技术ℱ德国Fraunhofer推出PAN基碳纤维原丝熔融纺丝新工艺 附Fraunhofer简介

2024年8月13日，东丽复合材料美国公司（Toray Composite Materials America, Inc.）宣布，该公司Torayca T1100碳纤维生产线已在美国阿拉巴马州迪凯特工厂投入使用，该生产线将全面支撑美陆军“未来远程攻击机”（FLRAA）项目关键零部件研发与制造。FLRAA也成为目前公开报道中首个确定选用东丽T1100碳纤维的军用航空项目。随着科技的不断进步，新材料的研发和应用在军工领域发挥着越来越重要的作用。碳纤维复合材料以其卓越的性能，成为军工领域备受瞩目的材料之一。它具有高强度、高模量、低密度、耐腐蚀、抗疲劳等优点，在提高武器装备性能、降低成本、增强作战效能等方面具有不可替代的作用。本文将详细介绍碳纤维复合材料在陆上军工领域的主要应用。主要来源：材料PLUS、网络 Part 1碳纤维复合材料的特性及应用高强度和高模量碳纤维复合材料的强度和模量远高于传统金属材料，如钢、铝等。这使得它能够在保证结构强度的前提下，大幅度减轻装备的重量。例如，美国的 F-22 战斗机在部分关键结构上采用了碳纤维复合材料，在保证机身强度的同时，有效降低了整机重量，提高了飞行性能和机动性。低密度碳纤维复合材料的密度仅为钢的四分之一左右，铝的二分之一左右。这使得它在减轻重量方面具有巨大的优势，特别是对于需要高度机动性和远程作战能力的武器装备。以欧洲的 A400M 军用运输机为例，其大量采用碳纤维复合材料制造机身结构，相比传统金属结构，大大减轻了飞机的自重，增加了有效载荷和航程。耐腐蚀碳纤维复合材料具有良好的耐腐蚀性能，能够在恶劣的环境下长期使用。对于经常在海洋、沙漠等环境中执行任务的武器装备来说，耐腐蚀性能尤为重要。比如，美国海军的部分舰艇在一些关键部位采用碳纤维复合材料，有效抵抗了海水的腐蚀，降低了维护成本。抗疲劳碳纤维复合材料具有良好的抗疲劳性能，能够承受长期的循环载荷而不发生疲劳破坏。这对于需要频繁起降、高速飞行的飞行器和长期在海上航行的舰艇来说，具有重要的意义。例如，民航客机波音 787 大量使用碳纤维复合材料，其在长期的商业运营中表现出了出色的抗疲劳性能，这种经验也为军用飞机的设计和应用提供了参考。Part 2碳纤维复合材料在军用飞机上的应用减轻重量提高性能对于军用飞机来说，减轻重量是提高性能的关键。达到超音速的飞机，如歼 -20、F -35 等，减轻 1 千克的重量不仅可以带来几千块钱的经济效益，同时还可以提高飞机的机动性，让飞机在战场上获得更明显的优势。通过使用碳纤维复合材料，歼 -20 机身重量相对于使用铝合金材料来说，降低了 9%左右，省出来的重量对于提升飞机的机动性和续航能力非常有帮助。美国的 F-35 战斗机使用了大概 35%的碳纤维复合材料，有效降低了机身重量，提高了燃油效率和作战半径。提高结构强度碳纤维的结构强度很高，能够让飞机机身在保证轻便的同时还能更加结实。先进的大飞机和战斗机都可以大范围使用碳纤维复合材料，像欧洲的台风战斗机，机身表面已经有 70%的面积使用碳纤维复合材料了。在实际应用中，碳纤维复合材料能够承受高速飞行时的空气动力和机动过载，确保飞机的结构安全。 降低维护成本战斗机经常需要在空气盐分含量比较高的沿海地区活动，普通的金属材料很容易被腐蚀，飞机的保养成本非常高。而碳纤维复合材料抗腐蚀能力比较强，不受空气中盐分的影响，飞机不容易腐蚀，从而降低维护保养的费用。例如，法国的“阵风”战斗机在一些易受腐蚀的部位采用碳纤维复合材料，减少了维护次数和成本。隐身作用通过碳纤维改性或者添加一些特殊物质，碳纤维复合材料还可以起到隐身的作用。特殊处理的碳纤维复合材料可以吸收雷达波，减少雷达波的反射，从而减少被雷达探测到的机会。俄罗斯的苏 -57 战斗机在部分机身结构上采用了具有隐身性能的碳纤维复合材料，提高了飞机的隐身能力。瑞典鹰狮战斗机主要由碳纤维复合材料结构组成，占机身重量的25%，同时也使用了玻璃纤维复合材料和芳纶纤维复合材料。其设计不像其他一些第四代战斗机那样隐身，然而，战斗机的小尺寸和减少的特征进气道减少了其整体雷达横截面。Part 3碳纤维复合材料在军用导弹上的应用弹头和喷管碳纤维复合材料结实而又轻便的特点，在导弹领域非常受欢迎。早期主要应用于导弹的弹头部位和固体发动机的喷管，节约重量节省成本的同时，还能增加弹体强度、增加导弹射程、提高落点精度。中国著名的东风31导弹，就使用了碳纤维复合材料的弹头外壳，通过降低弹头重量，来改善导弹的性能，提升导弹的射程和打击精度。