新材料在軍事工業中的應用及其發展
新材料在軍事工業中的應用及其發展
新材料，又稱先進材料（Advanced Materials），是指新近研究成功的和正在研制中的具有優異特性和功能，能滿足高技術需求的新型材料。人類歷史的發展表明，材料是社會發展的物質基礎和先導，而新材料則是社會進步的里程碑。
材料技術一直是世界各國科技發展規劃之中的一個十分重要的領域，它與信息技術、生物技術、能源技術一起，被公認為是當今社會及今后相當長時間內總攬人類全局的高技術。材料高技術還是支撐當今人類文明的現代工業關鍵技術，也是一個國家國防力量最重要的物質基礎。國防工業往往是新材料技術成果的優先使用者，新材料技術的研究和開發對國防工業和武器裝備的發展起著決定性的作用。
軍用新材料的戰略意義
軍用新材料是新一代武器裝備的物質基礎，也是當今世界軍事領域的關鍵技術。而軍用新材料技術則是用于軍事領域的新材料技術，是現代精良武器裝備的關鍵，是軍用高技術的重要組成部分。世界各國對軍用新材料技術的發展給予了高度重視，加速發展軍用新材料技術是保持軍事領先的重要前提。
軍用新材料的現狀與發展
軍用新材料按其用途可分為結構材料和功能材料兩大類，主要應用于航空工業、航天工業、兵器工業和船艦工業中。
1 軍用結構材料
1) 鋁合金
鋁合金一直是軍事工業中應用最廣泛的金屬結構材料。鋁合金具有密度低、強度高、加工性能好等特點，作為結構材料，因其加工性能優良，可制成各種截面的型材、管材、高筋板材等，以充分發揮材料的潛力，提高構件剛、強度。所以，鋁合金是武器輕量化首選的輕質結構材料。
鋁合金在航空工業中主要用于制造飛機的蒙皮、隔框、長梁和珩條等；在航天工業中，鋁合金是運載火箭和宇宙飛行器結構件的重要材料，在兵器領域，鋁合金已成功地用于步兵戰車和裝甲運輸車上，最近研制的榴彈炮炮架也大量采用了新型鋁合金材料。
近年來，鋁合金在航空航天業中的用量有所減少，但它仍是軍事工業中主要的結構材料之一。鋁合金的發展趨勢是追求高純、高強、高韌和耐高溫，在軍事工業中應用的鋁合金主要有鋁鋰合金、鋁銅合金（2000系列）和鋁鋅鎂合金（7000系列）。
新型鋁鋰合金應用于航空工業中，預測飛機重量將下降8~15%；鋁鋰合金同樣也將成為航天飛行器和薄壁導彈殼體的候選結構材料。隨著航空航天業的迅速發展，鋁鋰合金的研究重點仍然是解決厚度方向的韌性差和降低成本的問題。
2) 鈦合金
鈦合金具有較高的抗拉強度（441~1470兆帕），較低的密度（4.5g/cm3），優良的抗腐蝕性能和在300~550oC溫度下有一定的高溫持久強度和很好的低溫沖擊韌性，是一種理想的輕質結構材料。鈦合金具有超塑性的功能特點，采用超塑成形－擴散連接技術，可以以很少的能量消耗和材料消耗將合金制成形狀復雜和尺寸精密的制品。
鈦合金在航空工業中的應用主要是制作飛機的機身結構件、起落架、支撐梁、發動機壓氣機盤、葉片和接頭等；在航天工業中，鈦合金主要用來制作承力構件、框架、氣瓶、壓力容器、渦輪泵殼、固體火箭發動機殼體及噴管等零部件。50年代初，在一些軍用飛機上開始使用工業純鈦制造后機身的隔熱板、機尾罩、減速板等結構件；60年代，鈦合金在飛機結構上的應用擴大到襟翼滑軋、承力隔框、起落架梁等主要受力結構中；70年代以來，鈦合金在軍用飛機和發動機中的用量迅速增加，從戰斗機擴大到軍用大型轟炸機和運輸機，它在F14和F15飛機上的用量占結構重量的25%，在F100和TF39發動機上的用量分別達到25%和33%；80年代以后，鈦合金材料和工藝技術達到了進一步發展，一架B1B飛機需要90402公斤鈦材。現有的航空航天用鈦合金中，應用最廣泛的是多用途的a+b型Ti-6Al-4V合金。近年來，西方和俄羅斯相繼研究出兩種新型鈦合金，它們分別是高強高韌可焊及成形性良好的鈦合金和高溫高強阻燃鈦合金，這兩種先進鈦合金在未來的航空航天業中具有良好的應用前景。
