提起“碳”，人們并不陌生。碳元素既能以有機(jī)化合物的形式廣泛存在于石油、煤、木炭等物質(zhì)中，也能以單質(zhì)的形式存在，構(gòu)成金剛石、石墨等多種物質(zhì)。這些由碳元素構(gòu)成的不同物質(zhì)，之所以呈現(xiàn)出不同的形態(tài)，在于它們內(nèi)部的碳原子排列組合不同：在金剛石內(nèi)部，碳原子經(jīng)過(guò)一定的排列組合，形成一種特定結(jié)構(gòu)，使金剛石成為自然界中天然形成的最硬物質(zhì)；在木炭?jī)?nèi)部，碳原子的排列方式?jīng)Q定了其硬度低的特點(diǎn)，人們將木炭拿在手里，很容易就能把它折斷……

與此同時(shí)，在由碳元素構(gòu)成的眾多物質(zhì)或材料中，有一種含碳量超過(guò)90%的纖維材料，憑借“重量輕強(qiáng)度大”的特點(diǎn)吸引了世界各國(guó)熱切關(guān)注的目光，它就是——碳纖維。

環(huán)視我們的日常生活，大到航空航天材料，小到電腦、手機(jī)、平板等設(shè)備的散熱結(jié)構(gòu)，都能發(fā)現(xiàn)碳纖維的身影。那么，為什么大家如此熱衷于碳纖維復(fù)合材料？碳纖維復(fù)合材料有何特點(diǎn)？未來(lái)的發(fā)展前景如何？

“21世紀(jì)新材料之王”

還記得電影《速度與激情3》中炫酷的350Z跑車的車身嗎？還記得2022年北京冬奧會(huì)上閃耀奪目的火炬嗎？還記得我國(guó)國(guó)產(chǎn)大飛機(jī)C919的驚艷亮相嗎？它們的制作材料中，都包括碳纖維。憑借優(yōu)異的性能，碳纖維不斷拓展應(yīng)用領(lǐng)域，被人們稱作“21世紀(jì)新材料之王”和“黑黃金”。

——航空航天領(lǐng)域。與常見(jiàn)的以金屬元素為主的高強(qiáng)度材料相比，碳纖維最顯著的特點(diǎn)就是在保證材料強(qiáng)度的同時(shí)，大大減輕了構(gòu)件重量。以一束1米長(zhǎng)的某型碳纖維為例，其重量只有0.5克，但其強(qiáng)度可以承擔(dān)500公斤左右的力量。手指粗的一束碳纖維，就可以拉動(dòng)兩架飛機(jī)。

2020年5月，“長(zhǎng)征五號(hào)B”運(yùn)載火箭在文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。其中，火箭助推器的殼體表面就大量采用了碳纖維泡沫夾層結(jié)構(gòu)材料，使其能夠在高溫高壓下正常運(yùn)作。據(jù)悉，與應(yīng)用金屬材料相比，應(yīng)用碳纖維可以減重50%左右；與普通復(fù)合材料相比，可以減重30%左右。

目前，由精細(xì)絲束碳纖維復(fù)合而成的材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和戰(zhàn)斗機(jī)材料領(lǐng)域。2024年4月15日，印度國(guó)家航天機(jī)構(gòu)——印度空間研究組織宣稱，其成功研發(fā)應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的輕質(zhì)碳纖維材料，可以有效減輕火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴嘴67%的重量。

——海上裝備制造領(lǐng)域。首先，憑借超高的抗腐蝕能力，碳纖維在軍艦制造領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。經(jīng)過(guò)不同的編織工藝加工，碳纖維可與特定樹(shù)脂等材料結(jié)合，進(jìn)而制造出輕量化、高強(qiáng)度的艦體、桅桿、艦橋的結(jié)構(gòu)部件。有了這種結(jié)構(gòu)部件，不僅可以減輕艦船重量、提高艦船移動(dòng)速度和靈活性，還可以增強(qiáng)艦船的抗拉強(qiáng)度和抗沖擊性能，減少海水腐蝕及海洋生物附著艦船，提高艦船的作戰(zhàn)效率和生存能力。

