专栏名称: 化工新材料

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国防领域6大前沿新材料和关键技术！

化工新材料 · 公众号 · · 2025-03-14 00:02

正文

21世纪是军事的世纪。在未来战争中，人类将在空间展开一场前所未有的、以开发利用空间丰富资源和争夺制天、制地、制海权为主要内容的大竞争，军用武器装备将会得到迅速发展。

碳纤维：军事强国必争之材

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。有着低密度、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，除了在民用工业（例如汽车制造、机械配件、体育用品、高铁零件等）有广泛的使用，也是极其重要的军事战略材料。

“黑色黄金”碳纤维

碳纤维起源可追溯至1860年，由英国人瑟夫·斯旺在制作电灯灯丝中发明并获得专利。它是一种纤维状碳材料，呈黑色，质坚硬，是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温，又能像铜那样导电，具有电学、热学和力学等综合优异性能的新型材料，因其制造技术难度大、实用价值高，被业界誉为“黑色黄金”。

碳纤维“外柔内刚”，不仅具有碳材料的本质特性，又兼备纺织纤维的柔软和可加工性，是新一代高性能增强纤维。比头发丝还细几倍的碳纤维与树脂、碳、陶瓷、金属等基体经过特殊复合成型工艺制造，即可获得性能优异的碳纤维复合材料，能够广泛应用于航空、航天、能源、交通、军用装备等众多领域，是国防军工和民用生产生活的重要材料。

难上难：制造工艺复杂精细

20世纪50年代，为了解决导弹喷管和弹头耐高温、耐腐蚀等关键技术难题，美国率先研制出粘胶基碳纤维。1959年，日本近藤昭男发明了聚丙烯腈基碳纤维。由于碳纤维在军事领域凸显出提升武器装备性能的优异表现，引起了军事强国的高度重视。随后一些国家重点投入，不断研制出更高性能、更多品种的碳纤维。日本先后突破高强、高模性兼备等一系列关键技术难题，使所研制的碳纤维复合材料独具优异的抗疲劳性能和环境适应能力，其整体水平一路领先。

强中强：国防装备脱胎换骨

据外媒报道，傲视群雄的F-35战斗机首飞时间一推再推，其中一个很重要原因，就是超重。为破解这一难题，洛克希德·马丁公司采取了很多办法，最终采用多达35%的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。所以从某种意义上说，是碳纤维复合材料成就了F-35战机。

如今，碳纤维复合材料不仅成为实现高隐身性能不可或缺的基础性材料，更成为衡量武器装备系统先进性能的重要标志。比如，由于X-47B、全球鹰、全球观察者、西风等飞行器应用碳纤维复合材料比例更高，使得其有效载荷、续航能力和生存能力均实现了新突破。

优中优：事关国家安全利益

外军认为，现代信息化战争既是高技术装备之战，更是高性能材料之战。现代武器装备发展，隐身化、低能耗、高机动性、大载荷等趋势凸显，对碳纤维及复合材料性能要求越来越高。因此研制更高强度、更高模量的碳纤维和与之相匹配的高性能作战系统，已成为军事强国比拼尖端实力的重头戏。目前，发达国家正在碳纤维、先进树脂和制造技术三个方向上重点突进。

近年来，为适应我国国防建设发展需要，碳纤维及其复合材料已被列为国家重点支持的项目。专家认为，着眼未来建设完整自主的高水平产业链，努力把事关国家安全利益的核心技术真正掌握在自己手中，乃是实现兴国强军中国梦的必由之路。

超材料：军工领域革命性影响

超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计，突破某些表观自然规律的限制，获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域，将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。

新型材料：颠覆传统理论

尽管超材料的概念出现在2000年前后，但其源头可以追溯到更早。1967年，苏联科学家维克托·韦谢拉戈提出，如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率，电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”，而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界，使光波看起来如同倒流一般，并且在许多方面表现出有违常理的行为，例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出，就被科学界认为是“天方夜谭”。随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露，显著提高材料综合性能的难度越来越大，材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高，发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路，成为新材料研发的重要任务。

