一、利于军工领域发展的碳纤维特性

现代信息化战争既是高技术装备之战，也是高性能材料之战。碳纤维性能优异，外柔内刚，兼具电学、热学和力学等综合特性。它强度高、韧性好，可大幅提升现代武器装备系统作战性能。有着密度低、高强度、高模量、耐高温、耐严寒、耐摩擦、耐腐蚀、导电、抗冲击、电磁屏蔽效果好等一系列优越的性能，是重要的军事战略材料。
 

碳纤维复合材料是一种由碳纤维与树脂、金属、陶瓷等基体复合而成的高性能材料，具有高强度、高模量、密度低、耐腐蚀、耐高温等优异性能。在军工领域，对武器装备的性能要求高，碳纤维复合材料因其独特的性能优势，成为了现代军工装备制造的重要材料，为提升武器装备的性能和作战能力发挥了关键作用。

 

二、碳纤维在军工领域中的具体应用（飞行器领域）

碳纤维具有质轻、高强度、高模量、耐腐蚀、耐高温等特点，碳纤维及其复合材料被广泛应用于火箭、导弹、装甲防护等军工领域，使军事装备性能不断提高。碳纤维及其复合材料已成为现代国防军工武器装备的重要战略物资。
 

1.军用飞机

目前世界先进军机中复合材料用量占全机结构重量的20%-50%不等，主要应用复合材料的部位包括整流罩、平尾、垂尾、平尾翼盒、机翼、中前机身等。如果复合材料占飞机总重量的50%左右，则全机绝大部分结构件由复合材料制成，如B-2隐形轰炸机。 在军用飞机应用碳纤维的优势毋庸置疑，以歼-20、F-35为例，减轻1千克的重量不仅可以带来经济效益，同时通过减轻飞机自身的重量也可以提高飞机的机动性，让飞机在战场上获得更明显的优势。机动性越好的飞机，在战场上生存的概率越高，被击落的可能性越小。 除了先进战斗机以外，很多直升机的机身材料也开始大量使用碳纤维复合材料，包括飞机外壳和机翼，起到降低机身重量的作用。并且用来降低战争成本的无人机使用碳纤维的比例却是各类飞机中高的。像美国的全球鹰无人机碳纤维复合材料使用比例高达65%，中国的云影无人机使用比例达到60%，美国的捕食者无人机和影子无人机复合材料应用比例都超过了90%，中国的彩虹无人机复合材料应用比例也超过了80%。由此可见，在无人机上大量应用碳纤维复合材料带来的经济效益更明显，带来的飞机性能提升也更明显。 在军用飞机应用碳纤维的优势毋庸置疑，以歼-20、F-35为例，减轻1千克的重量不仅可以带来经济效益，同时通过减轻飞机自身的重量也可以提高飞机的机动性，让飞机在战场上获得更明显的优势。机动性越好的飞机，在战场上生存的概率越高，被击落的可能性越小。 除了先进战斗机以外，很多直升机的机身材料也开始大量使用碳纤维复合材料，包括飞机外壳和机翼，起到降低机身重量的作用。并且用来降低战争成本的无人机使用碳纤维的比例却是各类飞机中最高的。像美国的全球鹰无人机碳纤维复合材料使用比例高达65%，中国的云影无人机使用比例达到60%，美国的捕食者无人机和影子无人机复合材料应用比例都超过了90%，中国的彩虹无人机复合材料应用比例也超过了80%。由此可见，在无人机上大量应用碳纤维复合材料带来的经济效益更明显，带来的飞机性能提升也更明显。

 

 

2.战术及战略导弹

碳纤维复合材料结实而又轻便的特点，在导弹领域备受欢迎。早期主要应用于导弹的弹头部位和固体发动机的喷管，节约重量节省成本的同时，还能增加弹体强度、增加导弹射程、提高落点精度。目前碳纤维复合材料用于制造弹体整流罩、复合支架、仪器舱、诱饵舱、发射筒等主次承力结构部件。碳/碳纤维复合材料C/CFRP也是用来制造洲际弹道导弹的鼻锥、发动机喷管和壳体的最好选材。其不仅具有优异的热力学性能，而且在烧蚀过程中烧蚀率低、烧蚀均匀和对称，能够保持良好的气动外形，有利于减少非制导误差。据统计，导弹固体火箭发动机第三级结构质量每减少1kg，可增加有效射程16km，自20世纪80年代以来，多种战术导弹的固体发动机壳体等结构开始使用该材料。美国新一代空面巡航导弹 ACMI58-JASSM 为降低成本、减轻弹体重量，不仅弹翼、尾翼、进气道采用复合材料，整个弹身全部舱段都使用了碳纤维复合材料，全弹减重了30%，成本降低50%。

