黑色黃金，六代機必備材料碳纖維1

飛機是用什麼製造的呢 大部分人的答案應該是各種合金 但是伴隨着科技的發展 飛機的機身開始使用越來越多的碳纖維材料 甚至美軍的B2U0碳纖維佔比高達了50% 那麼碳纖維材料到底有什麼獨特之處 作爲該領域的霸主 美國和日本到底孰強孰弱 接下來跟大兵一起來看一下 首先呢 大家需要知道碳纖維是什麼 簡單來說呢 就是將有機纖維通過高溫碳化形成無機纖維 這種含碳量高於95%的無機纖維 就是大家平常所說的碳纖維 有着重量輕 高度強的優點 雖然密度呢 只有鋼的四分之一 但是強度卻是後者的七到十倍 而且彈性膜量也要比鋼高出三倍左右 同時 碳纖維還有着耐酸性強 穩定性好 能耐濃鹽酸 硫酸的腐蝕和親近 以及抗輻射和吸收有毒氣體 再加上碳纖維與其他材料有着很好的相容性 而且容易加工 彎度大 能夠製成曲線或者形狀複雜的部件 基於以上的這些優點 現今大多數武器都使用碳纖維複合材料 正在逐漸取代傳統的金屬材料 現今的被稱爲21世紀的材料和黑色黃金足以證明碳纖維在現代工業裏的價值 在軍用航空航天領域 碳纖維的運用尤其突出 主要作用就是爲飛行器減重 在同等載荷的情況下使用先進的航空鈦合金 雖然可以實現31 2%的減重 但如果使用碳纖維增強複合材料的話 減重比例將躍升至85 2% 這是一個非常離譜的數據 大兵呢 以戰機爲例 大家應該都清楚怎樣衡量一款戰機的性能 主要就是看它的五個核心指標 即巡航速度 機動性能 作戰半徑 有效載荷 以及發動機推重比 其中呢 推重比越大 意味着戰機的生力越大 在空中格鬥性能也就越好 而一款大量使用了碳纖維複合材料的發動機 能極大的減輕重量 從而提高發動機的推重比 同理 如果戰機機身使用大量的碳纖維複合材料 也能降低機身的結構重量 節省燃料 以此提高戰機的巡航速度 機動性能 作戰半徑 有效載荷 此外 碳纖維材料爲戰機減重 還是戰機實現超音速巡航和增強隱身性能的關鍵 以美軍戰機爲例 其戰機轟炸機的機身 主翼 垂尾翼 平尾翼等蒙皮部位使用的基本都是 碳纖維複合材料 以此達到減重和提升耐疲勞 耐腐蝕性能 根據相關數據顯示 採用碳纖維複合材料的前機身段要比金屬結構減少了61.5%的零件 61.3%的緊固件 由於好處太多 現今碳纖維複合材料的佔比已經成爲衡量一款戰機先進程度的重要指標了 比如美國的F22的比例是24% F35爲35% B2U0的比例超過了50% RQ4全球鷹無人機的比例在65% 而X45Z X47B9 神經元 雷神這些無人機更是已經達到了90% 甚至有人戲稱它們爲碳素飛機 不過 在碳纖維家族裏面呢 其實也分三六九等的 目前各國航空航天領域中 T800級碳纖維的用量最大屬於第二代碳纖維 其強度呢 比第一代T300級提高了70% 模量提高了30% 雖然可以滿足現有飛行器的使用要求 但隨着各國新一代飛行器逐漸提上日程 比如第六代戰機 隱身無人作戰飛機 未來新型客機等等 這些新飛行器對性能的要求更高 需要重量更輕 載荷更高 維護更方便 進一步提高了對於材料的要求 T800級碳纖維逐漸開始力不從心了 畢竟它的模量仍然不足 用它製成的碳纖維負荷材料脆性偏高 容易產生材料疲勞 因此新一代碳纖維需要繼續提高模量 以滿足新一代飛行器的使用要求 於是第三代碳纖維誕生了 2014年3月 日本東立公司利用傳統的PAN溶液仿思技術 精細控制碳化過程 在納米尺度上改善了碳纖維的微結構 