據(jù)媒體報道，目前國際上研制出一種世界上最小的無人機(jī)，如同蒼蠅般大小，主體由碳纖維制成，僅重106毫克。該機(jī)可有望用于搜索和救援行動，比如進(jìn)入遭受擠壓的狹小空間內(nèi)，搜尋特殊環(huán)境信息等，因而顯示出軍民兩用的發(fā)展?jié)撃堋?

另據(jù)報道，近期一些軍事和科技強(qiáng)國，紛紛將目光鎖定在“碳纖維產(chǎn)業(yè)發(fā)展”等相關(guān)領(lǐng)域，競相推出加快發(fā)展可再生碳纖維材料計(jì)劃，并增設(shè)創(chuàng)新研究機(jī)構(gòu)，欲重點(diǎn)推動工程納米技術(shù)和碳纖維等6大關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域快速發(fā)展，大有群雄逐鹿之勢。

海上突防

科學(xué)探秘

“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。

遠(yuǎn)程奔襲

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，整個流程包含溫濕度、濃度、粘度、流量等上千個參數(shù)高精度控制，稍有不慎就會嚴(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。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)外媒報道，傲視群雄的F-35戰(zhàn)斗機(jī)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(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、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)動機(jī)殼體，未來碳纖維更是發(fā)展小型化、高機(jī)動性、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(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。