21世紀是軍事的世紀。在未來戰(zhàn)爭中，人類將在空間展開一場前所未有的、以開發(fā)利用空間豐富資源和爭奪制空、制地、制海權為主要內容的大競爭，軍用武器裝備將會得到迅速發(fā)展。
碳纖維：軍事強國必爭之材
現代信息化戰(zhàn)爭既是高技術裝備之戰(zhàn)，也是高性能材料之戰(zhàn)。碳纖維性能優(yōu)異，外柔內剛，兼具電學、熱學和力學等綜合特性。它強度高、韌性好，可大幅提升現代武器裝備系統(tǒng)作戰(zhàn)性能。有著低密度、高強度、高模量、耐高溫、耐嚴寒、耐摩擦、耐腐蝕、導電、抗沖擊、電磁屏蔽效果好等一系列優(yōu)越的性能，除了在民用工業(yè)（例如汽車制造、機械配件、體育用品、高鐵零件等）有廣泛的使用，也是極其重要的軍事戰(zhàn)略材料。
“黑色黃金”碳纖維
碳纖維起源可追溯至1860年，由英國人瑟夫·斯旺在制作電燈燈絲中發(fā)明并獲得專利。它是一種纖維狀碳材料，呈黑色，質堅硬，是一種強度比鋼大、密度比鋁小、比不銹鋼還耐腐蝕、比耐熱鋼還耐高溫，又能像銅那樣導電，具有電學、熱學和力學等綜合優(yōu)異性能的新型材料，因其制造技術難度大、實用價值高，被業(yè)界譽為“黑色黃金”。
碳纖維“外柔內剛”，不僅具有碳材料的本質特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟和可加工性，是新一代高性能增強纖維。比頭發(fā)絲還細幾倍的碳纖維與樹脂、碳、陶瓷、金屬等基體經過特殊復合成型工藝制造，即可獲得性能優(yōu)異的碳纖維復合材料，能夠廣泛應用于航空、航天、能源、交通、軍用裝備等眾多領域，是國防軍工和民用生產生活的重要材料。
難上難：制造工藝復雜精細
20世紀50年代，為了解決導彈噴管和彈頭耐高溫、耐腐蝕等關鍵技術難題，美國率先研制出粘膠基碳纖維。1959年，日本近藤昭男發(fā)明了聚丙烯腈基碳纖維。由于碳纖維在軍事領域凸顯出提升武器裝備性能的優(yōu)異表現，引起了軍事強國的高度重視。隨后一些國家重點投入，不斷研制出更高性能、更多品種的碳纖維。日本先后突破高強、高模性兼?zhèn)涞纫幌盗嘘P鍵技術難題，使所研制的碳纖維復合材料獨具優(yōu)異的抗疲勞性能和環(huán)境適應能力，其整體水平一路領先。
強中強：國防裝備脫胎換骨
據外媒報道，傲視群雄的F-35戰(zhàn)斗機首飛時間一推再推，其中一個很重要原因，就是超重。為破解這一難題，洛克希德·馬丁公司采取了很多辦法，最終采用多達35%的碳纖維復合材料才大幅降低了機體重量。所以從某種意義上說，是碳纖維復合材料成就了F-35戰(zhàn)機。
如今，碳纖維復合材料不僅成為實現高隱身性能不可或缺的基礎性材料，更成為衡量武器裝備系統(tǒng)先進性能的重要標志。比如，由于X-47B、全球鷹、全球觀察者、西風等飛行器應用碳纖維復合材料比例更高，使得其有效載荷、續(xù)航能力和生存能力均實現了新突破。
優(yōu)中優(yōu)：事關國家安全利益
外軍認為，現代信息化戰(zhàn)爭既是高技術裝備之戰(zhàn)，更是高性能材料之戰(zhàn)�，F代武器裝備發(fā)展，隱身化、低能耗、高機動性、大載荷等趨勢凸顯，對碳纖維及復合材料性能要求越來越高。因此研制更高強度、更高模量的碳纖維和與之相匹配的高性能作戰(zhàn)系統(tǒng)，已成為軍事強國比拼尖端實力的重頭戲。目前，發(fā)達國家正在碳纖維、先進樹脂和制造技術三個方向上重點突進。
