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新材料在军工方面的研究现状及发展趋势
摘要：新材料在军工领域已经得到了广泛的应用，这里综述了军工结构材料以及功能材料的研究现状，最后展望了新材料在军工方面的发展趋势。关键字：新材料, 军工, 研究现状，结构材料，功能材料，发展趋势
The status quo and development trend of new materials in aspects of the military-industrial(Wang Hongwei Material Science and Engineering Institute in North University of China)Abstract: The new materials has been widely used in the military-industrial，here reviewed the status quo of research of Structural materials and functional materials in aspects of the military-industrial.Finally, here prospect the development trend of the new materials in aspects of the military-industrial.Key words: new materials, military-industrial, the status quo of research, structural materials, functional materials, the trends of development
在现代工业、国防和高新技术发展中，新材料已成为一项共性关键技术，并且正在成为当代和下世纪初最重要、发展最快的科学技术之一。国防科技工业常常是新材料技术成果的优先使用者，同时也是一些重要高性能新材料的需求牵引者。新材料技术的研究开发对于国防科技工业和武器装备的发展有着决定性的意义，新材料是指那些新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材科，而军工新材料则是指用于制造各种先进武器装备或用于武器装备改造的新材料[1]。
1.军工新材料的分类
按照物化成的武器装备，军工新材料可分成航空材料、航天材料、兵器材料、舰船材料、核武器及核动力装置材料、动能、定向能武器材料以及军用电子材料等。按照材料的主要用途，军工新材料可分为结构材料和功能材料两大类。其中，结构材料又可分为金属结构材料，陶瓷结构材料、高分子结构材料和复合材料；功能材料则可分为磁性材料、电子和光学材料、防热材料、抗核、抗激光、抗粒子云侵蚀材料、隐身材料、阻尼材料、推进剂、炸药或高能量密度材料以及新出现的智能材料、功能梯度材料等。近年来，还出现了结构／功能一体化及多功能化的趋势。
2.军工新材料的特点
军工新材料与传统材料相比具有一些新的特点，这些特点对于发展高技术武器装备具有十分重要的意义。
（1）质量轻，强度高，弹性模量大，这为发展小型化、轻量化核武器、导弹、卫星、火箭和具有高机动性能的坦克、飞机等武器装备创造了条件。
（2）具有耐高温、高压、高速、高燃速、高热流、强腐蚀、强振动、强辐射和原子氧辐照等极端恶劣环境的性能，这为发展极端环境下使用导弹、火箭和可重复使用航天器及长寿命的火炮、飞机等武器装备奠定了基础。
（3）具有吸波、消声、降噪、吸能、减少红外特征等隐身功能和抗核、抗激光、抗粒子云侵蚀等防护功能或多种功能兼备的特性，这对提高坦克、飞机、导弹、舰艇和航天器等武器装备的生存能力和突防能力具有重要意义。
（4）具有优异的光、电、磁性能，这些性能是确保武器装备的控制、制导、导航、通信、电子战的准确性和有效性并向智能化方向发展，实现高精度、高效率、高可靠性要求的前提。3.新材料在军工方面的研究现状
军工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、兵器和船舰领域中[2]。3.1 军工结构材料
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。
3.1.1 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 2 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。3.1.2 钛合金
钛合金具有轻质高强、耐热性好、并有较高的疲劳寿命和优良的抗腐蚀性能等优点。在军民用飞机上的应用不断增长。钛合金用量占美国第四代战斗机F-22结构重量的41%，占俄罗斯第三代战斗机苏-27结构重量的18%左右。预计到下世纪初，这种趋势将继续保持。钛合金在飞机上起初只用于发动机热影响区的非承力零件。从60年代开始用于承力构件．包括飞机机身的加强框、中央翼盒、进气道框架、发动机支掸梁等．机翼的梁、肋等，起落絮的主、前起支柱等．发动机的压气机盘件、叶片、机匣、鼓筒等。3.1.3 镁合金
镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金，是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、强度高、阻尼性、切削加工性和铸造性能好的优点，因此镁合金是武器轻量化极为重要的的轻质结构材料[3]。（1）镁合金材料在航空航天工业中的研究现状
航空材料减重带来的经济效益和性能的改善十分显著, 商用飞机与汽车减重相同质量带来的燃油费用节省, 前者是后者的近100 倍。而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10 倍, 更重要的是其机动性能改善可以极大提高其战斗力和生存能力。
