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新材料在军事工业中的应用与发展
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知识了解--新材料在军事工业中的应用与发展 新材料，又称先进材料（Advanced Materials），是指新近研究成功的和正在研制中的具有优异特性和功能，能满足高技术需求的新型材料。人类历史的发展表明，材料是社会发展的物质基础和先导，而新材料则是社会进步的里程碑。 材料技术一直是世界各国科技发展规划之中的一个十分重要的领域，它与信息技术、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人类全局的高技术。材料高技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术，也是一个国家国防力量最重要的物质基础。国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者，新材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。 军用新材料的战略意义 军用新材料是新一代武器装备的物质基础，也是当今世界军事领域的关键技术。而军用新材料技术则是用于军事领域的新材料技术，是现代精良武器装备的关键，是军用高技术的重要组成部分。世界各国对军用新材料技术的发展给予了高度重视，加速发展军用新材料技术是保持军事领先的重要前提。 军用新材料的现状与发展 军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类，主要应用于航空工业、航天工业、兵器工业和船舰工业中。 1 军用结构材料 1) 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。铝合金具有密度低、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。 铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长梁和珩条等；在航天工业中，铝合金是运载火箭和宇宙飞行器结构件的重要材料，在兵器领域，铝合金已成功地用于步兵战车和装甲运输车上，最近研制的榴弹炮炮架也大量采用了新型铝合金材料。 近年来，铝合金在航空航天业中的用量有所减少，但它仍是军事工业中主要的结构材料之一。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（2000系列）和铝锌镁合金（7000系列）。 新型铝锂合金应用于航空工业中，预测飞机重量将下降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) 钛合金 钛合金具有较高的抗拉强度（441~1470兆帕），较低的密度（4.5g/cm3），优良的抗腐蚀性能和在300~550oC温度下有一定的高温持久强度和很好的低温冲击韧性，是一种理想的轻质结构材料。钛合金具有超塑性的功能特点，采用超塑成形－扩散连接技术，可以以很少的能量消耗和材料消耗将合金制成形状复杂和尺寸精密的制品。 钛合金在航空工业中的应用主要是制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等；在航天工业中，钛合金主要用来制作承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体火箭发动机壳体及喷管等零部件。50年代初，在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等结构件；60年代，钛合金在飞机结构上的应用扩大到襟翼滑轧、承力隔框、起落架梁等主要受力结构中；70年代以来，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加，从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，它在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%，在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%；80年代以后，钛合金材料和工艺技术达到了进一步发展，一架B1B飞机需要90402公斤钛材。现有的航空航天用钛合金中，应用最广泛的是多用途的a+b型Ti-6Al-4V合金。近年来，西方和俄罗斯相继研究出两种新型钛合金，它们分别是高强高韧可焊及成形性良好的钛合金和高温高强阻燃钛合金，这两种先进钛合金在未来的航空航天业中具有良好的应用前景。 随着现代战争的发展，陆军部队需求具有威力大、射程远、精度高、有快速反应能力的多功能的先进加榴炮系统。先进加榴炮系统的关键技术之一是新材料技术。自行火炮炮塔、构件、轻金属装甲车用材料的轻量化是武器发展的必然趋势。在保证动态与防护的前提下，钛合金在陆军武器上有着广泛的应用。155火炮制退器采用钛合金后不仅可以减轻重量，还可以减少火炮身管因重力引起的变形，有效地提高了射击精度；在主战坦克及直升机－反坦克多用途导弹上的一些形状复杂的构件可用钛合金制造，这既能满足产品的性能要求又可减少部件的加工费用。 在过去相当长的时间里，钛合金由于制造成本昂贵，应用受到了极大的限制。近年来，世界各国正在积极开发低成本的钛合金，在降低成本的同时，还要提高钛合金的性能。在我国，钛合金的制造成本还比较高，随着钛合金用量的逐渐增大，寻求较低的制造成本是发展钛合金的必然趋势。 3) 复合材料 先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料，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。先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、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。 树脂基复合材料 树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减震性、耐化学腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点，广泛应用于军事工业中。树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两类。热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体，加入各种增强纤维复合而成的一类复合材料；而热塑性树脂则是一类线性高分子化合物，它可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后硬化成为固体。树脂基复合材料具有优异的综合性能，制备工艺容易实现，原料丰富。在航空工业中，树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道；在航天领域，树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料，而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体，也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强，微波介电性能佳，尺寸稳定性好等优点，广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。 