通過對碳化後纖維中石墨微晶取向 微晶尺寸 缺陷等進行控制 成功開發出了拉伸強度6.6G帕 拉伸模量324G帕的TORICA T1100G碳纖維及其預輕調 緊接着 2017年 東立公司又對商業化產品性能進行了修正 將T1100G碳纖維的拉伸強度由6.6G帕修正爲7.0G帕 並且公佈了纖維的規格 線密度 伸長等指標 由於東立的T1100G碳纖維拉伸強度達到了前所未有的高度 可以說代表了現今碳纖維材料的最高水平了 其定位是飛機主成立結構 火箭 體育用品等領域 那麼美國和日本的碳纖維行業到底誰更先進呢 目前 國際碳纖維市場基本上是由美日德三國壟斷 即日本的東立 美國的赫市 以及德國SGL 需要注意的是 雖然很多人都認爲碳纖維技術起源於日本 但真正的起源卻是英國 而碳纖維呢 其高性能化的基礎科學研究則是起源於美國 之所以先進的日本的碳纖維技術更爲先進 原因在於此前呢 美國對於碳纖維的研究一直都集中在人造絲基礎上 錯過了性能最好的PAN碳纖維的發展 至於英國 雖然是PAN技術的領頭羊 但是期間呢 由於羅羅公司把這個當時全球最先進的碳纖維技術使用在了難度最高的發動機葉片上 導致英國碳纖維行業一直沒能實現真正的商業化 後來 在找不到應用場景之後呢 英國將該項技術高價轉讓給了美國和日本 然後 日本東立公司直接繞過了最複雜的應用場景 也就是航空航天領域 直接在民用市場率先開始應用 比如大家熟悉的碳纖維釣魚杆 至於美國 也憑藉着波音飛機碳纖維的應用打開了市場 期間呢 美國的碳化物公司還和日本東立簽訂了技術互換協議 自此 兩家公司都擁有了高性能碳纖維生產的全過程技術 目前 在世界碳纖維生產製造廠家中 日本有着東立 東邦和三菱三家頂尖公司 美國呢 則主要是赫適 EXO和哲克泰爾爲代表 他們牢牢把持着高端和低端碳纖維市場的份額 也代表了世界最頂尖的碳纖維技術 現今 許多國家的武器上面都有日本所提供的碳纖維複合材料 比如美國的三叉戟二第五型潛射導彈 法國的m51新式洲際彈道導彈等等 需要注意的是 上述戰略導彈都是採用的碳 碳和碳樹脂複合材料 主要是製造洲際導彈的殼體和噴管 在這項技術領域呢 日本是世界領先水平 除此之外 按照產品規格的不同 碳纖維呢 還被劃分爲小絲樹和大絲樹 兩者的區別來源於碳纖維原絲數量 例如1k 3k 6k 12k 24k和48k等等 一般來說呢 小絲樹是指原絲數量每處是不超過2.4萬根的碳纖維 現今大多用於國防軍工等高科技領域 例如戰機 導彈 衛星等等 而大絲樹呢 則一般是指絲樹在4.8萬根以上的碳纖維 成本及售價相對於小絲樹更低 比較適合用於民用領域 比如風電 壓力容器等 從產能分佈上來看的話 小絲樹產品主要是集中在日本企業 大絲樹呢 則產能主要集中在歐美 其中 日本在全球小絲樹碳纖維市場上有着絕對優勢 2020年 日本全球市場份額達到了49% 而全球大絲樹市場則基本是被美國的赫氏和德國的SGL兩家公司壟斷 2020年 兩者呢 全球市場份額分別爲58%和31% 此外呢 爲了提升東立在美國的產量 在2022年10月6號 東立富財還投資 1500萬美元對阿拉巴馬州凱特迪士工廠進行升級改造 將T1100級碳纖維的產能擴大了一倍 旨在提升供應能力 縮短交貨時間 以快速響應美國 房屋市場對高性能碳纖維的需求 畢竟 東立T1100級碳纖維是美國防部多個重要武器系統的關鍵原材料 近期 東立集團更是在4月3號在其官網上發佈消息 