隨著現代戰爭的發展，陸軍部隊需求具有威力大、射程遠、精度高、有快速反應能力的多功能的先進加榴炮系統。先進加榴炮系統的關鍵技術之一是新材料技術。自行火炮炮塔、構件、輕金屬裝甲車用材料的輕量化是武器發展的必然趨勢。在保證動態與防護的前提下，鈦合金在陸軍武器上有著廣泛的應用。155火炮制退器采用鈦合金后不僅可以減輕重量，還可以減少火炮身管因重力引起的變形，有效地提高了射擊精度；在主戰坦克及直升機－反坦克多用途導彈上的一些形狀復雜的構件可用鈦合金制造，這既能滿足產品的性能要求又可減少部件的加工費用。
在過去相當長的時間里，鈦合金由于制造成本昂貴，應用受到了極大的限制。近年來，世界各國正在積極開發低成本的鈦合金，在降低成本的同時，還要提高鈦合金的性能。在我國，鈦合金的制造成本還比較高，隨著鈦合金用量的逐漸增大，尋求較低的制造成本是發展鈦合金的必然趨勢。
3) 復合材料
先進復合材料是比通用復合材料有更高綜合性能的新型材料，它包括樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料和碳基復合材料等，它在軍事工業的發展中起著舉足輕重的作用。先進復合材料具有高的比強度、高的比模量、耐燒蝕、抗侵蝕、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隱身、抗高速撞擊等一系列優點，是國防工業發展中最重要的一類工程材料。
樹脂基復合材料
樹脂基復合材料具有良好的成形工藝性、高的比強度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐化學腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導率等特點，廣泛應用于軍事工業中。樹脂基復合材料可分為熱固性和熱塑性兩類。熱固性樹脂基復合材料是以各種熱固性樹脂為基體，加入各種增強纖維復合而成的一類復合材料；而熱塑性樹脂則是一類線性高分子化合物，它可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后硬化成為固體。樹脂基復合材料具有優異的綜合性能，制備工藝容易實現，原料豐富。在航空工業中，樹脂基復合材料用于制造飛機機翼、機身、鴨翼、平尾和發動機外涵道；在航天領域，樹脂基復合材料不僅是方向舵、雷達、進氣道的重要材料，而且可以制造固體火箭發動機燃燒室的絕熱殼體，也可用作發動機噴管的燒蝕防熱材料。近年來研制的新型氰酸樹脂復合材料具有耐濕性強，微波介電性能佳，尺寸穩定性好等優點，廣泛用于制作宇航結構件、飛機的主次承力結構件和雷達天線罩。
金屬基復合材料