2000年，首个关于负折射率材料的报告问世；2001年，美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料；2002年，美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性；2003年，由于超材料的研究在世界范围内取得了多项研究成果，被美国 Science 杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。此后，超材料研究在世界范围内取得了多项成果，维克托·韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。

神奇功能改变未来作战

超材料因其独特的物理性能而一直备受人们的青睐，在军事领域具有重大的应用前景。近年来，超材料在隐身、电子对抗、雷达等领域的应用成果不断涌现，展现出巨大应用潜力和发展空间。

隐身是近年来出镜率最高的超材料应用，也是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向。 如美国的F-35战斗机与DDG1000大型驱逐舰均应用了超材料隐身技术。未来，超材料在电磁隐身、光隐身和声隐身等方面具有巨大应用潜力，在各类飞机、导弹、卫星、舰艇和地面车辆等方面将得到广泛应用，使军事隐身技术发生革命性变革。超材料实现隐身与传统隐身技术的区别是，超材料使入射的电磁波、可见光或声波绕过被隐藏的物体，在技术上实现真正意义上的隐身。

在电磁隐身方面， 2006年，美国杜克大学与英国帝国学院合作提出了一种微波频段的电磁隐身设计方案，这种设计方案由10个同心圆筒组成，采用矩形开口环谐振器单元结构，实验结果证实负折射率材料用于物体的隐身是可行的。2012年，美国东北大学采用掺杂钪的M型钡铁氧薄片和铜线组合，设计和试验了可在33～44 GHz电磁波段实现可调的负折射率材料。美国雷神公司开发了“透波率可控人工复合蒙皮材料”，该材料采用嵌入了可变电容的金属微结构频率选择表面，通过控制加载在可变电容上的偏置电压，可以改变频率选择表面的电磁参数，从而实现材料透波特性的人工控制，可应用于各种先进雷达系统和下一代隐身战机的智能隐身蒙皮。

在光学隐身方面， 2012年，加拿大超隐形生物公司发明了一种名为“量子隐身”的神奇材料。它能使周围光线折射而发生弯曲，从而使其覆盖的物体或人完全隐身，不仅能“骗”过人的肉眼，在军用夜视镜、红外探测器的探测下也能成功隐身。这种材料不仅能帮助特种部队在白天完成突袭行动，而且有望在下一代隐形战机、舰艇和坦克上应用。2014年，美国佛罗里达大学的研究团队研制出一种可实现可见光隐身的超材料，实现这一技术突破的关键是利用纳米转移印刷技术制造出一种多层三维超材料。纳米转移印刷技术可改变这种超材料的周围折射率，使光从其周围绕过而实现隐身。

在声隐身方面， 2011年，美国杜克大学卡默尔教授的团队开发出一种二维声学斗篷，能使10厘米大小的木块不被声波探测到。2014年3月，杜克大学制造出世界上首个三维声学斗篷，它是一种利用声隐身超材料制成的声隐身装置，能使入射声波沿斗篷表面传播，不反射也不透射，实现对探测声波的隐身。三维声学斗篷由一些具有重复排列小孔的塑料板组成，能在3 kHz的声波下表现出完美的隐身效果，验证了声学斗篷应用于主动声呐对抗的可行性。此外，美海军自主开发一种名为“金属水”的潜艇声隐身技术，制造一种六角形晶胞结构的铝材料，并将其纳入潜艇艇壳外覆盖的静音材料内，实现对声波引导，达到隐身目的。声隐身超材料技术的发展将对潜艇等水下装备的隐身产生变革性影响，有可能改变未来水下战场的“游戏”规则。

除了传统意义上的隐身，最近超材料在 触觉隐形 上也有了新的突破。2014年，德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用机械超材料制成触觉隐形斗篷。这是一种全新的隐身技术，可以欺骗人体和探测设备的传感器。这种触觉隐形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊设计的次微米精度的晶体结构。晶体由针尖相接触的针状锥组成，接触点的大小需精确计算，以满足所需的机械性能。利用这种超材料制造的隐形斗篷可以屏蔽仪器或人体的触觉，如用隐形斗篷覆盖住放在桌面上的一个突出物体，虽然可见突出物，但用手抚摸时无法感到物体突出，就像抚摸平整的桌面一样。该技术虽然还在纯粹的基础物理研究阶段，但是将会为近几年的国防应用开辟一条新路。

