一、碳／碳復(fù)合材料的背景情況

　　

　　碳／碳復(fù)合材料是增強體纖維和基體材料均為純碳元素的一類特殊材料。作為一種工程材料，碳／碳復(fù)合材料的本質(zhì)是一種陶瓷材料，卻表現(xiàn)出脆性到假塑性行為，被認為是碳纖維編織網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。制造和應(yīng)用這種材料的目的是將碳纖維的高比強度和剛度優(yōu)勢，與碳基體的出色耐火性能結(jié)合，形成理想的耐高溫結(jié)構(gòu)材料。

　　

　　雖然優(yōu)異的高溫力學(xué)性能使得碳／碳復(fù)合材料成為高溫應(yīng)用不二選擇，但兩大因素制約了其進一步應(yīng)用——易氧化和高成本。第一代碳／碳復(fù)合材料長時間暴露在工況環(huán)境中會發(fā)生氧化，隨著第二代抗氧化碳／碳復(fù)合材料的出現(xiàn)，這一瓶頸問題基本被克服。目前對于一般工程行業(yè)而言，碳／碳復(fù)合材料應(yīng)用較少，主要原因仍然在于成本。與傳統(tǒng)材料相比，碳／碳復(fù)合材料雖然具備更優(yōu)異的性能，但經(jīng)濟性較差，因此僅有航空航天、高端賽車等行業(yè)能夠承受高成本壓力下材料所能夠提供的性能收益。與鋼制制動器相比，基于碳／碳復(fù)合材料制造的制動器熱容量更高，重量減輕40%，使用壽命增加1倍，因此自1974年首次在飛機制動器中應(yīng)用以來，碳／碳復(fù)合材料材料已成功代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材，成為飛機制動器的首選材料。目前全球約70%碳／碳復(fù)合材料產(chǎn)量用于制造飛機制動器盤件。除此之外，基于優(yōu)異高溫力學(xué)性能，近年來各國圍繞碳／碳復(fù)合材料在耐火結(jié)構(gòu)材料、渦噴發(fā)動機部件、導(dǎo)彈鼻錐、火箭前緣、噴嘴、隔熱罩、高超聲速飛行器熱端部件等潛在應(yīng)用部位，積極探索開展了研究工作。

　　

　　二、高超聲速武器成為碳／碳復(fù)合材料熱點應(yīng)用領(lǐng)域

　　

　　

　　

　　圖 1 圖中展示的是B-52“同溫層堡壘”機翼下的X-52A“乘波者”。該機由普惠公司SJY61超燃沖壓發(fā)動機提供動力，最終完成加速到馬赫數(shù)5飛行的試驗（美空軍圖片）

　　

　?。?）碳／碳復(fù)合材料隨高超聲速飛行器完成試飛驗證

　　

　　美國長期致力于開展高超聲速飛行器的研制攻關(guān)。20世紀90年代，美空軍研究實驗室（AFRL）啟動了一項名為“HyTECH”的超燃沖壓發(fā)動機研制計劃，并與普·惠公司簽署合同。從HyTECH計劃孕育而生的SJX61發(fā)動機，最初是為X-43C飛行器而設(shè)計，X-43后期研發(fā)中止后，改為應(yīng)用于X-51中。

　　

　　X-51“乘波者”是波音公司研發(fā)的一款高超聲速無人試驗機，其最高飛行速度可達馬赫數(shù)5.1，是美國眾多超燃沖壓發(fā)動機試驗機之一。X-51A是該機的首款試驗機，設(shè)計掛載在B-52“同溫層堡壘”轟炸機機翼下發(fā)射。2010年5月26日，X-51A在4分鐘之內(nèi)依靠固體火箭助推器加速至4.8馬赫，與助推器分離后再啟動沖壓發(fā)動機，成功加速至5.1馬赫，最后墜入太平洋，完成了首次試驗。

　　