金屬基復合材料具有高的比強度、高的比模量、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數、良好的尺寸穩定性、優異的導電導熱性在軍事工業中得到了廣泛的應用。鋁、鎂、鈦是金屬基復合材料的主要基體，而增強材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類，其中顆粒增強鋁基復合材料已進入型號驗證，如用于F－16戰斗機作為腹鰭代替鋁合金，其剛度和壽命大幅度提高。碳纖維增強鋁、鎂基復合材料在具有高比強度的同時，還有接近于零的熱膨脹系數和良好的尺寸穩定性，成功地用于制作人造衛星支架、L頻帶平面天線、空間望遠鏡、人造衛星拋物面天線等；碳化硅顆粒增強鋁基復合材料具有良好的高溫性能和抗磨損的特點，可用于制作火箭、導彈構件，紅外及激光制導系統構件，精密航空電子器件等；碳化硅纖維增強鈦基復合材料具有良好的耐高溫和抗氧化性能，是高推重比發動機的理想結構材料，目前已進入先進發動機的試車階段。在兵器工業領域，金屬基復合材料可用于大口徑尾翼穩定脫殼穿甲彈彈托，反直升機 / 反坦克多用途導彈固體發動機殼體等零部件，以此來減輕戰斗部重量，提高作戰能力。
陶瓷基復合材料
陶瓷基復合材料是以纖維、晶須或顆粒為增強體，與陶瓷基體通過一定的復合工藝結合在一起組成的材料的總稱，由此可見，陶瓷基復合材料是在陶瓷基體中引入第二相組元構成的多相材料，它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成為當前材料科學研究中最為活躍的一個方面。陶瓷基復合材料具有密度低、比強度高、熱機械性能和抗熱震沖擊性能好的特點，是未來軍事工業發展的關鍵支撐材料之一。陶瓷材料的高溫性能雖好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相變增韌、微裂紋增韌、彌散金屬增韌和連續纖維增韌等。陶瓷基復合材料主要用于制作飛機燃氣渦輪發動機噴嘴閥，它在提高發動機的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。
碳－碳復材料
碳－碳復合材料是由碳纖維增強劑與碳基體組成的復合材料。碳－碳復合材料具有比強度高、抗熱震性好、耐燒蝕性強、性能可設計等一系列優點。碳－碳復合材料的發展是和航空航天技術所提出的苛刻要求緊密相關。80年代以來，碳－碳復合材料的研究進入了提高性能和擴大應用的階段。在軍事工業中，碳－碳復合材料最引人注目的應用是航天飛機的抗氧化碳－碳鼻錐帽和機翼前緣，用量最大的碳－碳產品是超音速飛機的剎車片。碳－碳復合材料在宇航方面主要用作燒蝕材料和熱結構材料，具體而言，它是用作洲際導彈彈頭的鼻錐帽、固體火箭噴管和航天飛機的機翼前緣。目前先進的碳－碳噴管材料密度為1.87~1.97克/厘米3，環向拉伸強度為75~115兆帕。近期研制的遠程洲際導彈端頭帽幾乎都采用了碳－碳復合材料。
隨著現代航空技術的發展，飛機裝載質量不斷增加，飛行著陸速度不斷提高，對飛機的緊急制動提出了更高的要求。碳－碳復合材料質量輕、耐高溫、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作剎車片廣泛用于高速軍用飛機中。
4) 超高強度鋼和先進高溫合金
超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1200兆帕和1400兆帕的鋼，它是為了滿足飛機結構上要求高比強度的材料而研究和開發的。超高強度鋼大量用于制造火箭發??壓容器和一些常規武器。由于鈦合金和復合材料在飛機上應用的擴大，鋼在飛機上用量有所減少，但是飛機上的關鍵承力構件仍采用超高強度鋼制造。目前，在國際上有代表性的低合金超高強度鋼300M，是典型的飛機起落架用鋼。此外，低合金超高強度鋼D6AC是典型的固體火箭發動機殼體材料。超高強度鋼的發展趨勢是在保證超高強度的同時，不斷提高韌性和抗應力腐蝕能力。
