2024年8月13日，東麗復(fù)合材料美國公司（Toray Composite Materials America, Inc.）宣布，該公司Torayca T1100碳纖維生產(chǎn)線已在美國阿拉巴馬州迪凱特工廠投入使用，該生產(chǎn)線將全面支撐美陸軍“未來遠(yuǎn)程攻擊機(jī)”（FLRAA）項(xiàng)目關(guān)鍵零部件研發(fā)與制造。FLRAA也成為目前公開報(bào)道中首個(gè)確定選用東麗T1100碳纖維的軍用航空項(xiàng)目。
隨著科技的不斷進(jìn)步，新材料的研發(fā)和應(yīng)用在軍工領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。碳纖維復(fù)合材料以其卓越的性能，成為軍工領(lǐng)域備受矚目的材料之一。它具有高強(qiáng)度、高模量、低密度、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點(diǎn)，在提高武器裝備性能、降低成本、增強(qiáng)作戰(zhàn)效能等方面具有不可替代的作用。本文將詳細(xì)介紹碳纖維復(fù)合材料在陸上軍工領(lǐng)域的主要應(yīng)用。
一、碳纖維復(fù)合材料的特性及應(yīng)用
高強(qiáng)度和高模量
碳纖維復(fù)合材料的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)金屬材料，如鋼、鋁等。這使得它能夠在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，大幅度減輕裝備的重量。例如，美國的 F-22 戰(zhàn)斗機(jī)在部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上采用了碳纖維復(fù)合材料，在保證機(jī)身強(qiáng)度的同時(shí)，有效降低了整機(jī)重量，提高了飛行性能和機(jī)動(dòng)性。
低密度
碳纖維復(fù)合材料的密度僅為鋼的四分之一左右，鋁的二分之一左右。這使得它在減輕重量方面具有巨大的優(yōu)勢，特別是對于需要高度機(jī)動(dòng)性和遠(yuǎn)程作戰(zhàn)能力的武器裝備。以歐洲的 A400M 軍用運(yùn)輸機(jī)為例，其大量采用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)身結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)，大大減輕了飛機(jī)的自重，增加了有效載荷和航程。
耐腐蝕
碳纖維復(fù)合材料具有良好的耐腐蝕性能，能夠在惡劣的環(huán)境下長期使用。對于經(jīng)常在海洋、沙漠等環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的武器裝備來說，耐腐蝕性能尤為重要。比如，美國海軍的部分艦艇在一些關(guān)鍵部位采用碳纖維復(fù)合材料，有效抵抗了海水的腐蝕，降低了維護(hù)成本。
抗疲勞
碳纖維復(fù)合材料具有良好的抗疲勞性能，能夠承受長期的循環(huán)載荷而不發(fā)生疲勞破壞。這對于需要頻繁起降、高速飛行的飛行器和長期在海上航行的艦艇來說，具有重要的意義。例如，民航客機(jī)波音 787 大量使用碳纖維復(fù)合材料，其在長期的商業(yè)運(yùn)營中表現(xiàn)出了出色的抗疲勞性能，這種經(jīng)驗(yàn)也為軍用飛機(jī)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了參考。
二、碳纖維復(fù)合材料在軍用飛機(jī)上的應(yīng)用
減輕重量提高性能
對于軍用飛機(jī)來說，減輕重量是提高性能的關(guān)鍵。達(dá)到超音速的飛機(jī)，如殲 -20、F -35 等，減輕 1 千克的重量不僅可以帶來幾千塊錢的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還可以提高飛機(jī)的機(jī)動(dòng)性，讓飛機(jī)在戰(zhàn)場上獲得更明顯的優(yōu)勢。通過使用碳纖維復(fù)合材料，殲 -20 機(jī)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(jī)的機(jī)動(dòng)性和續(xù)航能力非常有幫助。美國的 F-35 戰(zhàn)斗機(jī)使用了大概 35%的碳纖維復(fù)合材料，有效降低了機(jī)身重量，提高了燃油效率和作戰(zhàn)半徑。
提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
碳纖維的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度很高，能夠讓飛機(jī)機(jī)身在保證輕便的同時(shí)還能更加結(jié)實(shí)。先進(jìn)的大飛機(jī)和戰(zhàn)斗機(jī)都可以大范圍使用碳纖維復(fù)合材料，像歐洲的臺(tái)風(fēng)戰(zhàn)斗機(jī)，機(jī)身表面已經(jīng)有 70%的面積使用碳纖維復(fù)合材料了。在實(shí)際應(yīng)用中，碳纖維復(fù)合材料能夠承受高速飛行時(shí)的空氣動(dòng)力和機(jī)動(dòng)過載，確保飛機(jī)的結(jié)構(gòu)安全。
