21世纪是军事的世纪。在未来战争中,人类将在空间展开一场前所未有的、以开发利用空间丰富资源和争夺制天、制地、制海权为主要内容的大竞争,军用武器装备将会得到迅速发展。本文汇总了最前沿的军事装备、材料、技术等供大家参考。

战斗机隐身涂层材料技术全解密

隐形涂料是涂料家族的神秘一员。它并不是科幻作品中的“隐身”,而是军事术语中指控制目标的可观测性或控制目标特征信号的技巧和技术的结合。目标特征信号是描述某种武器系统易被探测的一组特征,包括电磁(主要是雷达)、红外、可见光、声、烟雾和尾迹等6种特征信号。因为据统计,空战中飞机损失80~90%的原因是由于飞机被观测。降低平台特征信号,就降低了被探测、识别、跟踪的概率,因而可以提高生存能力。降低平台特征信号不仅仅是为了对付雷达探测,还包括降低被其它探测装置发现的可能性。隐身是通过增加敌人探测、跟踪、制导、控制和预测平台或武器在空间位置的难度,大幅度降低敌人获取信息的准确性和完整性,降低敌人成功地运用各种武器进行作战的机会和能力,以达到提高己方生存能力而采取的各种措施。

隐形涂料是用于飞机、军舰、坦克等装备外表,做反雷达探测及防止电磁波泄漏或干扰的一种材料,隐身材料与隐身设计有机结合,形成一门新技术,即隐身技术。隐身技术要求隐光、隐电、隐磁、隐声、隐红外,是一门综合技术。

现代隐身技术主要分为电磁波隐身技术和声波隐身技术。

隐身涂料分类

隐身涂料按其功能可分为雷达隐身涂料、红外隐身涂料、可见光隐身涂料、激光隐身涂料、声纳隐身涂料和多功能隐身涂料。隐身涂层要求具有:较宽温度的化学稳定性;较好的频带特性;面密度小,重量轻;粘结强度高,耐一定的温度和不同环境变化。

1.雷达隐身涂料

雷达隐身材料是指能够吸收衰减入射的电磁波,并通过吸收剂的介电振荡、涡流以及磁致伸缩,将电磁能转化成热能而耗散掉或使电磁波因干扰而消失的一类材料。

雷达隐身涂料就要最大限度消除被雷达勘测到的可能性,雷达隐身技术的研究主要集中在结构设计和吸波材料两个方面。目前,应用于飞机吸波涂料比较多,如铁氧体吸波涂料价格低廉;羰基铁吸波涂料吸收能力强,但面密度大;陶瓷吸波涂料密度较低;放射性同位素吸波涂料涂层薄且轻、能承受高速空气动力等优点,是飞机用理想的吸波涂料;导电高分子吸波涂料涂层薄且易维护等。还有成为隐身涂料新亮点的纳米吸波涂料,以覆盖电磁波、微波和红外,并能增强腐蚀防护能力,耐候性好,涂装性能优异。

2.红外隐身涂料

红外隐身的目的是降低或改变目标的红外辐射特征从而实现目标的低可探测性。通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收目标的红外辐射能量,可使红外探测设备难以探测到目标。

材料的红外辐射特性决定于材料的温度和发射率。红外隐身材料也可相应分为两类:控制发射率的材料和控制温度的材料。

红外隐身涂层具有低发射率,高反射率,在红外线辐射频段才有良好的隐身效果。

红外隐身涂料的构成一般由填料和黏结剂两部分组成。

目前用于热红外隐身涂料配方中的填料大致分为如下几类:金属填料、着色填料、半导体填料等。

黏结剂分为有机和无机两大类,其中以有机黏结剂种类最多,目前可用于红外隐身涂层的黏结剂有氯化聚苯乙烯、丁基橡胶等。从发展趋势看,实用性能较大的是以聚乙烯为基本结构的改型聚合物。

红外隐身涂料工艺简单,施工方便,坚固耐用,成本低廉,是目前隐身涂料中最重要的品种。它是指用于减弱武器系统红外特征的信号已达到隐身技术要求的特殊功能涂料,其主要针对红外热像仪的侦查,旨在降低飞机在红外波段的亮度,掩饰或变形装备在红外热像仪中的形状,降低其被发现和识别的概率。红外隐身涂料的主体树脂是单组分橡胶树脂,其与过氯乙烯涂料、环氧铁红底漆、聚氨酯涂料具有良好的配套性。

