稀土材料在军事领域中的应用

2 镁、铝等有色稀土合金在现代军 事技术上的应用 经多年研究, 采用了特殊的矿化处理技术, 研 制出了稳定廉价的氧化钇砂料与粉料, 它在比 重、硬度和对钛液的稳定性上, 都达到了较好 的水平, 而在调节控制壳料浆性能上, 表现出 更大的优越性。用氧化钇型壳制造钛铸件的突 出优点是: 在铸件质量和工艺水平与钨面层工 艺相当的条件下, 能制造比钨面层工艺更薄的 钛合金铸件。目前, 该工艺已广泛用于制造各 种飞机、发动机及民品铸件。
3.3 稀土燃烧合金 重量为100 g 的稀土燃烧合金可形成200 ~ 3 000 个火种, 覆盖面积大, 与穿甲弹、破甲弹 的杀伤半径相当。为此, 发展燃烧威力的多功 能弹药成为目前中外弹药发展的主攻方向之一。 对于穿甲弹和破甲弹, 其战术性能要求在击穿 敌坦克装甲之后, 还能将其油料、弹药引燃, 以彻底摧毁坦克。对于榴弹则要求在其杀伤范 围内引燃军需物资和战略设施等。 据悉, 美国制造的一种塑料稀土金属燃烧 弹, 其弹体由玻璃纤维增强的尼龙制成, 内装 混合稀土合金弹芯, 用于对付装有航空燃料及 类似的目标具有较佳效果。
稀土材料在军事领域金属方面中的应用
稀土材料在军事领域应用概述
稀土有工业“维生素”之称，由于 其具有优良的光电磁等物理特性 , 能 与其他材料组成性能各异、品种繁 多的新型材料，其最显著的功能就 是大幅度提高其他产品的质量和性 能。比如大幅度提高用于制造坦克、 飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合 金、钛合金的战术性能。而且，稀 土同样是电子、激光、核工业、超 导等诸多高科技的润滑剂。从一定 意义上说 , 美军在中东地区的战争中 能够对敌人肆无忌惮地公开杀戮， 很大程度上缘于稀土科技领域的超 人一等。
2.3 稀土铝合金 中航总研制的含稀土耐热铸造铝合金 HZL206, 与国外含镍的合金比较, 具有优越的 高温和常温力学性能, 并已达到国外同类合金 的先进水平。现已用于直升机和歼击机工作温 度达300 ℃ 的耐压阀门, 取代了钢和钛合金。 减轻了结构重量, 已投入批量生产。稀土铝硅 过共晶ZL117 合金在200～300℃ 下的拉伸强度 超过西德活塞合金KS280 和KS282, 耐磨性能 比常用活塞合金ZL108 提高4～5 倍, 线膨胀系 数小, 尺寸稳定性好, 已用于航空附件KY — 5, KY — 7 空压机和航模发动机活塞。稀土元素加 入铝合金中, 明显改善显微组织和机械性能。 稀土元素在铝合金中的作用机制为: 形成分散 分布, 细小的铝化合物起着显著的第二相强化 作用; 稀土元素的加入起到了除气净化作用, 从而减少合金中气孔的数量, 提高合金的性能; 稀土铝化合物作为异质晶核细化晶粒和共晶相, 也是一种变质剂; 稀土元素促进了富铁相的形 成和细化, 减少了富铁相的有害作用。α— A1 中铁的固溶量随稀土加入量的增加而减少, 也 对提高强度和塑性有利。
稀土材料在军事领域中的 应用
讲解人 卢杨 王程博 刘士杰 肖镇 于康
为什么“爱国者”导弹能比较轻易地击落“飞毛腿”？ 为什么尽管美制 M1 和苏制 T-72 坦克的主炮直射距离差距并 不大，但前者却总是能更早开火，而且打得更准？ 为什么F-22战斗机可以超音速巡航？
为什么“爱国者”导弹能比较轻易地击落“飞毛腿”？
4.1.2 坦克热辐射屏蔽 它由四层单板组成, 总厚度为5 ~ 20 cm 。 第一层用玻璃纤维增强塑料制成, 采用无机粉 末添加2% 的稀土化合物为填料, 以阻滞快中 子、吸收慢中子; 第二层和第三层, 是在前者 之中再加入硼石墨和聚苯及占填料总量10% 的 稀土元素, 以阻滞中能中子和吸收热中子; 第 四层采用石墨代替玻璃纤维, 加入含25% 稀土 化合物, 吸收热中子。
