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?；仡櫄v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)計劃，或?qū)⒁l(fā)碳纖維材料研制的“群雄逐鹿”。美國國防部高級研究計劃局此前就曾投入巨資用于改善碳纖維材料強(qiáng)度項目研究，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)點的碳纖維材料，勢必全面進(jìn)軍武器裝備領(lǐng)域，實現(xiàn)“上天下?！保l(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）