其次，還有一些特殊的碳纖維，能夠顯著提高艦船抵抗雷達(dá)掃描的能力，進(jìn)而加強(qiáng)艦船的隱蔽性。比如瑞典“維斯比”護(hù)衛(wèi)艦在制造中大量使用了碳纖維復(fù)合材料，這些復(fù)合材料可以大幅降低雷達(dá)的反射面，有效提升護(hù)衛(wèi)艦的隱身性能。

——工程制造領(lǐng)域。與機(jī)械部件中經(jīng)常使用的不銹鋼相比，碳纖維的拉伸強(qiáng)度約為不銹鋼的10倍，單位重量的承受強(qiáng)度約為不銹鋼的40倍，但密度僅約為其四分之一。憑借優(yōu)異的拉伸強(qiáng)度，如今碳纖維被廣泛應(yīng)用于大型橋梁的搭建中。一般情況下，用于搭建橋梁的碳纖維，其拉伸強(qiáng)度最高可以達(dá)到3000MPa以上，如果應(yīng)用的是高強(qiáng)度級(jí)別的碳纖維，拉伸強(qiáng)度的數(shù)值還可以翻倍。

——體育休閑領(lǐng)域。這是碳纖維較早得到規(guī)?；逃玫念I(lǐng)域。比如高爾夫球桿、網(wǎng)球拍、自行車架、滑雪板等，利用碳纖維復(fù)合材料制作的高爾夫球桿重量只有50克左右。相信隨著人們體育消費(fèi)水平、消費(fèi)追求逐步提升，能夠提升體驗(yàn)感的高性能體育產(chǎn)品將越來(lái)越受到人們青睞，碳纖維體育用品將會(huì)占據(jù)更大的市場(chǎng)份額。

事實(shí)上，碳纖維的廣泛應(yīng)用，不僅帶來(lái)了應(yīng)用領(lǐng)域的“輕量化”，還帶來(lái)了“節(jié)能減排”的附加效果。比如空客A350廣泛使用碳纖維作為飛機(jī)構(gòu)件的材料，碳纖維在整個(gè)飛機(jī)的總含量占比超過(guò)50%。這使得飛機(jī)的重量大大減輕，進(jìn)而帶來(lái)燃油量的降低，在降低運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)減少了碳排放。

又如近年來(lái)在汽車領(lǐng)域，碳纖維復(fù)合材料不斷應(yīng)用于汽車車身、制動(dòng)盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)等構(gòu)件，使汽車部件重量大大減輕，大幅提升車輛性能和續(xù)航里程，進(jìn)而節(jié)約燃油減少了二氧化碳的排放。在如今“碳中和”的背景下，在汽車制造中應(yīng)用碳纖維已經(jīng)成為未來(lái)汽車的一個(gè)主要發(fā)展方向。

目前，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)足的發(fā)展，碳纖維的身影已經(jīng)廣泛深入人類生產(chǎn)生活的方方面面。它給我們帶來(lái)的諸多改變，仍在持續(xù)深化。

面臨新的發(fā)展風(fēng)口

正如人們常說(shuō)“金無(wú)足赤”，被稱作“黑黃金”的碳纖維也難免存在“瑕疵”。與眾多優(yōu)質(zhì)特性相伴而來(lái)的，還有其相對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)工藝和流程。

公開(kāi)資料顯示，生產(chǎn)碳纖維一般要經(jīng)過(guò)上百道工序，300多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、3000多個(gè)工藝參數(shù)，經(jīng)過(guò)十多個(gè)系統(tǒng)的集成才能制作完成。

對(duì)碳纖維材料構(gòu)件的回收利用也是一個(gè)挑戰(zhàn)。碳纖維材料不會(huì)自然分解，如果在回收時(shí)采用高溫焚燒方法處理，會(huì)釋放有害物質(zhì)，污染環(huán)境。這使得人們不得不思考，未來(lái)如何有效地、可持續(xù)地處理碳纖維制品的廢棄物。

