碳纖維：材料界里“黑黃金”

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、木炭等物質中，也能以單質的形式存在，構成金剛石、石墨等多種物質。這些由碳元素構成的不同物質，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，碳原子經過一定的排列組合，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；在木炭內部，碳原子的排列方式決定了其硬度低的特點，人們將木炭拿在手里，很容易就能把它折斷……

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

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？未來的發(fā)展前景如何？

“21世紀新材料之王”

還記得電影《速度與激情3》中炫酷的350Z跑車的車身嗎？還記得2022年北京冬奧會上閃耀奪目的火炬嗎？還記得我國國產大飛機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域，被人們稱作“21世紀新材料之王”和“黑黃金”。

——航空航天領域。與常見的以金屬元素為主的高強度材料相比，碳纖維最顯著的特點就是在保證材料強度的同時，大大減輕了構件重量。以一束1米長的某型碳纖維為例，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，就可以拉動兩架飛機。

2020年5月，“長征五號B”運載火箭在文昌航天發(fā)射場點火升空。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廣泛應用于人造衛(wèi)星、固體火箭發(fā)動機殼體和戰(zhàn)斗機材料領域。2024年4月15日，印度國家航天機構——印度空間研究組織宣稱，其成功研發(fā)應用于火箭發(fā)動機的輕質碳纖維材料，可以有效減輕火箭發(fā)動機噴嘴67%的重量。

——海上裝備制造領域。首先，憑借超高的抗腐蝕能力，碳纖維在軍艦制造領域得到了廣泛運用。經過不同的編織工藝加工，碳纖維可與特定樹脂等材料結合，進而制造出輕量化、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，減少海水腐蝕及海洋生物附著艦船，提高艦船的作戰(zhàn)效率和生存能力。

其次，還有一些特殊的碳纖維，能夠顯著提高艦船抵抗雷達掃描的能力，進而加強艦船的隱蔽性。比如瑞典“維斯比”護衛(wèi)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(wèi)艦的隱身性能。

——工程制造領域。與機械部件中經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。

——體育休閑領域。這是碳纖維較早得到規(guī)?；逃玫念I域。比如高爾夫球桿、網球拍、自行車架、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品將越來越受到人們青睞，碳纖維體育用品將會占據更大的市場份額。

事實上，碳纖維的廣泛應用，不僅帶來了應用領域的“輕量化”，還帶來了“節(jié)能減排”的附加效果。比如空客A350廣泛使用碳纖維作為飛機構件的材料，碳纖維在整個飛機的總含量占比超過50%。這使得飛機的重量大大減輕，進而帶來燃油量的降低，在降低運營成本的同時減少了碳排放。

又如近年來在汽車領域，碳纖維復合材料不斷應用于汽車車身、制動盤、發(fā)動機等構件，使汽車部件重量大大減輕，大幅提升車輛性能和續(xù)航里程，進而節(jié)約燃油減少了二氧化碳的排放。在如今“碳中和”的背景下，在汽車制造中應用碳纖維已經成為未來汽車的一個主要發(fā)展方向。

目前，經過長足的發(fā)展，碳纖維的身影已經廣泛深入人類生產生活的方方面面。它給我們帶來的諸多改變，仍在持續(xù)深化。

面臨新的發(fā)展風口

正如人們常說“金無足赤”，被稱作“黑黃金”的碳纖維也難免存在“瑕疵”。與眾多優(yōu)質特性相伴而來的，還有其相對復雜的生產工藝和流程。

公開資料顯示，生產碳纖維一般要經過上百道工序，300多項關鍵技術、3000多個工藝參數，經過十多個系統(tǒng)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挑戰(zhàn)。碳纖維材料不會自然分解，如果在回收時采用高溫焚燒方法處理，會釋放有害物質，污染環(huán)境。這使得人們不得不思考，未來如何有效地、可持續(xù)地處理碳纖維制品的廢棄物。

不過，即便如此，隨著高品質碳纖維生產的不斷突破，以及相關領域高新技術的持續(xù)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“長板”，碳纖維或將迎來新的發(fā)展風口。

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

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

應用于先進戰(zhàn)機的構件。在戰(zhàn)場上，戰(zhàn)機每減輕1千克的重量，都意味著戰(zhàn)機更高的機動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)展碳纖維在先進戰(zhàn)機上的應用：從一開始在非重要部位使用碳纖維復合材料，到后來不斷拓展，碳纖維復合材料在飛機上使用的比例越來越高。

據外媒報道，不久前，美國博姆（Boom）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。這架飛機的大部分部件由碳纖維制成，憑借多種類型的碳纖維復合材料就能很大程度上滿足飛機各個部件的性能需求。飛機在堅固、輕質的結構中實現復雜的空氣動力學設計，在有效載荷和生存能力方面也實現了新的突破。

應用于無人機制造構件。無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”無人機，對碳纖維等復合材料的應用比例甚至超過90%。隨著近年來無人機的飛速發(fā)展和戰(zhàn)場地位作用的凸顯，碳纖維復合材料正在迎來新的發(fā)展機遇。

應用于導彈制造。在伊拉克戰(zhàn)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，但其爆炸以后會產生很多能導電的細絲，這些細絲能夠搭到電線上使電線短路，從而破壞當地的電網，造成電網癱瘓。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，可以在空中長時間飄浮，沉降下來就會給電網帶來很大傷害，而且短時間內難以恢復。

今天，碳纖維材料的制備技術漸漸成熟，但世界各國仍在不停地展開科研攻關。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，未來隨著人工智能、納米技術等相關前沿技術的發(fā)展，碳纖維的強度、剛度、耐熱性等性能有望實現更多突破，滿足更多高端領域的需求，在人類科技進步和生產生活中發(fā)揮更加重要的作用。

（文章轉載自《解放軍報》2024-06-14 第11版 內容有刪減）