新材料在军工方面的研究现状和发展趋势

1新材料在军工方面的研究现状和发展趋势摘要：随着现代军事科技的不断发展，促使各国对武器装备的性能提出了更高的要求。由于军用新材料能够满足武器材料强韧化、轻量化、多功能化和高效化的发展要求，促使军工新材料的研究十分繁荣。本文主要综述了国内外军用结构新材料和功能新材料的研究进展，并对未来军用新材料的研究趋势进行了总结。关键词：军用新材料，钛合金，高强度钢，纳米隐身材料，磁性材料1前沿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料。新材料的研制、开发与应用不仅构成对高技术发展的推动力，而且也成为衡量一个国家科技水品的高低的重要标志。因此，新材料是技术革命与创新的基石，是社会现代化的先导。现代高新技术对新材料的依赖越来越多，这使得发达国家和发展中国家都争相将新材料列为高新技术优先发展的领域和关键技术，各国都采取各种措施，力争抢占新材料技术的“制高点”[1]。新材料的出现一方面对经济有着巨大的促进作用，自从20世纪80年代以来，新材料在整个世界贸易中所占的比例逐年递增，而且还促进了与新材料相关产业的飞速发展。因为有了新材料做基础，信息、生物工程、新能源、激光、海洋开发和空间技术作为促进生产、振兴经济、增强综合国力的高技术群和高知识密集型产业能够繁荣发展[1]。由此可见，新材料是未来经济发展的支柱性力量。另一方面，新材料的出现和应用又为国防安全提供了保证。国防科一直都是高、精、尖技术的集合，新材料是高技术的先导和基础。纳米材料出现使微型武器出现在战场，先进高分子材料出现使洲际导弹的出现成为可能，新型锂离子电池材料的出现让“无人机”出现在人们的视野，而非晶软磁合金材料大大提高了一些精密武器的工作环境。由此可见，新材料也是军事工业发展的重要促进力量，是新型武器装备的物质基础,也是当今世界军事领域的关键技术。所以，对新材料在军工方面的研究现状总结和发展趋势的展望，对促进我国军事工业的发展有重大意义。2军用结构材料军用新材料按材料性能和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。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀和抗辐射等性能要求,目前在军事领域应用的结构材料主要有以下几类。22.1先进金属结构材料2.1.1变形镁合金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理合金制件。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[2]。2.1.2先进钛合金钛是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[3]。（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β21S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IMI829、IMI834钛合金，美国的Ti100、俄罗斯的BT18Y、BT36、BT37已经用在了军用飞机发动机上。（3）阻燃性，20世纪80年代美国的两3家公司研制出对持续燃烧不敏感的钛合金AlloyC（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。2.1.3超高强度钢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。Aermetl00是美国Carpenter技术公司研制的高合金超高强度钢。已披用于F-22、F-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Aermet310，比Aermet100强度高10％，KIc达70MPa。SFGHITEN、NANOHITEN、ERW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780MPa。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SteIRMM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刚强度钢[4]。2.1.4金属间化合物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-2Crγ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Nb3Si或Nb3Si2金属间化合物。作为增强体，形成Nb-Si复合材料，其耐温能力比单晶合金提高200～300℃[5]。2.2复合材料材料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4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-15、F-16、米格-29、幻影2000、F/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[5]。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，复合材料也不短改进，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[6]。陶瓷及陶瓷基复合材料具有高耐热性、低密度、良好的高温抗氧化性、抗腐蚀性和耐磨性等优点，对提高航空发动机的涡轮前温度，进而提高发动机的推重比和降低燃料消耗具有重要作用。因此，高温结构陶瓷及其陶瓷基复合材料(CMC)的研究成为高推重比航空发动机的关键技术之一。美国早在1995年就用陶瓷基复合材料制造出了发动机燃烧室浮璧，并成功应用于XTC-65核心机中；法国在大量研究工作的基础上，将陶瓷基复合材料技术用于Rafale飞机的M88燃气涡轮发动机喷嘴阀；英国罗罗公司对陶瓷基复合材料的第一步目标是发展能在1200℃工作的陶瓷基复合材料，使现在的遄达发动机减重10％左右。目前，陶瓷基复合材料一直在改性研究上，碳纤维改性是最近研究的热点，用日本碳素公司生产的Hi-Nicalon纤维及道康宁公司开发的Sytramic纤维改性获得了较好结果[7][8]。3军用功能材料3.1纳米隐身材料美、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5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[9][10]。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μ可达到40左右,比磁性微米吸收剂提高了10倍[10]。3.2磁性材料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