现代战争既是先进武器装备的比拼，也是高性能材料的较量——
■许妍敏玥凡
日前，美国国家航空航天局与美国空军研究实验室联合研制出3D打印耐高温聚合物的新技术，未来有望应用于航空航天发动机，该技术使用的材料正是碳纤维。现代战争武器装备向着低能耗、大载荷、隐身化和高机动性快速发展，对制造武器的材料也提出了更高要求。被誉为“黑色黄金”的碳纤维复合材料，因其优异的材料特性而被广泛应用于国防军工等领域。借助碳纤维材料打造性能更优的武器装备，早已成为各军事强国比拼较量的新战场。
令人着迷的“黑色黄金”
还记得动画电影《超能陆战队》里的机器人“大白”吗？这个感动了无数人的医疗机器人的原型，体内骨骼正是由碳纤维材料打造，这才让外形软绵绵的他能经受住碾压摔打。事实上，就连此前曾经为超重问题所困扰的F-35战斗机，最终也是靠着使用多达35%的碳纤维复合材料才得以实现飞天梦想。被誉为“黑色黄金”的碳纤维，早已在国防军事领域得到广泛应用，是火箭、卫星、导弹、战斗机和舰船必不可少的基础材料。
碳纤维的起源最早可追溯至1860年，英国人瑟夫·斯旺在制作电灯灯丝时发明了碳纤维并获得了专利。碳纤维真正迎来研究应用“井喷”阶段，还是20世纪50年代之后的事。1958年，美国研究人员首次发现了高性能碳纤维，日本和英国研究人员紧随其后，对碳纤维的性能进行改进升级。到20世纪70年代，碳纤维材料开始在战斗机结构件上崭露头角，F-15、B-1、F-16以及F-18等战斗机上都能看到碳纤维材料的身影。除美国空军的F-22和F-35战斗机大量采用碳纤维复合材料外，X-47B、“全球鹰”等装备更是借助碳纤维材料，实现了有效载荷、续航能力和生存能力的大幅度提升。
用“坚如磐石、韧如发丝”来形容碳纤维材料毫不为过。别看碳纤维材料像纺织纤维一样柔软可加工，却是一种强度比钢大，且耐腐蚀、耐高温、导电导热性好的新一代高性能材料。人们平时接触最多的碳纤维材料自行车，就是借助了碳纤维材料没有塑性形变的特性，不但减轻了车身重量，更大大提升了自行车的使用寿命。
目前，碳纤维复合材料的特性还存在着巨大的提升空间。在碳纤维材料重点研究的树脂领域，碳纤维的应用将进一步提升武器装备各部件的使用寿命，并将显著改善武器装备抗冲击韧性、耐疲劳损伤性、工艺性和耐湿热性。美国国家航空航天局和美国空军研究实验室实现的3D打印，更将进一步提升加工大尺寸、复杂零部件的可靠性。
大国竞争的“新材料之王”
碳纤维是含碳量在95%以上的新型高性能纤维，制造技术难度大，是衡量武器装备系统先进性能的重要标志。碳纤维材料的制造工艺十分复杂，涉及化工、纺织、材料、精密机械等领域，是一项集多学科、精细化、高尖端技术于一体的系统工程。由于整个生产过程事关湿度、浓度、粘度、流量等上千个参数的高精度控制，稍有不慎就会严重影响碳纤维材料的性能和质量稳定性。因此，目前只有极少数国家能稳定生产出高性能碳纤维材料。
“上天下海”发展前景广阔
在航空制造领域，碳纤维材料的应用早已不可或缺。F-35战斗机飞行头盔主体就全部使用了高性能碳纤维材料，可将空速、航向、高度、目标信息和雷达警告等直接投射到头盔的面罩上，为飞行员提供了前所未有的态势感知能力。2015年开启全球飞行之旅的“阳光动力2号”太阳能飞机，整体结构的80%都采用了碳纤维材料做“保暖外衣”，在飞行过程中还节约出了更多的动力。除满足机体减重和特殊性能需求外，能有效吸收雷达波的碳纤维材料还为战机披上了“隐身外衣”。美国B-2轰炸机的机身和F-117A战斗机也都采用了碳纤维吸波材料。
在无人机领域，碳纤维材料更成为无可替代的“最佳外壳”。为保证承载和续航能力，无人机外壳需要结构强度大、重量轻的特殊材料。相比于此前广泛应用的铝合金和工程塑料，碳纤维材料重量轻、强度高，还具有较好的电磁屏蔽和隐身特性，且一体化制作成型较为方便，未来势必成为无人机外壳的主要材料。尤其是由碳纤维制成、仅重106毫克的微型无人机，能进入遭受挤压的狭小空间搜寻信息，在军用民用领域都有着广泛的应用前景。
碳纤维材料不仅能上天，还能下海。美国“福特”号航空母舰就大量使用碳纤维材料来“瘦身”，瑞典皇家海军“维斯比”级隐形护卫舰采用碳纤维材料，不但具有很高的强度和耐用性，还具有优良的抗冲击性能。印度海军在制造“吉尔坦号”和“卡瓦拉蒂号”护卫舰时，也曾专门从瑞典进口碳纤维材料。
此外，碳纤维材料也被大量应用于卫星、导弹和火箭发动机。尤其是卫星在太空飞行时面临“冰火两重天”，热膨胀系数几乎可以忽略不计的碳纤维材料恰恰是卫星的“拯救者”。研究人员甚至推出了一款碳纤维枪管，可大幅改善枪械的射击精度、耐用性和枪管寿命。一场属于碳纤维军事应用的“大戏”，才刚刚拉开帷幕。