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(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、實用價值高，被業(yè)界譽為“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。
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)，引起了軍事強國的高度重視。
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。每個量級的生產(chǎn)雖原理相同，但對各種工藝參數(shù)精確控制難度卻有極大不同，十噸級、百噸級的生產(chǎn)線，不能簡單復(fù)制到千噸級，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。
據(jù)外媒報道，傲視群雄的F-35戰(zhàn)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(dá)35%的碳纖維復(fù)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(fù)合材料成就了F-35戰(zhàn)機。
如今，碳纖維復(fù)合材料事關(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、高機動性、大載荷等趨勢凸顯，對碳纖維及復(fù)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(zhàn)系統(tǒng)，已成為軍事強國比拼尖端實力的重頭戲。目前，發(fā)達(dá)國家正在碳纖維、先進樹脂和制造技術(shù)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(zhàn)正酣。
在樹脂研究領(lǐng)域，重點發(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)代先進的自動化制造技術(shù)，可實現(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支持的項目。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，乃是實現(xiàn)興國強軍中國夢的必由之路。
戰(zhàn)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(fù)合材料休戚相關(guān)。此外一些戰(zhàn)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(fù)合材料，因而擁有了高隱身、高機動、長壽命等先進作戰(zhàn)性能。
航天領(lǐng)域發(fā)展更是錙銖必較。如固體火箭發(fā)動機質(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)動機殼體，未來碳纖維更是發(fā)展小型化、高機動性、高精度、高突防能力先進戰(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”報告中強調(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”。
文章來源：復(fù)合材料體驗館
原標(biāo)題：《【復(fù)材資訊】科學(xué)探秘“黑色黃金”碳纖維》
