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新材料在军工领域的应用现状和发展趋势
作者:管理员    发布于:2014-08-11 03:42:40    文字:【】【】【
导读:军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类,广泛应用于航空、航天、兵器和船舰等领域中。文章对二者进行了综述,并就及其在军工领域的相关应用;并讨论了其今后的发展趋势。

1引言
国无防不立,民无防不安。作为一个国家、一个民族,最重要的无非两件大事:一个是发展问题,一个是安全问题。国防是人类社会发展与安全需要的产物,它是关系到国家和民族生死存亡的根本大计。
 
现代国防以军事力量为核心,还包括有关的非军事力量;它重视国家的战争潜力,特别是战时的动员效率;它还是以经济和科技为主的综合实力的竞争。材料技术作为国家科技发展规划中最为关键的领域之一,与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽全局的高新技术。材料高新技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,用于军事领域的军用新材料技术是发展高新技术武器的物质基础,也是一个国家国防力最最重要的物质基础。
 
出于自身利益及世界形势的考量,每个国家都需要且必须建立强大的国防。因而开发具有自主知识产权的现代化尖端武器,对国家安全而言就显得尤为重要。而就目前现有的材料品种、规格、性能及冶炼工艺方式已远远不能满足高新武器发展的需求,有时甚至成为制约武器研究开发的“瓶颈”,在这种背景下,军用材料技术便应运而生。目前,世界范围内的军用新材料技术已有上万种,并以每年5%的速度递增,正向高功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展。
 
2 新材料技术在军工方面的应用
军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类,广泛应用于航空、航天、兵器和船舰等领域中。
 
2.1军用结构材料
随着现代科学技术的发展,武器装备的技术密集程度越来越高,正在从机械化战争向信息化战争演变,武器装备向精确制导方向发展。因此,对军用材料提出了更高、更新的要求。
2.1.1镁合金
镁合金作为最轻的工程金属材料,具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼性及导热性好,电磁屏蔽能力强、以及减振性好等一系列独特的性质,极大的满足了航空航天、现代武器装备等军工领域的需求。
 
镁合金在军工装备上有诸多应用,如坦克座椅骨架、车长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机机滤座、进出水管、空气分配器座、机油泵壳体、水泵壳体、机油热交换器、机油滤清器壳体、气门室罩、呼吸器等车辆零部件;战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、壁板、加强框、舵板、隔框等弹箭零部件;歼击机、轰炸机、直升机、运输机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星等飞船飞行器构件。镁合金重量轻、比强度和刚度好、减振性能好、电磁干扰、屏蔽能力强等特点能满足军工产品对减重、吸噪、减震、防辐射的要求。在航空航天和国防建设中占有十分重要的地位,是飞行器,卫星,导弹,以及战斗机和战车等武器装备所需的关键结构材料。
 
2.1.2铝合金
铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料之一。铝合金材料具有密度低、强度高、加工性能好等特点,作为结构材料,因其加工性能优良,可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等,以充分发挥材料的潜力,提高构件刚、强度。所以,铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。
 
铝合金的发展趋势是追求高纯、高强、高韧和耐高温,在军事工业中应用的铝合金主要有铝锂合金、铝铜合金和铝锌镁合金。新型铝锂台金应用于航空工业中,预计飞机重量将下降8%~15%;铝锂合金同样也将成为航天飞行器和薄壁导弹壳体的候选结构材料。随着航空航天业的迅速发展,铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向的韧性差和降低成本的问题。
 
2.1.3结构陶瓷
常用的结构陶瓷材料主要包括:氧化铝、氧化铅、氮化硅、碳化硅、氮化铝及其复合材料等。由于结构陶瓷材料通常具有高强、高硬、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的特性,因而在国防、军工领域具有广泛的应用。
 
陶瓷材料是当今世界上发展晟快的高技术村料,它已经南单相陶瓷发展到多相复合陶瓷。结构陶瓷材料因其耐高温、低密度、耐磨损及低的热膨胀系数等诸多优异性能,在军事工业中有着良好的应用前景。利用结构陶瓷的高硬度、高耐磨性可以制备陶瓷刀具、陶瓷轴承、防弹装甲、各种阀门、耐磨衬里、密封环;利用结构陶瓷的耐高温性能可以制备高温陶瓷热交换器、汽车尾气过滤器、燃气轮机高温过流部件;利用结构陶瓷的透明性可以制备透明灯管、导弹窗口材料等。
 