3.激光隐身涂料

20世纪80年代以来,隐身技术特别是雷达和红外隐身技术的发展已经达到了一个很高的水平。如美国研制开发的低可探测飞机(LowObservableAircraft)F-117隐身攻击机,B-2隐身轰炸机在雷达隐身和红外隐身方面已经做得非常好了。

但是随着激光技术的飞速发展,激光技术在武器装备等方面的应用日益增多。

激光隐身过程与雷达隐身过程相类似,主要是降低目标表面的反射系数,减小激光探测器的回波功率,降低激光探测器的性能,使敌方不能或难以进行激光探测,以达到激光隐身的目的。

从微观能量上看,物质对激光的吸收过程是物质与电磁波的作用过程,在此过程中,光子的能量转化为电子的动能、势能,或分子(原子)的振动能和转动能。

实现激光隐身技术的途径主要有外形技术和材料技术,其中外形技术是通过目标的非常规外形设计降低其雷达散射截面(LRCS);而材料技术是采用能吸收激光的材料或在表面上涂覆吸波涂层使其对激光的吸收率大,反射率小,以达到隐身的目的。因为外形设计只能散射30%左右的雷达波,且很难找到LRCS与气动力学俱佳的外形,因此要彻底解决隐身问题,还是要靠隐身材料来实现。

激光隐身材料主要包括激光吸收材料、导光材料、透射材料三大类型。其中透射材料是让激光透过目标表面而无反射。从原理上,透光材料后应有激光光束终止介质,否则仍有反射或散射激光存在。导光材料是使入射到目标表面的激光能够通过某些渠道传输到其它方向去,以减少直接反射回波。这两种隐身功能材料作为激光隐身材料,实现难度较大。

随着多波段探测和制导技术的不断发展,隐身技术对涂料的要求除了红外与雷达外,还应包括涂料的可见光性、激光波吸收性能等。

因此,探索新技术、新方法、积极开展新的隐身机理和新型多功能隐身材料的研究,特别是新型涂敷行多功能、多频谱兼容的隐身材料是新的研究热点和难点。

4.可见光隐身涂料

可见光隐身涂料又称视频隐身技术,弥补了雷达隐身和红外隐身的不足,它针对人的目视、照相、摄像等观测手段而采取的隐身技术,其目的是降低飞机本身的目标特征,较少目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征,达到对目标视觉信号的控制,以降低可见光探测系统发现目标的概率。可见光隐身涂料通常采用迷彩的方法使飞机隐身,如保护迷彩、仿造迷彩、变形迷彩。一种可见光隐身是伪装遮障,遮障可模拟背景的电磁波辐射特性,使目标得以遮蔽并与背景相融合,是固定目标和运动目标停留时最主要手段,而迷彩涂料是这种技术应用的重要组成。总而言之,可见光隐身涂料应用广泛,使用方便、经济,是飞机隐身涂料发展中比较成熟的技术。

新型隐身材料探索

1.多频段吸波材料

由于当前多模复合制导技术的不断发展以及探测手段的日益多样性,战场武器装备可能同时面临雷达、红外、激光以及可见光等探测手段的威胁,因此多波段复合隐身材料的发展很早就受到了专家以及相关研究者的关注和重视。如何使涂层在几个波段彼此兼容,将是今后主要研究方向之一。

2.纳米涂层材料

近年来,纳米吸波涂料成为隐身涂料新的亮点。它是一种极具发展前景的涂料,其一般由无机纳米材料与有机高分子材料复合,通过精细控制无机纳米粒子均匀分散在高聚物基体中,以制备性能更加优异的新型涂料。其机械性能好,面密度低,是高效的宽频带吸波涂料,可以覆盖电磁波、微波和红外线。它能增强腐蚀防护能力,耐候性好,涂装性能优异。基于以上优点,各国竞相在此领域投入人力、物力开发研制。其隐身原理为:

(1)纳米材料的界面组元所占比例大,纳米颗粒表面原子比例高,不饱和键和悬挂键增多,大量悬挂键的存在使界面极化,吸收频带展宽。

(2)纳米微粒尺寸小,比表面积大,界面极化与多重散射成为纳米材料重要的吸波机制。纳米材料量子尺寸效应使电子能级分裂,分裂的能级间隔处于微波的能量范围内,为纳米材料创造了新的吸波通道。

(3)纳米材料中的原子和电子在微波场中的辐照,材料的原子和电子运动加剧,促使磁化,使电磁能转化为热能,增加了对电磁波的吸收,使电磁能转化为热能的效率增加,从而提高了对电磁波的吸收性能。

(4)纳米隐身材料具有厚度薄、质量轻、吸收频带宽、兼容性好等特点。加入纳米材料的隐身涂料,具有吸波能力强、密度小、可实现薄层涂装的优点,还具有高的力学性能、良好的环境稳定性和理化性能。

