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先进复合材料在军事领域的应用
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材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料与其它单质材料相比具有高比强度、高比刚度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优良的性能，倍受各国技术人员的重视。因复合材料具有可设计性的特点，已成为军事工业的一支主力军，复合材料技术是发展高技术武器的物质基础，是现代精良武器装备的关键。目前军用复合材料正向高功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展，加速复合材料在航空工业、航天工业、兵器工业和舰船工业中的应用是找赢现代高技术局部战争的有力保障。 1 结构复合材料在军事工业中的应用 1.1 树脂基纤维复合材料 树脂基纤维复合材料是以纤维为增强体、树脂为基体的复合材料，所用的纤维有碳纤维、芳纶纤维、超高模量聚乙烯纤维等，基体一般为热固性聚合物和热塑性聚合物2类。 先进的树脂基复合材料具有优异的力学性能和明显的减重效果在飞机等现代化武器领域和到普遍应用，美国的F-22机身蒙皮全都是高强度、耐高温的树脂基复合材料，其中热固性复合材料用量高达23%。F-119发动机用树脂基复合材料取代钛合金制造风扇送气机区，可节省结构重量6.7Kg；用树脂基复合材料风扇叶片取代现在的钛合金空心风扇叶片，减轻结构重量的30%。先进树脂基复合材料还可用于制造飞机的“机敏”结构，使承载结构、传感器和操纵系统合为一体，从而可以探测飞机飞行状态和部件的完整性，自行调节控制部件，提高飞机的飞行性能，降低维修费用，保证飞机安全。树脂基复合材料的应用已由小型、简单的次承力构件发展到大型、复杂的主要承力构件；从单一的构件发展到结构/吸波、结构/透波、结构/防弹等多功能一体化结构。 聚氰酸脂基复合材料是先进树脂基复合材料的新类型，它的吸湿率低，具有优异的耐湿热性能，电性能尤其突出，主要用于雷达天线罩的制造。聚醚醚酮与碳纤维或芳酰胺纤维热压成型的复合材料强度可达1.8GPa，模量为120GPa，热变形温度为300℃，在200℃以下保持良好的力学性能，还具有阻燃性和抗辐射性，可用于机翼、天线部件和雷达罩等。芳纶纤维增强树脂基复合材料可用于火箭固体发动机壳体；由于芳纶具有良好的冲击吸收能，已用于防弹头盔和防穿甲弹坦克；还可用作防弹背心的防弹插板，插于防弹背心的前片和后片，以提高这些部位的防弹能力；同时也是防弹运钞车装甲的首选材料。聚丙烯腈基复合材料具有强度高、刚度高、耐疲劳、重量轻等优点，美国的AV-8B垂直起降飞机采用这种材料后重量减轻了27%，F-18战斗机减轻了10%。 1.2 金属基复合材料 金属基复合材料是以金属或合金为基体，含有增强体或分的复合材料。金属基复合材料弥补了树脂基复合材料耐热性差（一般不超过300℃）、不能满足材料导电和导热性能的不足，以其高比强度、高比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的导电导热性和尺寸稳定性在军事工业中得到广泛应用。金属基体主要有铝、镁、铜、钛、超耐热合金和难熔合金等多种金属材料，增强体一般可分为纤维、颗粒和晶须3类。 未来高技术战争，首先是信息技术的战争，随着电子技术的进步，电子芯片的集成度将越业越高，这就要求电子封装材料必须满足芯片的散热问题，研究表明碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有高导热性能和代热膨胀系数，且价格便宜，是一种非常有前景的电子封装材料。同时碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点，可用于火箭、导弹构件，红外及激光制导系统构件，精密航空电子器件等。颗粒增强铝基复合材料已用于F-16战斗机人微言轻腹鳍代替铝合金，其刚度和寿命大幅度提高。Ogden空军后勤中心评估结果表明：铝基复合材料腹鳍的采用，可以大幅度降低检修次数，全寿命节约检修费用达2600万美元，并使飞机的机动性得到提高。此外，F-16上部机身有26个可活动的燃油检查口盖，其寿命只有2000h，并且每年都要检查2～3次。采用了碳化硅颗粒增强铝基复合材料后，刚度提高40%，承载能力提高28%，预计平均翻修寿命可高于8000h，奉命提高幅度达17倍。颗粒增强金属基复合材料耐磨性极好，可作为火箭的飞行翼、箭头、箭体、结构材料，也可作飞机发动机中的耐热耐磨部件。 碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近零膨胀系数和良好的尺寸稳定性，可成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等。