碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、質(zhì)量輕、耐高溫等一系列優(yōu)異性能，可以通過與金屬、陶瓷、樹脂等材料復(fù)合加工制成具有不同特性、不同用途的復(fù)合材料。目前碳纖維材料已被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防軍事、交通運(yùn)輸、建筑、體育休閑等領(lǐng)域。本文對(duì)碳纖維技術(shù)及其軍事應(yīng)用等進(jìn)行了概述。

一．碳纖維技術(shù)概況

1. 分類及性能

碳纖維種類繁多，可按照原絲類型、力學(xué)性能、纖維數(shù)量等分為不同的類型。在性能上，碳纖維具有強(qiáng)度高、模量高、耐腐蝕、抗疲勞、耐高低溫、密度小、導(dǎo)電等一系列優(yōu)點(diǎn)，不同種類碳纖維的性能存在差異。

不同種類碳纖維特點(diǎn)及應(yīng)用對(duì)比圖

2. 制備技術(shù)

（1）PAN基碳纖維：PAN基碳纖維是以聚丙烯腈為原料，經(jīng)過PAN原絲制備、預(yù)氧化和碳化等步驟制成。

PAN原絲制備包括聚合工藝和紡絲工藝。PAN原絲制備可根據(jù)兩種工藝的連續(xù)性分為一步法和二步法，聚合液不需要分離就可以直接用來紡絲，稱為一步法；若分離出PAN粉末后溶解形成紡絲原液再進(jìn)行紡絲，稱為二步法。

境外主要企業(yè)的碳纖維PAN原絲技術(shù)路線

PAN原絲耐熱性能較差，若直接碳化會(huì)使原絲在高溫下分解。因此，預(yù)氧化是生產(chǎn)PAN基碳纖維非常重要的中間過程。預(yù)氧化后，纖維在惰性氣氛中先后進(jìn)行低溫碳化和高溫碳化。石墨化是在惰性氣體保護(hù)下進(jìn)行進(jìn)一步高溫處理，獲得含碳量99%以上的高模量碳纖維。

（2）瀝青基碳纖維：瀝青基碳纖維是以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)過調(diào)制、紡絲、不熔化/預(yù)氧化、碳化等步驟來制取瀝青基碳纖維。

各國(guó)瀝青纖維紡絲工藝對(duì)比圖

瀝青纖維的不熔化也叫預(yù)氧化，處理工藝包括氣相法和液相法。預(yù)氧化后瀝青纖維在惰性氣氛下進(jìn)行碳化處理，增加纖維含碳量以及單絲拉伸強(qiáng)度，提高瀝青基碳纖維的力學(xué)性能。石墨化一般在中間相瀝青基碳纖維的制備過程中，有助于纖維形成石墨片層結(jié)構(gòu)，具有更高的強(qiáng)度、導(dǎo)電性和彈性模量。

（3）粘膠基碳纖維：粘膠基碳纖維以木漿和棉漿等為原料，粘膠纖維素漿粕配制成紡絲液，經(jīng)過水洗、過濾、干燥，浸漬催化，預(yù)氧化和碳化工序轉(zhuǎn)化為碳纖維。催化浸漬主要是浸漬催化脫水劑。粘膠纖維預(yù)氧化是在催化劑的作用下進(jìn)行脫水、熱裂和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。粘膠纖維碳化同樣分為低溫碳化和高溫碳化兩步工序，低溫碳化主要是深度脫水、熱裂和芳構(gòu)化；高溫碳化主要是縮聚和芳構(gòu)化。

（4）復(fù)合材料成型工藝：碳纖維復(fù)合材料成型工藝有很多，常用的工藝包括樹脂傳遞模塑（RTM）成型、注射成型法、模壓成型法、纏繞成型法、拉擠成型法、熱壓罐成型法、壓力袋法、噴射成型法、手糊成型法等等。其中模壓成型、熱壓罐成型等采用的是預(yù)浸料，纏繞成型、拉擠成型采用纖維在線浸潤(rùn)的方式，而RTM則是預(yù)成型體的液體成型，長(zhǎng)程流動(dòng)。

二．碳纖維材料的應(yīng)用

1. 應(yīng)用形式及領(lǐng)域

碳纖維及其復(fù)合材料具有高強(qiáng)、高模、輕質(zhì)、柔軟、耐高溫等眾多優(yōu)良特性。碳纖維的應(yīng)用形式包括碳纖維織物、短切碳纖維、碳纖維預(yù)浸料等。但碳纖維一般不單獨(dú)使用，通常作為增強(qiáng)材料加入樹脂、金屬、陶瓷、水泥等材料中，制成碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品。