　　高超聲速飛行器能夠以馬赫數(shù)5以上速度持續(xù)飛行，采取能夠發(fā)揮極端速度優(yōu)勢的外觀設(shè)計只是其中一部分，選擇能夠承受高速飛行的結(jié)構(gòu)材料是重中之重。高超聲速飛行器在高速飛行過程中，部分結(jié)構(gòu)表面溫度最高可超過2700℃，必須使用長時耐溫能力更強的材料。潛在可選擇的材料包括碳／碳復(fù)合材料、陶瓷以及鉭、鉿等難熔合金。X-51A主要結(jié)構(gòu)仍然使用傳統(tǒng)航空航天級材料制造，如鋁合金、鋼、高溫合金和鈦合金等，在前緣鰭、整流罩等需要極端耐熱的部件中使用了碳／碳復(fù)合材料。X-51A的成功首飛，除了驗證超燃沖壓發(fā)動機的推進系統(tǒng)的可行性外，也同時驗證了碳／碳復(fù)合材料作為高超飛行器熱防護系統(tǒng)材料的可靠性。

　　

　　

　　

　　圖 2根據(jù)2021年預(yù)算情況顯示，美國防部部署的6項高超聲速相關(guān)項目已經(jīng)處于不同的發(fā)展階段（美國防部圖片）

　　

　　隨著全球高超聲速飛行器研發(fā)競爭的持續(xù)升溫，作為高超聲速飛行技術(shù)的誕生地，美國研制進度稍顯遲滯。美國防部已經(jīng)將高超聲速武器列為優(yōu)先發(fā)展事項，在2021年的國防預(yù)算中為相關(guān)研究計劃安排超過32億美元投資。另據(jù)美國新興技術(shù)研究所最新研究報告，2023年國防預(yù)算中，美國國會將會為高超聲速飛行器相關(guān)事宜提供超過60億美元。該報告同時還進一步指出，高溫材料在高超聲速飛行器中有大量應(yīng)用，經(jīng)過十多年的試驗測試與研發(fā)，碳／碳復(fù)合材料甚至被認為是“高超聲速系統(tǒng)中涂層、熱端包覆結(jié)構(gòu)材料的唯一選擇”。正因如此，碳／碳復(fù)合材料在高超聲速武器系統(tǒng)中的應(yīng)用研究成為熱點。

　　

　?。?）美國重金資助碳／碳復(fù)合材料工程化制造

　　

　　伴隨著美國防部對高超聲速武器系統(tǒng)研制和采購的強烈投資，針對碳／碳復(fù)合材料的性能開發(fā)與可制造性研究也以項目形式進行了投資部署。2019年12月，美空軍研究實驗室宣布投資“高超聲速裝備用碳／碳復(fù)合材料制造”（MOC3HA）項目，旨在快速穩(wěn)定碳／碳復(fù)合材料性能水平，提升制造成熟度，整合制造創(chuàng)新資源，進一步加速碳／碳復(fù)合材料的生產(chǎn)交付速度，為高超聲速裝備的大規(guī)模采購奠定供應(yīng)基礎(chǔ)。

　　

　　

　　

　　圖 3 美空軍研究實驗室的“高超聲速裝備用碳／碳復(fù)合材料制造”（MOC3HA），將碳／碳復(fù)合材料實驗室階段的制造成果轉(zhuǎn)向工程制造，實現(xiàn)推廣應(yīng)用

　　

　　美空軍研究實驗室在MOC3HA項目的任務(wù)要求中表示，作為高超聲速系統(tǒng)應(yīng)用中的關(guān)鍵材料，由于美國高超聲速武器系統(tǒng)仍未大規(guī)模生產(chǎn)，利用碳／碳復(fù)合材料生產(chǎn)的零部件數(shù)量不足，導(dǎo)致自動化制造技術(shù)發(fā)展緩慢，手工制造相關(guān)零部件仍是主流方式。基于這種現(xiàn)狀，生產(chǎn)一個碳／碳復(fù)合材料零部件甚至需要數(shù)月時間，不僅低效且成本昂貴。MOC3HA項目關(guān)鍵目標是通過研究、設(shè)計、開發(fā)和實驗等方式，實現(xiàn)高超聲速應(yīng)用領(lǐng)域碳／碳復(fù)合材料零部件的自動化制造，幫助國防部降低采購高超聲速裝備的成本，縮短交付周期。根據(jù)美空軍研究實驗室的投資計劃，MOC3HA項目包括2D和3D碳／碳復(fù)合材料制造技術(shù)研發(fā)與自動化、近凈形部件生產(chǎn)、自動化生產(chǎn)流程的適用性評估、大尺寸部件的制造與連續(xù)生產(chǎn)、可靠性與性能驗證、部件制造成本降低與周期縮短的演示驗證等六項具體任務(wù)。