2.1.4超高强度钢
超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200MPa和1400MPa的钢,它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。超高强度钢不仅具有高的抗拉强度,还具有一定塑性和韧性、小的缺口敏感性、高的疲劳强度、一定的抗蚀性、良好的工艺性能、符合资源情况及价格低廉等优点,在航空工业的应用越来越广泛。超高强度钢大量用于制造火箭发动机外壳,飞机机身骨架、蒙皮和着陆部件以及高压容器和一些常规武器。由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大,钢在飞机上用量有所减少,但是飞机上的关键承力构件仍采用超高强度钢制造。目前,在国际上有代表性的低合金超高强度钢300M,是典型的飞机起落架用钢。此外,低合金超高强度钢D6AC是典型的固体火箭发动机壳体材料。超高强度钢的发展趋势是在保证超高强度的同时,不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。
 
2.1.5先进高温合金
高温合金在600~1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金,具有较高的高温强度,良好的抗氧化和抗腐蚀性能,良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。
 
按基体元素来分,高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃,对于在更高温度下使用的耐热部件,则采用镍基和难熔金属为基的合金。 镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位,它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。若以150MPA~100H持久强度为标准,而目前镍合金所能承受的最高温度>1100℃,而镍合金约为950℃,铁基的合金<850℃,即镍基合金相应地高出150℃至250℃左右。所以人们称镍合金为发动机的心脏。目前,在先进的发动机上,镍合金已占总重量的一半,不仅涡轮叶片及燃烧室,而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍合金。与铁合金相比,镍合金的优点是:工作温度较高,组织稳定、有害相少及抗氧化搞腐蚀能力大。与钴合金相比,镍合金能在较高温度与应力下工作,尤其是在动叶片场合。
 
2.1.6复合材料
复合材料是指两种以上不同性质或不同结构物质组合而成的材料,通常由基体材料与增强剂组成。先进复合材料比通用复合材料具有更高综合性能,它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等,它在军事工业的发展中起着举足轻重的作用。先进的复合材料具有高强度、高模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点,是国防工业发展中最重要的一类工程材料。
 
复合材料正在迅速发展成为航天航空工业的基本结构材料。高性能聚合物基复合材料在航空航天工业的用量占其全部用量的80%。由于碳纤维具有高比强度、比模量、低热膨胀系数和高导热性等独特性能,因而由其增强的复合材料用作航空航天结构材料,减重效果十分显著,显示出无可比拟的巨大应用潜力。例如,碳纤维增强树脂烬复合材料用做航天飞机舱门、机械臂和压力容器等,此外,还将其在火箭与导弹的减重、飞机的主承力结构,在雷达波隐身材料方面,除涂层外,复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注,主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料(如C/EP、C/PI或C/BMI)和热塑性树脂基复合材料(C/PEEK,C/PPS),目前已经得到了某些应用。
 
2.1.7金属间化合物
金属间化合物具有长程有序的超点阵结构,保持很强的金属键结合,使它们具有许多特殊的理化性质和力学性能。金属间化合物具有优异的热强性,近年来已成为国内外积极研究的重要的新型高温结构材料。在军事工业中,金属间化合物已被用于制造承受热负荷的零部件上;在兵器工业领域,坦克发动机增压器涡轮材料为K18镍基高温合金,因其比重大、起动惯量大而影响了坦克的加速性 能,应用钛铝金属闻化合物及其由氧化铝、碳化硅纤维增强的复合轻质耐热新材料,可以大大改善坦克的起动性能,提高战场上的生存能力。此外,金属问化合物还可用于多种耐热部件,减轻重量,提高可靠性与战技指标。
 
2.2军用功能材料
功能材料是指利用声、光、电、磁、热、化、生化等效应,将能量从一种形式转化为另一种形式的材料。功能材料很多,如光电功能材料、贮氢功能材料、阻尼减震材料、隐身材料等。
 