天线与天线罩是超材料的另一个用武之地。 国外众多实验表明，将超材料应用到导弹、雷达、航天器等天线上，可以大大降低天线能耗，提高天线增益，拓展天线工作的带宽，有效增强天线的聚焦性和方向性。

天线方面， 雷神公司研发了超材料双频段小型化GPS天线，通过精确的人工微结构设计，可提升天线单元间的隔离度，减少天线原件之间的电磁耦合，从而使天线的带宽得到大幅拓展，其可应用于对天线尺寸要求苛刻的飞机平台与个人便携式战术导航终端。

雷达天线罩方面， 在美国海军的支持下，美国公司成功研发出雷达罩用超材料智能结构，并应用于美军新一代的E2“鹰眼”预警机，大幅提高了其雷达探测能力。通过采用超材料的特殊设计，该项目提供了解决传统雷达罩图像畸变的问题，同时这种超材料电磁结构质量轻，方便后期的改装和维护，极大提高了E2“鹰眼”预警机的整体性能。

导弹天线罩方面， 美国雷神公司研制了基于超材料的导弹天线罩，可以使穿过导弹天线罩的电磁波不产生有效折射，有效提高导弹打击精度。

用于制作光学透镜的超材料，可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜。 其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域；高定向性透镜主要应用于透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域；高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域。2012年，美国密西根大学完成一种新型超材料透镜研究，可用于观察尺寸小于100 nm的物体，且在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内工作性能良好。

超材料的重要意义不仅体现在几类主要的人工材料上，最主要的是它提供了一种全新的思维方法—人们可以在不违背物理学基本规律的前提下，获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。“一代材料，一代装备”，创新材料的诞生及发展必将会催生出新的武器装备与作战样式。诞生不久就受到全世界拥趸的“超级材料”能否成为下一个新材料传奇？不禁令人无限地遐想和期待。

石墨烯：引领军事科技前沿

石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料，它几乎完全透明，质轻且具有良好的柔韧性和超强的导电、导热性，在微电子、光电子和新材料等高技术军事领域有巨大的应用潜能。欧美等发达国家投入了大量资金，重点开展石墨烯在超级计算机、高灵敏传感器、便携电子器件和先进防护材料等与国防密切相关领域的战略性开发，以期占据军事前沿技术的制高点。

更细小更节能运算速度更快的石墨烯芯片

石墨烯将提高计算机的存储和运算能力，减小体积，降低能耗

计算机是武器火控系统的核心，其数据处理和存储能力决定着弹道计算和快速打击的精准度。石墨烯器件制成的计算机速度比硅基微处理器高1000倍达太赫兹，在装备设计制造模拟、战场模拟、核爆模拟以及情报分析有重要意义，另外石墨烯器件还具有尺寸小、耗能低、发热量少等特点。为此，美国国防高级研究计划局早已将开发尺寸更小、计算能力更快的石墨烯基微电子装置列入研究计划。

石墨烯将提高传感器的灵敏度，促进微型化

石墨烯具有优异的光学性能，经加工还可获得高灵敏度的磁学、热学和力学特性，是制备新型轻薄传感器最有潜质的材料。

欧美等发达国家高度重视军用石墨烯传感器的研发。位于美国麻省理工学院的士兵纳米技术研究所把利用石墨烯技术开发具备高灵敏度、可调光谱选择性和快速响应特性的新一代红外夜视系统列为研究目标。2014年，美国密歇根大学研究者将石墨烯夹入镜片之间，构建了一种能捕捉可见光和红外线的传感器。镜片可做成比手指甲更小，结合于隐形眼镜中，未来这种智能隐形眼镜应用于士兵可获得夜视能力。2015年7月，美国国防高级研究计划局和陆军研究实验室资助美国东北大学制备了一种硼、氮、氧掺杂的石墨烯基二维材料，赋予了石墨烯热敏性和超感光性，有助于开发体积更小、携带灵活的红外热像仪和超灵敏光探测器。2015年8月，瑞士洛桑联邦理工学院的研究者宣称正在开发可拾获一个光子的石墨烯超感光探测器，这种探测器对从近红外到X射线的宽光谱范围都有响应，比常规的硅基光电探测器灵敏度高上千万倍，可用于军用夜视系统、太空望远镜，乃至光量子计算机。

