分享 | 國防軍工“大佬”——5大金屬結(jié)構(gòu)材料及4大功能材料
2024-12-24 13:23:43
作者：材易通 來源：材易通
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強國夢也是強軍夢，實現(xiàn)中華民族偉大復興，是近代百年來的仁人志士和億萬人民群眾的偉大夢想。隨著現(xiàn)代軍事科技的不斷發(fā)展，也促使各國對武器裝備的性能提出了更高的要求。無論是推進大飛機高速列車電動汽車等重點工程，還是發(fā)展電子信息節(jié)能環(huán)保等重要產(chǎn)業(yè)，再或者海洋開發(fā)情報信息和軍事裝備等國防軍事和工業(yè)領(lǐng)域，都面臨著一系列關(guān)鍵材料技術(shù)突破的問題。
變形鎂合金有很高的比強度比剛度和塑性，是航空航天領(lǐng)域中最有前途的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，座艙架吸氣管導彈艙段壁板蒙皮直升機上機閘等大都采用鎂鋰合金制件。有研究表明采用鎂合金部件代替鋁合金，可以解決鋁合金機翼的疲勞問題。目前，對于鎂合金的研究和開發(fā)已基本成熟，多個品牌的變形鎂合金已經(jīng)開發(fā)出來例如：耐熱鎂合金耐蝕鎂合金阻燃鎂合金高強韌鎂合金以及超輕變形Mg-Li合金，其中，鎂鋰合金的研究十分活躍，美國日本俄羅斯在理論和應(yīng)用開發(fā)方面都做了不少研究，我國也有一些單位進行前期研究，如東北大學和哈爾濱工業(yè)大學目前主要應(yīng)用在殲擊機和槍械方面如噴氣式殲擊機洛克希德F-80以及B-36轟炸機都應(yīng)用這類鎂合金耐熱鎂合金。目前主要在往稀土鎂合金方向研究，如美國開發(fā)的QE22和WE44鎂合金具有相當高的高溫強度，以運用到直徑1m的維熱爾火箭殼體的制作上，提高了其飛行性能阻燃鎂合金目前的研究也是向稀土化方向發(fā)展這方面。上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心研究成果豐碩，他們開發(fā)出的加入鈹和稀土元素的鎂合金已成功的應(yīng)用到了轎車變速箱殼蓋的工業(yè)試驗，相信在武器要求強量化背景下，這種鎂合金在軍事工業(yè)上會有很大的應(yīng)用前景。鈦是20世紀80年代走向工業(yè)化生產(chǎn)的一種重要金屬也是一種對經(jīng)濟和國防具有重要意義的新型金屬。鈦合金與鎂合金相似，它密度小強度高耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點，在航空航天和軍事領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，包括軍用民用飛機航空發(fā)動機導彈艦艇核反應(yīng)堆以及輕型火炮等。為了擴大鈦合金在軍事方面的用途，主要進行了以下幾個方面的研究：（1）高強韌性，美國開發(fā)的Ti1023鈦合金抗拉強度高斷裂韌性高耐疲勞性好鍛造性能優(yōu)良，已應(yīng)用在B777飛機起落架系統(tǒng)和火箭發(fā)動機推進劑儲箱和導管等部件。另外美國鈦金屬公司Timet分部研制的一種新型抗氧化超高強鈦合金21S在690具有良好的抗氧化性能，可在540下長期工作，冷熱加工性能優(yōu)良，可制成0.064mm的箔材已被美國國家宇航局確定用作硅/鈦復合材料的基體材料，并將用于美國航天飛機的機身和機翼壁板。（2）耐高溫性，這項工作開始于20世紀50年代初期，英國美國和俄羅斯在這方面具有先進水平，英國的IMI829IMI834鈦合金，美國的Ti100俄羅斯的BT18YBT36BT37已經(jīng)用在了軍用飛機發(fā)動機上。（3）阻燃性，20世紀80年代美國的兩家公司研制出對持續(xù)燃燒不敏感的鈦合金Alloy C （Ti-1270），它具有較高的室溫強度，并具有良好的室溫和高溫塑性蠕變和疲勞性能，已用于F119發(fā)動機，我國研制的Ti-40阻燃性能與美國的Ti-1270相當，也用于我國新型的戰(zhàn)斗機發(fā)動機上，我國的600高溫鈦合金TI60還處于研制階段。