2.2.1 光电功能材料
光电功能材料是指在光电子技术中使用的材料,它能将光电结合的信息传输与处理,是现代信息科技的重要组成部分。光电功能材料在军事工业中有着广泛的应用。碲镉汞、锑化铟是红外探测器的重要材料;硫化锌、硒化锌、砷化镓主要用于制作飞行器、导弹以及地面武器装备红外探测系统的窗口、头罩、整流罩等。氟化镁具有较高的透过率、较强的抗雨蚀、抗冲刷能力,它是较好的红外透射材料。激光晶体和激光玻璃是高功率和高能量固体激光器的材料,典型的激光材料有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石、半导体激光材料等。
 
2.2.2贮氢功能材料
某些过渡簇金属,合金和金属问化合物,由于其特殊的晶格结构的原因,氢原子比较容易透入金属晶格的四面体或八面体间隙位中,形成了金属氢化物,这种材料称为贮氢材料。
 
在兵器工业中,坦克车辆使用的铅酸蓄电池因容量低、自放电率高而需经常充电,此时维护和搬运十分不便。放电输出功率容易受电池寿命、充电状态和温度的影响,在寒冷的气候条件下,坦克车辆起动速度会显著减慢,甚至不能起动,这样就会影响坦克的作战能力。贮氢合金蓄电池具有能量密度高、耐过充、抗震、低温性能好、寿命长等优点,在未来主战坦克蓄电池发展过程中具有广阔的应用前景。
 
2.2.3阻尼减震材料
阻尼是指一个自由振动的固体即使与外界完全隔离,它的机械性能也会转变为热能的现象。采用高阻尼功能材料的目的是减震降嗓,因此阻尼减震材料在军事工业中具有十分重要的意义。
 
2.2.4隐身材料
现代攻击武器的发展,特别是精确打击武器的出现,使武器装备的生存力受到了极大的威胁,单纯依靠加强武器的防护能力已不实际。采用隐身技术,使敌方的探测、制导、侦察系统失去功效,从而尽可能地隐蔽自己,掌握战场的主动权,抢先发现并消灭敌人,己成为现代武器防护的重要发展方向。隐身技术的最有效手段是采用隐身材料。
 
隐身材料有毫米波结构吸波材料、毫米波橡胶吸波材料和多功能吸波涂料等,它们不仅能够降低毫米波雷达和毫米波制导系统的发现、跟踪和命中的概率,而且能够兼容可见光、近红外伪装和中远红外热迷彩的效果。近年来,国外在提高与改进传统隐身材料的同时,正致力于多种新材料的探索。晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、手性材料、导电高分子材料等逐步应用到雷达波和红外隐身材料,使涂层更加薄型化、轻量化。纳米材料因其具有极好的吸波特性,同时具备了宽频带、兼容性好、厚度薄等特点,发达国家均把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和开发;国内毫米波隐身材料的研究起步于上世纪80年代中期,研究单位主要集中在兵器系统。经过多年的努力,预研工作取得了较大进展,该项技术可用于各类地面武器系统的伪装和隐身,如主战坦克、155毫米先进加榴炮系统及水陆两用坦克等。
 
目前,世界上正在研制的第5代超音速歼击机,其机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层,使其真正具有了隐身功能,而电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已开始在隐身飞机上涂装;美国和俄罗斯的地对空导弹正在使用质、宽频带吸收、热稳定性好的隐身材料。可以预见,隐身技术的研究和应用已成为世界各国国防技术中最重要的课题之一。
 
3 军用新材料技术的发展趋势
从今后军工企业发展趋势来看,用于军事工业的新材料要求具有较高的技术含量,世界范围内的军用新材料正向高功能化、超高功能化、复合轻量和智能化的方向发展。军事高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料。在这种条件下,军用复合材料应运而生。2l世纪复合材料的发展方向是低成本、高性能、多功能和智能化。 我国军用材料经过多年发展,已取得长足进步,但也存在“多、杂、散”的问题,系列化、通用化较差,影响了军用材料科研的整体效益和对于武器装备研制生产的保障能力,为此需要建立适合我国国情的军用材料体系。
 
回首过去,国防建设和兵器工业的发展得益于材料科学的发展,展望未来,材料科学的进步将给国防建设提供强有力的保障。
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