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精密儀器

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國防科技工業(yè)涉及哪些金屬材料和軍工材料

在國防科技工業(yè)領(lǐng)域,無論是推進(jìn)大飛機(jī)、高速列車、電動汽車等重點(diǎn)工程,還是發(fā)展電子信息、節(jié)能環(huán)保等重要產(chǎn)業(yè),還是海洋開發(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,材料技術(shù)突破是體現(xiàn)一個國家綜合實力與技術(shù)創(chuàng)新標(biāo)志之一。

隨著現(xiàn)代軍事科技的不斷發(fā)展,促使各國對武器裝備的性能提出了更高的要求。由于軍用新材料能夠滿足武器材料強(qiáng)韌化、輕量化、多功能化和高效化的發(fā)展要求,促使軍工新材料的研究十分繁榮。

 

先進(jìn)金屬結(jié)構(gòu)材料

1.變形鎂合金

變形鎂合金有很高的比強(qiáng)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(dǎo)彈艙段、壁板、蒙皮、直開機(jī)上機(jī)閘等大都采用鎂理合金制件。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(jī)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(qiáng)韌鎂合金以及超輕變形Mg-Li 合金。其中,模鯉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(jìn)行前期研究,如東北大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。目前主要應(yīng)用在殲擊機(jī)和槍械方面。如噴氣式殲擊機(jī)"洛克希德 F-80"以及"仔細(xì)"轟炸機(jī)都應(yīng)用這類鎂合金。耐熱鎮(zhèn)合金目前主要在往稀土鎂合金方向研究,如美國開發(fā)的QE22WE44 模合金具有相當(dāng)高的高溫強(qiáng)度,以運(yùn)用到直徑 1m "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(xué)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)出的加入鎂和稀土元素的鎂合金己成功的應(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(qiáng)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。

2. 先進(jìn)鈦合金

鈦是20世紀(jì)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(jì)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(qiáng)度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn),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(jī)、航空發(fā)動機(jī)、導(dǎo)彈。艦艇、核反應(yīng)堆以及輕型火炮等。為了擴(kuò)大鈦合金在軍事方面的用途,主要進(jìn)行了以下幾個方面的研究。(1)高強(qiáng)韌性,美國開發(fā)的Ti 1023 鈦合金抗拉強(qiáng)度高、斷裂韌性高、耐疲勞性好、鍛造性能優(yōu)良,己應(yīng)用在B777 飛機(jī)起落架系統(tǒng)和火箭發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑儲箱和導(dǎo)管等部件。另外美

國鐵金屬公司 Timet 分部研制的一種新型抗氧化、超高強(qiáng)鈦合金β21S,在690攝氏度具有良好的抗氧化性能,可在540攝氏度下長期工作。冷、熱加工性能優(yōu)良,可制成 0.064mm 的箱材。己被美國國家宇航局確定用作硅/鈦復(fù)合材料的基體材料,并將用于美國航天飛機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼壁板。(2) 耐高溫性,這項工作開始于20世紀(jì)50年代初期,英國、美國和俄羅斯在這方面具有先進(jìn)水平,英國的 IMI829 IMI834鈦合金,美國Ti100 、俄羅斯的 T1 8Y BT36

BT37 已經(jīng)用在了軍用飛機(jī)發(fā)動機(jī)上。(3) 阻燃性, 20世紀(jì)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(qiáng)度,并具有良好的室溫和高溫塑性、蠕變和疲勞性能,己用于F119發(fā)動機(jī)。我國研制的Ti-40阻燃性能與美國的Ti- 1270相當(dāng),也用于我國新型的戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)上。我國的600攝氏度高溫鈦合金TI60 還處于研制階段。

3.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 Mpa和1400 Mpa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。Aermet100 是美國 Carpenter 技術(shù)公司研制的高合金超高強(qiáng)度鋼。己披用于F-22 F一 18E/F 等先進(jìn)飛機(jī)的起落架。美國近期又開發(fā)出一種后繼鋼,稱Aermet 310 ,比 Aermet100 強(qiáng)度高10 %, Klc達(dá)70MPa。 SFGH ENNANOHITEN ERW HISTORY 是日本]F公司最近開發(fā)出的幾種高強(qiáng)度鋼。其中 SFGHIT因為含Nb系列高強(qiáng)度IF 鋼板,主要應(yīng)用對象是汽車車身外板, NANOHITEN 是強(qiáng)度級別為780MPa 的熱軋鋼板,其特點(diǎn)是塑性好、擴(kuò)孔率高,具有優(yōu)良的翻邊成形性能和穩(wěn)定的力學(xué)性能??蓱?yīng)用于各類加強(qiáng)件、臂類與梁類零件。 ERWHISTORYJFE 針對飛機(jī)懸架系零部件開發(fā)的高強(qiáng)度銅管,強(qiáng)度級別也是780 MPa 。該材料具有良好的液壓成形性能。己開始應(yīng)用于飛機(jī)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(qiáng)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,并己投放市場。國內(nèi)發(fā)動機(jī)、直升機(jī)傳動材料技術(shù)十分落后,北京航空材料研究院己自主開發(fā)出適應(yīng)某型號飛機(jī)發(fā)動機(jī)的剛強(qiáng)度鋼。