到了东风41导弹，碳纤维复合材料使用比例明显提高，导弹外壳也换成了碳纤维复合材料，更加明显地提高了导弹性能，射程更远、携带弹头更多、打击精度更高。美国的“战斧”巡航导弹在弹头和喷管部位采用碳纤维复合材料，提高了导弹的性能和作战效能。火箭外壳和发射筒除了弹头和喷管以外，火箭外壳、火箭发射筒等也开始使用碳纤维复合材料。中国著名的东风 31 导弹使用了碳纤维复合材料的弹头外壳，东风 41 导弹碳纤维复合材料使用比例明显提高，导弹外壳也换成了碳纤维复合材料，提高了导弹性能，射程更远、携带弹头更多、打击精度更高。 潜射导弹和机载导弹潜艇发射的潜射导弹和飞机发射的导弹对弹体重量更加敏感，应用碳纤维复合材料的比例更高。机载导弹通过自身减重，增加飞机的弹载量，降低飞机的负担，提高导弹的射程和打击精度。例如，法国的“飞鱼”反舰导弹在部分结构上采用碳纤维复合材料，提高了导弹的性能和适装性。Part 4碳纤维复合材料在无人机上的应用无人机对重量和成本非常敏感，碳纤维复合材料的应用可以带来明显的经济效益和性能提升。美国的全球鹰无人机碳纤维复合材料使用比例高达 65%。中国的云影无人机使用比例达到 60%，美国的捕食者无人机和影子无人机，复合材料应用比例都超过了 90%，中国的彩虹无人机复合材料应用比例也超过了 80%。在无人机上大量应用碳纤维复合材料可以降低机身重量，提高续航能力和载荷能力。例如，以色列的“苍鹭”无人机采用碳纤维复合材料制造机身，具有长航时、高载荷的特点，在侦察和监视任务中表现出色。Part 5碳纤维复合材料在石墨炸弹中的应用在伊拉克战争中，石墨炸弹让人刮目相看。这种炸弹释放的细丝就是一种导电能力很强的碳纤维，通过特殊改性还能加强导电能力。碳纤维细丝爆炸后能够搭到电线上，让电线短路，从而破坏当地电网造成电网瘫痪。电网一旦受到破坏，当地的通讯、照明、生产都会受到影响，而且短时间内难以恢复。例如，在科索沃战争中，北约部队使用石墨炸弹攻击了南联盟的电力设施，造成了大面积停电，严重影响了南联盟的战争潜力。Part 6碳纤维复合材料在特殊防护服中的应用防弹衣虽然目前主流的防弹衣并不是用碳纤维材料来制造的，但随着碳纤维材料生产成本的不断下降，其优异的性能优势越来越有吸引力。碳纤维用来做防弹衣的面料，有重量轻、结构强度大、导热性好等优点，子弹打到上面，不仅可以迅速分散受力，还可以快速传导热量，减少局部受损情况。碳纤维复合材料还可以用来做防弹衣的夹心材料，也就是防护板，以及防弹的头盔等防护器具。例如，一些特种部队开始试用碳纤维复合材料制作的防弹衣和头盔，在保证防护性能的同时，减轻了士兵的负重，提高了行动能力。热防护服碳纤维材料结合气凝胶材料可以制作出非常好的热防护服，能保护战士在高温环境下作战，提高战士在火灾中的生存能力。碳纤维本身导热性好，有利于分散热量，避免局部过热，而气凝胶又能有效隔绝热量。例如，在消防和抢险救援等领域，已经开始应用碳纤维复合材料制作的热防护服，为救援人员提供更好的保护。电磁防护服装碳纤维本身就有不错的导电性，能够屏蔽电磁波。为了增强屏蔽效果，往往还会在碳纤维之外再添加一些特殊成分，能够大幅度提升对电磁辐射的防护能力，避免电磁辐射对士兵身体的伤害。例如，在电子战和通信等领域，士兵需要穿着电磁防护服装来保护自己免受电磁辐射的影响。Part 7碳纤维复合材料在军工领域的发展趋势应用范围不断扩大随着技术的不断进步，碳纤维复合材料在军工领域的应用范围将不断扩大。除了军用飞机、导弹、无人机、特殊防护服等领域，未来还将在舰艇、坦克、装甲车等武器装备上得到更广泛的应用。例如，一些新型舰艇开始采用碳纤维复合材料制造上层建筑，降低了舰艇的重心，提高了稳定性和隐身性能。性能不断提升通过不断改进碳纤维复合材料的制造工艺和性能，提高其强度、模量、耐腐蚀性、抗疲劳性等性能指标，满足更高的军事需求。同时，还将开发出具有更多特殊功能的碳纤维复合材料，如自修复、智能感知等。例如，研究人员正在探索开发具有自修复功能的碳纤维复合材料，当材料受到损伤时，能够自动修复，提高装备的可靠性和使用寿命。成本不断降低随着碳纤维复合材料生产技术的不断成熟和规模化生产的实现，其成本将不断降低。这将使得更多的武器装备能够采用碳纤维复合材料，提高武器装备的性能和作战效能。例如，随着碳纤维生产技术的进步，碳纤维的价格逐渐下降，为碳纤维复合材料在军工领域的广泛应用创造了条件。 小结 碳纤维复合材料以其卓越的性能在军工领域发挥着重要的作用。它在军用飞机、导弹、无人机、石墨炸弹、特殊防护服等方面的应用，提高了武器装备的性能、降低了成本、增强了作战效能。相信在未来的军事领域中，碳纤维复合材料将发挥更加重要的作用。来源：荣格复材技术来源：碳纤维生产技术