近年來，為適應我國國防建設發(fā)展需要，碳纖維及其復合材料已被列為國家重點支持的項目。專家認為，著眼未來建設完整自主的高水平產業(yè)鏈，努力把事關國家安全利益的核心技術真正掌握在自己手中，乃是實現興國強軍中國夢的必由之路。
超材料：軍工領域革命性影響
超材料是通過在材料關鍵物理尺寸上的結構有序設計，突破某些表觀自然規(guī)律的限制，獲得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技術。超材料是一個具有重要軍事應用價值和廣泛應用前景的前沿技術領域，將對未來武器裝備發(fā)展和作戰(zhàn)產生革命性影響。
新型材料：顛覆傳統(tǒng)理論
盡管超材料的概念出現在2000年前后，但其源頭可以追溯到更早。1967年，蘇聯科學家維克托·韋謝拉戈提出，如果有一種材料同時具有負的介電常數和負的磁導率，電場矢量、磁場矢量以及波矢之間的關系將不再遵循作為經典電磁學基礎的“右手定則”，而呈現出與之相反的“負折射率關系”。這種物質將顛覆光學世界，使光波看起來如同倒流一般，并且在許多方面表現出有違常理的行為，例如光的負折射、“逆行光波”、反常多普勒效應等。這種設想在當時一經提出，就被科學界認為是“天方夜譚”。隨著傳統(tǒng)材料設計思想的局限性日漸暴露，顯著提高材料綜合性能的難度越來越大，材料高性能化對稀缺資源的依賴程度越來越高，發(fā)展超越常規(guī)材料性能極限的材料設計新思路，成為新材料研發(fā)的重要任務。
2000年，首個關于負折射率材料的報告問世；2001年，美國加州大學圣迭戈分校的科研人員首次制備出在微波波段同時具有負介電常數和負磁導率的超材料；2002年，美國麻省理工學院研究人員從理論上證實了負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圍內取得了多項研究成果，被美國Science雜志評為當年全球十項重大科技進展之一。此后，超材料研究在世界范圍內取得了多項成果，維克托·韋謝拉戈的眾多預測都得到了實驗驗證。
神奇功能改變未來作戰(zhàn)
超材料因其獨特的物理性能而一直備受人們的青睞，在軍事領域具有重大的應用前景。近年來，超材料在隱身、電子對抗、雷達等領域的應用成果不斷涌現，展現出巨大應用潛力和發(fā)展空間。
隱身是近年來出鏡率最高的超材料應用，也是迄今為止超材料技術研究最為集中的方向。如美國的F-35戰(zhàn)斗機與DDG1000大型驅逐艦均應用了超材料隱身技術。未來，超材料在電磁隱身、光隱身和聲隱身等方面具有巨大應用潛力，在各類飛機、導彈、衛(wèi)星、艦艇和地面車輛等方面將得到廣泛應用，使軍事隱身技術發(fā)生革命性變革。超材料實現隱身與傳統(tǒng)隱身技術的區(qū)別是，超材料使入射的電磁波、可見光或聲波繞過被隱藏的物體，在技術上實現真正意義上的隱身。
