軍工領域用鈦合金鎂合金等功能新材料的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

一、引言

國無防不立，民無防不安。作為一個國家、一個民族，最重要的無非兩件大事：一個是發(fā)展問題，一個是安全問題。國防是人類社會發(fā)展與安全需要的產物，它是關系到國家和民族生死存亡的根本大計。

現(xiàn)代國防以軍事力量為核心，還包括有關的非軍事力量；它重視國家的戰(zhàn)爭潛力，特別是戰(zhàn)時的動員效率；它還是以經濟和科技為主的綜合實力的競爭。材料技術作為國家科技發(fā)展規(guī)劃中最為關鍵的領域之一，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全局的高新技術。材料高新技術還是支撐當今人類文明的現(xiàn)代工業(yè)關鍵技術，用于軍事領域的軍用新材料技術是發(fā)展高新技術武器的物質基礎，也是一個國家國防力最最重要的物質基礎。

出于自身利益及世界形勢的考量，每個國家都需要且必須建立強大的國防。因而開發(fā)具有自主知識產權的現(xiàn)代化尖端武器，對國家安全而言就顯得尤為重要。而就目前現(xiàn)有的材料品種、規(guī)格、性能及冶煉工藝方式已遠遠不能滿足高新武器發(fā)展的需求，有時甚至成為制約武器研究開發(fā)的“瓶頸”，在這種背景下，軍用材料技術便應運而生。目前，世界范圍內的軍用新材料技術已有上萬種，并以每年5％的速度遞增，正向高功能化、超高能化、復合輕量和智能化的方向發(fā)展。

二、新材料技術在軍工方面的應用

軍用新材料按其用途可分為結構材料和功能材料兩大類，廣泛應用于航空、航天、兵器和船艦等領域中。

1.軍用結構材料

隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，武器裝備的技術密集程度越來越高，正在從機械化戰(zhàn)爭向信息化戰(zhàn)爭演變，武器裝備向精確制導方向發(fā)展。因此，對軍用材料提出了更高、更新的要求。

1.1鎂合金

鎂合金作為最輕的工程金屬材料，具有比重輕、比強度及比剛度高、阻尼性及導熱性好，電磁屏蔽能力強、以及減振性好等一系列獨特的性質，極大的滿足了航空航天、現(xiàn)代武器裝備等軍工領域的需求。

鎂合金在軍工裝備上有諸多應用，如坦克座椅骨架、車長鏡、炮長鏡、變速箱箱體、發(fā)動機機濾座、進出水管、空氣分配器座、機油泵殼體、水泵殼體、機油熱交換器、機油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等車輛零部件；戰(zhàn)術防空導彈的支座艙段與副翼蒙皮、壁板、加強框、舵板、隔框等彈箭零部件；殲擊機、轟炸機、直升機、運輸機、機載雷達、地空導彈、運載火箭、人造衛(wèi)星等飛船飛行器構件。鎂合金重量輕、比強度和剛度好、減振性能好、電磁干擾、屏蔽能力強等特點能滿足軍工產品對減重、吸噪、減震、防輻射的要求。在航空航天和國防建設中占有十分重要的地位，是飛行器，衛(wèi)星，導彈，以及戰(zhàn)斗機和戰(zhàn)車等武器裝備所需的關鍵結構材料。

1.2鋁合金

鋁合金一直是軍事工業(yè)中應用最廣泛的金屬結構材料之一。鋁合金材料具有密度低、強度高、加工性能好等特點，作為結構材料，因其加工性能優(yōu)良，可制成各種截面的型材、管材、高筋板材等，以充分發(fā)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。

鋁合金的發(fā)展趨勢是追求高純、高強、高韌和耐高溫，在軍事工業(yè)中應用的鋁合金主要有鋁鋰合金、鋁銅合金和鋁鋅鎂合金。新型鋁鋰臺金應用于航空工業(yè)中，預計飛機重量將下降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(yè)的迅速發(fā)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。

1.3結構陶瓷

常用的結構陶瓷材料主要包括：氧化鋁、氧化鉛、氮化硅、碳化硅、氮化鋁及其復合材料等。由于結構陶瓷材料通常具有高強、高硬、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的特性，因而在國防、軍工領域具有廣泛的應用。

陶瓷材料是當今世界上發(fā)展最快的高技術村料，它已經從單相陶瓷發(fā)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(shù)等諸多優(yōu)異性能，在軍事工業(yè)中有著良好的應用前景。利用結構陶瓷的高硬度、高耐磨性可以制備陶瓷刀具、陶瓷軸承、防彈裝甲、各種閥門、耐磨襯里、密封環(huán)；利用結構陶瓷的耐高溫性能可以制備高溫陶瓷熱交換器、汽車尾氣過濾器、燃氣輪機高溫過流部件；利用結構陶瓷的透明性可以制備透明燈管、導彈窗口材料等。

1.4超高強度鋼

超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1200MPa和1400MPa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(fā)的。超高強度鋼不僅具有高的抗拉強度，還具有一定塑性和韌性、小的缺口敏感性、高的疲勞強度、一定的抗蝕性、良好的工藝性能、符合資源情況及價格低廉等優(yōu)點，在航空工業(yè)的應用越來越廣泛。超高強度鋼大量用于制造火箭發(fā)動機外殼，飛機機身骨架、蒙皮和著陸部件以及高壓容器和一些常規(guī)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(fā)動機殼體材料。超高強度鋼的發(fā)展趨勢是在保證超高強度的同時，不斷提高韌性和抗腐蝕能力。

