現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭既是高技術(shù)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(nèi)剛，兼具電學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)等綜合特性。它強(qiáng)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(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐嚴(yán)寒、耐摩擦、耐腐蝕、導(dǎo)電、抗沖擊、電磁屏蔽效果好等一系列優(yōu)越的性能，除了在民用工業(yè)（例如汽車制造、機(jī)械配件、體育用品、高鐵零件等）有廣泛的使用，也是極其重要的軍事戰(zhàn)略材料。

    20 世紀(jì) 50 年代初，美蘇冷戰(zhàn)，為解決武器隔熱問題，美國開始研制碳纖維材料并得到應(yīng)用。現(xiàn)在的軍事領(lǐng)域，碳纖維主要用于制造戰(zhàn)斗機(jī)、無人機(jī)、隱身材料、導(dǎo)彈隔熱部件、裝甲外殼、電磁屏蔽部件等。例如法國的“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)，它的機(jī)身、機(jī)翼、垂直安定面、升降副翼都采用了這種高性能材料，用量占到總結(jié)構(gòu)材料的 24%。英國的“臺(tái)風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)，全機(jī)表面 70% 使用了碳纖維復(fù)合材料。

    國內(nèi)碳纖維行業(yè)發(fā)展較晚，不過在國家政策的支持和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的帶動(dòng)下，軍工領(lǐng)域碳纖維材料的用量越來越多了。十三五計(jì)劃中，更把碳纖維列為重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。

    隨著時(shí)代發(fā)展，軍事材料正在向隱身、低能耗、高機(jī)動(dòng)性方向發(fā)展，對(duì)于碳纖維材料的要求也越來越高。值得慶幸的是，碳纖維的性能有巨大的提升空間和潛力，作為軍事強(qiáng)國的必爭之材，需求量還將進(jìn)一步上漲。

    “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(jiān)硬，是一種強(qiáng)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(shí)用價(jià)值高，被業(yè)界譽(yù)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(qiáng)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(qiáng)國的高度重視。隨后一些國家重點(diǎn)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(qiáng)、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(dú)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(xiàng)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(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域，整個(gè)流程包含溫濕度、濃度、粘度、流量等上千個(gè)參數(shù)高精度控制，稍有不慎就會(huì)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(gè)量級(jí)的生產(chǎn)雖原理相同，但對(duì)各種工藝參數(shù)精確控制難度卻有極大不同，十噸級(jí)、百噸級(jí)的生產(chǎn)線，不能簡單復(fù)制到千噸級(jí)，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(qiáng)中強(qiáng) 國防裝備脫胎換骨

    據(jù)外媒報(bào)道，傲視群雄的 F-35 戰(zhàn)斗機(jī)首飛時(shí)間一推再推，其中一個(gè)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(jī)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(jī)。

    如今，碳纖維復(fù)合材料不僅成為實(shí)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(shí)現(xiàn)了新突破。

    現(xiàn)役 F-22 戰(zhàn)斗機(jī)一個(gè)最大特點(diǎn)，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(jī)、B-2 隱身轟炸機(jī)等也都采用了碳纖維吸波材料，包括瑞典“維斯比”級(jí)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(jī)動(dòng)、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(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)殼體，未來碳纖維更是發(fā)展小型化、高機(jī)動(dòng)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(bào)告中強(qiáng)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”。

    優(yōu)中優(yōu) 事關(guān)國家安全利益

    外軍認(rèn)為，現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭既是高技術(shù)裝備之戰(zhàn)，更是高性能材料之戰(zhàn)。

    現(xiàn)代武器裝備發(fā)展，隱身化、低能耗、高機(jī)動(dòng)性、大載荷等趨勢凸顯，對(duì)碳纖維及復(fù)合材料性能要求越來越高。因此研制更高強(qiáng)度、更高模量的碳纖維和與之相匹配的高性能作戰(zhàn)系統(tǒng)，已成為軍事強(qiáng)國比拼尖端實(shí)力的重頭戲。目前，發(fā)達(dá)國家正在碳纖維、先進(jìn)樹脂和制造技術(shù)三個(gè)方向上重點(diǎn)突進(jìn)。

    目前，碳纖維拉伸強(qiáng)度與模量在理論上和實(shí)驗(yàn)室中，存在著巨大的提升潛力和空間，因而激戰(zhàn)正酣。

    在樹脂研究領(lǐng)域，重點(diǎn)發(fā)展高韌熱固性樹脂，能夠提高武器裝備部件的長效溫度，并改善韌性、工藝性和耐濕熱性能。而開發(fā)熱塑性樹脂，可顯著提高武器裝備抗沖擊韌性和耐疲勞損傷性能。

    現(xiàn)代先進(jìn)的自動(dòng)化制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)構(gòu)件三維模型到制造一體化集成，適于制造大尺寸和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，可有效提高裝備質(zhì)量可靠性和降低成本，從而促進(jìn)國防軍工更好發(fā)展。

    近年來，為適應(yīng)我國國防建設(shè)發(fā)展需要，碳纖維及其復(fù)合材料已被列為國家重點(diǎn)支持的項(xiàng)目。專家認(rèn)為，著眼未來建設(shè)完整自主的高水平產(chǎn)業(yè)鏈，努力把事關(guān)國家安全利益的核心技術(shù)真正掌握在自己手中，乃是實(shí)現(xiàn)興國強(qiáng)軍中國夢的必由之路。

資料來源：網(wǎng)絡(luò)