“新材料之王”碳纖維?為軍事強(qiáng)國(guó)的必爭(zhēng)之材

華凌

既堅(jiān)如磐石，又韌如發(fā)絲，它是自古以來(lái)人類(lèi)在材料領(lǐng)域孜孜以求的品質(zhì)。在北京舉行的第十屆SAMPE國(guó)際先進(jìn)材料展覽會(huì)上，一卷卷如布匹般的黑色編織物引人駐足，原來(lái)這就是從新材料中一躍而起的“黑馬”—碳纖維的真容，它不僅具備柔中帶剛的特性，還兼有不怕強(qiáng)酸腐蝕、耐超高溫、具有導(dǎo)電導(dǎo)熱性和電磁屏蔽性等諸多閃光點(diǎn)。

它正在塑造“大明星”

碳纖維材料的質(zhì)量較輕，密度只是普通紙張的三分之一。因它的有力支撐，令最近冉冉升起的很多“明星”更加充滿(mǎn)魅力、令人著迷。

今年3月，開(kāi)啟全球飛行之旅的、由瑞士制造的零耗油“陽(yáng)光動(dòng)力2號(hào)”太陽(yáng)能飛機(jī)，整體結(jié)構(gòu)的80%都采用了蜂窩狀碳纖維材料做“保暖外衣”，使這個(gè)體型龐大、翼展達(dá)到72米、比波音747客機(jī)還要寬的大飛機(jī)，重量?jī)H為2300公斤，與一輛家用汽車(chē)相當(dāng)，由此在飛行過(guò)程中節(jié)約了更多的動(dòng)力。與此同時(shí)，能夠在飛行高度達(dá)8500米時(shí)，抵御零下30℃的嚴(yán)寒。

日前，外媒刊載的最新發(fā)明無(wú)動(dòng)力機(jī)械外骨骼，由輕質(zhì)的碳纖維材質(zhì)制成，僅僅借助于巧妙的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)，能幫助人們?cè)谛凶邥r(shí)減少7%的能量消耗，基本相當(dāng)于減重4.5公斤，這對(duì)于有行走困難的殘疾人和需要經(jīng)常長(zhǎng)途跋涉的特種士兵來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是個(gè)好消息。

就連第87屆最佳奧斯卡動(dòng)畫(huà)長(zhǎng)片《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》中，萌入千萬(wàn)少男少女心坎的暖男醫(yī)療型機(jī)器人“大白”（Baymax），其體內(nèi)碳纖維骨骼的構(gòu)想都十分符合未來(lái)理想中機(jī)器人的設(shè)計(jì)，因此其在劇情中雖外型柔軟得泡泡鼓鼓，卻能經(jīng)受極強(qiáng)的碾壓摔打，“擔(dān)當(dāng)范兒”十足。

軍事強(qiáng)國(guó)必爭(zhēng)之材

實(shí)際上，被譽(yù)為“新材料之王”的碳纖維，特別是在軍用上的高強(qiáng)度碳纖維原絲及其生產(chǎn)技術(shù)，是西方國(guó)家嚴(yán)格禁運(yùn)的最重要技術(shù)。由于其可用于國(guó)防軍工制造武器，一定強(qiáng)度以上的碳纖維需要獲得批準(zhǔn)才能出口，達(dá)到與核武器技術(shù)相提并論的禁運(yùn)等級(jí)。

在冷戰(zhàn)時(shí)期，碳纖維生產(chǎn)技術(shù)屬于技術(shù)密集型和政治敏感材料，以美國(guó)為首的巴黎統(tǒng)籌委員會(huì)對(duì)當(dāng)時(shí)的社會(huì)主義陣營(yíng)實(shí)行禁運(yùn)。戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后，由于碳纖維的高技術(shù)含量、高利潤(rùn)回報(bào)，西方國(guó)家仍然對(duì)發(fā)展中國(guó)家實(shí)施禁運(yùn)，尤其是在聚丙烯腈（PAN）原絲生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)口方面，即使有的國(guó)家已加入了世界貿(mào)易組織，也沒(méi)有多少改變。

上天縱地大顯身手

碳纖維雖然輕，看似如同塑料，但實(shí)際上其抗沖擊性比鋼鐵強(qiáng)，機(jī)械強(qiáng)度和抗沖擊性更高，有較好的安全性。因此，當(dāng)前不少?lài)?guó)家都在積極布局，著力發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)，將其作為搶占下一輪工業(yè)和國(guó)防競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)的重要支撐。

以汽車(chē)為例，碳纖維技術(shù)不僅可以使車(chē)身輕量化，同時(shí)還可以強(qiáng)化車(chē)身強(qiáng)度。采用碳纖維制造的車(chē)，重量?jī)H相當(dāng)于普通鋼材汽車(chē)的20%～30%，硬度卻在10倍以上。而車(chē)重每減10%，便可降低6%～8%的油耗，降低5%～6%的排放，在同樣用油情況下，一輛車(chē)每小時(shí)可以多開(kāi)50公里，有助于提升車(chē)的加速與制動(dòng)性能。

在復(fù)合材料的配合下，碳纖維汽車(chē)儼然成為家用車(chē)中的裝甲車(chē)。為此，日本計(jì)劃未來(lái)5年投資20億日元，支持碳纖維原材料企業(yè)和汽車(chē)主機(jī)廠的合作，而美國(guó)能源部今明兩年將為同類(lèi)項(xiàng)目提供2175萬(wàn)美元的資金支持。業(yè)內(nèi)人士評(píng)價(jià)說(shuō)，如果說(shuō)福特創(chuàng)建流水線生產(chǎn)是汽車(chē)行業(yè)的首次革命，那么碳纖維+新能源可能預(yù)示著第二次汽車(chē)革命。

在航空制造方面，從1995年起，航空應(yīng)用中對(duì)碳纖維的需求不斷增多。美國(guó)波音公司推出新一代高速寬體客機(jī)—“音速巡洋艦”，約60%的結(jié)構(gòu)部件都將采用強(qiáng)化碳纖維塑料復(fù)合材料制成，其中包括機(jī)翼。它比鋁輕，但強(qiáng)度不相上下。碳纖維復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用被特別看好，目前新增產(chǎn)能均以滿(mǎn)足航空需要的高性能碳纖維及復(fù)合材料為主，未來(lái)5～10年內(nèi)碳纖維復(fù)合材料在民用飛機(jī)上的應(yīng)用也將高速增長(zhǎng)。據(jù)預(yù)測(cè)，世界航空航天領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料的總需求，2018年將達(dá)到2萬(wàn)噸。

（本文轉(zhuǎn)自《科技日?qǐng)?bào)》）