美国马里兰大学开发的基于石墨烯传感器的可看穿墙的眼镜

石墨烯将提高装备的防护性能和隐身能力

石墨烯具有优越的力学性能，在抗弹防护方面具有广泛的应用前景。2014年，美国莱斯大学在国防威胁降低局的支持下进行了石墨烯抗冲击研究，发现石墨烯受到硅石球高速冲击时能迅速分散冲击力，吸收入射能量的能力比钢强十倍，是凯芙拉纤维的两倍。将石墨烯与其它轻质高强材料复合，有望获得高性能轻型装甲系统。2015年5月，意大利特伦托大学的研究人员发现石墨烯能显著增强蜘蛛丝的强度，复合丝可达天然蛛丝强度的3.5倍，是单兵防弹衣的高性能材料。

鉴于石墨烯的轻质高强特性和热、电性质，石墨烯还可用于隐身防护领域。2013年，美国加州大学制备了石墨烯基红外隐身涂层，通过改变反射光的波长来实现红外隐身。这种材料可大面积涂覆于结构和平台表面，实现军事伪装。另外，欧洲防务局于2015年6月举行专题研讨会，聚焦石墨烯在复合材料防护体系和自适应伪装涂层方面的应用潜力。

石墨烯防弹衣更轻巧防护能力更强

装甲防护材料：军用装备“防弹衣”

现代战争的对抗程度空前激烈。远程攻击、战场流弹、预置破片等高性能武器爆炸形成的全方位、立体式、高密度的破片袭击造成严重的车辆损坏和人员伤亡。为适应现代战争模式的转变，对军用车辆防护水平要求越来越高，研究军用车辆装甲防护技术，提高军用车辆战场防护水平尤为重要。

装甲防护材料性能及应用国内外装备装甲防护材料主要有防弹玻璃、防弹钢板、防弹陶瓷、防弹高强玻纤、防弹芳纶纤维、防弹PE纤维等。

防弹玻璃

目前防弹玻璃主要是由无机玻璃与有机材料复合而成，其主要有以下几种：

（1）浮法玻璃与 PVB中间膜的夹层复合

该方法是多层浮法玻璃中间用聚乙烯醇缩丁醛中间膜粘结并经高温高压处理使它们复合在一起而成为一透明整体，形成具有防弹能力的玻璃。这种防弹玻璃的优点是光学性能非常优秀，并表现出良好的抗冲击性能，同时耐环境稳定性好、不易老化、寿命长、成本较低、容易维护；缺点是体积、质量大，适合安装于固定的场所使用。

（2）夹层玻璃与有机透明板叠加或复合

这种防弹玻璃有两种形式，一种是在一层夹层玻璃的后面放置一层有机透明板材，夹层玻璃置于有机透明板之前作为着弹层，这是叠加方式；另一种是玻璃与聚碳酸脂板（PC板）直接复合为防弹玻璃，粘接材料为聚氨脂膜（PU膜），生产工艺方法与PVB夹层法类似。

防弹钢板

金属防弹材料（包括防弹钢、铝合金、钛合金等）从过去到现在一直广泛应用于军用（坦克、装甲车等）和民用防护（运钞车、武警、公安防爆车及防弹轿车）领域，且随着武器弹药对装甲防护材料的抗侵彻能力、抗冲击能力和抗崩落能力的要求的提高，金属防弹材料从普通钢装甲发展到高硬度钢装甲、双硬度钢复合装甲、乃至钛合金装甲，防护能力不断提高。

国防领域6大前沿新材料和关键技术！

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