碳纖維復合材料在軍工領域難以被替代的原因
2024-07-30 16:16:58
作者：材料PLUS 來源：材料PLUS
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碳纖維復合材料主要應用領域之一就是軍工領域，它在軍工領域有很多難以替代的作用，不知道大家知不知道。對于飛行器來說，同樣是減輕1千克重量，飛行速度越快的飛行器取得的經濟效益越高。比如我們曾經介紹過，衛星每減少千克重量，能節約幾萬塊錢的發射成本。當然有一些衛星本身就是軍事衛星，通過使用碳纖維復合材料能節約成本。但是大家更關注的還是軍用飛機和導彈。就拿軍用飛機來說，達到超音速的飛機，比如殲-20、F-35這樣的飛機，減輕1千克的重量不僅可以帶來幾千塊錢的經濟效益，同時通過減輕飛機自身的重量也可以提高飛機的機動性，讓飛機在戰場上獲得更明顯的優勢，這可比普通的經濟效益要劃算多了。要知道，機動性越好的飛機，在戰場上生存的概率越高，被擊落的可能性越小，節省一架超音速戰斗機的經濟效益，可就不僅僅是幾千塊錢了吧。
所以，世界各大軍事強國都在不遺余力地發展碳纖維復合材料先進戰斗機上的應用。從一開始的只在不重要的部位使用碳纖維復合材料，后來不斷拓展，碳纖維復合材料在軍用飛機上的占比越來越高。美國最先進的戰斗機F-35使用了大概35%的碳纖維復合材料，歐洲的臺風戰斗機復合材料占比更是超過了40%。另外，美國曾經最先進的轟炸機B-2，碳纖維復合材料的使用比例已經接近50%了。中國的殲10、殲11等上一代戰斗機，碳纖維復合材料使用量并不算高，只有12%左右。到了四代戰機殲-20，碳纖維復合材料使用量已經達到了27%，雖然比不上美國的F-35，但比美國的F-22碳纖維復合材料使用率還要高一些。通過碳纖維復合材料的使用，殲-20機身重量相對于使用鋁合金材料來說，降低了9%左右。省出來的重量對于提升飛機的機動性是非常有幫助的，與此同時飛機的續航能力也能得到明顯的提升。碳纖維復合材料應用到戰斗機上，除了可以明顯減輕機身重量以外，還有一些其他好處：（一）碳纖維的結構強度很高，能夠讓飛機機身在保證輕便的同時還能更加結實，碳纖維復合材料制作飛機機身已經經過充分驗證了。不僅先進的大飛機大范圍使用碳纖維復合材料，戰斗機同樣可以大范圍使用碳纖維復合材料，像剛提到的臺風戰斗機，機身表面已經有70%的面積使用碳纖維復合材料了。（二）碳纖維復合材料抗腐蝕能力比較強。戰斗機經常需要在空氣鹽分含量比較高的沿海地區活動，普通的金屬材料很容易被腐蝕，飛機的保養成本非常高。但如果換用碳纖維復合材料的話，材料本身就不容易腐蝕，也不受空氣中鹽分的影響，飛機不容易腐蝕，從而降低維護保養的費用。（三）通過碳纖維改性或者添加一些特殊物質，碳纖維復合材料還可以起到隱身的作用。通過特殊處理的碳纖維復合材料，可以吸收雷達波，減少雷達波的反射，從而減少被雷達探測到的機會，也就可以起到隱身的作用。（四）除了這些先進戰斗機以外，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。最有意思的是，雖然碳纖維復合材料被認為是非常昂貴的材料，往往應用到非常高端的領域，但是用來降低戰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。前面提到戰斗機和民航飛機碳纖維復合材料使用比例達到50%就算很高了。但是無人機的使用比例要遠遠高于這個標準。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%，都能超過各類戰斗機。看起來已經不少了，但這兩款無人機應用比例還是偏低的。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濟效益更明顯，帶來的飛機性能提升也更明顯。除了軍用飛機和軍用衛星上大量使用碳纖維復合材料以外，軍用導彈上應用碳纖維復合材料的范圍也是非常廣泛的。碳纖維復合材料結實而又輕便的特點，在導彈領域也是非常受歡迎的。早期主要應用于導彈的彈頭部位和固體發動機的噴管，節約重量節省成本的同時，還能增加彈體強度、增加導彈射程、提高落點精度。世界各大軍事強國都在不遺余力地想辦法把碳纖維復合材料應用到導彈上。除了彈頭和噴管以外，火箭外殼、火箭發射筒等等都開始使用碳纖維復合材料。中國著名的東風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。除了路基導彈以外，潛艇發射的潛射導彈和飛機發射的導彈對彈體重量更加敏感，應用碳纖維復合材料的比例更高。尤其是飛機發射的空空導彈和空地導彈，通過自身減重，增加飛機的彈載量，降低飛機的負擔，提高導彈的射程和打擊精度。所以機載導彈應用碳纖維復合材料是更加必要的選擇。除了飛機和導彈會用到碳纖維復合材料以外，以后會有越來越多的軍事裝備應用碳纖維復合材料，以充分發揮其結實而又輕便的特點。除此以外，還有兩個比較重要軍事應用值得說一說。在伊拉克戰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，從而破壞當地電網造成電網癱瘓。美國在后面的多次戰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帶來很大的危害。電網一旦受到破壞，當地的通訊、照明、生產都會受到影響，而且短時間內難以恢復，甚至有可能給發電站帶來難以修復的傷害。碳纖維在軍事領域還有一個很重要的應用，那就是生產特殊的防護服。首先是防彈衣，雖然目前主流的防彈衣并不是用碳纖維材料來制造的，但不排除未來批量生產碳纖維材料的防彈衣。因為隨著碳纖維材料生產成本的不斷下降，其優異的性能優勢越來越有吸引力，已經有越來越多的新型防彈衣研發開始采用特種碳纖維材料了。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，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。既然碳纖維復合材料可以用來制作飛機上的骨架結構，自然說明這種材料結構強度已經夠大，用來制作防彈衣的防護板自然也是沒有問題的。關鍵是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，能保護戰士在高溫環境下作戰，提高戰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，即使外部大火直噴，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。
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