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2024年8月13日，東麗復合材料美國公司（Toray Composite Materials America, Inc.）宣布，該公司Torayca T1100碳纖維生產(chǎn)線已在美國阿拉巴馬州迪凱特工廠投入使用，該生產(chǎn)線將全面支撐美陸軍“未來遠程攻擊機”（FLRAA）項目關(guān)鍵零部件研發(fā)與制造。FLRAA也成為目前公開報道中首個確定選用東麗T1100碳纖維的軍用航空項目。

隨著科技的不斷進步，新材料的研發(fā)和應(yīng)用在軍工領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。碳纖維復合材料以其卓越的性能，成為軍工領(lǐng)域備受矚目的材料之一。它具有高強度、高模量、低密度、耐腐蝕、抗疲勞等優(yōu)點，在提高武器裝備性能、降低成本、增強作戰(zhàn)效能等方面具有不可替代的作用。本文將詳細介紹碳纖維復合材料在陸上軍工領(lǐng)域的主要應(yīng)用。

一、碳纖維復合材料的特性及應(yīng)用

高強度和高模量

 碳纖維復合材料的強度和模量遠高于傳統(tǒng)金屬材料，如鋼、鋁等。這使得它能夠在保證結(jié)構(gòu)強度的前提下，大幅度減輕裝備的重量。例如，美國的 F-22 戰(zhàn)斗機在部分關(guān)鍵結(jié)構(gòu)上采用了碳纖維復合材料，在保證機身強度的同時，有效降低了整機重量，提高了飛行性能和機動性。

低密度

 碳纖維復合材料的密度僅為鋼的四分之一左右，鋁的二分之一左右。這使得它在減輕重量方面具有巨大的優(yōu)勢，特別是對于需要高度機動性和遠程作戰(zhàn)能力的武器裝備。以歐洲的 A400M 軍用運輸機為例，其大量采用碳纖維復合材料制造機身結(jié)構(gòu)，相比傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)，大大減輕了飛機的自重，增加了有效載荷和航程。

耐腐蝕

 碳纖維復合材料具有良好的耐腐蝕性能，能夠在惡劣的環(huán)境下長期使用。對于經(jīng)常在海洋、沙漠等環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)的武器裝備來說，耐腐蝕性能尤為重要。比如，美國海軍的部分艦艇在一些關(guān)鍵部位采用碳纖維復合材料，有效抵抗了海水的腐蝕，降低了維護成本。

抗疲勞

 碳纖維復合材料具有良好的抗疲勞性能，能夠承受長期的循環(huán)載荷而不發(fā)生疲勞破壞。這對于需要頻繁起降、高速飛行的飛行器和長期在海上航行的艦艇來說，具有重要的意義。例如，民航客機波音 787 大量使用碳纖維復合材料，其在長期的商業(yè)運營中表現(xiàn)出了出色的抗疲勞性能，這種經(jīng)驗也為軍用飛機的設(shè)計和應(yīng)用提供了參考。

二、碳纖維復合材料在軍用飛機上的應(yīng)用

減輕重量提高性能

 對于軍用飛機來說，減輕重量是提高性能的關(guān)鍵。達到超音速的飛機，如殲 -20、F -35 等，減輕 1 千克的重量不僅可以帶來幾千塊錢的經(jīng)濟效益，同時還可以提高飛機的機動性，讓飛機在戰(zhàn)場上獲得更明顯的優(yōu)勢。通過使用碳纖維復合材料，殲 -20 機身重量相對于使用鋁合金材料來說，降低了 9%左右，省出來的重量對于提升飛機的機動性和續(xù)航能力非常有幫助。美國的 F-35 戰(zhàn)斗機使用了大概 35%的碳纖維復合材料，有效降低了機身重量，提高了燃油效率和作戰(zhàn)半徑。

提高結(jié)構(gòu)強度

 碳纖維的結(jié)構(gòu)強度很高，能夠讓飛機機身在保證輕便的同時還能更加結(jié)實。先進的大飛機和戰(zhàn)斗機都可以大范圍使用碳纖維復合材料，像歐洲的臺風戰(zhàn)斗機，機身表面已經(jīng)有 70%的面積使用碳纖維復合材料了。在實際應(yīng)用中，碳纖維復合材料能夠承受高速飛行時的空氣動力和機動過載，確保飛機的結(jié)構(gòu)安全。 

