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       漂移過(guò)彎、緊急剎車(chē)、切換方向……今年端午節，一年一度的龍舟比賽在我國廣東、廣西等地如火如荼地舉辦。

       如果仔細觀(guān)察參賽隊員手里的船槳，就會(huì )發(fā)現，不少隊員拿的船槳是用碳纖維復合材料制成的。憑借“重量輕強度大耐腐蝕”等優(yōu)點(diǎn)，碳纖維船槳受到了參賽隊員們的追捧。

       實(shí)際上，制造船槳只是碳纖維復合材料應用的一個(gè)“微例證”。

       環(huán)視我們的日常生活，大到航空航天材料，小到電腦、手機、平板等設備的散熱結構，都能發(fā)現碳纖維的身影。

       那么，為什么大家如此熱衷于碳纖維復合材料？碳纖維復合材料有何特點(diǎn)？未來(lái)的發(fā)展前景如何？請看本期解讀。

       奇妙的誕生之旅

       提起“碳”，人們并不陌生。

       碳元素既能以有機化合物的形式廣泛存在于石油、煤、木炭等物質(zhì)中，也能以單質(zhì)的形式存在，構成金剛石、石墨等多種物質(zhì)。

       這些由碳元素構成的不同物質(zhì)，之所以呈現出不同的形態(tài)，在于它們內部的碳原子排列組合不同：在金剛石內部，碳原子經(jīng)過(guò)一定的排列組合，形成一種特定結構，使金剛石成為自然界中天然形成的最硬物質(zhì)；在木炭?jì)炔浚荚拥呐帕蟹绞經(jīng)Q定了其硬度低的特點(diǎn)，人們將木炭拿在手里，很容易就能把它折斷……

       與此同時(shí)，在由碳元素構成的眾多物質(zhì)或材料中，有一種含碳量超過(guò)了90%的纖維材料，憑借“重量輕強度大”的特點(diǎn)吸引了世界各國熱切關(guān)注的目光，它就是——碳纖維。

       事實(shí)上，碳纖維的發(fā)現極具戲劇性。19世紀80年代，愛(ài)迪生在發(fā)明電燈泡時(shí)，遲遲找不到適合做燈絲的材料。一次，愁眉不展的他將廢棄的手稿隨意丟入火盆。就在這時(shí)，奇妙的事情發(fā)生了——他意外地發(fā)現，紙張在充分炭化后仍然能夠發(fā)出很亮的光！

       愛(ài)迪生受到啟發(fā)，隨后，他嘗試使用植物纖維作為燈絲材料進(jìn)行實(shí)驗，發(fā)現用植物纖維制成的碳絲具有良好的耐熱性，發(fā)光亮度也不錯。放眼當時(shí)整個(gè)世界，這次實(shí)驗是人類(lèi)首次制備碳纖維的成功實(shí)踐。

       至此，人們對碳纖維的研究開(kāi)始起步。

       1950年，美國一家碳化物公司注意到愛(ài)迪生的研究，并在其成果基礎上，使用瀝青作為原材料制取碳纖維。利用這種方法制得的碳纖維質(zhì)輕且耐熱，后來(lái)被應用于戰機制造以及火箭發(fā)射上。

       1959年，結合自己的研究方向，日本大阪工業(yè)研究所的一名研究員發(fā)明了“以聚丙烯腈纖維制取碳纖維”的方法。在實(shí)際操作中，科研人員將含碳的聚丙烯腈纖維作為原料，放在稀有氣體的環(huán)境中，在一定的壓強下進(jìn)行強熱炭化，制取得到碳纖維。后來(lái)，日本東麗公司在此基礎上開(kāi)展進(jìn)一步成果轉化研究，使得碳纖維具有更均勻的結構以及更高的強度。這種碳纖維含碳量在90%以上——成千上萬(wàn)根碳絲無(wú)間隙地固定在一起，形成一束直徑為5~10微米的圓柱體，并在圓柱體外層以有機涂層作為保護。

       在碳纖維內部，碳原子之間的結合非常牢固，這樣的微觀(guān)結構賦予了碳纖維強大的力學(xué)和化學(xué)性能：它的質(zhì)量比合成金屬輕，卻比其堅固；拉伸強度遠超高強度的鋼材；耐腐蝕性更是讓其他多種材料望塵莫及。

       基于此，碳纖維一經(jīng)問(wèn)世就炙手可熱，被材料界寄予厚望。

       我國碳纖維工業(yè)的起步可以追溯到1962年，總體上與日本碳纖維的研發(fā)同步進(jìn)行，但由于掌握核心技術(shù)的“碳纖維強國”對我國實(shí)行嚴密的技術(shù)封鎖，導致一段時(shí)間內沒(méi)有取得重大進(jìn)展。2000年后，我國開(kāi)始大力發(fā)展碳纖維產(chǎn)業(yè)；2005年，我國第一條百?lài)嵓塗300生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)；2012年，加快發(fā)展碳纖維并提高規模化制備水平被列入“十二五發(fā)展規劃”；2016年，我國中復神鷹碳纖維公司千噸級T800原絲生產(chǎn)線(xiàn)投產(chǎn)；2021年，我國碳纖維產(chǎn)量已達2.9萬(wàn)噸……