(5)由于纳米微粒具有较高的矫顽力,可引起大的磁滞损耗,有利于将吸收的雷达波等转换成其它形式的能量(热能、电能或机械能)而消耗掉。

3.手性吸波材料

手性是指一种物质与其镜像不存在几何对称性,且不能通过任何操作使其与镜像重合。手性吸波涂料是近年来开发的新型吸波材料。它与一般吸波涂料相比,具有吸波频率高、吸收频带宽的优点,并可以通过调节旋波参量来改善吸波特性,在提高吸波性能,扩展吸波带方面具有很大潜能。

4.导电高聚物材料

这种材料是近几年才发展起来的,由于其结构多样化、高度低和独特的物理、化学特性,因而引起科学界的广泛重视。将导电高聚物与无机磁损耗物质或超微粒子复合,可望发展成为一种新型的轻质宽频带微波吸收材料。

5.等离子隐身技术

等离子体是继固体、液体、气体之后的第四种物质形态,被称为物质第四态。等离子体之所以有隐身功能,是因为它对雷达波具有折射与吸收作用。

原理:利用电磁波与等离子体互相作用的特性来实现,其中等离子体频率起着重要的作用。等离子体频率指等离子体电子的集体振荡频率,频率的大小代表等离子体对电中性破坏反应的快慢,它是等离子体的重要特征。若等离子体频率大于入射电磁波频率,则电磁波不会进入等离子体。此时,等离子体反射电磁波,外来电磁波仅进入均匀等离子体约2mm,其能量的86%就被反射掉了。但是当等离子体频率小于入射电磁波频率时,电磁波不会被等离于体截止,能够进入等离子体并在其中传播,在传播过程中。部分能量传给等离子体中的带电粒子,被带电粒子吸收,而自身能量逐渐衰减。

等离子体隐身技术与已广泛应用于外形和材料隐身技术,其具有很多优点:吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间长、价格便宜;无须改变飞机的外形设计,不影响飞行器的飞行性能;由于没有吸波材料和涂层,大大降低了维护费用。此外,俄罗斯进行的风洞试验表明,利用等离于体隐身技术还可以减少飞行器飞行阻力30%以上。但是,利用等离子体技术实现兵器隐身也存在着相当的难度和问题。

军事探测和制导技术的发展促使了隐身材料的发展,从最早的可见光隐身材料到现在的激光隐身材料,隐身材料的研究和发展一直没有间断过。无论哪种隐身材料,今后的发展趋势都向着质轻、带宽、高效、耐久的方向发展。而且,随着多模技术的发展,传统具有单一隐身功能的材料已经无法同时躲避多种探测手段的围攻,因此多波段兼容的隐身材料也是未来的发展趋势。

应用现状与发展前景

随着科学研究的不断深入,新的隐身涂料将不断问世。由于高度的军事敏感性和技术保密性,使得隐身涂料的发展与应用处于迷雾中,同时,各种反隐身技术和手段正在积极发展之中。隐身和反隐身技术的竞争必将成为新世纪军事斗争的亮点。

装甲防护材料与技术为军用装备穿上“防弹衣”


现代战争的对抗程度空前激烈。远程攻击、战场流弹、预置破片等高性能武器爆炸形成的全方位、立体式、高密度的破片袭击造成严重的车辆损坏和人员伤亡。为适应现代战争模式的转变,对军用车辆防护水平要求越来越高,研究军用车辆装甲防护技术,提高军用车辆战场防护水平尤为重要。

装甲防护材料性能及应用

装甲防护材料性能及应用国内外装备装甲防护材料主要有防弹玻璃、防弹钢板、防弹陶瓷、防弹高强玻纤、防弹芳纶纤维、防弹PE纤维等。

1.防弹玻璃

目前防弹玻璃主要是由无机玻璃与有机材料复合而成,其主要有以下几种:

(1)浮法玻璃与PVB中间膜的夹层复合。

该方法是多层浮法玻璃中间用聚乙烯醇缩丁醛中间膜粘结并经高温高压处理使它们复合在一起而成为一透明整体,形成具有防弹能力的玻璃。这种防弹玻璃的优点是光学性能非常优秀,并表现出良好的抗冲击性能,同时耐环境稳定性好、不易老化、寿命长、成本较低、容易维护;缺点是体积质量大,适合安装于固定的场所使用。