降低維護成本

戰(zhàn)斗機經(jīng)常需要在空氣鹽分含量比較高的沿海地區(qū)活動，普通的金屬材料很容易被腐蝕，飛機的保養(yǎng)成本非常高。而碳纖維復合材料抗腐蝕能力比較強，不受空氣中鹽分的影響，飛機不容易腐蝕，從而降低維護保養(yǎng)的費用。例如，法國的“陣風”戰(zhàn)斗機在一些易受腐蝕的部位采用碳纖維復合材料，減少了維護次數(shù)和成本。

隱身作用

 通過碳纖維改性或者添加一些特殊物質(zhì)，碳纖維復合材料還可以起到隱身的作用。特殊處理的碳纖維復合材料可以吸收雷達波，減少雷達波的反射，從而減少被雷達探測到的機會。

俄羅斯的蘇 -57 戰(zhàn)斗機在部分機身結(jié)構(gòu)上采用了具有隱身性能的碳纖維復合材料，提高了飛機的隱身能力。

瑞典鷹獅戰(zhàn)斗機主要由碳纖維復合材料結(jié)構(gòu)組成，占機身重量的25%，同時也使用了玻璃纖維復合材料和芳綸纖維復合材料。其設(shè)計不像其他一些第四代戰(zhàn)斗機那樣隱身，然而，戰(zhàn)斗機的小尺寸和減少的特征進氣道減少了其整體雷達橫截面。

三、碳纖維復合材料在軍用導彈上的應(yīng)用

彈頭和噴管

 碳纖維復合材料結(jié)實而又輕便的特點，在導彈領(lǐng)域非常受歡迎。早期主要應(yīng)用于導彈的彈頭部位和固體發(fā)動機的噴管，節(jié)約重量節(jié)省成本的同時，還能增加彈體強度、增加導彈射程、提高落點精度。

中國著名的東風31導彈，就使用了碳纖維復合材料的彈頭外殼，通過降低彈頭重量，來改善導彈的性能，提升導彈的射程和打擊精度。到了東風41導彈，碳纖維復合材料使用比例明顯提高，導彈外殼也換成了碳纖維復合材料，更加明顯地提高了導彈性能，射程更遠、攜帶彈頭更多、打擊精度更高。

美國的“戰(zhàn)斧”巡航導彈在彈頭和噴管部位采用碳纖維復合材料，提高了導彈的性能和作戰(zhàn)效能。

火箭外殼和發(fā)射筒

除了彈頭和噴管以外，火箭外殼、火箭發(fā)射筒等也開始使用碳纖維復合材料。中國著名的東風 31 導彈使用了碳纖維復合材料的彈頭外殼，東風 41 導彈碳纖維復合材料使用比例明顯提高，導彈外殼也換成了碳纖維復合材料，提高了導彈性能，射程更遠、攜帶彈頭更多、打擊精度更高。 

潛射導彈和機載導彈

潛艇發(fā)射的潛射導彈和飛機發(fā)射的導彈對彈體重量更加敏感，應(yīng)用碳纖維復合材料的比例更高。機載導彈通過自身減重，增加飛機的彈載量，降低飛機的負擔，提高導彈的射程和打擊精度。例如，法國的“飛魚”反艦導彈在部分結(jié)構(gòu)上采用碳纖維復合材料，提高了導彈的性能和適裝性。

四、碳纖維復合材料在無人機上的應(yīng)用

無人機對重量和成本非常敏感，碳纖維復合材料的應(yīng)用可以帶來明顯的經(jīng)濟效益和性能提升。美國的全球鷹無人機碳纖維復合材料使用比例高達 65%。

中國的云影無人機使用比例達到 60%，美國的捕食者無人機和影子無人機，復合材料應(yīng)用比例都超過了 90%，中國的彩虹無人機復合材料應(yīng)用比例也超過了 80%。

在無人機上大量應(yīng)用碳纖維復合材料可以降低機身重量，提高續(xù)航能力和載荷能力。例如，以色列的“蒼鷺”無人機采用碳纖維復合材料制造機身，具有長航時、高載荷的特點，在偵察和監(jiān)視任務(wù)中表現(xiàn)出色。

