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碳纖維生產線已在美國阿拉巴馬州迪凱特工廠投入使用，該生產線將全面支撐美陸軍“未來遠程攻擊機”（FLRAA）項目關鍵零部件研發(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)和應用在軍工領域發(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域的主要應用。
一、碳纖維復合材料的特性及應用
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構強度的前提下，大幅度減輕裝備的重量。例如，美國的 F-22 戰(zhàn)斗機在部分關鍵結構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構，相比傳統(tǒng)金屬結構，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。對于經常在海洋、沙漠等環(huán)境中執(zhí)行任務的武器裝備來說，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，這種經驗也為軍用飛機的設計和應用提供了參考。
二、碳纖維復合材料在軍用飛機上的應用
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。
提高結構強度
碳纖維的結構強度很高，能夠讓飛機機身在保證輕便的同時還能更加結實。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，機身表面已經有 70%的面積使用碳纖維復合材料了。在實際應用中，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，確保飛機的結構安全。
降低維護成本
戰(zhàn)斗機經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，減少了維護次數和成本。
隱身作用
通過碳纖維改性或者添加一些特殊物質，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)斗機在部分機身結構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構組成，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用
彈頭和噴管
碳纖維復合材料結實而又輕便的特點，在導彈領域非常受歡迎。早期主要應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”反艦導彈在部分結構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用
無人機對重量和成本非常敏感，碳纖維復合材料的應用可以帶來明顯的經濟效益和性能提升。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，復合材料應用比例都超過了 90%，中國的彩虹無人機復合材料應用比例也超過了 80%。
在無人機上大量應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)視任務中表現(xiàn)出色。
五、碳纖維復合材料在石墨炸彈中的應用
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，從而破壞當地電網造成電網癱瘓。電網一旦受到破壞，當地的通訊、照明、生產都會受到影響，而且短時間內難以恢復。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、結構強度大、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域，已經開始應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域的發(fā)展趨勢
應用范圍不斷擴大
隨著技術的不斷進步，碳纖維復合材料在軍工領域的應用范圍將不斷擴大。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技術的不斷成熟和規(guī)?；a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，隨著碳纖維生產技術的進步，碳纖維的價格逐漸下降，為碳纖維復合材料在軍工領域的廣泛應用創(chuàng)造了條件。
八、小結
碳纖維復合材料以其卓越的性能在軍工領域發(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、網絡）
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