降低維護(hù)成本
戰(zhàn)斗機(jī)經(jīng)常需要在空氣鹽分含量比較高的沿海地區(qū)活動(dòng)，普通的金屬材料很容易被腐蝕，飛機(jī)的保養(yǎng)成本非常高。而碳纖維復(fù)合材料抗腐蝕能力比較強(qiáng)，不受空氣中鹽分的影響，飛機(jī)不容易腐蝕，從而降低維護(hù)保養(yǎng)的費(fèi)用。例如，法國的“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)在一些易受腐蝕的部位采用碳纖維復(fù)合材料，減少了維護(hù)次數(shù)和成本。
隱身作用
通過碳纖維改性或者添加一些特殊物質(zhì)，碳纖維復(fù)合材料還可以起到隱身的作用。特殊處理的碳纖維復(fù)合材料可以吸收雷達(dá)波，減少雷達(dá)波的反射，從而減少被雷達(dá)探測到的機(jī)會(huì)。
俄羅斯的蘇 -57 戰(zhàn)斗機(jī)在部分機(jī)身結(jié)構(gòu)上采用了具有隱身性能的碳纖維復(fù)合材料，提高了飛機(jī)的隱身能力。
瑞典鷹獅戰(zhàn)斗機(jī)主要由碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)組成，占機(jī)身重量的25%，同時(shí)也使用了玻璃纖維復(fù)合材料和芳綸纖維復(fù)合材料。其設(shè)計(jì)不像其他一些第四代戰(zhàn)斗機(jī)那樣隱身，然而，戰(zhàn)斗機(jī)的小尺寸和減少的特征進(jìn)氣道減少了其整體雷達(dá)橫截面。
三、碳纖維復(fù)合材料在軍用導(dǎo)彈上的應(yīng)用
彈頭和噴管
碳纖維復(fù)合材料結(jié)實(shí)而又輕便的特點(diǎn)，在導(dǎo)彈領(lǐng)域非常受歡迎。早期主要應(yīng)用于導(dǎo)彈的彈頭部位和固體發(fā)動(dòng)機(jī)的噴管，節(jié)約重量節(jié)省成本的同時(shí)，還能增加彈體強(qiáng)度、增加導(dǎo)彈射程、提高落點(diǎn)精度。
中國著名的東風(fēng)31導(dǎo)彈，就使用了碳纖維復(fù)合材料的彈頭外殼，通過降低彈頭重量，來改善導(dǎo)彈的性能，提升導(dǎo)彈的射程和打擊精度。到了東風(fēng)41導(dǎo)彈，碳纖維復(fù)合材料使用比例明顯提高，導(dǎo)彈外殼也換成了碳纖維復(fù)合材料，更加明顯地提高了導(dǎo)彈性能，射程更遠(yuǎn)、攜帶彈頭更多、打擊精度更高。
美國的“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈在彈頭和噴管部位采用碳纖維復(fù)合材料，提高了導(dǎo)彈的性能和作戰(zhàn)效能。
火箭外殼和發(fā)射筒
除了彈頭和噴管以外，火箭外殼、火箭發(fā)射筒等也開始使用碳纖維復(fù)合材料。中國著名的東風(fēng) 31 導(dǎo)彈使用了碳纖維復(fù)合材料的彈頭外殼，東風(fēng) 41 導(dǎo)彈碳纖維復(fù)合材料使用比例明顯提高，導(dǎo)彈外殼也換成了碳纖維復(fù)合材料，提高了導(dǎo)彈性能，射程更遠(yuǎn)、攜帶彈頭更多、打擊精度更高。
潛射導(dǎo)彈和機(jī)載導(dǎo)彈
潛艇發(fā)射的潛射導(dǎo)彈和飛機(jī)發(fā)射的導(dǎo)彈對彈體重量更加敏感，應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的比例更高。機(jī)載導(dǎo)彈通過自身減重，增加飛機(jī)的彈載量，降低飛機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高導(dǎo)彈的射程和打擊精度。例如，法國的“飛魚”反艦導(dǎo)彈在部分結(jié)構(gòu)上采用碳纖維復(fù)合材料，提高了導(dǎo)彈的性能和適裝性。
四、碳纖維復(fù)合材料在無人機(jī)上的應(yīng)用
無人機(jī)對重量和成本非常敏感，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用可以帶來明顯的經(jīng)濟(jì)效益和性能提升。美國的全球鷹無人機(jī)碳纖維復(fù)合材料使用比例高達(dá) 65%。
中國的云影無人機(jī)使用比例達(dá)到 60%，美國的捕食者無人機(jī)和影子無人機(jī)，復(fù)合材料應(yīng)用比例都超過了 90%，中國的彩虹無人機(jī)復(fù)合材料應(yīng)用比例也超過了 80%。
在無人機(jī)上大量應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料可以降低機(jī)身重量，提高續(xù)航能力和載荷能力。例如，以色列的“蒼鷺”無人機(jī)采用碳纖維復(fù)合材料制造機(jī)身，具有長航時(shí)、高載荷的特點(diǎn)，在偵察和監(jiān)視任務(wù)中表現(xiàn)出色。
五、碳纖維復(fù)合材料在石墨炸彈中的應(yīng)用