五、碳纖維復合材料在石墨炸彈中的應(yīng)用

在伊拉克戰(zhàn)爭中，石墨炸彈讓人刮目相看。這種炸彈釋放的細絲就是一種導電能力很強的碳纖維，通過特殊改性還能加強導電能力。碳纖維細絲爆炸后能夠搭到電線上，讓電線短路，從而破壞當?shù)仉娋W(wǎng)造成電網(wǎng)癱瘓。電網(wǎng)一旦受到破壞，當?shù)氐耐ㄓ崱⒄彰?、生產(chǎn)都會受到影響，而且短時間內(nèi)難以恢復。例如，在科索沃戰(zhàn)爭中，北約部隊使用石墨炸彈攻擊了南聯(lián)盟的電力設(shè)施，造成了大面積停電，嚴重影響了南聯(lián)盟的戰(zhàn)爭潛力。

六、碳纖維復合材料在特殊防護服中的應(yīng)用

防彈衣

 雖然目前主流的防彈衣并不是用碳纖維材料來制造的，但隨著碳纖維材料生產(chǎn)成本的不斷下降，其優(yōu)異的性能優(yōu)勢越來越有吸引力。碳纖維用來做防彈衣的面料，有重量輕、結(jié)構(gòu)強度大、導熱性好等優(yōu)點，子彈打到上面，不僅可以迅速分散受力，還可以快速傳導熱量，減少局部受損情況。

碳纖維復合材料還可以用來做防彈衣的夾心材料，也就是防護板，以及防彈的頭盔等防護器具。例如，一些特種部隊開始試用碳纖維復合材料制作的防彈衣和頭盔，在保證防護性能的同時，減輕了士兵的負重，提高了行動能力。

熱防護服

 碳纖維材料結(jié)合氣凝膠材料可以制作出非常好的熱防護服，能保護戰(zhàn)士在高溫環(huán)境下作戰(zhàn)，提高戰(zhàn)士在火災(zāi)中的生存能力。碳纖維本身導熱性好，有利于分散熱量，避免局部過熱，而氣凝膠又能有效隔絕熱量。例如，在消防和搶險救援等領(lǐng)域，已經(jīng)開始應(yīng)用碳纖維復合材料制作的熱防護服，為救援人員提供更好的保護。

電磁防護服裝

碳纖維本身就有不錯的導電性，能夠屏蔽電磁波。為了增強屏蔽效果，往往還會在碳纖維之外再添加一些特殊成分，能夠大幅度提升對電磁輻射的防護能力，避免電磁輻射對士兵身體的傷害。例如，在電子戰(zhàn)和通信等領(lǐng)域，士兵需要穿著電磁防護服裝來保護自己免受電磁輻射的影響。

七、碳纖維復合材料在軍工領(lǐng)域的發(fā)展趨勢

應(yīng)用范圍不斷擴大

隨著技術(shù)的不斷進步，碳纖維復合材料在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍將不斷擴大。除了軍用飛機、導彈、無人機、特殊防護服等領(lǐng)域，未來還將在艦艇、坦克、裝甲車等武器裝備上得到更廣泛的應(yīng)用。例如，一些新型艦艇開始采用碳纖維復合材料制造上層建筑，降低了艦艇的重心，提高了穩(wěn)定性和隱身性能。

性能不斷提升

通過不斷改進碳纖維復合材料的制造工藝和性能，提高其強度、模量、耐腐蝕性、抗疲勞性等性能指標，滿足更高的軍事需求。同時，還將開發(fā)出具有更多特殊功能的碳纖維復合材料，如自修復、智能感知等。例如，研究人員正在探索開發(fā)具有自修復功能的碳纖維復合材料，當材料受到損傷時，能夠自動修復，提高裝備的可靠性和使用壽命。

成本不斷降低

 隨著碳纖維復合材料生產(chǎn)技術(shù)的不斷成熟和規(guī)模化生產(chǎn)的實現(xiàn)，其成本將不斷降低。這將使得更多的武器裝備能夠采用碳纖維復合材料，提高武器裝備的性能和作戰(zhàn)效能。例如，隨著碳纖維生產(chǎn)技術(shù)的進步，碳纖維的價格逐漸下降，為碳纖維復合材料在軍工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用創(chuàng)造了條件。  

八、小結(jié)

碳纖維復合材料以其卓越的性能在軍工領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。它在軍用飛機、導彈、無人機、石墨炸彈、特殊防護服等方面的應(yīng)用，提高了武器裝備的性能、降低了成本、增強了作戰(zhàn)效能。相信在未來的軍事領(lǐng)域中，碳纖維復合材料將發(fā)揮更加重要的作用。（來源：材料PLUS、榮格、網(wǎng)絡(luò)）