不過(guò)，即便如此，隨著高品質(zhì)碳纖維生產(chǎn)的不斷突破，以及相關(guān)領(lǐng)域高新技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，碳纖維的發(fā)展仍有相當(dāng)大的發(fā)展空間。補(bǔ)“短板”、拓“長(zhǎng)板”，碳纖維或?qū)⒂瓉?lái)新的發(fā)展風(fēng)口。

我們以碳纖維的軍事應(yīng)用為例。近年來(lái)流行這樣一種說(shuō)法，現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)既是高技術(shù)裝備之戰(zhàn)，更是高性能材料之戰(zhàn)?，F(xiàn)代武器裝備的發(fā)展，隱身化、低能耗、高機(jī)動(dòng)性等趨勢(shì)，對(duì)碳纖維復(fù)合材料的要求越來(lái)越高。

當(dāng)高品質(zhì)的碳纖維復(fù)合材料遇到與之相匹配的高性能作戰(zhàn)系統(tǒng)，二者疊加之后產(chǎn)生的作用力，使得碳纖維成為軍事強(qiáng)國(guó)比拼尖端實(shí)力的重頭戲。

應(yīng)用于先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的構(gòu)件。在戰(zhàn)場(chǎng)上，戰(zhàn)機(jī)每減輕1千克的重量，都意味著戰(zhàn)機(jī)更高的機(jī)動(dòng)性和飛行員更高的生存概率。目前，世界各大軍事強(qiáng)國(guó)都在不遺余力地發(fā)展碳纖維在先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)上的應(yīng)用：從一開(kāi)始在非重要部位使用碳纖維復(fù)合材料，到后來(lái)不斷拓展，碳纖維復(fù)合材料在飛機(jī)上使用的比例越來(lái)越高。

據(jù)外媒報(bào)道，不久前，美國(guó)博姆（Boom）超音速公司宣布XB-1超音速飛機(jī)在加利福尼亞州成功完成首次試飛。這架飛機(jī)的大部分部件由碳纖維制成，憑借多種類型的碳纖維復(fù)合材料就能很大程度上滿足飛機(jī)各個(gè)部件的性能需求。飛機(jī)在堅(jiān)固、輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，在有效載荷和生存能力方面也實(shí)現(xiàn)了新的突破。

應(yīng)用于無(wú)人機(jī)制造構(gòu)件。無(wú)人機(jī)在制造中使用碳纖維的比例同樣非常高。美國(guó)的“捕食者”和“影子”無(wú)人機(jī)，對(duì)碳纖維等復(fù)合材料的應(yīng)用比例甚至超過(guò)90%。隨著近年來(lái)無(wú)人機(jī)的飛速發(fā)展和戰(zhàn)場(chǎng)地位作用的凸顯，碳纖維復(fù)合材料正在迎來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

應(yīng)用于導(dǎo)彈制造。在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，有一種名叫石墨炸彈的武器。這種石墨炸彈，本身爆炸的威力并不大，但其爆炸以后會(huì)產(chǎn)生很多能導(dǎo)電的細(xì)絲，這些細(xì)絲能夠搭到電線上使電線短路，從而破壞當(dāng)?shù)氐碾娋W(wǎng)，造成電網(wǎng)癱瘓。據(jù)悉，這種細(xì)絲就是一種導(dǎo)電能力很強(qiáng)的碳纖維。炸彈釋放的碳纖維細(xì)絲密度很小，可以在空中長(zhǎng)時(shí)間飄浮，沉降下來(lái)就會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)很大傷害，而且短時(shí)間內(nèi)難以恢復(fù)。

今天，碳纖維材料的制備技術(shù)漸漸成熟，但世界各國(guó)仍在不停地展開(kāi)科研攻關(guān)。作為一種“全能型”材料，軍事應(yīng)用只是其廣泛用途中的“冰山一角”。我們有理由相信，未來(lái)隨著人工智能、納米技術(shù)等相關(guān)前沿技術(shù)的發(fā)展，碳纖維的強(qiáng)度、剛度、耐熱性等性能有望實(shí)現(xiàn)更多突破，滿足更多高端領(lǐng)域的需求，在人類科技進(jìn)步和生產(chǎn)生活中發(fā)揮更加重要的作用。

（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報(bào)》2024-06-14 第11版 內(nèi)容有刪減）