代，蘇聯(lián)T-64A是最早使用復材裝甲的主戰(zhàn)坦克，現(xiàn)今由玻纖、凱芙拉、碳纖維等作為增強材料研制出的復材裝甲與同等防護級別的金屬材料裝甲相比，復材的使用可以使車體和炮塔結構的綜合性能提高30%~50%，重量減輕40%~45%。

（二）導彈發(fā)射裝置

導彈發(fā)射裝置對結構強度和精度要求較高，碳纖維復合材料可以滿足這些要求。例如，導彈發(fā)射筒、發(fā)射架等部件采用碳纖維復合材料制造，可以減輕重量，提高發(fā)射精度和可靠性。例如我國著名的東風31導彈，就使用了碳纖維復合材料的彈頭外殼，通過降低彈頭重量，來改善導彈的性能，提升導彈的射程和打擊精度。到了東風41導彈，碳纖維復合材料使用比例明顯提高，導彈外殼也換成了碳纖維復合材料，更加明顯地提高了導彈性能，射程更遠、攜帶彈頭更多、打擊精度更高。

（三）石墨炸彈

在伊拉克戰(zhàn)爭中有一種武器讓人刮目相看，那就是石墨炸彈。這種石墨炸彈，本身爆炸的威力并不大，沖擊波也不會帶來太大的危害，但是爆炸完以后會產(chǎn)生很多能導電的細絲，這些細絲能夠搭到電線上，讓電線短路，從而破壞當?shù)仉娋W(wǎng)造成電網(wǎng)癱瘓。美國在后面的多次戰(zhàn)役中均大量使用這種炸彈給敵方帶來很大的損失。這種炸彈釋放的細絲就是一種導電能力很強的碳纖維，碳纖維本身就有導電性，通過特殊改性還能加強導電能力。炸彈釋放碳纖維細絲以后，由于碳纖維密度很小，可以在空中長時間漂浮，沉降下來以后就會給電網(wǎng)帶來很大的危害。電網(wǎng)一旦受到破壞，當?shù)氐耐ㄓ崱⒄彰?、生產(chǎn)都會受到影響，而且短時間內難以恢復，甚至有可能給發(fā)電站帶來難以修復的傷害。

04防護器具

由于碳纖維增強復合材料的輕質、高強等優(yōu)異性能，在防護領域如防護服、防護頭盔等方面均有應用。碳纖維用來做防彈衣的面料，有重量輕、結構強度大、導熱性好等優(yōu)勢，子彈打到上面，不僅可以迅速分散受力，還可以快速傳導熱量，減少局部受損情況。當然，碳纖維不僅可以制作面料，碳纖維復合材料還可以用來做防彈衣的夾心材料，也就是防護板。用碳纖維復合材料制作的防護板質量輕，結構強度大，在有效防護士兵生命安全的同時，能盡量減少對士兵行動能力的影響。此外，碳纖維復合材料還可以用來制作防彈的頭盔等防護器具，作用原理跟防護板差不多。

碳纖維不僅可以制作防彈衣，還可以用來制造熱防護服裝和電磁防護服裝。碳纖維材料結合氣凝膠材料就可以制作出非常好的熱防護服，能保護戰(zhàn)士在高溫環(huán)境下作戰(zhàn)，提高戰(zhàn)士在火災中的生存能力。碳纖維本身導熱性好，有利于分散熱量，避免局部過熱，而氣凝膠又能有效隔絕熱量，及時外部大火直噴，也不會對衣服內部的人員造成傷害。至于電磁防護服裝，則是利用碳纖維良好的導電性。碳纖維本身就有不錯的導電性，能夠屏蔽電磁波，為了增強屏蔽效果，往往還會在碳纖維之外再添加一些特殊成分，能夠大幅度提升對電磁輻射的防護能力，避免電磁輻射對士兵身體的傷害。

碳纖維在軍工領域的發(fā)展趨勢

（一）低成本化

隨著碳纖維生產(chǎn)技術的不斷進步和大規(guī)模生產(chǎn)，以及復合材料制造工藝的改進，碳纖維復合材料的成本有望逐步降低，為其在軍工領域的廣泛應用創(chuàng)造條件。

（二）智能化制造
     利用人工智能、大數(shù)據(jù)等技術，實現(xiàn)碳纖維復合材料制造過程的智能化控制和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質量。

（三）多功能一體化
     開發(fā)具有多種功能的碳纖維復合材料，如兼具隱身、防彈、抗沖擊等性能，以滿足未來軍工裝備對高性能材料的需求。

（四）綠色環(huán)保
     加強碳纖維復合材料的回收和再利用技術研究，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，減少對環(huán)境的影響。

碳纖維復合材料憑借其優(yōu)異的性能在軍工領域取得了廣泛的應用，為提升武器裝備的性能和作戰(zhàn)能力發(fā)揮了重要作用。未來，我們有望看到更多高性能、低成本、多功能的碳纖維復合材料應用于軍工裝備，為國防現(xiàn)代化建設提供有力支持。

（新型材料聯(lián)盟）

聲明：本網(wǎng)站所收集的部分公開資料來源于互聯(lián)網(wǎng)，轉載的目的在于傳遞更多信息及用于網(wǎng)絡分享，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責，也不構成任何其他建議。本站部分作品是由網(wǎng)友自主投稿和發(fā)布、編輯整理上傳，對此類作品本站僅提供交流平臺，不為其版權負責。如果您發(fā)現(xiàn)網(wǎng)站上所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權問題，請第一時間告知，我們將根據(jù)您提供的證明材料確認版權并按國家標準支付稿酬或立即刪除內容，以保證您的權益！聯(lián)系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。