軍工的新型材料盤點
1.1 鋁合金
鋁合金一直是軍事工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料。鋁合金具有密度低、強(qiáng)度高、加工性能好等特點，作為結(jié)構(gòu)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(gòu)件剛、強(qiáng)度。所以，鋁合金是武器輕量化首選的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。
鋁合金在航空工業(yè)中主要用于制造飛機(jī)的蒙皮、隔框、長梁和珩條等；在航天工業(yè)中，鋁合金是運載火箭和宇宙飛行器結(jié)構(gòu)件的重要材料，在兵器領(lǐng)域，鋁合金已成功地用于步兵戰(zhàn)車和裝甲運輸車上，最近研制的榴彈炮炮架也大量采用了新型鋁合金材料。
近年來，鋁合金在航空航天業(yè)中的用量有所減少，但它仍是軍事工業(yè)中主要的結(jié)構(gòu)材料之一。鋁合金的發(fā)展趨勢是追求高純、高強(qiáng)、高韌和耐高溫，在軍事工業(yè)中應(yīng)用的鋁合金主要有鋁鋰合金、鋁銅合金（2000系列）和鋁鋅鎂合金（7000系列）。
新型鋁鋰合金應(yīng)用于航空工業(yè)中，預(yù)測飛機(jī)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(dǎo)彈殼體的候選結(jié)構(gòu)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。
1.2鎂合金
鎂合金作為最輕的工程金屬材料，具有比重輕、比強(qiáng)度及比剛度高、阻尼性及導(dǎo)熱性好，電磁屏蔽能力強(qiáng)、以及減振性好等一系列獨特的性質(zhì)，極大的滿足了航空航天、現(xiàn)代武器裝備等軍工領(lǐng)域的需求。
鎂合金在軍工裝備上有諸多應(yīng)用，如坦克座椅骨架、車長鏡、炮長鏡、變速箱箱體、發(fā)動機(jī)機(jī)濾座、進(jìn)出水管、空氣分配器座、機(jī)油泵殼體、水泵殼體、機(jī)油熱交換器、機(jī)油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等車輛零部件；戰(zhàn)術(shù)防空導(dǎo)彈的支座艙段與副翼蒙皮、壁板、加強(qiáng)框、舵板、隔框等彈箭零部件；殲擊機(jī)、轟炸機(jī)、直升機(jī)、運輸機(jī)、機(jī)載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈、運載火箭、人造衛(wèi)星等飛船飛行器構(gòu)件。
鎂合金重量輕、比強(qiáng)度和剛度好、減振性能好、電磁干擾、屏蔽能力強(qiáng)等特點能滿足軍工產(chǎn)品對減重、吸噪、減震、防輻射的要求。在航空航天和國防建設(shè)中占有十分重要的地位，是飛行器，衛(wèi)星，導(dǎo)彈，以及戰(zhàn)斗機(jī)和戰(zhàn)車等武器裝備所需的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。
1.3鈦合金
鈦合金具有較高的抗拉強(qiáng)度（441~1470MPa），較低的密度（4.5g/cm3），優(yōu)良的抗腐蝕性能和在300~550℃溫度下有一定的高溫持久強(qiáng)度和很好的低溫沖擊韌性，是一種理想的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。鈦合金具有超塑性的功能特點，采用超塑成形－擴(kuò)散連接技術(shù)，可以以很少的能量消耗和材料消耗將合金制成形狀復(fù)雜和尺寸精密的制品。
鈦合金在航空工業(yè)中的應(yīng)用主要是制作飛機(jī)的機(jī)身結(jié)構(gòu)件、起落架、支撐梁、發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)盤、葉片和接頭等；在航天工業(yè)中，鈦合金主要用來制作承力構(gòu)件、框架、氣瓶、壓力容器、渦輪泵殼、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體及噴管等零部件。
50年代初，在一些軍用飛機(jī)上開始使用工業(yè)純鈦制造后機(jī)身的隔熱板、機(jī)尾罩、減速板等結(jié)構(gòu)件；
60年代，鈦合金在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用擴(kuò)大到襟翼滑軋、承力隔框、起落架梁等主要受力結(jié)構(gòu)中；
70年代以來，鈦合金在軍用飛機(jī)和發(fā)動機(jī)中的用量迅速增加，從戰(zhàn)斗機(jī)擴(kuò)大到軍用大型轟炸機(jī)和運輸機(jī)，它在F14和F15飛機(jī)上的用量占結(jié)構(gòu)重量的25%，在F100和TF39發(fā)動機(jī)上的用量分別達(dá)到25%和33%；