       “21世紀新材料之王”

       還記得電影《速度與激情3》中炫酷的350Z跑車(chē)的車(chē)身嗎？還記得2022年北京冬奧會(huì )上閃耀奪目的火炬嗎？還記得我國國產(chǎn)大飛機C919的驚艷亮相嗎？它們的制作材料中，都包括碳纖維。憑借優(yōu)異的性能，碳纖維不斷拓展應用領(lǐng)域，被人們稱(chēng)作“21世紀新材料之王”和“黑黃金”。

       ——航空航天領(lǐng)域。與常見(jiàn)的以金屬元素為主的高強度材料相比，碳纖維最顯著(zhù)的特點(diǎn)就是在保證了材料強度的同時(shí)，大大減輕了構件重量。以一束1米長(cháng)的某型碳纖維為例，其重量只有0.5克，但其強度可以承擔500公斤左右的力量。手指粗的一束碳纖維，就可以拉動(dòng)兩架飛機。

       2020年5月，長(cháng)征五號B運載火箭在文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。其中，火箭助推器的殼體表面就大量采用了碳纖維泡沫夾層結構材料，使其能夠在高溫高壓下正常運作。據悉，與應用金屬材料相比，應用碳纖維可以減重50%左右；與普通復合材料相比，可以減重30%左右。

       目前，由精細絲束碳纖維復合而成的材料已經(jīng)廣泛應用于人造衛星、固體火箭發(fā)動(dòng)機殼體和戰斗機材料領(lǐng)域。4月15日，印度國家航天機構——印度空間研究組織宣稱(chēng)，其成功研發(fā)應用于火箭發(fā)動(dòng)機的輕質(zhì)碳纖維材料，可以有效減輕火箭發(fā)動(dòng)機噴嘴67%的重量。

       ——海上裝備制造領(lǐng)域。首先，憑借超高的抗腐蝕能力，碳纖維在軍艦制造領(lǐng)域得到了廣泛運用。經(jīng)過(guò)不同的編織工藝加工，碳纖維可與特定樹(shù)脂等材料結合，進(jìn)而制造出輕量化、高強度的艦體、桅桿、艦橋的結構部件。有了這種結構部件，不僅可以減輕艦船重量、提高艦船移動(dòng)速度和靈活性，還可以增強艦船的抗拉強度和抗沖擊性能，減少海水腐蝕以及海洋生物附著(zhù)艦船，提高艦船的作戰效率和生存能力。

       其次，還有一些特殊的碳纖維，能夠顯著(zhù)提高艦船抵抗雷達掃描的能力，進(jìn)而加強艦船的隱蔽性。比如，瑞典“維斯比”護衛艦在制造中大量使用了碳纖維復合材料，這些復合材料可以大幅降低雷達的反射面，有效提升護衛艦的隱身性能。

       ——工程制造領(lǐng)域。與機械部件中經(jīng)常使用的不銹鋼相比，碳纖維的拉伸強度約為不銹鋼的10倍，單位重量的承受強度約為不銹鋼的40倍，但密度僅約為其四分之一。憑借優(yōu)異的拉伸強度，如今碳纖維被廣泛應用于大型橋梁的搭建中。一般情況下，用于搭建橋梁的碳纖維，其拉伸強度最高可以達到3000MPa以上，如果應用的是高強度級別的碳纖維，拉伸強度的數值還可以翻倍。

       ——體育休閑領(lǐng)域。這是碳纖維較早得到規模化商用的領(lǐng)域。比如高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車(chē)架、滑雪板等，利用碳纖維復合材料制作的高爾夫球桿重量只有50克左右。相信隨著(zhù)人們體育消費水平、消費追求逐步提升，能夠提升體驗感的高性能體育產(chǎn)品將越來(lái)越受到人們青睞，碳纖維體育用品將會(huì )占據更大的市場(chǎng)份額。

       事實(shí)上，碳纖維的廣泛應用，不僅帶來(lái)了應用領(lǐng)域的“輕量化”，還帶來(lái)了“節能減排”的附加效果。

       比如，空客A350廣泛使用碳纖維用作飛機構件的材料，碳纖維在整個(gè)飛機的總含量占比超過(guò)了50%。這使得飛機的重量大大減輕，進(jìn)而帶來(lái)燃油量的降低，在降低運營(yíng)成本的同時(shí)減少了碳排放。

       又比如，近年來(lái)在汽車(chē)領(lǐng)域，碳纖維復合材料不斷應用于汽車(chē)車(chē)身、制動(dòng)盤(pán)、發(fā)動(dòng)機等構件，使汽車(chē)部件重量大大減輕，大幅提升車(chē)輛性能和續航里程，進(jìn)而節約燃油減少了二氧化碳的排放。在如今“碳中和”的背景下，在汽車(chē)制造中應用碳纖維已經(jīng)成為未來(lái)汽車(chē)的一個(gè)主要發(fā)展方向。

