分享 | 国防军工“大佬”——5大金属结构材料及4大功能材料
2024-12-24 13:23:43
作者：材易通 来源：材易通
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强国梦也是强军梦，实现中华民族伟大复兴，是近代百年来的仁人志士和亿万人民群众的伟大梦想。随着现代军事科技的不断发展，也促使各国对武器装备的性能提出了更高的要求。无论是推进大飞机高速列车电动汽车等重点工程，还是发展电子信息节能环保等重要产业，再或者海洋开发情报信息和军事装备等国防军事和工业领域，都面临着一系列关键材料技术突破的问题。
变形镁合金有很高的比强度比刚度和塑性，是航空航天领域中最有前途的金属结构材料之一，座舱架吸气管导弹舱段壁板蒙皮直升机上机闸等大都采用镁锂合金制件。有研究表明采用镁合金部件代替铝合金，可以解决铝合金机翼的疲劳问题。目前，对于镁合金的研究和开发已基本成熟，多个品牌的变形镁合金已经开发出来例如：耐热镁合金耐蚀镁合金阻燃镁合金高强韧镁合金以及超轻变形Mg-Li合金，其中，镁锂合金的研究十分活跃，美国日本俄罗斯在理论和应用开发方面都做了不少研究，我国也有一些单位进行前期研究，如东北大学和哈尔滨工业大学目前主要应用在歼击机和枪械方面如喷气式歼击机洛克希德F-80以及B-36轰炸机都应用这类镁合金耐热镁合金。目前主要在往稀土镁合金方向研究，如美国开发的QE22和WE44镁合金具有相当高的高温强度，以运用到直径1m的维热尔火箭壳体的制作上，提高了其飞行性能阻燃镁合金目前的研究也是向稀土化方向发展这方面。上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心研究成果丰硕，他们开发出的加入铍和稀土元素的镁合金已成功的应用到了轿车变速箱壳盖的工业试验，相信在武器要求强量化背景下，这种镁合金在军事工业上会有很大的应用前景。钛是20世纪80年代走向工业化生产的一种重要金属也是一种对经济和国防具有重要意义的新型金属。钛合金与镁合金相似，它密度小强度高耐高温和抗腐蚀性好等优点，在航空航天和军事领域中获得了广泛应用，包括军用民用飞机航空发动机导弹舰艇核反应堆以及轻型火炮等。为了扩大钛合金在军事方面的用途，主要进行了以下几个方面的研究：（1）高强韧性，美国开发的Ti1023钛合金抗拉强度高断裂韧性高耐疲劳性好锻造性能优良，已应用在B777飞机起落架系统和火箭发动机推进剂储箱和导管等部件。另外美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化超高强钛合金21S在690具有良好的抗氧化性能，可在540下长期工作，冷热加工性能优良，可制成0.064mm的箔材已被美国国家宇航局确定用作硅/钛复合材料的基体材料，并将用于美国航天飞机的机身和机翼壁板。（2）耐高温性，这项工作开始于20世纪50年代初期，英国美国和俄罗斯在这方面具有先进水平，英国的IMI829IMI834钛合金，美国的Ti100俄罗斯的BT18YBT36BT37已经用在了军用飞机发动机上。（3）阻燃性，20世纪80年代美国的两家公司研制出对持续燃烧不敏感的钛合金Alloy C （Ti-1270），它具有较高的室温强度，并具有良好的室温和高温塑性蠕变和疲劳性能，已用于F119发动机，我国研制的Ti-40阻燃性能与美国的Ti-1270相当，也用于我国新型的战斗机发动机上，我国的600高温钛合金TI60还处于研制阶段。超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200 Mpa 和1400 Mpa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。Aermetl00是美国Carpenter技术公司研制的高合金超高强度钢已被用于F-22F-18E/F等先进飞机的起落架美国近期又开发出一种后继钢，称Aermet 310，比Aermet100强度高10％，KIc达70MPaSFGHITENNANOHITENERW和HISTORY是日本JFE公司最近开发出的几种高强度钢其中SFGHITEN为含Nb系列高强度IF钢板，主要应用对象是汽车车身外板，NANOHITEN是强度级别为780MPa的热轧钢板，其特点是塑性好扩孔率高，具有优良的翻边成形性能和稳定的力学性能可应用于各类加强件臂类与梁类零件，ERW和HISTORY是JFE针对飞机悬架系零部件开发的高强度钢管，强度级别也是780 MPa该材料具有良好的液压成形性能已开始应用于飞机悬架系统的臂类零件。