超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1200 Mpa 和1400 Mpa的鋼， 它是為了滿足飛機結(jié)構(gòu)上要求高比強度的材料而研究和開發(fā)的。Aermetl00是美國Carpenter技術(shù)公司研制的高合金超高強度鋼已被用于F-22F-18E/F等先進飛機的起落架美國近期又開發(fā)出一種后繼鋼，稱Aermet 310，比Aermet100強度高10％，KIc達70MPaSFGHITENNANOHITENERW和HISTORY是日本JFE公司最近開發(fā)出的幾種高強度鋼其中SFGHITEN為含Nb系列高強度IF鋼板，主要應(yīng)用對象是汽車車身外板，NANOHITEN是強度級別為780MPa的熱軋鋼板，其特點是塑性好擴孔率高，具有優(yōu)良的翻邊成形性能和穩(wěn)定的力學性能可應(yīng)用于各類加強件臂類與梁類零件，ERW和HISTORY是JFE針對飛機懸架系零部件開發(fā)的高強度鋼管，強度級別也是780 MPa該材料具有良好的液壓成形性能已開始應(yīng)用于飛機懸架系統(tǒng)的臂類零件。Stelco公司最近開發(fā)出了一種代號為SteIR MM的高強度微合金，具有良好的斷裂韌性，經(jīng)試驗其斷裂韌性比普通鋼高22%左右，并已投放市場國內(nèi)發(fā)動機直升機傳動材料技術(shù)十分落后，北京航空材料研究院已自主開發(fā)出適應(yīng)某型號飛機發(fā)動機的高強度鋼。金屬間化合物材料技術(shù)仍處在探索發(fā)展階段，美國GE公司將Ti-48Al-2Nb-2Cr型合金精鑄成CF6-80CZ發(fā)動機渦輪葉片地面試車取得成功惠普公司也擬根據(jù)Caesar計劃在F119發(fā)動機上試車對鎳鋁化臺物也在進行廣泛的研究工作，俄羅斯近年開發(fā)成功了BKHA-1B和BKHA-2M。前者以Nl3Al為基后者以N?Al+NaAl為基已分別用于發(fā)動機靜子葉片和導向葉片涂層材料國外在鈮基體中加入Si，形成Nb-Si復合材料，其耐溫能力比單晶合金提高200～300。科學的發(fā)展造就了高強度高模量低比重的碳纖維，從而掀開了先進復合材料的時代日本于1955年首先發(fā)明了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維，并于60年代初進入工業(yè)化生產(chǎn)，70年代中期誕生了以碳纖維為增強相的先進復合材料碳基增強具有無可比擬的高比強度及高比剛度性質(zhì)及耐腐蝕耐疲勞特性，非常適用于航空飛機和航天飛機。PAN碳基纖維較早時候是T300級別的用于武器裝備上，20世紀60年代末，美國開發(fā)出了硼纖維增強的環(huán)氧樹脂復合材料，1971年成功應(yīng)用于F-14戰(zhàn)斗機尾翼上，此后又有F-15F-16米格-29幻影2000F/A-18等復合材料尾翼問世。此時一般一架軍用飛機的垂尾平尾全采用復合材料，可占總重的5%左右經(jīng)過以后的發(fā)展，目前的飛機上復合材料用量到20%～50%不等，如美國的B-2戰(zhàn)斗機大約占50%左右，機身大部分為復合材料。復合材料除了在軍用飛機上有突出貢獻，在導彈彈頭上也大量應(yīng)用，復合材料最早應(yīng)用在導彈彈頭的是層壓玻璃/酚醛復合材料，后來發(fā)現(xiàn)不足，產(chǎn)生了模壓高硅氧/酚醛。目前，科學家開發(fā)出了更好的碳/碳復合材料，碳/碳復合材料具有低密度（<2.0g/cm³）高比強高比模量高導熱性低膨脹系數(shù)，以及抗熱沖擊性能好尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是目前在1650以上應(yīng)用的唯一備選材料，最高理論溫度更高達2600，因此被認為是最有發(fā)展前途的高溫材料。近期研制的導彈頭帽幾乎都采用了碳/碳復合材料目前為了提高導彈的打擊能力，由開發(fā)出碳/酚醛復合材料用作導彈彈頭的防熱層另外在固體火箭發(fā)動機的噴管上，復合材料也不斷改進，從最早的金屬到后來的金屬/非金屬，現(xiàn)在一開始使用碳/碳復合材料，使導彈的性能得到很大的提高。