1.5先進高溫合金

高溫鈦合金在600~1200℃高溫下能承受一定應力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金，具有較高的高溫強度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能廣泛應用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。

按基體元素來分，高溫合金又分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達到750~780℃，對于在更高溫度下使用的耐熱部件，則采用鎳基和難熔金屬為基的合金。鎳基高溫合金在整個高溫合金領域占有特殊重要的地位，它廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動機、各種工業(yè)燃氣輪機最熱端部件。若以150MPA~100H持久強度為標準，而目前鎳合金所能承受的最高溫度＞1100℃，而鎳合金約為950℃，鐵基的合金＜850℃，即鎳基合金相應地高出150℃至250℃左右。所以人們稱鎳合金為發(fā)動機的心臟。目前，在先進的發(fā)動機上，鎳合金已占總重量的一半，不僅渦輪葉片及燃燒室，而且渦輪盤甚至后幾級壓氣機葉片也開始使用鎳合金。與鐵合金相比，鎳合金的優(yōu)點是：工作溫度較高，組織穩(wěn)定、有害相少及抗氧化搞腐蝕能力大。與鈷合金相比，鎳合金能在較高溫度與應力下工作，尤其是在動葉片場合。

1.6復合材料

復合材料是指兩種以上不同性質或不同結構物質組合而成的材料，通常由基體材料與增強劑組成。先進復合材料比通用復合材料具有更高綜合性能，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(yè)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。先進的復合材料具有高強度、高模量、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(yōu)點，是國防工業(yè)發(fā)展中最重要的一類工程材料。

復合材料正在迅速發(fā)展成為航天航空工業(yè)的基本結構材料。高性能聚合物基復合材料在航空航天工業(yè)的用量占其全部用量的80％。由于碳纖維具有高比強度、比模量、低熱膨脹系數(shù)和高導熱性等獨特性能，因而由其增強的復合材料用作航空航天結構材料，減重效果十分顯著，顯示出無可比擬的巨大應用潛力。例如，碳纖維增強樹脂基復合材料用做航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等，此外，還將其在火箭與導彈的減重、飛機的主承力結構，在雷達波隱身材料方面，除涂層外，復合材料作為結構隱身材料正日益引起人們的關注，主要為碳纖維增強熱固性樹脂基復合材料(如C/EP、C/PI或C/BMI)和熱塑性樹脂基復合材料(C/PEEK，C/PPS)，目前已經得到了某些應用。

1.7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(yōu)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(yè)中，金屬間化合物已被用于制造承受熱負荷的零部件上；在兵器工業(yè)領域，坦克發(fā)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，應用鈦鋁金屬聞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(zhàn)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(zhàn)技指標。

2.軍用功能材料

功能材料是指利用聲、光、電、磁、熱、化、生化等效應，將能量從一種形式轉化為另一種形式的材料。功能材料很多，如光電功能材料、儲氫功能材料、阻尼減震材料、隱身材料等。

2.1 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(xiàn)代信息科技的重要組成部分。光電功能材料在軍事工業(yè)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(tǒng)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。

2.2儲氫功能材料

某些過渡簇金屬，合金和金屬問化合物，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，這種材料稱為儲氫材料。

在兵器工業(yè)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(tài)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(zhàn)能力。儲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(yōu)點，在未來主戰(zhàn)坦克蓄電池發(fā)展過程中具有廣闊的應用前景。

2.3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?yōu)闊崮艿默F(xiàn)象。采用高阻尼功能材料的目的是減震降嗓，因此阻尼減震材料在軍事工業(yè)中具有十分重要的意義。

2.4隱身材料

現(xiàn)代攻擊武器的發(fā)展，特別是精確打擊武器的出現(xiàn)，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(tǒng)失去功效，從而盡可能地隱蔽自己，掌握戰(zhàn)場的主動權，搶先發(fā)現(xiàn)并消滅敵人，己成為現(xiàn)代武器防護的重要發(fā)展方向。隱身技術的最有效手段是采用隱身材料。

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(tǒng)的發(fā)現(xiàn)、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(tǒng)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(fā)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(fā)；國內毫米波隱身材料的研究起步于上世紀80年代中期，研究單位主要集中在兵器系統(tǒng)。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(tǒng)的偽裝和隱身，如主戰(zhàn)坦克、155毫米先進加榴炮系統(tǒng)及水陸兩用坦克等。

目前，世界上正在研制的第5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質、寬頻帶吸收、熱穩(wěn)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。

三、軍用新材料技術的發(fā)展趨勢

2l世紀復合材料的發(fā)展方向是低成本、高性能、多功能和智能化。我國軍用材料經過多年發(fā)展，已取得長足進步，但也存在“多、雜、散”的問題，系列化、通用化較差，影響了軍用材料科研的整體效益和對于武器裝備研制生產的保障能力，為此需要建立適合我國國情的軍用材料體系。

回首過去，國防建設和兵器工業(yè)的發(fā)展得益于材料科學的發(fā)展，展望未來，材料科學的進步將給國防建設提供強有力的保障。

本文作者：材料委天津院