 

3、运载火箭

在运载火箭领域，碳纤维复合材料可用于制造固体发动机壳体结构、箭体整流罩、仪器舱、级间段、发动机喷管喉衬、卫星支架、低温贮箱等部件。例如，美国“中子”（Neutron）号火箭采用碳纤维复合材料结构，其载荷能力达8吨，可用于载人航天、大型卫星星座发射和深空探测等任务。火箭发动机壳体在工作时需承受来自内外部的压力，以及轴压、弯曲、扭转及横剪等外部载荷，因此所用的碳纤维大多为强度5.5GPa以上、模量290GPa左右的高强中模碳纤维，如日本东丽T800、T1000和美国赫氏IM7等。近年我国已经在多种型号的运载火箭，特别是上面级结构中广泛采用复材，有效地减轻了上面级结构质量，对提高运载火箭发射有效载荷的能力具有十分明显的效果。例如，在“开拓者-1”小型运载火箭的第四级发动机“采用了高性能碳纤维壳体;长征火箭(CZ-2C、CZ-2E、CZ-3A)的卫星接口支架和有效载荷支架(前后端框、环框、壳段、弹簧支架、井字形梁) 采用了碳纤维增强环氧树脂基复材。

 

4、卫星和航天器

目前，卫星的主要结构部件(太阳能电池阵、有效载荷、本体结构、桁架)都普遍采用了高性能复合材料。卫星使用复合材料对减轻质量的作用非常明显，一般说来，每减轻1kg卫星质量，就可使发射质量减轻100kg，因此卫星上应用复材较为广泛，尤其是高模碳纤维的应用较多。1993年发射的9颗Intelsat-7卫星中，先进复合材料已占其结构质量的50%。卫星的减重对于提高其性能和任务能力具有重要意义。美国康维尔公司为双元“OV - I”卫星制作了CFRP的四根大梁结构，减重68%；美国“ATS”卫星的地球观测舱CFRP连接支架，长4.4米，仅重3.6公斤，可承受9顿负荷，比最好的金属支架减重50%以上，而且高低温度下的变形很小。我国卫星从20世纪80年代中后期起，复合材料结构件用量迅速增加，使得卫星结构质量不断减轻。例如我国 2011 年发射的嫦娥二号探月卫星，其定向天线的重要支撑部分定向天线展开臂，由哈尔滨玻璃钢研究院研发的 CFRP 复材制成，总重量仅 500 余克，较使用铝合金材质减轻近 300 克，但承重能力毫不逊色。

 

三、碳纤维在军工领域中的具体应用（船舶制造）

复合材料质量轻、可设计性高、抗腐蚀性强，是未来追求更大有效负载、更强综合隐身能力、更低全寿期费用舰船装备的最佳材料选择之一。相比于钢和铝合金等传统造船结构材料，碳纤维复合材料具有以下优势：（1）易于制成流线型及其它复杂形状；（2）耐腐蚀性能优于传统金属材料；（3）能通过增强内部构件在阻尼振动下的稳定性而减少噪音的产生；（4）可减少雷达反射截面达到隐身效果;非磁性，不容易被鱼雷和水雷探测到；（5）能很大程度上降低舰艇的热学特征;能根据需要改变基体和增强体来达到特定的目标。（6）可有效提高舰船的稳定性、航速及运载能力；

 

应用案例：

瑞典皇家海军“维斯比”级（VisbyClass）隐形护卫舰是世界上第一个按照全隐形规范由碳纤维制造的战舰

美国“避风港”海事公司推出一种名为“梭鱼”的隐身高速拦截艇，这种采用深V船形的高速艇在海上的最大航速超过40节（约合时速74千米），最大续航距离达370千米（大致相当于从天津到烟台的海上里程），而且即使遭遇5级海况（浪高达4米）时也能正常航行。

 

四、碳纤维在军工领域中的具体应用（陆地武器装备）

1.坦克装甲车辆

在战车领域，碳纤维复合材料同样具有广阔的应用前景。通过采用碳纤维复合材料制造战车的车身和关键部件，可以显著减轻战车的重量，提高机动性和战场生存能力。同时，碳纤维复合材料的耐腐蚀和耐高温特性也有助于提升战车的可靠性和耐久性。碳纤维复合材料可以用于制造坦克和装甲车辆的装甲板、炮塔、车身等部件。其优异的防弹性能和抗冲击性能可以有效提高装甲车辆的防护能力，同时减轻车辆重量，提高机动性。碳纤维复合材料在坦克装甲车辆上的应用始于20世纪70年代，苏联T-64A是最早使用复材装甲的主战坦克，现今由玻纤、凯芙拉、碳纤维等作为增强材料研制出的复材装甲与同等防护级别的金属材料装甲相比，复材的使用可以使车体和炮塔结构的综合性能提高30%~50%，重量减轻40%~45%。