美俄法等軍事強國都把納米隱身材料作為新一代的隱身材料進行探索和研究，并對納米材料的微波電磁譜理論材料系列制備方法性能表征等進行了系統(tǒng)研究，研制出了多種不同結(jié)構(gòu)的納米隱身材料，取得了實質(zhì)性進展。1995年，日本采用納米碳管與磁性吸收劑復合，設(shè)計了納米材料吸波涂層，吸波性能有一定的提高，在此基礎(chǔ)上，具有更明顯的形狀磁晶應(yīng)力各向異性的二維納米結(jié)構(gòu)磁性金屬薄膜逐漸引起了人們的重視。20世紀末，美國研制出的超黑粉納米隱身材料，對雷達波吸收率達到99%，這種超黑粉納米隱身材料實際上是用納米石墨做吸收劑制成的石墨熱塑性復合材料和石墨環(huán)氧樹脂復合材料，不僅吸收率大，而且在低溫下仍保持良好的韌性。2000年俄羅斯成功利用了納米晶體膜的高磁損耗和高磁導率特性，制備了20nm 的超薄型多層膜毫米波吸波材料，具有良好的隱身效果。法國研制的一種磁性多層膜寬頻帶納米隱身材料，它是由粘結(jié)劑和納米級微屑填充材料構(gòu)成，能夠吸收超高頻的電磁波，納米級由超薄不定型磁性薄層及絕緣層構(gòu)成，非晶態(tài)磁性材料層為具有高磁導率的鐵磁性材料，層厚度為3nm,絕緣層為碳或者無機材料，厚度為5nm，在50MHz～50GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的吸波性能。國內(nèi)從20世紀80年代末也一直關(guān)注納米材料用于雷達波隱身的可能性，在納米隱身機理的理論研究和實驗研究方面均有所進展成都電子科技大學研制的納米針形磁性金屬粉多層納米膜復合吸波材料，通過改變納米針形磁性金屬粉成分，可以有效地控制其頻率特性，有利于展寬吸收頻帶南京大學華中科技大學在納米物性研究的基礎(chǔ)上，理論上論證了采用納米磁性多層膜提高隱身材料吸波效果的可行性，并采用磁控濺射技術(shù)試制了納米晶薄膜，在4GHz～6GHz，磁導率可達到40左右， 比磁性微米吸收劑提高了10倍。磁性材料作為新材料的一種，也是發(fā)展非常迅速的基礎(chǔ)功能材料，其功能結(jié)構(gòu)用途也是十分廣泛的而其在軍事領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用更是成為各國強化軍事優(yōu)勢的重要手段。美國作為軍事大國，其科技十分發(fā)達，在微波領(lǐng)域尤其如此美國軍方2003年與IBM等公司合作研究用于雷達報警系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)艦載防御導彈PAC-3導彈等的磁性材料，取得可喜進展2004年IBM微電子公司發(fā)布了兩條標準IC生產(chǎn)線，包括功率放大器和電壓控制振蕩器2006年8月，美國東北大學研制出一種磁性材料這種磁性陶制薄膜材料具有一種自發(fā)磁矩，可以有效降低雷達對磁體的需求美國新近成立的VIDA產(chǎn)品公司集中研究高Q寬調(diào)諧濾波器振蕩器和頻率合成器的軍事和商業(yè)應(yīng)用在新武器電磁炮方面，美國也已經(jīng)取得了成果。在日本，對磁性材料的研究也十分活躍大同特殊鋼公司近年開發(fā)出撓性電磁波吸收體DPR系列，其主要特點是高溫環(huán)境下抗電磁干擾，可滿足電子機器光纖通信多方面需求日立金屬公司生產(chǎn)的Finemet納米晶磁性材料，主要用于電子機器防干擾共態(tài)扼流圈戶佃工業(yè)公司與明治大學共同研制成由CoNi和氧化鐵組成的只有30～40nm的納米磁粉，可獲得239～542kA/m（3000～6800 Oe）的矯頑力，并可以在50保持1000h的熱穩(wěn)性川崎鋼鐵公司新近開發(fā)出電磁線材，可用于倒相電路中的變壓器或扼流圈，滿足了電磁器件小型化異型化需求。