在電磁隱身方面，2006年，美國杜克大學與英國帝國學院合作提出了一種微波頻段的電磁隱身設計方案，這種設計方案由10個同心圓筒組成，采用矩形開口環(huán)諧振器單元結構，實驗結果證實負折射率材料用于物體的隱身是可行的。2012年，美國東北大學采用摻雜鈧的M型鋇鐵氧薄片和銅線組合，設計和試驗了可在33～44 GHz電磁波段實現可調的負折射率材料。美國雷神公司開發(fā)了“透波率可控人工復合蒙皮材料”，該材料采用嵌入了可變電容的金屬微結構頻率選擇表面，通過控制加載在可變電容上的偏置電壓，可以改變頻率選擇表面的電磁參數，從而實現材料透波特性的人工控制，可應用于各種先進雷達系統(tǒng)和下一代隱身戰(zhàn)機的智能隱身蒙皮。
在光學隱身方面，2012年，加拿大超隱形生物公司發(fā)明了一種名為“量子隱身”的神奇材料。它能使周圍光線折射而發(fā)生彎曲，從而使其覆蓋的物體或人完全隱身，不僅能“騙”過人的肉眼，在軍用夜視鏡、紅外探測器的探測下也能成功隱身。這種材料不僅能幫助特種部隊在白天完成突襲行動，而且有望在下一代隱形戰(zhàn)機、艦艇和坦克上應用。2014年，美國佛羅里達大學的研究團隊研制出一種可實現可見光隱身的超材料，實現這一技術突破的關鍵是利用納米轉移印刷技術制造出一種多層三維超材料。納米轉移印刷技術可改變這種超材料的周圍折射率，使光從其周圍繞過而實現隱身。
在聲隱身方面，2011年，美國杜克大學卡默爾教授的團隊開發(fā)出一種二維聲學斗篷，能使10厘米大小的木塊不被聲波探測到。2014年3月，杜克大學制造出世界上首個三維聲學斗篷，它是一種利用聲隱身超材料制成的聲隱身裝置，能使入射聲波沿斗篷表面?zhèn)鞑�，不反射也不透射，實現對探測聲波的隱身。三維聲學斗篷由一些具有重復排列小孔的塑料板組成，能在3 kHz的聲波下表現出完美的隱身效果，驗證了聲學斗篷應用于主動聲吶對抗的可行性。此外，美海軍自主開發(fā)一種名為“金屬水”的潛艇聲隱身技術，制造一種六角形晶胞結構的鋁材料，并將其納入潛艇艇殼外覆蓋的靜音材料內，實現對聲波引導，達到隱身目的。聲隱身超材料技術的發(fā)展將對潛艇等水下裝備的隱身產生變革性影響，有可能改變未來水下戰(zhàn)場的“游戲”規(guī)則。
除了傳統(tǒng)意義上的隱身，最近超材料在觸覺隱形上也有了新的突破。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學院的研究人員利用機械超材料制成觸覺隱形斗篷。這是一種全新的隱身技術，可以欺騙人體和探測設備的傳感器。這種觸覺隱形斗篷由超材料聚合物制成，具有特殊設計的次微米精度的晶體結構。晶體由針尖相接觸的針狀錐組成，接觸點的大小需精確計算，以滿足所需的機械性能。利用這種超材料制造的隱形斗篷可以屏蔽儀器或人體的觸覺，如用隱形斗篷覆蓋住放在桌面上的一個突出物體，雖然可見突出物，但用手撫摸時無法感到物體突出，就像撫摸平整的桌面一樣。該技術雖然還在純粹的基礎物理研究階段，但是將會為近幾年的國防應用開辟一條新路。
天線與天線罩是超材料的另一個用武之地。國外眾多實驗表明，將超材料應用到導彈、雷達、航天器等天線上，可以大大降低天線能耗，提高天線增益，拓展天線工作的帶寬，有效增強天線的聚焦性和方向性。