随着镁合金制备技术的发展,材料的性能如比强度、比刚度、耐热强度、蠕变等性能不断提高,其应用范围也不断扩大。目前其应用领域包括各民用、军用飞机的发动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构以及火箭、导弹、卫星的一些零部件。如用ZM2制造WP7各型发动机的前支撑壳体和壳体盖；用ZM3镁合金制造J6飞机的WP6发动机的前舱铸件和WP11的离心机匣；用ZM4镁合金制造飞机液压恒速装置壳体、战机座舱骨架和镁合金机轮；以稀土金属钕为主要添加元素的ZM6 铸造镁合金已扩大用于直升机WZ6发动机后减速机匣、歼击机翼助等重要零件； 研制的稀土高强镁合金MB25、MB26已代替部分中强铝合金, 在歼击机上获得应 3 用。
（2）镁合金材料在用于现代兵器零部件方面的研究现状
采用镁合金及镁基复合材料替代武器装备的中、低强度要求的铝合金零件和部分黑色金属零件,可进一步实现武器装备轻量化。表1给出了镁合金材料在武器装备零部件中的研究应用情况。
表1 镁合金材料在武器装备零部件中的研究应用情况
装备名称 枪械武器
零部件名称
机匣、弹匣、枪托体、下机匣、提把、前护手、弹托板、瞄准座等 坦克座椅骨架、机长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机滤座、进出水管、装甲车辆 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
导弹 导弹舱体、舵机本体、仪表舱体、舵架、飞机翼片
火炮及弹药 供弹箱、牵引器、脚踏板、炮长镜、轮毂、引信体、风帽、火药筒等 光电产品 计算机及通军用计算机、通讯器材箱体、壳体、板类等零件
信器材 镜头壳体、红外成像仪壳体、底座等
此外，镁合金材料还可用于解决零件老化、变形和变色的问题。目前, 轻武器、光电及通讯器材产品、战车仪表盘等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强度最高, 但弹性模量、比刚度远小于镁合金, 且难以回收, 环境适应性差, 易磨损和老化变形、变色, 还影响武器战术性能。镁合金替代工程塑料能从根本上克服工程塑料的这些缺陷。表2给出了镁合金替代工程塑料在武器装备零部件上的研究应用情况。
表2 镁合金替代工程塑料在武器装备零部件方面的研究应用情况
装备名称 枪械武器 光电产品 军用器材
零部件名称
弹匣、护盖体、附件筒、前护手等 镜头壳体、瞄具壳体、夜视仪壳体等
种类仪表盘、通讯器材箱体、壳体零件、军用头盔等
3.1.4 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 4 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。3.1.5 结构陶瓷
陶瓷材料是当今世界上发展晟快的高技术村料，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。3.2 军工功能材料
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[4]。3.2.1 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。3.2.2 储氢功能材料
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 5 过程中具有广阔的应用前景。3.2.3 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。3.2.4 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。
现代隐形技术，除了外型设计上采用先进的方法，进行热红外线和自身电磁隐形外，主要是使用新型吸收波材料，即在飞机表面涂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。为应付不同雷达的不同工作方式，现在的隐形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，先吸收大部分的雷达波，剩下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。
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四代超音速歼击机，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轻质、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。
综上所述，对于国防兵器工业来说，对材料的基本要求是提高武器威力，减 6 轻重量、延长寿命、降低成本。因此，新型材料的发展与否、先进与否直接影响到我国的国防建设。我公司在军用新材料研制方面取得了长足的发展，先后成功研制了14MnNi、58SiMn等一系列新钢号，特别是某军品用材料，国内现有材料的强度已无法满足其正常工作。公司科技人员与钢厂共同研制了低合金超高强度钢管，保证了产品对原材料高强度、高韧性和抗应力腐蚀能力。4.军工新材料的发展趋势
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。
随着军事工业对高强度、低密度材料需求的日益迫切，钛合金的产业化进程显著加快。在国外，先进飞机上钛材重量已达到飞机结构总重的30％-35％。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。
纳米技术是现代科学和技术相结合的产物，它不仅涉及到现有的一切基础性科学技术领域，而且在军事工业中有着广泛的应用前景[5]。随着未来战争突发性的急剧增大，各种探测手段越来越先进。为适应现代战争的需要，隐身技术在军事领域占有十分重要的地位。纳米材料对雷达波的吸收率较高，从而为兵器隐身技术的发展提供了物质基础。
参考文献
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