印度從2003年1月起實施薩姆尤科塔電子戰(zhàn)計劃計劃中用的重要設(shè)施一拉簡德拉相控陣雷達，由印度巴拉特電子有限公司生產(chǎn)該技術(shù)的有效使用壽命將持續(xù)到2020年印度陸軍官員稱，首批26輛電子戰(zhàn)車輛已交付陸軍并投入使用韓國也在加緊研發(fā)目前磁性材料的領(lǐng)域主要有軟磁鐵氧體永磁鐵氧體磁介質(zhì)非晶磁芯等方面俄羅斯SPA Ferrite公司研制的磁性材料已用于毫米波器件，大功率器件，鐵氧體移相器上，SRPCISTOK公司研制的材料在嵌入式微帶和帶線環(huán)行器和隔離器，同軸環(huán)行器，毫米波波導環(huán)行器和隔離器，高功率毫米波和厘米波環(huán)行器上廣泛應(yīng)用。在歐洲，歐盟研究了微波真空器件用碳納米管，微波與先進CMOS（補充型金屬氧化物）技術(shù)集成，微電機系統(tǒng)集成相陣天線等英國Belfast大學高頻電子研究小組的典型研究項目包括毫米波前端和集成自追蹤天線用的靈敏結(jié)構(gòu)，其中關(guān)鍵技術(shù)是研制具有低反射損耗的空間移相器英國Loughborough大學的無線通信研究小組主要研究天線與無線系統(tǒng)，包括在移動和衛(wèi)星通信系統(tǒng)微波和毫米波工程中的應(yīng)用。2006年8月，美國喬治亞州技術(shù)學院研制出一種新型液晶聚合體材料（LCP），并正在實驗測試這種超薄像塑膠一樣的材料具有輕質(zhì)和柔軟的特性，比傳統(tǒng)材料的性能更優(yōu)異，可應(yīng)用于電路板相控陣天線等各種領(lǐng)域。2006年10月，美國利弗莫爾·伯克利國家實驗室研制出一種能夠提高太陽能電池板功率的新型半導體材料應(yīng)用該材料能比傳統(tǒng)材料獲取更多頻譜的太陽能，利用率可達45%，而傳統(tǒng)的單晶半導體材料是25%，傳統(tǒng)的多晶半導體材料為39%，有望替代在衛(wèi)星上應(yīng)用的昂貴的鋅錳碲合金材料。美國IBM公司和喬治亞州技術(shù)學院聯(lián)合研制出一種新型硅-鍺半導體材料采用此材料制造成的晶體管運行頻率超過500GHz經(jīng)過實驗測試，材料性能在超低溫度下仍然達到預定的期望值該材料制成的超高頻率硅-鍺半導體材料電路可應(yīng)用于通信防務(wù)航天遙感等諸多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。高性能纖維，是指對外部的力熱光電等物理作用和酸堿氧化劑等化學作用具有特殊耐受能力的一種材料包括高強度高模量耐高溫阻燃抗電子束輻射抗射線輻射耐酸耐堿耐腐蝕等的纖維。這類纖維由于具有比普通纖維更高的機械強度和彈性模量，更好的熱穩(wěn)定性耐酸堿性及耐候性是20世紀60年代初發(fā)展以來，高分子纖維材料領(lǐng)域發(fā)展迅速的一類特種纖維它被稱為繼第一代錦綸滌綸和腈綸及第二代改性纖維（包括差別化纖維）之后的第三代合成纖維。高性能纖維在國防軍事和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛尤其是在有特殊要求的工業(yè)和技術(shù)領(lǐng)域，比如宇宙開發(fā)海洋開發(fā)情報信息能源交通土木建筑軍事裝備化工和機械等諸多方面，高性能纖維起著不可缺少的作用。有機高性能纖維中的高模量高強度纖維每年以兩位數(shù)速率增長有機高性能纖維可分為4大類近40種，分別為高強高模纖維耐熱纖維抗燃纖維及耐腐蝕纖維目前，已經(jīng)商品化的高性能有機纖維當屬高強高模纖維增長最快，主要品種的需求量均以2位數(shù)增長，耐熱纖維次之，主要品種以5%-10%的年增長率發(fā)展，抗燃纖維和耐強腐蝕性纖維相對增長緩慢，但又不可缺。高性能纖維在國內(nèi)外已作為技術(shù)創(chuàng)新占領(lǐng)技術(shù)優(yōu)勢的重要戰(zhàn)略物質(zhì)，在國防軍工航空航天能源交通等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用高性能纖維生產(chǎn)技術(shù)與裝備水平是體現(xiàn)國家綜合實力與技術(shù)創(chuàng)新的標志之一。
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