金属基复合材料 金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性在军事工业中得到了广泛的应用。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类，其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证，如用于F－16战斗机作为腹鳍代替铝合金，其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，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；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，可用于制作火箭、导弹构件，红外及激光制导系统构件，精密航空电子器件等；碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能，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。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零部件，以此来减轻战斗部重量，提高作战能力。 陶瓷基复合材料 陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体，与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起组成的材料的总称，由此可见，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。陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、热机械性能和抗热震冲击性能好的特点，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。陶瓷基复合材料主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀，它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。 碳－碳复材料 碳－碳复合材料是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材料。碳－碳复合材料具有比强度高、抗热震性好、耐烧蚀性强、性能可设计等一系列优点。碳－碳复合材料的发展是和航空航天技术所提出的苛刻要求紧密相关。80年代以来，碳－碳复合材料的研究进入了提高性能和扩大应用的阶段。在军事工业中，碳－碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳－碳鼻锥帽和机翼前缘，用量最大的碳－碳产品是超音速飞机的刹车片。碳－碳复合材料在宇航方面主要用作烧蚀材料和热结构材料，具体而言，它是用作洲际导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭喷管和航天飞机的机翼前缘。目前先进的碳－碳喷管材料密度为1.87~1.97克/厘米3，环向拉伸强度为75~115兆帕。近期研制的远程洲际导弹端头帽几乎都采用了碳－碳复合材料。 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、摩擦性能好，用它制作刹车片广泛用于高速军用飞机中。 4) 超高强度钢和先进高温合金 超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200兆帕和1400兆帕的钢，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。超高强度钢大量用于制造火箭发??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。 高温合金是航空航天动力系统的关键材料。高温合金是在600~1200oC高温下能承受一定应力并具有抗氧化和抗腐蚀能力的合金，它是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。按照基体组元的不同，高温合金分为铁基、镍基和钴基三大类。发动机涡轮盘在60 年代前一直是用锻造高温合金制造，典型的牌号有A286和Inconel 718。70年代，美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56发动机涡轮盘，大大增加了它的推重比，使用温度显著提高。从此，粉末冶金涡轮盘得以迅速发展。最近美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘，与粉末高温合金相比，工序简单，成本降低，具有良好的锻造加工性能，是一种有极大发展潜力的制备技术。 5) 钨合金 钨的熔点在金属中最高，其突出的优点是高熔点带来材料良好的高温强度与耐蚀性，在军事工业特别是武器制造方面表现出了优异的特性。在兵器工业中它主要用于制作各种穿甲弹的战斗部。钨合金通过粉末预处理技术和大变形强化技术，细化了材料的晶粒，拉长了晶粒的取向，以此提高材料的强韧性和侵彻威力。我国研制的主战坦克125Ⅱ型穿甲弹钨芯材料为W-Ni-Fe，采用变密度压坯烧结工艺，平均性能达到抗拉强度1200兆帕，延伸率为15%以上，战技指标为2000米距离击穿600毫米厚均质钢装甲。目前钨合金广泛应用于主战坦克大长径比穿甲弹、中小口径防空穿甲弹和超高速动能穿甲弹用弹芯材料，这使各种穿甲弹具有更为强大的击穿威力。 6) 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，如美国普奥公司制造了JT90燃气涡轮发动机叶片，美国空军用钛铝制造小型飞机发动机转子叶片等，俄罗斯用钛铝金属间化合物代替耐热合金作活塞顶，大幅度地提高了发动机的性能。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，应用钛铝金属间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，金属间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。 7) 结构陶瓷 陶瓷材料是当今世界上发展最快的高技术材料，它已经由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。 近年来，国内外对军用发动机用结构陶瓷进行了内容广泛的研究工作，如发动机增压器小型涡轮已经实用化；美国将陶瓷板镶嵌在活塞顶部，使活塞的使用寿命大幅度提高，同时也提高了发动机的热效率。德国在排气口镶嵌陶瓷构件，提高了排气口的使用效能。国外红外热成像仪上的微型斯特林制冷机活塞套和气缸套用陶瓷材料制造，其寿命长达2000小时；导弹用陀螺仪的动力靠火药燃气供给，但燃气中的火药残渣对陀螺仪有严重损伤，为消除燃气中的残渣并提高导弹的命中精度，需研究适于导弹火药气体在2000oC下工作的陶瓷过滤材料。在兵器工业领域，结构陶瓷广泛应用于主战坦克发动机增压器涡轮、活塞顶、排气口镶嵌块等，是新型武器装备的关键材料。目前，20~30毫米口径机关枪的射频要求达到1200发/分以上，这使炮管的烧蚀极为严重。利用陶瓷的高熔点和高温化学稳定性能有效地抑制了严重的炮管烧蚀，陶瓷材料具有高的抗压和抗蠕变特性，通过合理设计，使陶瓷材料保持三向压缩状态，克服其脆性，保证陶瓷衬管的安全使用。 |
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