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碳纖維成就隱身戰(zhàn)機(jī)軍艦 日本產(chǎn)能占世界3/4

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2014-11-27  來(lái)源:解放軍報(bào)  瀏覽次數(shù):187
核心提示:碳纖維成就隱身戰(zhàn)機(jī)軍艦 日本產(chǎn)能占世界3/4
碳纖維隱形戰(zhàn)斗機(jī)

   核心提示
  據(jù)媒體報(bào)道,目前國(guó)際上研制出一種世界上最小的無(wú)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(dòng),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?br />   另?yè)?jù)報(bào)道,近期一些軍事和科技強(qiáng)國(guó),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(jìng)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(dòng)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(shì)。
  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(guó)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(jià)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(guò)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(guó)防軍工和民用生產(chǎn)生活的重要材料。
  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(guó)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(guó)的高度重視。隨后一些國(guó)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(jiǎn)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(gè)流程包含溫濕度、濃度、粘度、流量等上千個(gè)參數(shù)高精度控制,稍有不慎就會(huì)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(gè)量級(jí)的生產(chǎn)雖原理相同,但對(duì)各種工藝參數(shù)精確控制難度卻有極大不同,十噸級(jí)、百噸級(jí)的生產(chǎn)線,不能簡(jiǎn)單復(fù)制到千噸級(jí),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(guó)家能夠穩(wěn)定生產(chǎn)出高性能碳纖維,且核心技術(shù)長(zhǎng)期主要掌控在日本和美國(guó)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(wú)霸”。
  強(qiáng)中強(qiáng) 國(guó)防裝備脫胎換骨
  據(jù)外媒報(bào)道,傲視群雄的F-35戰(zhàn)斗機(jī)首飛時(shí)間一推再推,其中一個(gè)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(shuō),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(gè)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(jí)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(dòng)、長(zhǎng)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(dòng)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(guó)“愛(ài)國(guó)者”導(dǎo)彈、“三叉戟”II、德國(guó)HVM超聲速導(dǎo)彈、法國(guó)“阿里安”-2火箭、日本M-5火箭等發(fā)動(dòng)機(jī)殼體,未來(lái)碳纖維更是發(fā)展小型化、高機(jī)動(dòng)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(guó)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(guó)防部在“面向21世紀(jì)國(guó)防需求的材料研究”報(bào)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(guó)家安全利益
  外軍認(rèn)為,現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)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(dòng)性、大載荷等趨勢(shì)凸顯,對(duì)碳纖維及復(fù)合材料性能要求越來(lái)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(guó)比拼尖端實(shí)力的重頭戲。目前,發(fā)達(dá)國(guó)家正在碳纖維、先進(jìn)樹脂和制造技術(shù)三個(gè)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(zhǎng)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(dòng)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(guó)防軍工更好發(fā)展。
  近年來(lái),為適應(yīng)我國(guó)國(guó)防建設(shè)發(fā)展需要,碳纖維及其復(fù)合材料已被列為國(guó)家重點(diǎn)支持的項(xiàng)目。專家認(rèn)為,著眼未來(lái)建設(shè)完整自主的高水平產(chǎn)業(yè)鏈,努力把事關(guān)國(guó)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(guó)強(qiáng)軍中國(guó)夢(mèng)的必由之路。
 
關(guān)鍵詞: 碳纖維 復(fù)合材料
 
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