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  1. 科學探秘“黑色黃金”碳纖維
    來源:澎湃新聞      發布時間:2020/12/21

    2020年12月16日   來源:澎湃新聞

    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明并獲得專利。它是一種纖維狀碳材料,呈黑色,質堅硬,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,又能像銅那樣導電,具有電學、熱學和力學等綜合優異性能的新型材料,因其制造技術難度大、實用價值高,被業界譽為“黑色黃金”。

    碳纖維“外柔內剛”,不僅具有碳材料的本質特性,又兼備紡織纖維的柔軟和可加工性,是新一代高性能增強纖維。比頭發絲還細幾倍的碳纖維與樹脂、碳、陶瓷、金屬等基體,經過特殊復合成型工藝制造,即可獲得性能優異的碳纖維復合材料,能夠廣泛應用于航空、航天、能源、交通、軍用裝備等眾多領域,是國防軍工和民用生產生活的重要材料。

    難上難!制造工藝復雜精細

    20 世紀50年代,為了解決導彈噴管和彈頭耐高溫、耐腐蝕等關鍵技術難題,美國率先研制出粘膠基碳纖維。1959年,日本近藤昭男發明了聚丙烯腈基碳纖維。由于碳纖維在軍事領域凸顯出提升武器裝備性能的優異表現,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、高模性兼備等一系列關鍵技術難題,使所研制的碳纖維復合材料獨具優異的抗疲勞性能和環境適應能力,其整體水平一路領先。

    碳纖維看似簡單,但其制造工藝十分復雜,是一項集多學科、精細化、高尖端技術于一體的系統工程,涉及化工、紡織、材料、精密機械等多學科領域,整個流程包含溫濕度、濃度、粘度、流量等上千個參數高精度控制,稍有不慎就會嚴重影響碳纖維性能和質量穩定性,所以遠非一般工藝技術所能媲美。

    隨著當今碳纖維及復合材料廣泛應用,規?;a成為其產業化發展的重大瓶頸。每個量級的生產雖原理相同,但對各種工藝參數精確控制難度卻有極大不同,十噸級、百噸級的生產線,不能簡單復制到千噸級,例如聚合反應產生大量的熱,使得溫度均勻性恒定性極難控制。正因如此,目前只有極少數國家能夠穩定生產出高性能碳纖維,且核心技術長期主要掌控在日本和美國企業巨頭手中。

    強中強!國防裝備脫胎換骨

    據外媒報道,傲視群雄的F-35戰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35%的碳纖維復合材料才大幅降低了機體重量。所以從某種意義上說,是碳纖維復合材料成就了F-35戰機。

    如今,碳纖維復合材料事關國家安全利益

    外軍認為,現代信息化戰爭既是高技術裝備之戰,更是高性能材料之戰。

    現代武器裝備發展,隱身化、低能耗、高機動性、大載荷等趨勢凸顯,對碳纖維及復合材料性能要求越來越高。因此研制更高強度、更高模量的碳纖維和與之相匹配的高性能作戰系統,已成為軍事強國比拼尖端實力的重頭戲。目前,發達國家正在碳纖維、先進樹脂和制造技術三個方向上重點突進。

    目前,碳纖維拉伸強度與模量在理論上和實驗室中,存在著巨大的提升潛力和空間,因而激戰正酣。

    在樹脂研究領域,重點發展高韌熱固性樹脂,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。

    現代先進的自動化制造技術,可實現構件三維模型到制造一體化集成,適于制造大尺寸和復雜結構件,可有效提高裝備質量可靠性和降低成本,從而促進國防軍工更好發展。

    近年來,為適應我國國防建設發展需要,碳纖維及其復合材料已被列為國家重點支持的項目。專家認為,著眼未來建設完整自主的高水平產業鏈,努力把事關國家安全利益的核心技術真正掌握在自己手中,乃是實現興國強軍中國夢的必由之路。

    不僅成為實現高隱身性能不可或缺的基礎性材料,更成為衡量武器裝備系統先進性能的重要標志。比如,由飛行器應用碳纖維復合材料比例更高,使得其有效載荷、續航能力和生存能力均實現了新突破。

    戰斗機一個最大特點,就是隱身性能好,而這與其大量使用碳纖維復合材料休戚相關。此外一些戰斗機和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合材料,因而擁有了高隱身、高機動、長壽命等先進作戰性能。

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

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

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