Stelco公司最近开发出了一种代号为SteIR MM的高强度微合金，具有良好的断裂韧性，经试验其断裂韧性比普通钢高22%左右，并已投放市场国内发动机直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主开发出适应某型号飞机发动机的高强度钢。金属间化合物材料技术仍处在探索发展阶段，美国GE公司将Ti-48Al-2Nb-2Cr型合金精铸成CF6-80CZ发动机涡轮叶片地面试车取得成功惠普公司也拟根据Caesar计划在F119发动机上试车对镍铝化台物也在进行广泛的研究工作，俄罗斯近年开发成功了BKHA-1B和BKHA-2M。前者以Nl3Al为基后者以N₃Al+NaAl为基已分别用于发动机静子叶片和导向叶片涂层材料国外在铌基体中加入Si，形成Nb-Si复合材料，其耐温能力比单晶合金提高200～300。科学的发展造就了高强度高模量低比重的碳纤维，从而掀开了先进复合材料的时代日本于1955年首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，并于60年代初进入工业化生产，70年代中期诞生了以碳纤维为增强相的先进复合材料碳基增强具有无可比拟的高比强度及高比刚度性质及耐腐蚀耐疲劳特性，非常适用于航空飞机和航天飞机。PAN碳基纤维较早时候是T300级别的用于武器装备上，20世纪60年代末，美国开发出了硼纤维增强的环氧树脂复合材料，1971年成功应用于F-14战斗机尾翼上，此后又有F-15F-16米格-29幻影2000F/A-18等复合材料尾翼问世。此时一般一架军用飞机的垂尾平尾全采用复合材料，可占总重的5%左右经过以后的发展，目前的飞机上复合材料用量到20%～50%不等，如美国的B-2战斗机大约占50%左右，机身大部分为复合材料。复合材料除了在军用飞机上有突出贡献，在导弹弹头上也大量应用，复合材料最早应用在导弹弹头的是层压玻璃/酚醛复合材料，后来发现不足，产生了模压高硅氧/酚醛。目前，科学家开发出了更好的碳/碳复合材料，碳/碳复合材料具有低密度（<2.0g/cm³）高比强高比模量高导热性低膨胀系数，以及抗热冲击性能好尺寸稳定性高等优点，是目前在1650以上应用的唯一备选材料，最高理论温度更高达2600，因此被认为是最有发展前途的高温材料。近期研制的导弹头帽几乎都采用了碳/碳复合材料目前为了提高导弹的打击能力，由开发出碳/酚醛复合材料用作导弹弹头的防热层另外在固体火箭发动机的喷管上，复合材料也不断改进，从最早的金属到后来的金属/非金属，现在一开始使用碳/碳复合材料，使导弹的性能得到很大的提高。美俄法等军事强国都把纳米隐身材料作为新一代的隐身材料进行探索和研究，并对纳米材料的微波电磁谱理论材料系列制备方法性能表征等进行了系统研究，研制出了多种不同结构的纳米隐身材料，取得了实质性进展。1995年，日本采用纳米碳管与磁性吸收剂复合，设计了纳米材料吸波涂层，吸波性能有一定的提高，在此基础上，具有更明显的形状磁晶应力各向异性的二维纳米结构磁性金属薄膜逐渐引起了人们的重视。20世纪末，美国研制出的超黑粉纳米隐身材料，对雷达波吸收率达到99%，这种超黑粉纳米隐身材料实际上是用纳米石墨做吸收剂制成的石墨热塑性复合材料和石墨环氧树脂复合材料，不仅吸收率大，而且在低温下仍保持良好的韧性。2000年俄罗斯成功利用了纳米晶体膜的高磁损耗和高磁导率特性，制备了20nm 的超薄型多层膜毫米波吸波材料，具有良好的隐身效果。法国研制的一种磁性多层膜宽频带纳米隐身材料，它是由粘结剂和纳米级微屑填充材料构成，能够吸收超高频的电磁波，纳米级由超薄不定型磁性薄层及绝缘层构成，非晶态磁性材料层为具有高磁导率的铁磁性材料，层厚度为3nm,绝缘层为碳或者无机材料，厚度为5nm，在50MHz～50GHz频率范围内具有良好的吸波性能。国内从20世纪80年代末也一直关注纳米材料用于雷达波隐身的可能性，在纳米隐身机理的理论研究和实验研究方面均有所进展成都电子科技大学研制的纳米针形磁性金属粉多层纳米膜复合吸波材料，通过改变纳米针形磁性金属粉成分，可以有效地控制其频率特性，有利于展宽吸收频带南京大学华中科技大学在纳米物性研究的基础上，理论上论证了采用纳米磁性多层膜提高隐身材料吸波效果的可行性，并采用磁控溅射技术试制了纳米晶薄膜，在4GHz～6GHz，磁导率可达到40左右， 比磁性微米吸收剂提高了10倍。磁性材料作为新材料的一种，也是发展非常迅速的基础功能材料，其功能结构用途也是十分广泛的而其在军事领域中的广泛应用更是成为各国强化军事优势的重要手段。