(2)夹层玻璃与有机透明板叠加或复合。

这种防弹玻璃有两种形式,一种是在一层夹层玻璃的后面放置一层有机透明板材,夹层玻璃置于有机透明板之前作为着弹层,这是叠加方式。另一种是玻璃与聚碳酸脂板、(PC板)直接复合为防弹玻璃,粘接材料为聚氨脂膜(PU膜),生产工艺方法与PVB夹层法类似。上述两种方法由于使用了较多的有机材料,与PVB玻璃相比有以下特点:

第一,体积质量小,在相同厚度或相同质量的情况下防弹能力强;第二,该种防弹玻璃在受到枪击时只要不被子弹穿透就不会有飞溅物产生;第三,有机材料的刚性远不及玻璃。由于有机材料的热膨胀系数与玻璃不同,易产生变形,光学性能也不易控制;第四,有机材料直接暴露于大气中易被老化,材料表面硬度低,极易被划伤,因此使用寿命较短。此外,这种防弹玻璃的成本非常高,一般在车辆、船舶、飞机上使用。

军用车辆宜选用夹层玻璃与有机透明板复合而成的防弹防暴玻璃,它是由优质安全玻璃与进口高强度PC板(抗冲击强度为玻璃的250倍的聚碳酸脂)通过PVB胶片(聚乙烯醇缩丁醛中间膜)采用高压聚合而成。质量只是普通防弹玻璃的65%,并且具有很强的抗冲击性、阻燃性、透光性好和无飞溅物等特点。该种防弹玻璃价格适中,易被一般用户采纳,使用寿命长,可与建筑物或车辆等长久共存。

2.防弹钢板

金属防弹材料(包括防弹钢、铝合金、钛合金等)从过去到现在一直广泛应用于军用(坦克、装甲车等)和民用防护(运钞车、武警、公安防爆车及防弹轿车)领域,且随着武器弹药对装甲防护材料的抗侵彻能力、抗冲击能力和抗崩落能力的要求的提高,金属防弹材料从普通钢装甲发展到高硬度钢装甲、双硬度钢复合装甲、乃至钛合金装甲,防护能力不断提高。装甲钢材料主要为Cr2Ni2Mo合金系列装甲钢,其通过调整碳含量来改变装甲钢板的硬度,将装甲钢板以硬度值HRC50分类,24C、28C、30C的硬度小于或等于HRC50,属于高硬度装甲钢;39C和44C的硬度大于HRC50,属于超高硬度装甲钢。

随着碳含量的增加,装甲钢板的强度和硬度提高,塑性和韧性下降。

用于防轻型机枪的防弹板有两大类:一类为热轧板材,以SSAB公司的DomexProtect(Defend)250和300为代表。这类钢板的抗拉强度为900~1000MPa,综合性能好,板厚3.0~3.2mm,其冷加工性、冷弯性能(d=2a180℃不开裂)、可焊性等性能良好。另一类为热处理钢板,是通过对热轧板进行淬火、回火热处理来提高强度以满足其防弹要求。瑞典的DomexProtect(Defend)500是其典型牌号之一。其抗拉强度大于1500MPa,用于防轻型冲锋枪时,其厚度可减至2.4~2.6mm;防56式冲锋枪时其厚度为4.5mm.冷弯半径需大于18mm,同样具有良好的可焊性。这类钢是将微合金化的C-Mn钢。通过控轧或热处理来获得上述性能的。冶炼时尽可能降低P、S和O含量,降低夹杂物,以保持钢的可加工性。

传统金属装甲材料如钢板密度大,大杀伤力及爆炸力强武器要求装甲必须达到一定厚度,而使用过厚过重的钢板装甲,对于车辆、船舶、飞机来说就必须牺牲其有效载荷。同时过重的装甲材料使其不易操纵、减小灵活性并增加了发动机的故障率。

3.防弹陶瓷

1918年,人们发现在金属表面覆盖一层薄而硬的搪瓷,便可提高其抗弹性能,故该技术一战期间用于坦克。60年代以后采用A12O3陶瓷面板装甲与铝或玻璃钢背板粘结制成复合防护装甲,可防高速弹丸的侵彻,后来又陆续出现了B4C、SiC、Si3N4等陶瓷装甲材料。

陶瓷是一种脆性材料,在收到冲击时容易破碎,通常不单独做成防护装甲,而是与金属和其它纤维材料一起做成复合装甲;复合装甲中使用的陶瓷通常被改成陶瓷块,使得当某块陶瓷被弹体击碎时,其它陶瓷块还仍然有效。

陶瓷材料主要应用于以对付中、大口径长杆穿甲弹为首要目标的装甲系统,这些弹药主要采用烧蚀破坏机理,另外也应用于防弹背心,陶瓷与复合背面材料结合使用提供要求的防护能力。