80年代以后，鈦合金材料和工藝技術(shù)達(dá)到了進(jìn)一步發(fā)展，一架B1B飛機(jī)需要90402公斤鈦材?，F(xiàn)有的航空航天用鈦合金中，應(yīng)用最廣泛的是多用途的a+b型Ti-6Al-4V合金。
近年來，西方和俄羅斯相繼研究出兩種新型鈦合金，它們分別是高強(qiáng)高韌可焊及成形性良好的鈦合金和高溫高強(qiáng)阻燃鈦合金，這兩種先進(jìn)鈦合金在未來的航空航天業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景。
隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭的發(fā)展，陸軍部隊需求具有威力大、射程遠(yuǎn)、精度高、有快速反應(yīng)能力的多功能的先進(jìn)加榴炮系統(tǒng)。先進(jìn)加榴炮系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是新材料技術(shù)。自行火炮炮塔、構(gòu)件、輕金屬裝甲車用材料的輕量化是武器發(fā)展的必然趨勢。在保證動態(tài)與防護(hù)的前提下，鈦合金在陸軍武器上有著廣泛的應(yīng)用。155火炮制退器采用鈦合金后不僅可以減輕重量，還可以減少火炮身管因重力引起的變形，有效地提高了射擊精度；在主戰(zhàn)坦克及直升機(jī)－反坦克多用途導(dǎo)彈上的一些形狀復(fù)雜的構(gòu)件可用鈦合金制造，這既能滿足產(chǎn)品的性能要求又可減少部件的加工費用。
在過去相當(dāng)長的時間里，鈦合金由于制造成本昂貴，應(yīng)用受到了極大的限制。近年來，世界各國正在積極開發(fā)低成本的鈦合金，在降低成本的同時，還要提高鈦合金的性能。在我國，鈦合金的制造成本還比較高，隨著鈦合金用量的逐漸增大，尋求較低的制造成本是發(fā)展鈦合金的必然趨勢。
1.4 復(fù)合材料
先進(jìn)復(fù)合材料是比通用復(fù)合材料有更高綜合性能的新型材料，它包括樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)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(jìn)復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、高的比模量、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。
1.4.1 樹脂基復(fù)合材料
樹脂基復(fù)合材料具有良好的成形工藝性、高的比強(qiáng)度、高的比模量、低的密度、抗疲勞性、減震性、耐化學(xué)腐蝕性、良好的介電性能、較低的熱導(dǎo)率等特點，廣泛應(yīng)用于軍事工業(yè)中。
樹脂基復(fù)合材料可分為熱固性和熱塑性兩類。熱固性樹脂基復(fù)合材料是以各種熱固性樹脂為基體，加入各種增強(qiáng)纖維復(fù)合而成的一類復(fù)合材料；而熱塑性樹脂則是一類線性高分子化合物，它可以溶解在溶劑中，也可以在加熱時軟化和熔融變成粘性液體，冷卻后硬化成為固體。樹脂基復(fù)合材料具有優(yōu)異的綜合性能，制備工藝容易實現(xiàn)，原料豐富。
在航空工業(yè)中，樹脂基復(fù)合材料用于制造飛機(jī)機(jī)翼、機(jī)身、鴨翼、平尾和發(fā)動機(jī)外涵道；在航天領(lǐng)域，樹脂基復(fù)合材料不僅是方向舵、雷達(dá)、進(jìn)氣道的重要材料，而且可以制造固體火箭發(fā)動機(jī)燃燒室的絕熱殼體，也可用作發(fā)動機(jī)噴管的燒蝕防熱材料。近年來研制的新型氰酸樹脂復(fù)合材料具有耐濕性強(qiáng)，微波介電性能佳，尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點，廣泛用于制作宇航結(jié)構(gòu)件、飛機(jī)的主次承力結(jié)構(gòu)件和雷達(dá)天線罩。
1.4.2金屬基復(fù)合材料
金屬基復(fù)合材料具有高的比強(qiáng)度、高的比模量、良好的高溫性能、低的熱膨脹系數(shù)、良好的尺寸穩(wěn)定性、優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱性在軍事工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。鋁、鎂、鈦是金屬基復(fù)合材料的主要基體，而增強(qiáng)材料一般可分為纖維、顆粒和晶須三類，其中顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料已進(jìn)入型號驗證，如用于F－16戰(zhàn)斗機(jī)作為腹鰭代替鋁合金，其剛度和壽命大幅度提高。