高溫合金是航空航天動力系統的關鍵材料。高溫合金是在600~1200oC高溫下能承受一定應力并具有抗氧化和抗腐蝕能力的合金，它是航空航天發動機渦輪盤的首選材料。按照基體組元的不同，高溫合金分為鐵基、鎳基和鈷基三大類。發動機渦輪盤在60 年代前一直是用鍛造高溫合金制造，典型的牌號有A286和Inconel 718。70年代，美國GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56發動機渦輪盤，大大增加了它的推重比，使用溫度顯著提高。從此，粉末冶金渦輪盤得以迅速發展。最近美國采用噴射沉積快速凝固工藝制造的高溫合金渦輪盤，與粉末高溫合金相比，工序簡單，成本降低，具有良好的鍛造加工性能，是一種有極大發展潛力的制備技術。
5) 鎢合金
鎢的熔點在金屬中最高，其突出的優點是高熔點帶來材料良好的高溫強度與耐蝕性，在軍事工業特別是武器制造方面表現出了優異的特性。在兵器工業中它主要用于制作各種穿甲彈的戰斗部。鎢合金通過粉末預處理技術和大變形強化技術，細化了材料的晶粒，拉長了晶粒的取向，以此提高材料的強韌性和侵徹威力。我國研制的主戰坦克125Ⅱ型穿甲彈鎢芯材料為W-Ni-Fe，采用變密度壓坯燒結工藝，平均性能達到抗拉強度1200兆帕，延伸率為15%以上，戰技指標為2000米距離擊穿600毫米厚均質鋼裝甲。目前鎢合金廣泛應用于主戰坦克大長徑比穿甲彈、中小口徑防空穿甲彈和超高速動能穿甲彈用彈芯材料，這使各種穿甲彈具有更為強大的擊穿威力。
6) 金屬間化合物
金屬間化合物具有長程有序的超點陣結構，保持很強的金屬鍵結合，使它們具有許多特殊的理化性質和力學性能。金屬間化合物具有優異的熱強性，近年來已成為國內外積極研究的重要的新型高溫結構材料。在軍事工業中，金屬間化合物已被用于制造承受熱負荷的零部件上，如美國普奧公司制造了JT90燃氣渦輪發動機葉片，美國空軍用鈦鋁制造小型飛機發動機轉子葉片等，俄羅斯用鈦鋁金屬間化合物代替耐熱合金作活塞頂，大幅度地提高了發動機的性能。在兵器工業領域，坦克發動機增壓器渦輪材料為K18鎳基高溫合金，因其比重大、起動慣量大而影響了坦克的加速性能，應用鈦鋁金屬間化合物及其由氧化鋁、碳化硅纖維增強的復合輕質耐熱新材料，可以大大改善坦克的起動性能，提高戰場上的生存能力。此外，金屬間化合物還可用于多種耐熱部件，減輕重量，提高可靠性與戰技指標。
7) 結構陶瓷
陶瓷材料是當今世界上發展最快的高技術材料，它已經由單相陶瓷發展到多相復合陶瓷。結構陶瓷材料因其耐高溫、低密度、耐磨損及低的熱膨脹系數等諸多優異性能，在軍事工業中有著良好的應用前景。
近年來，國內外對軍用發動機用結構陶瓷進行了內容廣泛的研究工作，如發動機增壓器小型渦輪已經實用化；美國將陶瓷板鑲嵌在活塞頂部，使活塞的使用壽命大幅度提高，同時也提高了發動機的熱效率。德國在排氣口鑲嵌陶瓷構件，提高了排氣口的使用效能。國外紅外熱成像儀上的微型斯特林制冷機活塞套和氣缸套用陶瓷材料制造，其壽命長達2000小時；導彈用陀螺儀的動力靠火藥燃氣供給，但燃氣中的火藥殘渣對陀螺儀有嚴重損傷，為消除燃氣中的殘渣并提高導彈的命中精度，需研究適于導彈火藥氣體在2000oC下工作的陶瓷過濾材料。在兵器工業領域，結構陶瓷廣泛應用于主戰坦克發動機增壓器渦輪、活塞頂、排氣口鑲嵌塊等，是新型武器裝備的關鍵材料。目前，20~30毫米口徑機關槍的射頻要求達到1200發/分以上，這使炮管的燒蝕極為嚴重。利用陶瓷的高熔點和高溫化學穩定性能有效地抑制了嚴重的炮管燒蝕，陶瓷材料具有高的抗壓和抗蠕變特性，通過合理設計，使陶瓷材料保持三向壓縮狀態，克服其脆性，保證陶瓷襯管的安全使用。
