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既坚如磐石,又韧如发丝,它是自古以来人类在材料领域孜孜以求的品质.5月底,在北京举行的第十届SAMPE国际先进材料展览会上,一卷卷如布匹般的黑色编织物引人驻足,原来这就是从新材料中一跃而起的“黑马”——碳纤维的真容,不仅兼顾柔中带刚的特性,还具有不怕强酸腐蚀、耐超高温、具有导电导热性和电磁屏蔽性等诸多闪光点.
它正在塑造“大明星”
碳纤维材料的质量较轻,密度只是普通纸张的1/3.因它的有力支撑,令最近冉冉升起的很多“明星”更加充满魅力、令人着迷.
今年3月,开启全球飞行之旅的、由瑞士制造的零耗油“阳光动力2号”太阳能飞机,整体结构的80%都采用了蜂窝状碳纤维材料做“保暖外衣”,使这个体型庞大、翼展达到72米、比波音747客机还要宽的大飞机,重量仅为2300公斤,与一辆家用汽车相当,由此在飞行过程中节约了更多的动力.与此同时,能够在飞行高度达8500米时,抵御零下30℃的严寒.
日前,外媒刊载的最新发明无动力机械外骨骼,由轻质的碳纤维材质制成,仅仅借助于巧妙的生物力学结构,能帮助人们在行走时减少7%的能量消耗,基本相当于减重4.5公斤,这对于有行走困难的残疾人和需要经常长途跋涉的特种士兵来说,无疑是个好消息.
就连第87届最佳奥斯卡动画长片《超能陆战队》中,萌入千万少男少女心坎的暖男医疗型机器人“大白”（Baymax）,其体内碳纤维骨骼的构想都十分符合未来理想中机器人的设计,因此其在剧情中虽外型柔软得泡泡鼓鼓,却能经受极强的碾压摔打,“担当范儿”十足.
军事强国必争之材
实际上,被誉为“新材料之王”的碳纤维,特别是在军用上的高强度碳纤维原丝及其生产技术,是西方国家严格禁运的最重要技术.由于其可用于国防军工制造武器,一定强度以上的碳纤维需要获得批准才能出口,达到与技术相提并论的禁运等级.
在冷战时期,碳纤维生产技术属于技术密集型和政治敏感材料,以美国为首的巴黎统筹委员会对当时的社会主义阵营实行禁运.战争结束后,由于碳纤维的高技术含量、高利润回报,西方国家仍然对发展中国家实施禁运,尤其是在聚丙烯腈（PAN）原丝生产技术进口方面,即使有的国家已加入了世界贸易组织,也没有多少改变.
上天纵地大显身手
碳纤维虽然轻,看似如同塑料,但实际上其抗冲击性比钢铁强,机械强度和抗冲击性更高,有较好的安全性.因此,当前不少国家都在积极布局,着力发展碳纤维产业,将其作为抢占下一轮工业和国防竞争制高点的重要支撑.
以汽车为例,碳纤维技术不仅可以使车身轻量化,同时还可以强化车身强度.采用碳纤维制造的车,重量仅相当于普通钢材汽车的20%到30%,硬度却在10倍以上.而车重每减10%,便可降低6%到8%的油耗,降低5%到6%的排放,在同样用油情况下,一辆车每小时可以多开50公里,有助于提升车的加速与制动性能.
在复合材料的配合下,碳纤维汽车俨然成为家用车中的装甲车.为此,日本计划未来5年投资20亿日元,支持碳纤维原材料企业和汽车主机厂的合作,而美国能源部今明两年将为同类项目提供2175万美元的资金支持.业内人士评价说,如果说福特创建流水线生产是汽车行业的首次革命,那么碳纤维+新能源可能预示着第二次汽车革命.
在航空制造方面,从1995年起,航空应用中对碳纤维的需求不断增多.美国波音公司推出新一代高速宽体客机——“音速巡洋舰”,约60%的结构部件都将采用强化碳纤维塑料复合材料制成,其中包括机翼.它比铝轻,但强度不相上下.碳纤维复合材料在民用飞机上的应用被特别看好,目前新增产能均以满足航空需要的高性能碳纤维及复合材料为主,未来5到10年内碳纤维复合材料在民用飞机上的应用也将高速增长.据预测,世界航空航天领域对碳纤维复合材料的总需求,2018年将达到2万吨.
新材料论文参考资料：
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