工程应用中,陶瓷复合装甲广泛用在坦克、装甲车等装备的防护装甲上。但陶瓷材料塑性差、断裂强度低、易产生脆性断裂,且不能二次防弹,此外,其成型尺寸较小、生产效率低,且因其具有极高的硬度和脆性,二次成型加工十分困难,特别是成型孔的加工尤其困难,因而制备成本高,使用局限性较大。

目前,用于防弹的三大陶瓷材料是氧化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)和碳化硼(B4C)。氧化铝因其成本低而在防弹上得到更广泛的应用,但其防弹等级最低、密度也最大;碳化硼防弹性能最好、密度最小,但其价格最为昂贵,20世纪60年代就最先用来作为设计防弹背心的材料;碳化硅陶瓷材料在成本、防弹性能和密度指标方面均介于二者之间。因而最有可能成为氧化铝防弹陶瓷的升级换代产品。

4.防弹高强玻纤

早在二战期间,美国已开始进行玻璃钢装甲的研究,并成功研制了玻纤/聚酯装甲材料。随着S-2高强玻璃纤维的出现,高性能玻璃纤维复合材料作为较廉价的抗弹装甲材料,成为第一代复合装甲材料。其抗弹能力可达到钢的3倍以上。前苏联用玻璃钢复合装甲装备T-72和T-80坦克,其复合装甲结构为:钢+钢+玻璃钢+钢+内衬的5层结构,这种复合装甲可以吸收动能弹的大量能量。德国的布洛姆-福斯公司也研制了类似的结构系列,并已装在德国陆军和丹麦陆军的“豹”1A3主战坦克上,它的防护能力达到焊接炮塔的“豹”1A4主战坦克的水平。美国陆军材料与力学研究中心(AMMRC)用高强玻纤复合材料制造履带和轮式车辆的结构装甲,如美国联合防务公司的“布雷德利”复合装甲型步兵战车就采用了S-2型高强玻璃纤维和聚酯树脂模压工艺制备的结构复合材料。玻璃钢还被用于武装直升飞机、运输机和通讯联络直升机的复合装甲结构材料。

高强玻纤最早由美国欧文斯-康宁(OC)公司开发研制,其兼具优异的抗弹性能、降噪和特征信号低等优点,能有效提高装备的生存能力和快速反应机动性能,其优异的性价比更是其在装甲防护领域具有举足轻重的作用。玻璃纤维复合材料本身的结构强度也非常好,而且生产工艺简单、成本低廉,越来越多地作为结构/功能一体化材料用于装甲车体及结构件。国内南京玻纤院中材科技等企业已实现高强玻纤的工业化生产,独立自主开发并规模化工业生产中HS2号和HS4号系列高强玻纤,其中HS4高强玻纤产品性能接近或达到美国S-2玻纤,其制品有SW220和SW360缎纹高强度玻璃纤维布。

5.防弹芳纶纤维

美国首先将芳纶复合材料制成防弹头盔和防弹衣,接着又将芳纶纤维层压板与陶瓷或钢板复合,用作坦克装甲,如美国MI主战坦克采用“钢+Kevlar+钢”型的复合装甲,它能防中子弹以及防破甲厚度约700mm的反坦克导弹,还能减少因被破甲弹击中而在驾驶舱内形成的瞬时压力效应。美国M113装甲人员输送车内部结构的关键部位也装备了Kevlar衬层,可对破甲弹、穿甲弹和杀伤弹的冲击和侵彻提供后效装甲防护。美国的V22Osprey军用机和军用直升飞机使用的防弹复合材料背板与陶瓷面板组成的复合装甲是直升飞机最理想的轻质装甲。

6.防弹PE纤维

超高分子量聚乙烯纤维复合材料(荷兰和美国的商品名分别为Dyneema和Spectra)是具有优异综合性能的高性能纤维,其特点是高强度、高模量、低伸长以及比水还轻的低密度,具有优良的耐腐蚀性、耐紫外线能力和抗切割、耐磨性,而且吸湿小,不受环境影响,加之其氢原子含量高,因而防中子和防γ射线性能优良。

Dyneema的防弹板主要用作车辆、坦克、飞机、直升飞机和舰船的要害部位等。

军事工业用新材料大盘点

新材料又称先进材料,是指新近研究成功的和正在研制中的具有优异特性和功能,能满足高技术需求的新型材料。军用新材料是新一代武器装备的物质基础,也是当今世界军事领域的关键技术。而军用新材料技术则是用于军事领域的新材料技术,是现代精良武器装备的关键,是军用高技术的重要组成部分。