在伊拉克戰(zhàn)爭中，石墨炸彈讓人刮目相看。這種炸彈釋放的細(xì)絲就是一種導(dǎo)電能力很強(qiáng)的碳纖維，通過特殊改性還能加強(qiáng)導(dǎo)電能力。碳纖維細(xì)絲爆炸后能夠搭到電線上，讓電線短路，從而破壞當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)造成電網(wǎng)癱瘓。電網(wǎng)一旦受到破壞，當(dāng)?shù)氐耐ㄓ?、照明、生產(chǎn)都會(huì)受到影響，而且短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)。例如，在科索沃戰(zhàn)爭中，北約部隊(duì)使用石墨炸彈攻擊了南聯(lián)盟的電力設(shè)施，造成了大面積停電，嚴(yán)重影響了南聯(lián)盟的戰(zhàn)爭潛力。
六、碳纖維復(fù)合材料在特殊防護(hù)服中的應(yīng)用
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，但隨著碳纖維材料生產(chǎn)成本的不斷下降，其優(yōu)異的性能優(yōu)勢越來越有吸引力。碳纖維用來做防彈衣的面料，有重量輕、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)，子彈打到上面，不僅可以迅速分散受力，還可以快速傳導(dǎo)熱量，減少局部受損情況。
碳纖維復(fù)合材料還可以用來做防彈衣的夾心材料，也就是防護(hù)板，以及防彈的頭盔等防護(hù)器具。例如，一些特種部隊(duì)開始試用碳纖維復(fù)合材料制作的防彈衣和頭盔，在保證防護(hù)性能的同時(shí)，減輕了士兵的負(fù)重，提高了行動(dòng)能力。
熱防護(hù)服
碳纖維材料結(jié)合氣凝膠材料可以制作出非常好的熱防護(hù)服，能保護(hù)戰(zhàn)士在高溫環(huán)境下作戰(zhàn)，提高戰(zhàn)士在火災(zāi)中的生存能力。碳纖維本身導(dǎo)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。例如，在消防和搶險(xiǎn)救援等領(lǐng)域，已經(jīng)開始應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料制作的熱防護(hù)服，為救援人員提供更好的保護(hù)。
電磁防護(hù)服裝
碳纖維本身就有不錯(cuò)的導(dǎo)電性，能夠屏蔽電磁波。為了增強(qiáng)屏蔽效果，往往還會(huì)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(hù)能力，避免電磁輻射對士兵身體的傷害。例如，在電子戰(zhàn)和通信等領(lǐng)域，士兵需要穿著電磁防護(hù)服裝來保護(hù)自己免受電磁輻射的影響。
七、碳纖維復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢
應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大
隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，碳纖維復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。除了軍用飛機(jī)、導(dǎo)彈、無人機(jī)、特殊防護(hù)服等領(lǐng)域，未來還將在艦艇、坦克、裝甲車等武器裝備上得到更廣泛的應(yīng)用。例如，一些新型艦艇開始采用碳纖維復(fù)合材料制造上層建筑，降低了艦艇的重心，提高了穩(wěn)定性和隱身性能。
性能不斷提升
通過不斷改進(jìn)碳纖維復(fù)合材料的制造工藝和性能，提高其強(qiáng)度、模量、耐腐蝕性、抗疲勞性等性能指標(biāo)，滿足更高的軍事需求。同時(shí)，還將開發(fā)出具有更多特殊功能的碳纖維復(fù)合材料，如自修復(fù)、智能感知等。例如，研究人員正在探索開發(fā)具有自修復(fù)功能的碳纖維復(fù)合材料，當(dāng)材料受到損傷時(shí)，能夠自動(dòng)修復(fù)，提高裝備的可靠性和使用壽命。
成本不斷降低
隨著碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟和規(guī)模化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，其成本將不斷降低。這將使得更多的武器裝備能夠采用碳纖維復(fù)合材料，提高武器裝備的性能和作戰(zhàn)效能。例如，隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，碳纖維的價(jià)格逐漸下降，為碳纖維復(fù)合材料在軍工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。
八、小結(jié)
碳纖維復(fù)合材料以其卓越的性能在軍工領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。它在軍用飛機(jī)、導(dǎo)彈、無人機(jī)、石墨炸彈、特殊防護(hù)服等方面的應(yīng)用，提高了武器裝備的性能、降低了成本、增強(qiáng)了作戰(zhàn)效能。相信在未來的軍事領(lǐng)域中，碳纖維復(fù)合材料將發(fā)揮更加重要的作用。（來源：材料PLUS、榮格、網(wǎng)絡(luò)）
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