　　

　　美空軍研究實驗室共計收到5份不定期交付／不確定數(shù)量（ID/IQ）合同投標，最終美國巴特爾紀念研究所（Battelle）中標，于2020年11月贏得一份7年、總價值最高達4630萬美元的合同，其中美空軍研究實驗室在2020財年向中標方的研究、開發(fā)、測試和評估提供630萬美元首筆資金。巴特爾于2018年加強了針對高超聲速飛行器外殼和結(jié)構(gòu)用關(guān)鍵高溫碳材料基本制造工藝的研發(fā)投入。通過承擔(dān)MOC3HA項目，巴特爾召集了一支由碳／碳復(fù)合材料制造商、行業(yè)專家、學(xué)術(shù)團體、具有自動化制造技術(shù)的外部技術(shù)供應(yīng)商組成聯(lián)合團隊，改進材料性能和生產(chǎn)工藝，其先進材料團隊一支致力于開展創(chuàng)新性研究，通過材料創(chuàng)新從根本上提高碳／碳復(fù)合材料的可制造性，提高材料在制造成零部件后表面的溫度彈性。此外，巴特爾已經(jīng)投資了100萬美元用于建立研發(fā)規(guī)模的高溫復(fù)合材料實驗室，專注于提高先進熱防護系統(tǒng)性能和可制造性。截至目前，該項工作仍在進行過程中。根據(jù)美國防部的信息，巴特爾預(yù)計將在2027年9月25日前完成MOC3HA項目合同中的全部內(nèi)容。

　　

　　三、脆弱供應(yīng)鏈制約碳／碳復(fù)合材料推廣應(yīng)用

　　

　　盡管美國制造業(yè)正努力發(fā)展碳／碳復(fù)合材料規(guī)?；a(chǎn)制造能力，但進展并不盡如人意。其主要原因在于美國高超聲速裝備供應(yīng)鏈脆弱性變得更加嚴重。由于美國防部需求不明確，缺乏對該技術(shù)持續(xù)關(guān)注，高超聲速裝備的制造基地規(guī)模較小，交付數(shù)量始終不高，導(dǎo)致所有配套產(chǎn)品供應(yīng)商有限，僅適用于制造少量的、交付周期長的高超聲速系統(tǒng)。2023年5月，美國國防工業(yè)協(xié)會新興技術(shù)研究所發(fā)布題為《高超聲速供應(yīng)鏈：保障通往未來的道路》的研究報告中，佐證上述觀點：目前的高超聲速武器供應(yīng)鏈，包括制造基地、關(guān)鍵材料供應(yīng)、測試基礎(chǔ)設(shè)施和勞動力，都無法支持大規(guī)模生產(chǎn)和部署的高超聲速武器。由于碳／碳復(fù)合材料市場缺乏穩(wěn)定性，導(dǎo)致供應(yīng)鏈基礎(chǔ)十分脆弱，為高超聲速裝備規(guī)模化生產(chǎn)帶來了隱患。

　　

　　

　　

　　圖 4 美國國防工業(yè)協(xié)會新興技術(shù)研究所發(fā)布題為《高超聲速供應(yīng)鏈：保障通往未來的道路》的研究報告（美國國防工業(yè)協(xié)會新興技術(shù)研究所圖片）

　　