军用新材料的现状与发展

军用新材料按其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。

A.军用结构材料

1.1 铝合金

铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点,作为结构材料,因其加工性能优良,可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等,以充分发挥材料的潜力,提高构件刚、强度。所以,铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。

铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长梁和珩条等;在航天工业中,铝合金是运载火箭和宇宙飞行器结构件的重要材料,在兵器领域,铝合金已成功地用于步兵战车和装甲运输车上,最近研制的榴弹炮炮架也大量采用了新型铝合金材料。

近年来,铝合金在航空航天业中的用量有所减少,但它仍是军事工业中主要的结构材料之一。铝合金的发展趋势是追求高纯、高强、高韧和耐高温,在军事工业中应用的铝合金主要有铝锂合金、铝铜合金(2000系列)和铝锌镁合金(7000系列)。

新型铝锂合金应用于航空工业中,预测飞机重量将下降8~15%;铝锂合金同样也将成为航天飞行器和薄壁导弹壳体的候选结构材料。随着航空航天业的迅速发展,铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向的韧性差和降低成本的问题。

1.2 镁合金

镁合金作为最轻的工程金属材料,具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼性及导热性好,电磁屏蔽能力强、以及减振性好等一系列独特的性质,极大的满足了航空航天、现代武器装备等军工领域的需求。

镁合金在军工装备上有诸多应用,如坦克座椅骨架、车长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机机滤座、进出水管、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、呼吸器等车辆零部件;战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、壁板、加强框、舵板、隔框等弹箭零部件;歼击机、轰炸机、直升机、运输机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星等飞船飞行器构件。镁合金重量轻、比强度和刚度好、减振性能好、电磁干扰、屏蔽能力强等特点能满足军工产品对减重、吸噪、减震、防辐射的要求。在航空航天和国防建设中占有十分重要的地位,是飞行器,卫星,导弹,以及战斗机和战车等武器装备所需的关键结构材料。

1.3 钛合金

钛合金具有较高的抗拉强度(441~1470MPa),较低的密度(4.5g/cm3),优良的抗腐蚀性能和在300~550℃温度下有一定的高温持久强度和很好的低温冲击韧性,是一种理想的轻质结构材料。钛合金具有超塑性的功能特点,采用超塑成形-扩散连接技术,可以以很少的能量消耗和材料消耗将合金制成形状复杂和尺寸精密的制品。

钛合金在航空工业中的应用主要是制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等;在航天工业中,钛合金主要用来制作承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体火箭发动机壳体及喷管等零部件。50年代初,在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等结构件;60年代,钛合金在飞机结构上的应用扩大到襟翼滑轧、承力隔框、起落架梁等主要受力结构中;70年代以来,钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加,从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机,它在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%,在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%;80年代以后,钛合金材料和工艺技术达到了进一步发展,一架B1B飞机需要90402公斤钛材。现有的航空航天用钛合金中,应用最广泛的是多用途的a+b型Ti-6Al-4V合金。近年来,西方和俄罗斯相继研究出两种新型钛合金,它们分别是高强高韧可焊及成形性良好的钛合金和高温高强阻燃钛合金,这两种先进钛合金在未来的航空航天业中具有良好的应用前景。

随着现代战争的发展,陆军部队需求具有威力大、射程远、精度高、有快速反应能力的多功能的先进加榴炮系统。先进加榴炮系统的关键技术之一是新材料技术。自行火炮炮塔、构件、轻金属装甲车用材料的轻量化是武器发展的必然趋势。在保证动态与防护的前提下,钛合金在陆军武器上有着广泛的应用。155火炮制退器采用钛合金后不仅可以减轻重量,还可以减少火炮身管因重力引起的变形,有效地提高了射击精度;在主战坦克及直升机-反坦克多用途导弹上的一些形状复杂的构件可用钛合金制造,这既能满足产品的性能要求又可减少部件的加工费用。

在过去相当长的时间里,钛合金由于制造成本昂贵,应用受到了极大的限制。近年来,世界各国正在积极开发低成本的钛合金,在降低成本的同时,还要提高钛合金的性能。在我国,钛合金的制造成本还比较高,随着钛合金用量的逐渐增大,寻求较低的制造成本是发展钛合金的必然趋势。

1.4 复合材料

先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料,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。先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、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。