2 軍用功能材料
1) 光電功能材料
光電功能材料是指在光電子技術中使用的材料，它能將光電結合的信息傳輸與處理，是現代信息科技的重要組成部分。光電功能材料在軍事工業中有著廣泛的應用。碲鎘汞、銻化銦是紅外探測器的重要材料；硫化鋅、硒化鋅、砷化鎵主要用于制作飛行器、導彈以及地面武器裝備紅外探測系統的窗口、頭罩、整流罩等。氟化鎂具有較高的透過率、較強的抗雨蝕、抗沖刷能力，它是較好的紅外透射材料。激光晶體和激光玻璃是高功率和高能量固體激光器的材料，典型的激光材料有紅寶石晶體、摻釹釔鋁石榴石、半導體激光材料等。
2) 貯氫材料
某些過渡簇金屬，合金和金屬間化合物，由于其特殊的晶格結構的原因，氫原子比較容易透入金屬晶格的四面體或八面體間隙位中，形成了金屬氫化物，這種材料稱為貯氫材料。
在兵器工業中，坦克車輛使用的鉛酸蓄電池因容量低、自放電率高而需經常充電，此時維護和搬運十分不便。放電輸出功率容易受電池壽命、充電狀態和溫度的影響，在寒冷的氣候條件下，坦克車輛起動速度會顯著減慢，甚至不能起動，這樣就會影響坦克的作戰能力。貯氫合金蓄電池具有能量密度高、耐過充、抗震、低溫性能好、壽命長等優點，在未來主戰坦克蓄電池發展過程中具有廣闊的應用前景。
3) 阻尼減震材料
阻尼是指一個自由振動的固體即使與外界完全隔離，它的機械性能也會轉變為熱能的現象。采用高阻尼功能材料的目的是減震降噪。因此阻尼減震材料在軍事工業中具有十分重要的意義。
國外金屬阻尼材料的應用主要集中在船舶、航空、航天等工業部門。美國海軍已采用Mn-Cu高阻尼合金制造潛艇螺旋槳，取得了明顯的減震效果。在西方，阻尼材料及技術在武器上的應用研究工作受到了極大的關注，一些發達國家專門成立了阻尼材料在武器裝備上應用的研究機構。80年代后，國外阻尼減震降噪技術有了更大的發展，他們借助CAD/CAM在減震降噪技術中的應用，把設計－材料－工藝－試驗一體化，進行了整體結構的阻尼減震降噪設計。我國在70年代前后進行了阻尼減震降噪材料的研究工作，并取得了一定的成果，但與發達國家相比，仍有一定的差距。阻尼材料在航空航天領域主要用于制造火箭、導彈、噴氣機等控制盤或陀螺儀的外殼；在船舶工業中，阻尼材料用于制造推進器、傳動部件和艙室隔板，有效地降低了來自于機械零件嚙合過程中表面碰撞產生的振動和噪聲。在兵器工業中，坦克傳動部分（變速箱，傳動箱）的振動是一個復雜振動，頻率范圍較寬，高性能阻尼鋅鋁合金和減振耐磨表面熔敷材料技術的應用，大大減輕了主戰坦克傳動部分產生的振動和噪聲。
4) 隱身材料
現代攻擊武器的發展，特別是精確打擊武器的出現，使武器裝備的生存力受到了極大的威脅，單純依靠加強武器的防護能力已不實際。采用隱身技術，使敵方的探測、制導、偵察系統失去功效，從而盡可能地隱蔽自己，掌握戰場的主動權。搶先發現并消滅敵人，已成為現代武器防護的重要發展方向。隱身技術的最有效手段是采用隱身材料。國外隱身技術與材料的研究始于第二次世界大戰期間，起源在德國，發展在美國并擴展到英、法、俄羅斯等先進國家。目前，美國在隱身技術和材料研究方面處于領先水平。在航空領域，許多國家都已成功地將隱身技術應用于飛機的隱身；在常規兵器方面，美國對坦克、導彈的隱身也已開展了不少工作，并陸續用于裝備，如美國M1A1坦克上采用了雷達波和紅外波隱身材料，前蘇聯T－80坦克也涂敷了隱身材料。