各類碳纖維復(fù)合材料特點(diǎn)及應(yīng)用對(duì)比圖

2. 碳纖維的軍事應(yīng)用

碳纖維具有質(zhì)輕、高強(qiáng)度、高模量、耐腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)，碳纖維及其復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于火箭、導(dǎo)彈、裝甲防護(hù)等軍工領(lǐng)域，使軍事裝備性能不斷提高。碳纖維及其復(fù)合材料已成為現(xiàn)代國(guó)防軍工武器裝備的重要戰(zhàn)略物資。

（1）吸波隱身

普通碳纖維對(duì)電磁波是反射體，不具備吸波功能，通過對(duì)碳纖維進(jìn)行表面改性（如鍍鎳、涂覆碳化硅涂層等）、研制新型碳纖維（如異形截面碳纖維、螺旋碳纖維、多孔碳纖維、碳納米管等），能顯著改善其電磁性能。

特種碳纖維用于制造隱身飛機(jī)，如B-2隱身轟炸機(jī)，其整體機(jī)身除了主梁和發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)艙采用鈦復(fù)合材料外，其余部分均采用碳纖維復(fù)合材料。美國(guó)隱身戰(zhàn)機(jī)F-22，CFRP用量達(dá)到24%，英國(guó)Typhoon戰(zhàn)機(jī)復(fù)合材料用量高達(dá)40%。結(jié)構(gòu)型碳纖維吸波復(fù)合材料結(jié)合了復(fù)合材料輕質(zhì)高強(qiáng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)和吸波特性，是雷達(dá)隱身材料的重要發(fā)展方向。碳纖維吸波材料屬于功能和結(jié)構(gòu)一體化的優(yōu)良吸波材料，隨著隱身結(jié)構(gòu)材料的完善和提高，碳纖維復(fù)合材料的需求還將持續(xù)增長(zhǎng)。

（2）導(dǎo)彈火箭

碳纖維憑借耐燒蝕和輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于火箭的助推器、防護(hù)罩、發(fā)動(dòng)機(jī)罩和導(dǎo)彈殼體、發(fā)射筒等結(jié)構(gòu)。

碳纖維復(fù)合材料可有效減輕火箭和導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)質(zhì)量，加大火箭和導(dǎo)彈的射程，提高落點(diǎn)的精度，如戰(zhàn)略導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)第三級(jí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量減少1kg，可增加射程16km，彈頭質(zhì)量減少1kg，可以增程20km，碳纖維復(fù)合材料的使用能提高有效載荷的運(yùn)載能力。

碳/碳纖維復(fù)合材料C/CFRP是用來制造洲際彈道導(dǎo)彈的鼻錐、發(fā)動(dòng)機(jī)噴管和殼體的最好選材。其不僅具有優(yōu)異的熱力學(xué)性能，而且在燒蝕過程中燒蝕率低、燒蝕均勻和對(duì)稱，能夠保持良好的氣動(dòng)外形，有利于減少非制導(dǎo)誤差。C/CFRP在美國(guó)民兵、三叉戟、MK等戰(zhàn)略導(dǎo)彈上均已成熟應(yīng)用。碳纖維復(fù)合材料還應(yīng)用于固體發(fā)動(dòng)機(jī)殼體，如美國(guó)戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈、大力神-4火箭、法國(guó)的阿里安-2火箭改型、日本的M-5火箭等。

（3）裝甲防護(hù)

由于碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的輕質(zhì)、高強(qiáng)等優(yōu)異性能，在裝甲防護(hù)領(lǐng)域如防護(hù)服、裝甲艦艇、裝甲車輛等均有應(yīng)用。CFRP用于制造裝甲車輛、艦艇，除裝甲防護(hù)外，還能提高速度、節(jié)省燃料。如，美國(guó)的“短劍”高速快艇是使用CFRP一次成型制造的船體，船體外表光滑，重量大大降低，同時(shí)其磁信號(hào)特征也非常小，不易觸發(fā)水雷。即使被魚雷和導(dǎo)彈擊中后，碳纖維船體很難完全解體，可避免毀滅性后果。

(4)其他

碳纖維材料還因其導(dǎo)電、高強(qiáng)度、耐腐蝕等性能，被應(yīng)用在炸彈（石墨炸彈）、軍用機(jī)架箱、壓力容器（潛艇、魚雷等的外壓力容器）等軍事領(lǐng)域。（編寫：中物院科技信息中心 ?任正平 ，來源：最新科技進(jìn)展）

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