“黑色黃金”碳纖維：新材料王國耀眼之星

　　近期一些軍事和科技強國，紛紛將目光鎖定在“碳纖維產業發展”等相關領域，競相推出加快發展可再生碳纖維材料計劃，并增設創新研究機構，欲重點推動工程納米技術和碳纖維等6大關鍵技術領域快速發展，大有群雄逐鹿之勢。

　　科學探秘　“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明并獲得專利。它是一種纖維狀碳材料，呈黑色，質堅硬，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，又能像銅那樣導電，具有電學、熱學和力學等綜合優異性能的新型材料，因其制造技術難度大、實用價值高，被業界譽為“黑色黃金”。

　　碳纖維“外柔內剛”，不僅具有碳材料的本質特性，又兼備紡織纖維的柔軟和可加工性，是新一代高性能增強纖維。比頭發絲還細幾倍的碳纖維與樹脂、碳、陶瓷、金屬等基體，經過特殊復合成型工藝制造，即可獲得性能優異的碳纖維復合材料，能夠廣泛應用于航空、航天、能源、交通、軍用裝備等眾多領域，是國防軍工和民用生產生活的重要材料。

　　難上難制造工藝復雜精細

　　20世紀50年代，為了解決導彈噴管和彈頭耐高溫、耐腐蝕等關鍵技術難題，美國率先研制出粘膠基碳纖維。1959年，日本近藤昭男發明了聚丙烯腈基碳纖維。由于碳纖維在軍事領域凸顯出提升武器裝備性能的優異表現，引起了軍事強國的高度重視。隨后一些國家重點投入，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、高模性兼備等一系列關鍵技術難題，使所研制的碳纖維復合材料獨具優異的抗疲勞性能和環境適應能力，其整體水平一路領先。

　　碳纖維看似簡單，但其制造工藝十分復雜，是一項集多學科、精細化、高尖端技術于一體的系統工程，涉及化工、紡織、材料、精密機械等多學科領域，整個流程包含溫濕度、濃度、粘度、流量等上千個參數高精度控制，稍有不慎就會嚴重影響碳纖維性能和質量穩定性，所以遠非一般工藝技術所能媲美。

　　隨著當今碳纖維及復合材料廣泛應用，規模化生產成為其產業化發展的重大瓶頸。每個量級的生產雖原理相同，但對各種工藝參數精確控制難度卻有極大不同，十噸級、百噸級的生產線，不能簡單復制到千噸級，例如聚合反應產生大量的熱，使得溫度均勻性恒定性極難控制。正因如此，目前只有極少數國家能夠穩定生產出高性能碳纖維，且核心技術長期主要掌控在日本和美國企業巨頭手中。其中，日本的三家公司碳纖維生產能力就占世界四分之三，成為業界“巨無霸”。

　　強中強國防裝備脫胎換骨

　　據外媒報道，傲視群雄的F-35戰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35%的碳纖維復合材料才大幅降低了機體重量。所以從某種意義上說，是碳纖維復合材料成就了F-35戰機。

　　如今，碳纖維復合材料不僅成為實現高隱身性能不可或缺的基礎性材料，更成為衡量武器裝備系統先進性能的重要標志。比如，由于X-47B、全球鷹、全球觀察者、西風等飛行器應用碳纖維復合材料比例更高，使得其有效載荷、續航能力和生存能力均實現了新突破。

　　現役F-22戰斗機一個最大特點，就是隱身性能好，而這與其大量使用碳纖維復合材料休戚相關。此外，F-117A戰斗機、B-2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合材料，因而擁有了高隱身、高機動、長壽命等先進作戰性能。

　　航天領域發展更是錙銖必較。如固體火箭發動機質量每減少1千克，射程就可增加16公里。所以，碳纖維復合材料被大量應用于美國“愛國者”導彈、“三叉戟”II、德國HVM超聲速導彈、法國“阿里安”-2火箭、日本M-5火箭等發動機殼體，未來碳纖維更是發展小型化、高機動性、高精度、高突防能力先進戰略性武器裝備的重要基礎。

　　新型高性能碳纖維復合材料，具有更好的穩定性和可靠性，目前在高超聲速飛行器、國際空間站、先進衛星等裝備系統中被大量應用。美國防部在“面向21世紀國防需求的材料研究”報告中強調，“到2020年，只有復合材料才有潛力使裝備獲得20-25%的性能提升”。