天線方面，雷神公司研發(fā)了超材料雙頻段小型化GPS天線，通過精確的人工微結構設計，可提升天線單元間的隔離度，減少天線原件之間的電磁耦合，從而使天線的帶寬得到大幅拓展，其可應用于對天線尺寸要求苛刻的飛機平臺與個人便攜式戰(zhàn)術導航終端。
雷達天線罩方面，在美國海軍的支持下，美國公司成功研發(fā)出雷達罩用超材料智能結構，并應用于美軍新一代的E2“鷹眼”預警機，大幅提高了其雷達探測能力。通過采用超材料的特殊設計，該項目提供了解決傳統(tǒng)雷達罩圖像畸變的問題，同時這種超材料電磁結構質量輕，方便后期的改裝和維護，極大提高了E2“鷹眼”預警機的整體性能。
導彈天線罩方面，美國雷神公司研制了基于超材料的導彈天線罩，可以使穿過導彈天線罩的電磁波不產生有效折射，有效提高導彈打擊精度。
用于制作光學透鏡的超材料，可以制作不受衍射極限限制的透鏡、高定向性透鏡以及高分辨能力的平板型光學透鏡。其中不受衍射極限限制的透鏡主要應用于微量污染物質探測、醫(yī)學診斷成像、單分子探測等領域；高定向性透鏡主要應用于透鏡天線、小型化相控陣天線、超分辨率成像系統(tǒng)等領域；高分辨能力的平板型光學透鏡主要應用于集成電路的光學引導原件等領域。2012年，美國密西根大學完成一種新型超材料透鏡研究，可用于觀察尺寸小于100 nm的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的頻譜范圍內工作性能良好。
超材料的重要意義不僅體現在幾類主要的人工材料上，最主要的是它提供了一種全新的思維方法—人們可以在不違背物理學基本規(guī)律的前提下，獲得與自然界中的物質具有迥然不同的超常物理性質的“新物質”�！耙淮牧�，一代裝備”，創(chuàng)新材料的誕生及發(fā)展必將會催生出新的武器裝備與作戰(zhàn)樣式。誕生不久就受到全世界擁躉的“超級材料”能否成為下一個新材料傳奇？不禁令人無限地遐想和期待。
石墨烯：引領軍事科技前沿
石墨烯是已知的最薄、最堅硬的納米材料，它幾乎完全透明，質輕且具有良好的柔韌性和超強的導電、導熱性，在微電子、光電子和新材料等高技術軍事領域有巨大的應用潛能。歐美等發(fā)達國家投入了大量資金，重點開展石墨烯在超級計算機、高靈敏傳感器、便攜電子器件和先進防護材料等與國防密切相關領域的戰(zhàn)略性開發(fā)，以期占據軍事前沿技術的制高點。
石墨烯將提高計算機的存儲和運算能力，減小體積，降低能耗
計算機是武器火控系統(tǒng)的核心，其數據處理和存儲能力決定著彈道計算和快速打擊的精準度。石墨烯器件制成的計算機速度比硅基微處理器高1000倍達太赫茲，在裝備設計制造模擬、戰(zhàn)場模擬、核爆模擬以及情報分析有重要意義，另外石墨烯器件還具有尺寸小、耗能低、發(fā)熱量少等特點。為此，美國國防高級研究計劃局早已將開發(fā)尺寸更小、計算能力更快的石墨烯基微電子裝置列入研究計劃。
石墨烯將提高傳感器的靈敏度，促進微型化
石墨烯具有優(yōu)異的光學性能，經加工還可獲得高靈敏度的磁學、熱學和力學特性，是制備新型輕薄傳感器最有潛質的材料。