隱身材料有毫米波結構吸波材料、毫米波橡膠吸波材料和多功能吸波涂料等，它們不僅能夠降低毫米波雷達和毫米波制導系統的發現、跟蹤和命中的概率，而且能夠兼容可見光、近紅外偽裝和中遠紅外熱迷彩的效果。
近年來，國外在提高與改進傳統隱身材料的同時，正致力于多種新材料的探索。晶須材料、納米材料、陶瓷材料、手性材料、導電高分子材料等逐步應用到雷達波和紅外隱身材料，使涂層更加薄型化、輕量化。納米材料因其具有極好的吸波特性，同時具備了寬頻帶、兼容性好、厚度薄等特點，發達國家均把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和開發；國內毫米波隱身材料的研究起步于80年代中期，研究單位主要集中在兵器系統。經過多年的努力，預研工作取得了較大進展，該項技術可用于各類地面武器系統的偽裝和隱身，如主戰坦克、155毫米先進加榴炮系統及水陸兩用坦克。
目前，世界上正在研制的第四代超音速殲擊機，其機體結構采用復合材料、翼身融合體和吸波涂層，使其真正具有了隱身功能，而電磁波吸收型涂料、電磁屏蔽型涂料已開始在隱身飛機上涂裝；美國和俄羅斯的地對空導彈正在使用輕質、寬頻帶吸收、熱穩定性好的隱身材料。可以預見，隱身技術的研究和應用已成為世界各國國防技術中最重要的課題之一。
我國軍用新材料的產業化趨勢
應用于軍事工業中的新材料均具有較高的技術含量，因而軍用新材料的產業化速度普遍比較緩慢。世界范圍內的軍用新材料正向功能化、超高能化、復合輕量和智能化的方向發展。由此看來，鈦合金、復合材料和納米材料在軍事工業中具有十分良好的產業化前景。
1 鈦合金
鈦是20世紀五十年代發展起來的一種性能優異、資源豐富的金屬。隨著軍事工業對高強低密度材料需求的日益迫切，鈦合金的產業化進程顯著加快。在國外，先進飛機上鈦材重量已達到飛機結構總重的30~35%。我國在“九五”期間，為滿足航空、航天、艦艇等部門需要，國家把鈦合金作為新材料的發展重點之一，預計“十五”將成為我國鈦合金新材料新工藝的高速發展時期。
2 復合材料
軍事高技術的發展要求材料不再是單一的結構材料，在這種條件下，我國在先進復合材料的研制和應用方面取得了很大的成績，它在“十五”期間的發展會更加引人注目。21世紀復合材料的發展方向是低成本、高性能、多功能和智能化。
3 納米材料
納米技術是現代科學和技術相結合的產物，它不僅涉及到現有的一切基礎性科學技術領域，而且在軍事工業中有著廣泛的應用前景。隨著未來戰爭突然性的急劇增大，各種探測手段越來越先進。為適應現代化戰爭的需要，隱身技術在軍事領域占有十分重要的地位。納米材料對雷達波的吸收率較高，從而為兵器隱身技術的發展提供了物質基礎
免責聲明：上文僅代表作者或發布者觀點，與本站無關。本站并無義務對其原創性及內容加以證實。對本文全部或者部分內容(文字或圖片)的真實性、完整性本站不作任何保證或承諾，請讀者參考時自行核實相關內容。本站制作、轉載、同意會員發布上述內容僅出于傳遞更多信息之目的，但不表明本站認可、同意或贊同其觀點。上述內容僅供參考，不構成投資決策之建議；投資者據此操作，風險自擔。如對上述內容有任何異議，請聯系相關作者或與本站站長聯系，本站將盡可能協助處理有關事宜。謝謝訪問與合作！ 中鎢在線采集制作。 |