硼纤维增强金属基复合材料已用于制造F-114、F-115和幻影2000等军用飞机部件。碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温的抗氧化性能，是高推重比发动机的理想结构材料，目前已进入先进发动机的试车阶段。世界上第一个在航空上应用的钛基复合材料的价格仍很昂贵，今后其用量的拓展将主要取决于成本的降低程度。在兵器工业领域，金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托，反直升机/反坦克多用途导弹固体发动机壳体等部件。 1.3 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相组元构成的多相材料，它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成为当前材料科学研究中最为活跃的一个方面，由微米级陶瓷复合材料发展到纳米级陶瓷复合材料。陶瓷基复合材料的基体有陶瓷、玻璃和玻璃陶瓷，主要的增强体是晶须和颗粒。陶瓷基复合材料具有密度低、抗氧化、耐热、比强度和比模量高、热机械性能和抗热震冲击性能好的特点，工作温度在1250～1650℃，可用作高温发动机的部件，是未来军事工业发展的关键支撑材料之一。陶瓷材料的高温性能虽好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相变增韧、微裂纹增韧、弥散金属增韧和连续纤维增韧等。 陶瓷基层状复合材料具有独特的力学性能和抗破坏能力，可望在高温和机机械冲击下作为使用部件的表面材料，主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀，在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料可用作超音速飞机、火箭发动机喷管和垫圈材料。碳化硅纤维增强陶瓷基复合材料不仅具有优异的高温力学性能、热稳定性和化学稳定性，韧性也明显改善，可作为高温热交换器、燃气轮机的燃烧室材料和航天器的防热材料。陶瓷基复合材料因其很高的使用温度（1400℃甚至更高）和很低的密度（2～4g/cm3），未来高推重比（15～20）发动机涡轮及燃烧系统的首选材料，如用于F-119发动机矢量喷管的内壁板等。目前在使用可靠性方面还有些担心，因此只限用于少量非关键受力部件。 1.4 碳基复合材料 碳基复合材料是以碳为基体、碳或其他物质为增强体组合成的复合材料。主要的碳-碳复合材料是耐温最高的材料，其强度随温度升高而增加，在2500℃左右达到最大值，同时它具有良好在抗烧蚀性能和抗热震性能，可耐受高达10000℃的驻点温度，在非氧化气氛下其温度可保持到2000℃以上，已成功地用地导弹鼻锥、航天飞机飞锥和机翼前缘、火箭发动机喷管喉衬等部位。目前先进的碳-碳喷管材料密度为1.87～1.97g/cm3，环向拉伸强度为75～115MPa，远程洲际导弹端头帽几乎都采用了碳-碳复合材料，美国战略导弹弹头的防热材料已由三向C/C发展为细编穿刺C/C（端头部分）和C/酚醛（大面积防热部分）。随着现代航空技术的发展，飞机装载质量不断增加，飞行着陆速度不断提高，对飞机的紧急制动提出了更高的要求，碳-碳复合材料质量轻、耐高温、吸收能量大、磨擦性能好，用它制作刹车片广泛用于高速军用飞机中。20世纪90年代 ，德国与法国合作制成的“虎”式直升机旋翼桨毂由2块碳纤维复合材料星形板组成；美国的RAH-66“科曼奇”直升机身采用碳纤维复合材料；美国将火箭发动机金属壳体改用石墨纤维复合材料后其重量减轻了38000Kg，并大大降低了研制成本。 2 功能复合材料在军事领域中的应用 功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括化学和生物性能的复合材料。功能复合材料设计自由度大，按功能→多功能→机敏→智能的形式逐步升级。功能复合材料将具有电、声、光、热、磁特性的材料，按不同的应用进行组合匹配，得到不仅保持原有特性，还产生一些新特性或具有比原来更优越特性的材料。现代化高技术常规战争极大地提高了武器的对抗性、精确性、未来的智能武器、隐形武器、电子战武器、激光武器以及新概念软杀伤武器的设防、跟踪，使功能材料成为关键技术。目前，功能复合材料涉及面宽，下面就军事领域较常用的功能复合材料做一简单介绍。 2.1 隐身材料 隐身材料是实现武器隐身的物质基础。武器装备如飞机、舰船、导弹等使用隐身材料后，可大大减少自身的信号特征，提高生存能力。声隐身材料包括消声材料、隔音材料、吸声材料及消声、隔声、吸声的复合体，主要用于新一代潜艇。雷达隐身材料能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的。