歐美等發(fā)達國家高度重視軍用石墨烯傳感器的研發(fā)。位于美國麻省理工學院的士兵納米技術研究所把利用石墨烯技術開發(fā)具備高靈敏度、可調光譜選擇性和快速響應特性的新一代紅外夜視系統(tǒng)列為研究目標。2014年，美國密歇根大學研究者將石墨烯夾入鏡片之間，構建了一種能捕捉可見光和紅外線的傳感器。鏡片可做成比手指甲更小，結合于隱形眼鏡中，未來這種智能隱形眼鏡應用于士兵可獲得夜視能力。2015年7月，美國國防高級研究計劃局和陸軍研究實驗室資助美國東北大學制備了一種硼、氮、氧摻雜的石墨烯基二維材料，賦予了石墨烯熱敏性和超感光性，有助于開發(fā)體積更小、攜帶靈活的紅外熱像儀和超靈敏光探測器。2015年8月，瑞士洛桑聯邦理工學院的研究者宣稱正在開發(fā)可拾獲一個光子的石墨烯超感光探測器，這種探測器對從近紅外到X射線的寬光譜范圍都有響應，比常規(guī)的硅基光電探測器靈敏度高上千萬倍，可用于軍用夜視系統(tǒng)、太空望遠鏡，乃至光量子計算機。
美國馬里蘭大學開發(fā)的基于石墨烯傳感器的可看穿墻的眼鏡
石墨烯將提高裝備的防護性能和隱身能力
石墨烯具有優(yōu)越的力學性能，在抗彈防護方面具有廣泛的應用前景。2014年，美國萊斯大學在國防威脅降低局的支持下進行了石墨烯抗沖擊研究，發(fā)現石墨烯受到硅石球高速沖擊時能迅速分散沖擊力，吸收入射能量的能力比鋼強十倍，是凱芙拉纖維的兩倍。將石墨烯與其它輕質高強材料復合，有望獲得高性能輕型裝甲系統(tǒng)。2015年5月，意大利特倫托大學的研究人員發(fā)現石墨烯能顯著增強蜘蛛絲的強度，復合絲可達天然蛛絲強度的3.5倍，是單兵防彈衣的高性能材料。
鑒于石墨烯的輕質高強特性和熱、電性質，石墨烯還可用于隱身防護領域。2013年，美國加州大學制備了石墨烯基紅外隱身涂層，通過改變反射光的波長來實現紅外隱身。這種材料可大面積涂覆于結構和平臺表面，實現軍事偽裝。另外，歐洲防務局于2015年6月舉行專題研討會，聚焦石墨烯在復合材料防護體系和自適應偽裝涂層方面的應用潛力。
石墨烯防彈衣更輕巧防護能力更強
現代戰(zhàn)爭的對抗程度空前激烈。遠程攻擊、戰(zhàn)場流彈、預置破片等高性能武器爆炸形成的全方位、立體式、高密度的破片襲擊造成嚴重的車輛損壞和人員傷亡。為適應現代戰(zhàn)爭模式的轉變，對軍用車輛防護水平要求越來越高，研究軍用車輛裝甲防護技術，提高軍用車輛戰(zhàn)場防護水平尤為重要。
裝甲防護材料性能及應用國內外裝備裝甲防護材料主要有防彈玻璃、防彈鋼板、防彈陶瓷、防彈高強玻纖、防彈芳綸纖維、防彈PE纖維等。
防彈玻璃
目前防彈玻璃主要是由無機玻璃與有機材料復合而成，其主要有以下幾種：
�。�1）浮法玻璃與PVB中間膜的夾層復合該方法是多層浮法玻璃中間用聚乙烯醇縮丁醛中間膜粘結并經高溫高壓處理使它們復合在一起而成為一透明整體，形成具有防彈能力的玻璃。這種防彈玻璃的優(yōu)點是光學性能非常優(yōu)秀，并表現出良好的抗沖擊性能，同時耐環(huán)境穩(wěn)定性好、不易老化、壽命長、成本較低、容易維護；缺點是體積、質量大，適合安裝于固定的場所使用。（2）夾層玻璃與有機透明板疊加或復合
這種防彈玻璃有兩種形式，一種是在一層夾層玻璃的后面放置一層有機透明板材，夾層玻璃置于有機透明板之前作為著彈層，這是疊加方式；另一種是玻璃與聚碳酸脂板（PC板）直接復合為防彈玻璃，粘接材料為聚氨脂膜（PU膜），生產工藝方法與PVB夾層法類似。