1.4.1 树脂基复合材料

树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减震性、耐化学腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点,广泛应用于军事工业中。树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两类。热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体,加入各种增强纤维复合而成的一类复合材料;而热塑性树脂则是一类线性高分子化合物,它可以溶解在溶剂中,也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体,冷却后硬化成为固体。树脂基复合材料具有优异的综合性能,制备工艺容易实现,原料丰富。在航空工业中,树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道;在航天领域,树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料,而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体,也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强,微波介电性能佳,尺寸稳定性好等优点,广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。

1.4.2 金属基复合材料

金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性在军事工业中得到了广泛的应用。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体,而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类,其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证,如用于F-16战斗机作为腹鳍代替铝合金,其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时,还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性,成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等;碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点,可用于制作火箭、导弹构件,红外及激光制导系统构件,精密航空电子器件等;碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能,是高推重比发动机的理想结构材料,目前已进入先进发动机的试车阶段。在兵器工业领域,金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托,反直升机/反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部件,以此来减轻战斗部重量,提高作战能力。

1.4.3 陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体,与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起组成的材料的总称,由此可见,陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相组元构成的多相材料,它克服了陶瓷材料固有的脆性,已成为当前材料科学研究中最为活跃的一个方面。陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、热机械性能和抗热震冲击性能好的特点,是未来军事工业发展的关键支撑材料之一。陶瓷材料的高温性能虽好,但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相变增韧、微裂纹增韧、弥散金属增韧和连续纤维增韧等。陶瓷基复合材料主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀,它在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。

1.4.4 碳-碳复合材料

碳-碳复合材料是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材料。碳-碳复合材料具有比强度高、抗热震性好、耐烧蚀性强、性能可设计等一系列优点。碳-碳复合材料的发展是和航空航天技术所提出的苛刻要求紧密相关。80年代以来,碳-碳复合材料的研究进入了提高性能和扩大应用的阶段。在军事工业中,碳-碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳-碳鼻锥帽和机翼前缘,用量最大的碳-碳产品是超音速飞机的刹车片。碳-碳复合材料在宇航方面主要用作烧蚀材料和热结构材料,具体而言,它是用作洲际导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭喷管和航天飞机的机翼前缘。目前先进的碳-碳喷管材料密度为1.87~1.97g/cm3,环向拉伸强度为75~115兆帕。近期研制的远程洲际导弹端头帽几乎都采用了碳-碳复合材料。  

随着现代航空技术的发展,飞机装载质量不断增加,飞行着陆速度不断提高,对飞机的紧急制动提出了更高的要求。碳-碳复合材料质量轻、耐高温、吸收能量大、摩擦性能好,用它制作刹车片广泛用于高速军用飞机中。

1.5 超高强度钢

超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200兆帕和1400兆帕的钢,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射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。

1.6 先进高温合金

高温合金是航空航天动力系统的关键材料。高温合金是在600~1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化和抗腐蚀能力的合金,它是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。按照基体组元的不同,高温合金分为铁基、镍基和钴基三大类。发动机涡轮盘在60年代前一直是用锻造高温合金制造,典型的牌号有A286和Inconel718。70年代,美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56发动机涡轮盘,大大增加了它的推重比,使用温度显著提高。从此,粉末冶金涡轮盘得以迅速发展。最近美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘,与粉末高温合金相比,工序简单,成本降低,具有良好的锻造加工性能,是一种有极大发展潜力的制备技术。

1.7 钨合金

钨的熔点在金属中最高,其突出的优点是高熔点带来材料良好的高温强度与耐蚀性,在军事工业特别是武器制造方面表现出了优异的特性。在兵器工业中它主要用于制作各种穿甲弹的战斗部。钨合金通过粉末预处理技术和大变形强化技术,细化了材料的晶粒,拉长了晶粒的取向,以此提高材料的强韧性和侵彻威力。我国研制的主战坦克125Ⅱ型穿甲弹钨芯材料为W-Ni-Fe,采用变密度压坯烧结工艺,平均性能达到抗拉强度1200兆帕,延伸率为15%以上,战技指标为2000米距离击穿600毫米厚均质钢装甲。目前钨合金广泛应用于主战坦克大长径比穿甲弹、中小口径防空穿甲弹和超高速动能穿甲弹用弹芯材料,这使各种穿甲弹具有更为强大的击穿威力。