       目前，經(jīng)過(guò)長(cháng)足的發(fā)展，碳纖維的身影已經(jīng)廣泛深入到人類(lèi)生產(chǎn)生活的方方面面。它給我們帶來(lái)的諸多改變，仍在持續深化中。

       面臨新的發(fā)展風(fēng)口

       正如人們常說(shuō)“金無(wú)足赤”，被稱(chēng)作“黑黃金”的碳纖維也難免存在“瑕疵”。與眾多優(yōu)質(zhì)特性相伴而來(lái)的，還有其相對復雜的生產(chǎn)工藝和流程。

       公開(kāi)資料顯示，生產(chǎn)碳纖維一般要經(jīng)過(guò)上百道工序，300多項關(guān)鍵技術(shù)、3000多個(gè)工藝參數，經(jīng)過(guò)10多個(gè)系統的集成才能制作完成。

       對碳纖維材料構件的回收利用也是一個(gè)挑戰。碳纖維材料不會(huì )自然分解，如果在回收時(shí)采用高溫焚燒方法處理，會(huì )釋放有害物質(zhì)，污染環(huán)境。這使得人們不得不思考，未來(lái)如何有效地、可持續地處理碳纖維制品的廢棄物。

       不過(guò)，即便如此，隨著(zhù)高品質(zhì)碳纖維生產(chǎn)的不斷突破，以及相關(guān)領(lǐng)域高新技術(shù)的持續發(fā)展，碳纖維的發(fā)展仍有相當大的發(fā)展空間。補“短板”、拓“長(cháng)板”，碳纖維或將迎來(lái)新的發(fā)展風(fēng)口。

       我們以碳纖維的軍事應用為例。近年來(lái)流行這樣一種說(shuō)法，現代信息化戰爭既是高技術(shù)裝備之戰，更是高性能材料之戰。現代武器裝備的發(fā)展，隱身化、低能耗、高機動(dòng)性等趨勢，對碳纖維復合材料的要求越來(lái)越高。

       當高品質(zhì)的碳纖維復合材料遇到與之相匹配的高性能作戰系統，二者疊加之后產(chǎn)生的作用力，使得碳纖維成為軍事強國比拼尖端實(shí)力的重頭戲。

       應用于先進(jìn)戰機的構件。在戰場(chǎng)上，戰機每減輕1千克的重量，都意味著(zhù)戰機更高的機動(dòng)性和飛行員更高的生存概率。目前，世界各大軍事強國都在不遺余力地發(fā)展碳纖維在先進(jìn)戰機上的應用：從一開(kāi)始在非重要部位使用碳纖維復合材料，到后來(lái)不斷拓展，碳纖維復合材料在飛機上使用的比例越來(lái)越高。

       據外媒報道，不久前，美國B(niǎo)oom超音速公司宣布XB-1超音速飛機在加利福尼亞州成功完成首次試飛。該飛機的大部分部件由碳纖維制成，憑借多種類(lèi)型的碳纖維復合材料就能很大程度上滿(mǎn)足飛機各個(gè)部件的性能需求。飛機在堅固、輕質(zhì)的結構中實(shí)現復雜的空氣動(dòng)力學(xué)設計，在有效載荷和生存能力方面也實(shí)現了新的突破。

       應用于無(wú)人機制造構件。無(wú)人機在制造中使用碳纖維的比例同樣非常高。美國的“捕食者”和“影子”無(wú)人機，對碳纖維等復合材料的應用比例甚至超過(guò)了90%。隨著(zhù)近年來(lái)無(wú)人機的飛速發(fā)展和戰場(chǎng)地位作用的凸顯，碳纖維復合材料正在迎來(lái)新的發(fā)展機遇。

       應用于導彈制造。在伊拉克戰爭中，有一種名叫石墨炸彈的武器。這種石墨炸彈，本身爆炸的威力并不大，但其爆炸以后會(huì )產(chǎn)生很多能導電的細絲，這些細絲能夠搭到電線(xiàn)上使電線(xiàn)短路，從而破壞當地的電網(wǎng)，造成電網(wǎng)癱瘓。據悉，這種細絲就是一種導電能力很強的碳纖維。炸彈釋放的碳纖維細絲密度很小，可以在空中長(cháng)時(shí)間飄浮，沉降下來(lái)就會(huì )給電網(wǎng)帶來(lái)很大傷害，而且短時(shí)間內難以恢復。

       今天，碳纖維材料的制備技術(shù)漸漸成熟，但世界各國仍在不停地展開(kāi)科研攻關(guān)。作為一種“全能型”材料，軍事應用只是其廣泛用途中的“冰山一角”。我們有理由相信，未來(lái)隨著(zhù)人工智能、納米技術(shù)等相關(guān)前沿技術(shù)的發(fā)展，碳纖維的強度、剛度、耐熱性等性能有望實(shí)現更多突破，滿(mǎn)足更多高端領(lǐng)域的需求，在人類(lèi)科技進(jìn)步和生產(chǎn)生活中發(fā)揮更加重要的作用。（來(lái)源：解放軍報）

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