碳纖維增強(qiáng)鋁、鎂基復(fù)合材料在具有高比強(qiáng)度的同時，還有接近于零的熱膨脹系數(shù)和良好的尺寸穩(wěn)定性，成功地用于制作人造衛(wèi)星支架、L頻帶平面天線、空間望遠(yuǎn)鏡、人造衛(wèi)星拋物面天線等；碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料具有良好的高溫性能和抗磨損的特點，可用于制作火箭、導(dǎo)彈構(gòu)件，紅外及激光制導(dǎo)系統(tǒng)構(gòu)件，精密航空電子器件等；碳化硅纖維增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料具有良好的耐高溫和抗氧化性能，是高推重比發(fā)動機(jī)的理想結(jié)構(gòu)材料，目前已進(jìn)入先進(jìn)發(fā)動機(jī)的試車階段。在兵器工業(yè)領(lǐng)域，金屬基復(fù)合材料可用于大口徑尾翼穩(wěn)定脫殼穿甲彈彈托，反直升機(jī) / 反坦克多用途導(dǎo)彈固體發(fā)動機(jī)殼體等零部件，以此來減輕戰(zhàn)斗部重量，提高作戰(zhàn)能力。
1.4.3 陶瓷基復(fù)合材料
陶瓷基復(fù)合材料是以纖維、晶須或顆粒為增強(qiáng)體，與陶瓷基體通過一定的復(fù)合工藝結(jié)合在一起組成的材料的總稱，由此可見，陶瓷基復(fù)合材料是在陶瓷基體中引入第二相組元構(gòu)成的多相材料，它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成為當(dāng)前材料科學(xué)研究中最為活躍的一個方面。陶瓷基復(fù)合材料具有密度低、比強(qiáng)度高、熱機(jī)械性能和抗熱震沖擊性能好的特點，是未來軍事工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵支撐材料之一。陶瓷材料的高溫性能雖好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相變增韌、微裂紋增韌、彌散金屬增韌和連續(xù)纖維增韌等。陶瓷基復(fù)合材料主要用于制作飛機(jī)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)噴嘴閥，它在提高發(fā)動機(jī)的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。
1.4.4 碳－碳復(fù)合材料
碳－碳復(fù)合材料是由碳纖維增強(qiáng)劑與碳基體組成的復(fù)合材料。碳－碳復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、抗熱震性好、耐燒蝕性強(qiáng)、性能可設(shè)計等一系列優(yōu)點。碳－碳復(fù)合材料的發(fā)展是和航空航天技術(shù)所提出的苛刻要求緊密相關(guān)。
80年代以來，碳－碳復(fù)合材料的研究進(jìn)入了提高性能和擴(kuò)大應(yīng)用的階段。在軍事工業(yè)中，碳－碳復(fù)合材料最引人注目的應(yīng)用是航天飛機(jī)的抗氧化碳－碳鼻錐帽和機(jī)翼前緣，用量最大的碳－碳產(chǎn)品是超音速飛機(jī)的剎車片。
碳－碳復(fù)合材料在宇航方面主要用作燒蝕材料和熱結(jié)構(gòu)材料，具體而言，它是用作洲際導(dǎo)彈彈頭的鼻錐帽、固體火箭噴管和航天飛機(jī)的機(jī)翼前緣。目前先進(jìn)的碳－碳噴管材料密度為1.87~1.97克/厘米3，環(huán)向拉伸強(qiáng)度為75~115兆帕。近期研制的遠(yuǎn)程洲際導(dǎo)彈端頭帽幾乎都采用了碳－碳復(fù)合材料。
隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)裝載質(zhì)量不斷增加，飛行著陸速度不斷提高，對飛機(jī)的緊急制動提出了更高的要求。碳－碳復(fù)合材料質(zhì)量輕、耐高溫、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作剎車片廣泛用于高速軍用飛機(jī)中。
1.5 超高強(qiáng)度鋼
超高強(qiáng)度鋼是屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別超過1200兆帕和1400兆帕的鋼，它是為了滿足飛機(jī)結(jié)構(gòu)上要求高比強(qiáng)度的材料而研究和開發(fā)的。由于鈦合金和復(fù)合材料在飛機(jī)上應(yīng)用的擴(kuò)大，鋼在飛機(jī)上用量有所減少，但是飛機(jī)上的關(guān)鍵承力構(gòu)件仍采用超高強(qiáng)度鋼制造。
目前，在國際上有代表性的低合金超高強(qiáng)度鋼300M，是典型的飛機(jī)起落架用鋼。此外，低合金超高強(qiáng)度鋼D6AC是典型的固體火箭發(fā)動機(jī)殼體材料。超高強(qiáng)度鋼的發(fā)展趨勢是在保證超高強(qiáng)度的同時，不斷提高韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力。
1.6先進(jìn)高溫合金
高溫合金是航空航天動力系統(tǒng)的關(guān)鍵材料。高溫合金是在600~1200oC高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化和抗腐蝕能力的合金，它是航空航天發(fā)動機(jī)渦輪盤的首選材料。按照基體組元的不同，高溫合金分為鐵基、鎳基和鈷基三大類。發(fā)動機(jī)渦輪盤在60 年代前一直是用鍛造高溫合金制造，典型的牌號有A286和Inconel 718。