1.8 金属间化合物

金属间化合物具有长程有序的超点阵结构,保持很强的金属键结合,使它们具有许多特殊的理化性质和力学性能。金属间化合物具有优异的热强性,近年来已成为国内外积极研究的重要的新型高温结构材料。在军事工业中,金属间化合物已被用于制造承受热负荷的零部件上,如美国普奥公司制造了JT90燃气涡轮发动机叶片,美国空军用钛铝制造小型飞机发动机转子叶片等,俄罗斯用钛铝金属间化合物代替耐热合金作活塞顶,大幅度地提高了发动机的性能。在兵器工业领域,坦克发动机增压器涡轮材料为K18镍基高温合金,因其比重大、起动惯量大而影响了坦克的加速性能,应用钛铝金属间化合物及其由氧化铝、碳化硅纤维增强的复合轻质耐热新材料,可以大大改善坦克的起动性能,提高战场上的生存能力。此外,金属间化合物还可用于多种耐热部件,减轻重量,提高可靠性与战技指标。

1.9 结构陶瓷

陶瓷材料是当今世界上发展最快的高技术材料,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。

近年来,国内外对军用发动机用结构陶瓷进行了内容广泛的研究工作,如发动机增压器小型涡轮已经实用化;美国将陶瓷板镶嵌在活塞顶部,使活塞的使用寿命大幅度提高,同时也提高了发动机的热效率。德国在排气口镶嵌陶瓷构件,提高了排气口的使用效能。国外红外热成像仪上的微型斯特林制冷机活塞套和气缸套用陶瓷材料制造,其寿命长达2000小时;导弹用陀螺仪的动力靠火药燃气供给,但燃气中的火药残渣对陀螺仪有严重损伤,为消除燃气中的残渣并提高导弹的命中精度,需研究适于导弹火药气体在2000℃下工作的陶瓷过滤材料。

在兵器工业领域,结构陶瓷广泛应用于主战坦克发动机增压器涡轮、活塞顶、排气口镶嵌块等,是新型武器装备的关键材料。目前,20~30毫米口径机关枪的射频要求达到1200发/分以上,这使炮管的烧蚀极为严重。利用陶瓷的高熔点和高温化学稳定性能有效地抑制了严重的炮管烧蚀,陶瓷材料具有高的抗压和抗蠕变特性,通过合理设计,使陶瓷材料保持三向压缩状态,克服其脆性,保证陶瓷衬管的安全使用。

B.军用功能材料

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。

2.2 贮氢材料

某些过渡簇金属,合金和金属间化合物,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过程中具有广阔的应用前景。

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噪。因此阻尼减震材料在军事工业中具有十分重要的意义。

国外金属阻尼材料的应用主要集中在船舶、航空、航天等工业部门。美国海军已采用Mn-Cu高阻尼合金制造潜艇螺旋桨,取得了明显的减震效果。在西方,阻尼材料及技术在武器上的应用研究工作受到了极大的关注,一些发达国家专门成立了阻尼材料在武器装备上应用的研究机构。80年代后,国外阻尼减震降噪技术有了更大的发展,他们借助CAD/CAM在减震降噪技术中的应用,把设计-材料-工艺-试验一体化,进行了整体结构的阻尼减震降噪设计。我国在70年代前后进行了阻尼减震降噪材料的研究工作,并取得了一定的成果,但与发达国家相比,仍有一定的差距。阻尼材料在航空航天领域主要用于制造火箭、导弹、喷气机等控制盘或陀螺仪的外壳;在船舶工业中,阻尼材料用于制造推进器、传动部件和舱室隔板,有效地降低了来自于机械零件啮合过程中表面碰撞产生的振动和噪声。在兵器工业中,坦克传动部分(变速箱,传动箱)的振动是一个复杂振动,频率范围较宽,高性能阻尼锌铝合金和减振耐磨表面熔敷材料技术的应用,大大减轻了主战坦克传动部分产生的振动和噪声。

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,已成为现代武器防护的重要发展方向。隐身技术的最有效手段是采用隐身材料。国外隐身技术与材料的研究始于第二次世界大战期间,起源在德国,发展在美国并扩展到英、法、俄罗斯等先进国家。目前,美国在隐身技术和材料研究方面处于领先水平。在航空领域,许多国家都已成功地将隐身技术应用于飞机的隐身;在常规兵器方面,美国对坦克、导弹的隐身也已开展了不少工作,并陆续用于装备,如美国M1A1坦克上采用了雷达波和红外波隐身材料,前苏联T-80坦克也涂敷了隐身材料。

隐身材料有毫米波结构吸波材料、毫米波橡胶吸波材料和多功能吸波涂料等,它们不仅能够降低毫米波雷达和毫米波制导系统的发现、跟踪和命中的概率,而且能够兼容可见光、近红外伪装和中远红外热迷彩的效果。

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。

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。

结语

世界各国对军用新材料技术的发展给予了高度重视,加速发展军用新材料技术是保持军事领先的重要前提。

本文作者:王元

来源:《腐蚀防护之友》