將在4月18和19號在美國西雅圖舉行的峯會上 參加SAMPE2023在東立的衆多產品中呢 出現了由T1100和2510單向和平紋預浸料製成的主旋翼獎頁 能夠大幅提高強度 並最大限度的減少腐蝕 另外呢 還有消息稱 東立公司正在研究T2000級別的碳纖維 強度達到了60GPa 是T1100級碳纖維強度的10倍 講到這裏啊 這個碳纖維到底是在什麼時候開始應用於戰機領域的 其實早在1879年 愛迪生就用纖維素纖維首次製得了碳纖維 但是由於當時製得的纖維力學性能很低 工藝呢 也不能工藝化 未能獲得發展 到了上世紀50年代 隨着火箭 航空等尖端技術的發展 碳纖維材料開始受到各界的廣泛關注 1956年 美國聯合碳化公司推出的索納爾25碳纖維成爲商業化成功的典範 20世紀60年代初 日本近藤昭南發明了以聚丙錫晶纖維爲原材料製取碳纖維的方法 在1969年 日本碳公司開發了高性能聚丙錫晶基碳纖維獲得成功 隨後 日本和美國的幾家公司在1969到1982年期間 相繼開發了聚丙錫晶基碳纖維和利氫基碳纖維等高性能產品 並不斷提高它們的強度和模量水平 1980年代後 利氫基碳纖維盛行 碳纖維的技術水平也得到極大提升 而碳纖維在飛機領域的應用則是在上世紀70年代中期 隨着以碳纖維爲增強體的高性能複合材料誕生 開啓了複合材料在飛機上的大規模應用 由於其具備高比強度 高比模量 耐腐蝕 耐疲勞性能 非常適合航空裝備的需求 在這期間呢 軍機的垂尾 平尾 受力較大 尺寸較大的部件開始逐步使用碳纖維複合材料 比如F15 F16 F18米格29幻影2000等戰機的複合材料尾翼 垂尾 而到了現今 各國軍機的尾翼基本都採用了複合材料 而在尾翼進入複合材料時代後呢 複合材料的應用開始向軍機的機翼 機身等 結構受力大 尺寸大的主要構建發展 1976年 麥道公司率先研製了F18複合材料機翼 並在1982年正式進入美空軍服役 把複合材料用量提高到了13% 隨後 各國所研製的軍機的機翼也幾乎全部採用了複合材料 例如AV8B B2 FA18EF F22 F35 法國的陣風 瑞典的GS39等等 特別是美國的F35閃電二 該機呢 在蒙皮 機翼結構 機體結構部件上創造性的使用了大量的碳纖維複合材料 以佔全機總量的四分之一 佔機翼重量的三分之一 可以說 F35減重上碳纖維的功勞是首屈一指的 值得一提的是 F35的天價頭盔 它的主體呢 就是全部由高性能碳纖維製造的 此外 北卡羅萊納州立大學的研發團隊還開發了一種碳纖維增強複合聚合物蒙皮 以解決RAM限制引起的問題 未來將用於B21突襲者隱形轟炸機 該複合材料由碳納米管進行了增強 可以承受超過1800度的高溫 並且有助於傳導傳入的電磁能 實驗證明 這種複合材料擁有極低的發射率 幾乎無法被檢測到 與現今隱形戰機所使用只能吸收70到80%的RAM相比 對電磁波的吸收率可達90%以上 而除了以上這些呢 現今美軍幾乎所有裝備都有含有碳纖維材料 小到防彈頭盔 防彈衣 大到M80隱身攻擊艇 甚至就連福特號航母都是用了該類材料 總結來說 碳纖維作爲21世紀新材料的無眠之王 隨着未來技術的不斷發展 必將成爲軍事和民用領域的核心 甚至有可能誕生完全由碳纖維材料製成的機甲 好了 今天的視頻到這裏就結束了 如果視頻中有出錯的地方 歡迎各位在評論區內指正 喜歡的朋友請點贊關注 之後大兵會爲大家帶來更多更精彩的視頻 我們下期再見