 

2.导弹发射装置

导弹发射装置对结构强度和精度要求较高，碳纤维复合材料可以满足这些要求。例如，导弹发射筒、发射架等部件采用碳纤维复合材料制造，可以减轻重量，提高发射精度和可靠性。例如我国著名的东风31导弹，就使用了碳纤维复合材料的弹头外壳，通过降低弹头重量，来改善导弹的性能，提升导弹的射程和打击精度。到了东风41导弹，碳纤维复合材料使用比例明显提高，导弹外壳也换成了碳纤维复合材料，更加明显地提高了导弹性能，射程更远、携带弹头更多、打击精度更高。

 

 

3、石墨炸弹

在伊拉克战争中有一种武器让人刮目相看，那就是石墨炸弹。这种石墨炸弹，本身爆炸的威力并不大，冲击波也不会带来太大的危害，但是爆炸完以后会产生很多能导电的细丝，这些细丝能够搭到电线上，让电线短路，从而破坏当地电网造成电网瘫痪。美国在后面的多次战役中均大量使用这种炸弹给敌方带来很大的损失。这种炸弹释放的细丝就是一种导电能力很强的碳纤维，碳纤维本身就有导电性，通过特殊改性还能加强导电能力。炸弹释放碳纤维细丝以后，由于碳纤维密度很小，可以在空中长时间漂浮，沉降下来以后就会给电网带来很大的危害。电网一旦受到破坏，当地的通讯、照明、生产都会受到影响，而且短时间内难以恢复，甚至有可能给发电站带来难以修复的伤害。

 

五、碳纤维在军工领域中的具体应用（防护器具）

由于碳纤维增强复合材料的轻质、高强等优异性能，在防护领域如防护服、防护头盔等方面均有应用。碳纤维用来做防弹衣的面料，有重量轻、结构强度大、导热性好等优势，子弹打到上面，不仅可以迅速分散受力，还可以快速传导热量，减少局部受损情况。当然，碳纤维不仅可以制作面料，碳纤维复合材料还可以用来做防弹衣的夹心材料，也就是防护板。用碳纤维复合材料制作的防护板质量轻，结构强度大，在有效防护士兵生命安全的同时，能尽量减少对士兵行动能力的影响。此外，碳纤维复合材料还可以用来制作防弹的头盔等防护器具，作用原理跟防护板差不多。

     

 

碳纤维不仅可以制作防弹衣，还可以用来制造热防护服装和电磁防护服装。碳纤维材料结合气凝胶材料就可以制作出非常好的热防护服，能保护战士在高温环境下作战，提高战士在火灾中的生存能力。碳纤维本身导热性好，有利于分散热量，避免局部过热，而气凝胶又能有效隔绝热量，及时外部大火直喷，也不会对衣服内部的人员造成伤害。至于电磁防护服装，则是利用碳纤维良好的导电性。碳纤维本身就有不错的导电性，能够屏蔽电磁波，为了增强屏蔽效果，往往还会在碳纤维之外再添加一些特殊成分，能够大幅度提升对电磁辐射的防护能力，避免电磁辐射对士兵身体的伤害。

 

六、碳纤维在军工领域的发展趋势

 

1.低成本化

随着碳纤维生产技术的不断进步和大规模生产，以及复合材料制造工艺的改进，碳纤维复合材料的成本有望逐步降低，为其在军工领域的广泛应用创造条件。

 

2.智能化制造
利用人工智能、大数据等技术，实现碳纤维复合材料制造过程的智能化控制和优化，提高生产效率和产品质量。

 

3.多功能一体化
开发具有多种功能的碳纤维复合材料，如兼具隐身、防弹、抗冲击等性能，以满足未来军工装备对高性能材料的需求。

 

4.绿色环保
加强碳纤维复合材料的回收和再利用技术研究，实现可持续发展，减少对环境的影响。

 

碳纤维复合材料凭借其优异的性能在军工领域取得了广泛的应用，为提升武器装备的性能和作战能力发挥了重要作用。未来，我们有望看到更多高性能、低成本、多功能的碳纤维复合材料应用于军工装备，为国防现代化建设提供有力支持。

免责声明：仅用于复合材料专业知识和市场资讯的交流与分享，不用于任何商业目的。若涉及文章版权或对内容有疑议，请第一时间联系我们。我们将及时进行处理。