另外，一些由硅、碳、硼、玻璃纤维，以及某些陶瓷与有机聚合物构成的复合材料，有很高的机械强度，可用于制作部分结构件，如飞机蒙皮、雷达天线罩等，同时又具有隐身功能。 红外隐身材料主要用于车辆、舰艇、军用飞机及其他军用设施，使这些装备和设施的红外辐射与背景基本达到一致，敌人的红外探测器难以分辨。用铝粉及含有二价铁离子的材料作为填充料，加到能透过红外线的粘结剂中，可构成红外隐身涂料。可见光隐身材料通常由铝粉、多金属氧化物粉和有机物复合而成，或由掺杂的半导全材料构成，可形成与背景颜色相匹配的迷彩图案，满足可见光隐身的要求。激光隐身材料用来对抗激光制导武器、激光雷达和激光测距机，要求这些材料对激光的反射率低可吸收率高。对隐身材料来说，对某种探测手段的隐身性能好，往往对另一种探测手段的隐身性能就不好，即隐身材料的相容性问题。为解决这上问题，研制了兼容型隐身材料，如雷达波、红外兼容隐身材料，红外、激光兼容隐身材料，雷达波、红外、激光等多种兼容的隐身材料，这是当前隐身材料的发展方向。 应用于隐身的现代隐身技术，除了热红外线和自身电磁隐身外，主要使用新型吸收波材料，即在飞机表面涂料抹能大量吸收雷达波的新型介质材料，将雷达电磁波吸收，使雷达无法发现，纳米复合材料是隐身吸波材料研究的重要方向。为应付不同雷达的不同工作方式，现在的隐身飞机已经开始有选择地使用吸收材料。目前，美、英等国正进行主动抵消技术的研究，即利用吸收材料先吸收大部分雷达波，剩下的少量的反射波再利用主动抵消技术将其全部抵消，雷达就会完全失去作用。美国的F-117战斗机采用6种吸波材料，机身机翼和V型垂尾外表面贴吸波薄板或铁氧体复合涂层，起到很好的隐身效果，在1991年的海湾战争中出动1000多架次而无一受损，在国际上引起了极大的反响，可见隐身材料在高技术战争中的地位。 2.2 智能材料 智能材料是把传感器、致动器、光电器件和微型处理机等埋在复合材料结构中，具有感知周围环境变化，针对这种变化具有自诊断功能、自适应功能、自修复自愈合功能，且具有自决策功能的复合材料。智能材料成为当前研究的新热点。飞机上采用的智能结构是由各种智能材料制成的传感无件、处理元件和驱动元件组成的，而这3个组成部分相当于人的神经、大脑和肌肉。格鲁曼公司将光导纤维埋入树脂基复合材料制成机翼以提高飞机效率，这些光导纤维能像神经那样感知机翼上因气候条件变化而引起的压力变化，根据光传输信号进行处理后发出指令，通过驱动元件驱动机翼前缘和后线自行弯曲。驱动可通过电流由压电陶瓷变形来实现，也可通过磁场由磁致伸缩材料变形来实现，或通过加热由形状记忆合金发生位移来实现，还可应用于无人飞机上。在磁致伸缩材料中，铁稀上合金具有最大的磁致伸缩效应。智能材料压电陶瓷制成的传感器和驱动器可解决机翼和尾翼的颤振问题，例如F/A-JSE/F垂尾的振动试验表明，振动减少了80%。智能材料还将在其他领域发挥它的聪明才智，例如美国正在制造一种小型智能炸弹，可使一架重型轰炸机同时精确攻击数百个独立目标，还准备给这种炸弹装上智能引信，巧妙地做到“不见目标不拉弦”。 在地面作战中，若要使坦克不被击中，除提高机动性能外，更重要的是发展“主动装甲”，即能预先识别目标，并利用诱饵触发和物理摧毁方法，破坏来袭兵器的由复合材料制成的合成系统，即在复合装甲中引入敏感、传感、微电子等材料和技术而构成的多功能智能材料系统。将新的控爆材料，轻质多孔隔热、隔音、防火与防冲击材料用于坦克装甲车辆，就可以保证这些车辆中弹后能继续战斗。总之，智能材料虽然尚处于早期开发阶段，但正孕育着新的突破和大的发展。设计和合成智能材料需要解决许多关键技术问题，智能材料这一复杂体系的材料复合应能仿照生物模型，确保在设计的结构层次上将多种功能集于一体，建立起传感、驱动和控制网络，通过建立数学或力学模型，进一步优化。 3 军用复合材料的可设计性 复合材料已广泛应用于飞机、火箭、人造卫星和国防等各个领域，但复合材料的设计是一个复杂的系统性问题，它涉及环境载荷、设计要求、材料选材、成型方法及工艺过程、力学分析、检验测试、维护与修补、安全性、可靠性及成本等诸多因素。对于飞机、火箭等军用材料减轻结构重量、提高有效载荷是设计者追求的房屋主题。材料的设计应从最大限度的安全性、可靠性出发来考虑经济贡献，同时材料的选择应该满足复合材料设计中所提出的要求，符合军事工业领域的规范和要求；在设计军用复合材料及其结构时，必须进行系统的实验工作，了解并掌握复合材料及其结构在静载荷、动载荷、疲劳载荷及冲击载荷作用下，重要性能数据，为军用复合材料的设计提供科学的依据。在兵器高技术的迅速发展过程中，先进军用复合材料是国际兵器高新技术发展的基础，应是多种学科的综合，复合材料整体化、优选化、智能化是未来高技术兵器发展的必然趋势。军用复合材料正向着低成本、高性能、多功能和智能化方向发展，在未来的军事高技术领域有着举足轻重的地位，并具有十分良好的产业化前景。 |
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