4. 金屬間化合物

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(jī)渦輪葉片。地面試車取得成功?;萜展疽矓M根據(jù) Caesar計劃在 F119 發(fā)動機(jī)上試車。對鎳鋁化臺物也在進(jìn)行廣泛的研究工作,俄羅斯近年開發(fā)成功了 BKHA-1BBKHA-2M,前者以 N13Al 為基、后者以N3Al+NaA 為基。己分別用于發(fā)動機(jī)靜子葉片和導(dǎo)向葉片涂層材料。國外在鋸基體中加入 Si ,形成Nb3SiNb 3Si2 金屬間化合物。作為增強(qiáng)體,形成Nb-Si 復(fù)合材料,其耐溫能力比單晶合金提高 200 ~ 300.C

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復(fù)合材料

材料科學(xué)的發(fā)展造就了高強(qiáng)度、高模量、低比重的碳纖維,從而掀開了先進(jìn)復(fù)合材料的時代。日本于1955 年首先發(fā)明了聚丙烯臘 (PAN)基碳纖維,并于 60 年代初進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn), 70 年代中期誕生了以碳纖維為增強(qiáng)相的先進(jìn)復(fù)合材料。碳基增強(qiáng)具有無可比擬的高比強(qiáng)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(jī)和航天飛機(jī)。PAN 碳基纖維較早時候是 T300 級別的用于武器裝備上, 20 世紀(jì) 60 年代末,美國開發(fā)出了棚纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料, 1971 年成功應(yīng)用于F-14 戰(zhàn)斗機(jī)尾翼上,此后又有 F-15、F-16 、米格 -29 、幻影 2000 F/A-18等復(fù)合材料尾翼問世。此時一般一架軍用飛機(jī)的垂尾、平尾全采用復(fù)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(jī)上復(fù)合材料用量到 20% ~ 50% 不等,如美國的B-2 戰(zhàn)斗機(jī)大約占 50% 左右,機(jī)身大部分為復(fù)合材料。

復(fù)合材料除了在軍用飛機(jī)上有突出貢獻(xiàn),在導(dǎo)彈彈頭上也大量應(yīng)用,符合材料最早應(yīng)用在導(dǎo)彈彈頭的是層壓玻璃/酣醒復(fù)合材料,后 來發(fā)現(xiàn)不足,產(chǎn)生了模壓高硅氧酣睡。目前,科學(xué)家開發(fā)出了更好 的碳/碳復(fù)合材料,碳/碳復(fù)合材料具有低密度 <<2.0g/cm3) 、高比強(qiáng)、

高比模量、高導(dǎo)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(diǎn),是目前在 1650.C 以上應(yīng) 用的唯一備選材料,最高理論溫度 更高達(dá) 2600.C. 因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料。近期研制的導(dǎo)彈頭帽幾乎都采用了碳/碳復(fù)合材料。目前為了提高導(dǎo)彈的打擊能力,由開發(fā)出碳/酷醒復(fù)合材料用作導(dǎo)彈彈頭的防熱層。另外在固體火箭發(fā)動機(jī)的噴管上,復(fù)合材料也 不短改進(jìn),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(fù)合材料,使導(dǎo)彈的性能得到很大的提高。

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軍用功能材料

1.納米隱身材料

美、俄、法等軍事強(qiáng)國都把納米隱身材料作為新一代的隱身材料 進(jìn)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(jìn)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(jìn)展。

1995 年,日本來用納米碳管與磁性吸收劑復(fù)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(jì)末,美國研制出的"超黑粉"納米隱身材料,對雷達(dá)波吸收率達(dá)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(fù)合材料和石墨環(huán)氧樹脂復(fù)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(dǎo)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(dǎo)率的鐵磁性材料,層厚度為3nm,絕緣層為碳或者無機(jī)材料,厚度為5nm,在50MHz50GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的吸波性能。

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代末也一直關(guān)注納米材料用于雷達(dá)波隱身的可能性,在納米隱身機(jī)理的理論研究和實驗研究方面均有所進(jìn)展。成都電子科技大學(xué)研制的納米針型磁性金屬粉多層納米膜復(fù)合吸波材料,通過改變納米針型磁性金屬粉成分,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(xué)、華中科技大學(xué)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(dǎo)率μ可達(dá)到 40左右,比磁性微米吸收劑提高了10倍。

2. 磁性材料

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(qiáng)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(dá),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(dá)報警系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、艦載防御導(dǎo)彈、 PAC-3 導(dǎo)彈等的磁性材料,取得可喜進(jìn)展。 2004IBM 微電子公司發(fā)布了兩條標(biāo)準(zhǔn) IC生產(chǎn)線,包括功率放大器和電壓控制振蕩器。 20068月,美國東北大學(xué)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(dá)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(diǎn)是高溫環(huán)境下抗電磁干擾,可滿足電子機(jī)器、光纖通 信多方面需求。日立金屬公

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