70年代，美國GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56發(fā)動機(jī)渦輪盤，大大增加了它的推重比，使用溫度顯著提高。從此，粉末冶金渦輪盤得以迅速發(fā)展。最近美國采用噴射沉積快速凝固工藝制造的高溫合金渦輪盤，與粉末高溫合金相比，工序簡單，成本降低，具有良好的鍛造加工性能，是一種有極大發(fā)展?jié)摿Φ闹苽浼夹g(shù)。
1.7 鎢合金
鎢的熔點在金屬中最高，其突出的優(yōu)點是高熔點帶來材料良好的高溫強(qiáng)度與耐蝕性，在軍事工業(yè)特別是武器制造方面表現(xiàn)出了優(yōu)異的特性。在兵器工業(yè)中它主要用于制作各種穿甲彈的戰(zhàn)斗部。鎢合金通過粉末預(yù)處理技術(shù)和大變形強(qiáng)化技術(shù)，細(xì)化了材料的晶粒，拉長了晶粒的取向，以此提高材料的強(qiáng)韌性和侵徹威力。
我國研制的主戰(zhàn)坦克125Ⅱ型穿甲彈鎢芯材料為W-Ni-Fe，采用變密度壓坯燒結(jié)工藝，平均性能達(dá)到抗拉強(qiáng)度1200兆帕，延伸率為15%以上，戰(zhàn)技指標(biāo)為2000米距離擊穿600毫米厚均質(zhì)鋼裝甲。目前鎢合金廣泛應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克大長徑比穿甲彈、中小口徑防空穿甲彈和超高速動能穿甲彈用彈芯材料，這使各種穿甲彈具有更為強(qiáng)大的擊穿威力。
1.8 金屬間化合物
金屬間化合物具有長程有序的超點陣結(jié)構(gòu)，保持很強(qiáng)的金屬鍵結(jié)合，使它們具有許多特殊的理化性質(zhì)和力學(xué)性能。金屬間化合物具有優(yōu)異的熱強(qiáng)性，近年來已成為國內(nèi)外積極研究的重要的新型高溫結(jié)構(gòu)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(fù)荷的零部件上，如美國普奧公司制造了JT90燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)葉片，美國空軍用鈦鋁制造小型飛機(jī)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子葉片等，俄羅斯用鈦鋁金屬間化合物代替耐熱合金作活塞頂，大幅度地提高了發(fā)動機(jī)的性能。在兵器工業(yè)領(lǐng)域，坦克發(fā)動機(jī)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(yīng)用鈦鋁金屬間化合物及其由氧化鋁、碳化硅纖維增強(qiáng)的復(fù)合輕質(zhì)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(biāo)。
1.9 結(jié)構(gòu)陶瓷
陶瓷材料是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的高技術(shù)材料，它已經(jīng)由單相陶瓷發(fā)展到多相復(fù)合陶瓷。結(jié)構(gòu)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(yīng)用前景。
近年來，國內(nèi)外對軍用發(fā)動機(jī)用結(jié)構(gòu)陶瓷進(jìn)行了內(nèi)容廣泛的研究工作，如發(fā)動機(jī)增壓器小型渦輪已經(jīng)實用化；美國將陶瓷板鑲嵌在活塞頂部，使活塞的使用壽命大幅度提高，同時也提高了發(fā)動機(jī)的熱效率。德國在排氣口鑲嵌陶瓷構(gòu)件，提高了排氣口的使用效能。
國外紅外熱成像儀上的微型斯特林制冷機(jī)活塞套和氣缸套用陶瓷材料制造，其壽命長達(dá)2000小時；導(dǎo)彈用陀螺儀的動力靠火藥燃?xì)夤┙o，但燃?xì)庵械幕鹚帤堅鼘ν勇輧x有嚴(yán)重?fù)p傷，為消除燃?xì)庵械臍堅⑻岣邔?dǎo)彈的命中精度，需研究適于導(dǎo)彈火藥氣體在2000oC下工作的陶瓷過濾材料。在兵器工業(yè)領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)陶瓷廣泛應(yīng)用于主戰(zhàn)坦克發(fā)動機(jī)增壓器渦輪、活塞頂、排氣口鑲嵌塊等，是新型武器裝備的關(guān)鍵材料。
目前，20~30毫米口徑機(jī)關(guān)槍的射頻要求達(dá)到1200發(fā)/分以上，這使炮管的燒蝕極為嚴(yán)重。利用陶瓷的高熔點和高溫化學(xué)穩(wěn)定性能有效地抑制了嚴(yán)重的炮管燒蝕，陶瓷材料具有高的抗壓和抗蠕變特性，通過合理設(shè)計，使陶瓷材料保持三向壓縮狀態(tài)，克服其脆性，保證陶瓷襯管的安全使用。
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