“新材料之王”碳纖維?為軍事強國的必爭之材

華凌

既堅如磐石，又韌如發絲，它是自古以來人類在材料領域孜孜以求的品質。在北京舉行的第十屆SAMPE國際先進材料展覽會上，一卷卷如布匹般的黑色編織物引人駐足，原來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，還兼有不怕強酸腐蝕、耐超高溫、具有導電導熱性和電磁屏蔽性等諸多閃光點。

它正在塑造“大明星”

碳纖維材料的質量較輕，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”更加充滿魅力、令人著迷。

今年3月，開啟全球飛行之旅的、由瑞士制造的零耗油“陽光動力2號”太陽能飛機，整體結構的80%都采用了蜂窩狀碳纖維材料做“保暖外衣”，使這個體型龐大、翼展達到72米、比波音747客機還要寬的大飛機，重量僅為2300公斤，與一輛家用汽車相當，由此在飛行過程中節約了更多的動力。與此同時，能夠在飛行高度達8500米時，抵御零下30℃的嚴寒。

日前，外媒刊載的最新發明無動力機械外骨骼，由輕質的碳纖維材質制成，僅僅借助于巧妙的生物力學結構，能幫助人們在行走時減少7%的能量消耗，基本相當于減重4.5公斤，這對于有行走困難的殘疾人和需要經常長途跋涉的特種士兵來說，無疑是個好消息。

就連第87屆最佳奧斯卡動畫長片《超能陸戰隊》中，萌入千萬少男少女心坎的暖男醫療型機器人“大白”（Baymax），其體內碳纖維骨骼的構想都十分符合未來理想中機器人的設計，因此其在劇情中雖外型柔軟得泡泡鼓鼓，卻能經受極強的碾壓摔打，“擔當范兒”十足。

軍事強國必爭之材

實際上，被譽為“新材料之王”的碳纖維，特別是在軍用上的高強度碳纖維原絲及其生產技術，是西方國家嚴格禁運的最重要技術。由于其可用于國防軍工制造武器，一定強度以上的碳纖維需要獲得批準才能出口，達到與核武器技術相提并論的禁運等級。

在冷戰時期，碳纖維生產技術屬于技術密集型和政治敏感材料，以美國為首的巴黎統籌委員會對當時的社會主義陣營實行禁運。戰爭結束后，由于碳纖維的高技術含量、高利潤回報，西方國家仍然對發展中國家實施禁運，尤其是在聚丙烯腈（PAN）原絲生產技術進口方面，即使有的國家已加入了世界貿易組織，也沒有多少改變。

上天縱地大顯身手

碳纖維雖然輕，看似如同塑料，但實際上其抗沖擊性比鋼鐵強，機械強度和抗沖擊性更高，有較好的安全性。因此，當前不少國家都在積極布局，著力發展碳纖維產業，將其作為搶占下一輪工業和國防競爭制高點的重要支撐。

以汽車為例，碳纖維技術不僅可以使車身輕量化，同時還可以強化車身強度。采用碳纖維制造的車，重量僅相當于普通鋼材汽車的20%～30%，硬度卻在10倍以上。而車重每減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，一輛車每小時可以多開50公里，有助于提升車的加速與制動性能。

在復合材料的配合下，碳纖維汽車儼然成為家用車中的裝甲車。為此，日本計劃未來5年投資20億日元，支持碳纖維原材料企業和汽車主機廠的合作，而美國能源部今明兩年將為同類項目提供2175萬美元的資金支持。業內人士評價說，如果說福特創建流水線生產是汽車行業的首次革命，那么碳纖維+新能源可能預示著第二次汽車革命。

在航空制造方面，從1995年起，航空應用中對碳纖維的需求不斷增多。美國波音公司推出新一代高速寬體客機—“音速巡洋艦”，約60%的結構部件都將采用強化碳纖維塑料復合材料制成，其中包括機翼。它比鋁輕，但強度不相上下。碳纖維復合材料在民用飛機上的應用被特別看好，目前新增產能均以滿足航空需要的高性能碳纖維及復合材料為主，未來5～10年內碳纖維復合材料在民用飛機上的應用也將高速增長。據預測，世界航空航天領域對碳纖維復合材料的總需求，2018年將達到2萬噸。

（本文轉自《科技日報》）