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        材料里的“黑黃金”

        2023-03-02 11:01:07周軍
        閱讀(科學探秘) 2023年2期
        關鍵詞:網(wǎng)球拍耐腐蝕性重量

        周軍

        小到球拍、釣魚竿等民用產(chǎn)品,大到飛機、衛(wèi)星和導彈等高精尖設備,都是碳纖維大展身手的領域。

        一桶標準的碳纖維,重約1千克,長15000米。它的顏色黑黑的,其貌不揚,但是它確實很神奇。它是由我們人造的有機纖維經(jīng)過高溫轉化得到的含碳量達到90%以上的一種無機纖維,也叫“黑黃金”。為什么說是神奇的碳纖維呢?主要體現(xiàn)在五個方面:

        第一是細如發(fā)絲。碳纖維直徑大約為5~8微米。

        第二是輕如鴻毛。碳纖維的密度是鋼的五分之一,是鈦的五分之二,是鋁的五分之三。用碳纖維做成的自行車,重量僅僅5千克。一位女士單手就可以很輕易地把它提起來。

        第三是強如鋼鐵。首先,它的強度高,一束標準的12K碳纖維可以承受130千克左右的重量;其次,碳纖維非常耐高溫,在3000℃下依然安然無恙。

        第四是制備非常難。它的制備難度是可以與航空發(fā)動機制造、芯片制造、微納制造比擬的,也是集人類工業(yè)文明之大成的杰作之一。

        第五是貴如黃金。因為碳纖維的制備非常難,流程非常長,所以它非常貴。目前宇航級的碳纖維的價格約在每千克千元到萬元這個范圍,是鋼和鋁合金的幾十倍。

        碳纖維還有很多其他優(yōu)點,如它的耐腐蝕性能好,能耐各種酸、堿、油,還包括海洋環(huán)境。它的耐腐蝕性能優(yōu)于黃金和白金。同時,碳纖維還有一個非常奇特的特點,就是它的膨脹系數(shù)接近0,在-100℃到100℃之間,它的尺寸基本保持不變。另外,把碳纖維做成復合材料以后,它的抗疲勞性能非常好。

        碳纖維是航空航天競爭力的一個重要標志。中國已經(jīng)成為世界上第三個自主擁有衛(wèi)星導航系統(tǒng)的國家。在這方面碳纖維是功不可沒的。北斗衛(wèi)星看起來就像一座房子帶著兩只翅膀。它的“房子”和“翅膀”都是用碳纖維復合材料做的。為什么要用碳纖維?首先,衛(wèi)星要裝足夠多的儀器設備,要求它的結構重量比要小于5%,所以必須用碳纖維;其次,衛(wèi)星的天線、相機等設備要求很高的精度,還要解決熱變形的問題,碳纖維正好具有這方面的優(yōu)勢。所以現(xiàn)在包括北斗衛(wèi)星在內的高性能衛(wèi)星都是碳纖維復合材料制做的。

        碳纖維還是提升競技體育成績的一個制勝法寶,在體育器材上應用廣泛。碳纖維的網(wǎng)球拍現(xiàn)在已經(jīng)成為冠軍選手必備的裝備。用碳纖維制作的網(wǎng)球拍,最高球速可以達到每小時近250千米,而高性能的鋁合金網(wǎng)球拍只能達到每小時200千米左右,速度提高了20%以上。

        碳纖維將是第四次工業(yè)革命的一個重要物質支撐。在即將到來的星際航行、清潔能源和人工智能時代,碳纖維也將大有作為。人類要進入宇宙空間,要探索月球,要進行載人登月,要探測火星,也有可能要進行載人火星探測,要探索其他行星和小行星。從進入宇宙空間到駐留宇宙空間,再到探索宇宙空間,包括今后建立宇宙空間的科考站,碳纖維都是不可或缺的。

        人工智能時代已經(jīng)到來,以機器人為代表的智能裝備,首先必須解決結構重量的問題,要輕量化,以保證它們的行走里程、續(xù)航時間等指標的達成。另外,這些智能裝備必須具備動態(tài)響應特性。碳纖維的復合材料在這些方面擁有其他材料無可比擬的優(yōu)勢。

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