美国作为军事大国，其科技十分发达，在微波领域尤其如此美国军方2003年与IBM等公司合作研究用于雷达报警系统全球定位系统舰载防御导弹PAC-3导弹等的磁性材料，取得可喜进展2004年IBM微电子公司发布了两条标准IC生产线，包括功率放大器和电压控制振荡器2006年8月，美国东北大学研制出一种磁性材料这种磁性陶制薄膜材料具有一种自发磁矩，可以有效降低雷达对磁体的需求美国新近成立的VIDA产品公司集中研究高Q宽调谐滤波器振荡器和频率合成器的军事和商业应用在新武器电磁炮方面，美国也已经取得了成果。在日本，对磁性材料的研究也十分活跃大同特殊钢公司近年开发出挠性电磁波吸收体DPR系列，其主要特点是高温环境下抗电磁干扰，可满足电子机器光纤通信多方面需求日立金属公司生产的Finemet纳米晶磁性材料，主要用于电子机器防干扰共态扼流圈户佃工业公司与明治大学共同研制成由CoNi和氧化铁组成的只有30～40nm的纳米磁粉，可获得239～542kA/m（3000～6800 Oe）的矫顽力，并可以在50保持1000h的热稳性川崎钢铁公司新近开发出电磁线材，可用于倒相电路中的变压器或扼流圈，满足了电磁器件小型化异型化需求。印度从2003年1月起实施萨姆尤科塔电子战计划计划中用的重要设施一拉简德拉相控阵雷达，由印度巴拉特电子有限公司生产该技术的有效使用寿命将持续到2020年印度陆军官员称，首批26辆电子战车辆已交付陆军并投入使用韩国也在加紧研发目前磁性材料的领域主要有软磁铁氧体永磁铁氧体磁介质非晶磁芯等方面俄罗斯SPA Ferrite公司研制的磁性材料已用于毫米波器件，大功率器件，铁氧体移相器上，SRPCISTOK公司研制的材料在嵌入式微带和带线环行器和隔离器，同轴环行器，毫米波波导环行器和隔离器，高功率毫米波和厘米波环行器上广泛应用。在欧洲，欧盟研究了微波真空器件用碳纳米管，微波与先进CMOS（补充型金属氧化物）技术集成，微电机系统集成相阵天线等英国Belfast大学高频电子研究小组的典型研究项目包括毫米波前端和集成自追踪天线用的灵敏结构，其中关键技术是研制具有低反射损耗的空间移相器英国Loughborough大学的无线通信研究小组主要研究天线与无线系统，包括在移动和卫星通信系统微波和毫米波工程中的应用。2006年8月，美国乔治亚州技术学院研制出一种新型液晶聚合体材料（LCP），并正在实验测试这种超薄像塑胶一样的材料具有轻质和柔软的特性，比传统材料的性能更优异，可应用于电路板相控阵天线等各种领域。2006年10月，美国利弗莫尔·伯克利国家实验室研制出一种能够提高太阳能电池板功率的新型半导体材料应用该材料能比传统材料获取更多频谱的太阳能，利用率可达45%，而传统的单晶半导体材料是25%，传统的多晶半导体材料为39%，有望替代在卫星上应用的昂贵的锌锰碲合金材料。美国IBM公司和乔治亚州技术学院联合研制出一种新型硅-锗半导体材料采用此材料制造成的晶体管运行频率超过500GHz经过实验测试，材料性能在超低温度下仍然达到预定的期望值该材料制成的超高频率硅-锗半导体材料电路可应用于通信防务航天遥感等诸多潜在的应用领域。高性能纤维，是指对外部的力热光电等物理作用和酸碱氧化剂等化学作用具有特殊耐受能力的一种材料包括高强度高模量耐高温阻燃抗电子束辐射抗射线辐射耐酸耐碱耐腐蚀等的纤维。这类纤维由于具有比普通纤维更高的机械强度和弹性模量，更好的热稳定性耐酸碱性及耐候性是20世纪60年代初发展以来，高分子纤维材料领域发展迅速的一类特种纤维它被称为继第一代锦纶涤纶和腈纶及第二代改性纤维（包括差别化纤维）之后的第三代合成纤维。高性能纤维在国防军事和工业领域应用十分广泛尤其是在有特殊要求的工业和技术领域，比如宇宙开发海洋开发情报信息能源交通土木建筑军事装备化工和机械等诸多方面，高性能纤维起着不可缺少的作用。有机高性能纤维中的高模量高强度纤维每年以两位数速率增长有机高性能纤维可分为4大类近40种，分别为高强高模纤维耐热纤维抗燃纤维及耐腐蚀纤维目前，已经商品化的高性能有机纤维当属高强高模纤维增长最快，主要品种的需求量均以2位数增长，耐热纤维次之，主要品种以5%-10%的年增长率发展，抗燃纤维和耐强腐蚀性纤维相对增长缓慢，但又不可缺。高性能纤维在国内外已作为技术创新占领技术优势的重要战略物质，在国防军工航空航天能源交通等领域具有广泛的应用高性能纤维生产技术与装备水平是体现国家综合实力与技术创新的标志之一。
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