　　美國軍方在更早時候已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了上述問題。2020年，為解決支持高超聲速武器生產(chǎn)系統(tǒng)小、供應(yīng)鏈瑣碎分散布局導(dǎo)致成本奇高、效率較低的問題，美海軍位于印第安納州克蘭的海軍水面作戰(zhàn)中心發(fā)布 “解決方案請求”（RFS），呼吁為碳／碳復(fù)合材料等高溫材料建立垂直集成的生產(chǎn)設(shè)施，與相關(guān)供應(yīng)商協(xié)同發(fā)展工業(yè)制造能力，減少在運輸過程中關(guān)鍵材料和部件受損，縮短制造周期并降低成本。由于適用于高超聲速裝備熱防護系統(tǒng)的碳／碳復(fù)合材料生產(chǎn)制造商非常有限，該請求并未獲得充分響應(yīng)。

　　

　　

　　

　　圖 5 美海軍著手碳／碳復(fù)合材料的替代產(chǎn)品，以滿足高超聲速系統(tǒng)的規(guī)?；圃煨枨螅绹鲀?nèi)提克斯公司圖片）

　　

　　進展不順迫使美國軍方多措并舉，一方面全力推進MOC3HA項目，另一方面著手尋找碳／碳復(fù)合材料的工業(yè)替代品。美海軍空戰(zhàn)中心的克雷恩部門（Crane Division）認為，碳／碳復(fù)合材料是一種小眾材料，制造低效成本高，只有非常有限的供應(yīng)商可以支撐，缺乏對國防部預(yù)期需求的快速響應(yīng)能力。2023年6月，在美海軍的全力支持下，由該中心啟動的高超聲速飛行器航空結(jié)構(gòu)替代品聯(lián)合加速（Jahvaa）計劃，將鑒定多種用于熱防護系統(tǒng)的新材料。Jahvaa計劃將與美空軍研究實驗室MOC3HA計劃共同推進。Jahvaa計劃執(zhí)行過程中將選擇若干碳／碳復(fù)合材料的替代品方案，隨后在一家獨立的公司進行驗證，以確保材料能夠滿足性能、成本和生產(chǎn)目標。替代品應(yīng)提供更低的制造成本、更短的制造周期，獲得2～10倍于現(xiàn)有制造技術(shù)的綜合收益，并于2026年底前能夠進入低速初始生產(chǎn)階段。除預(yù)期成本和周期要求，替代品還至少應(yīng)達到碳／碳復(fù)合材料熱性能的90%以上。

　　

　　四、結(jié)語

　　

　　高超聲速裝備是新質(zhì)新域作戰(zhàn)環(huán)境下，迅速打破戰(zhàn)場平衡的殺手锏，其熱防護系統(tǒng)是確保裝備高可靠性的關(guān)鍵?？v觀近年來美國多款裝備的發(fā)展歷程，美國防部始終將供應(yīng)鏈高可靠性和低成本可制造性作為重要考核指標。

　　

　　雖然碳／碳復(fù)合材料理論特性優(yōu)異，是熱防護系統(tǒng)的理想用材，但其制造成熟度不高，仍然需要進一步發(fā)展可支撐規(guī)?；a(chǎn)的自動化制造技術(shù)，保證可靠性與一致性。美國防部正在為此不斷努力，2023年4月，美國防部宣布了多個向高超聲速系統(tǒng)材料的投資計劃：通用電氣公司獲得796萬美元合同，為期39個月，提高高溫和超高溫復(fù)合材料的生產(chǎn)能力，實現(xiàn)規(guī)?；暮娇掌鹘Y(jié)構(gòu)外殼生產(chǎn)制造；碳／碳復(fù)合材料先進科技公司（C-CAT）獲得757萬美元合同，為期38個月，以建立新生產(chǎn)能力，擴大現(xiàn)有制造空間，提高碳／碳復(fù)合材料鼻錐、氣動外殼組件生產(chǎn)效率；諾格公司獲得943萬美元，通過采購自動化預(yù)成型制造設(shè)備和高溫制造設(shè)備，支持高超聲速和戰(zhàn)略系統(tǒng)的多個部件制造。雖然目前美軍正在尋找替代技術(shù)方案，但長遠看，發(fā)展碳／碳復(fù)合材料熱防護系統(tǒng)仍將是其首選方案。