3.2 混合稀土金属 由于纯稀土金属的价格较为昂贵, 各国在 燃烧武器中广泛采用价廉的复合稀土金属。复 合稀土金属燃烧剂经高压装填于金属壳体中, 燃烧剂密度为(1.9 ~ 2.1) ×103 ㎏ /m 3, 燃烧速度 1.3 ～1.5 m m /s, 火焰直径约500 m m , 火焰温度 高达1 715～2 000 ℃。其燃烧后炽热体炽热持续 时间长于5m in。 美军在侵越战争中, 用发射器发射的一种 40 m m 纵火榴弹, 其内装填的引燃内衬就用混 合稀土金属制成的。当弹体爆炸后, 每一片带 有引燃内衬的破片都可引燃目标。当时该弹的 月产量达20 万发, 最高达26 万发。
为什么尽管美制 M1 和苏制 T-72 坦克的主炮直射距离差距并 不大，但前者却总是能更早开火，而且打得更准？
为什么F-22战斗机可以超音速巡航？……
相比传统兵器，高技术兵器的优点在于其更方便、更灵敏、更准确、更容易操纵。这 些提起来容易，但却集中体现了当今材料科学、电子科学以及工程制造的诸多最高成 就。而这些成就的获得,往往是源于稀土的某些特殊功能的发现和应用。
4.1 在军事防护技术上的应用 稀土元素具有防辐射特性。美国国家中子 截面中心采用高分子材料为基材, 添加或不添 加稀土元素制成了两种厚度为10 m m 的板材进 行防辐射试验。
热中子屏蔽效果优于无稀土高分子材料5 ~ 6 倍。其中添加钐、铕、钆、镝等元素的稀土材 料的中子吸收截面最大, 具有良好的俘获中子 的作用。目前, 稀土防辐射材料在军事技术中 的主要应用包括以下几个方面。
稀土元素有钢材中的“盘尼西林”之称，具有 净化变质和促进合金化的功能。稀土可以同钢 材中的硫、氧等反应，从而消除这些低熔点有 害杂质，细化晶粒，影响钢的相变点，从而提 高钢的力学性能和淬透性等。稀土特种钢被广 泛应用坦克等的装甲钢和炮钢等，稀土高锰钢 用于制造坦克履带板，稀土铸钢用于制造高速 脱壳穿甲弹的尾翼、炮口制退器和火炮结构件 等 。 稀土元素在核工业中也具有重要的应用， 如在核辐射探测器中，利用稀土的闪耀材料， 可以作为核辐射强度探测的材料。稀土元素属 于较重的核，具有较大的中子吸收截面，具有 较好的种子捕获能力。其中铕、钆、镝等经常 用来做抗辐射材料。由于稀土元素较为活波， 性质和碱土元素比较类似，经常作为燃烧弹的 添加材料。
3.1 纯稀土金属 纯稀土金属因其化学性质活泼, 极易同氧、 硫、氮作用生成稳定的化合物, 当受到剧烈摩 擦与冲击发生火花时, 可引燃易燃物。因此, 早在1908 年它就被制成打火石。现已查明, 17 种稀土元素中有铈、镧、钕、镨、钐和钇等六 种元素具有特别良好的纵火性能。人们将稀土 金属的纵火性制成了各式燃烧武器, 例如美国 “马克— 82 型”227 kg 航弹采用稀土金属内衬, 除了产生爆炸杀伤效应处, 还产生纵火效应。 美国空对地“阻尼人”火箭战斗部内装108 个 稀土金属方棒作内衬, 取代部分预制破片, 静 爆破试验证明, 其点燃航空油料的能力比无内 衬的高44% 。
至于F-22超音速巡航的功能，则拜其强大的发动机以 及轻而坚固的机身所赐，它们都大量使用稀土科技造 就的特种材料。比如F119发动机叶片以及燃烧室使用 了阻燃钛合金，这种钛合金的制造据说是使用了铼； 而F-22的机身就更加是用稀土强化的镁钛合金武装。 否则，超音速巡航中，F119强大的动力足以摧毁它自 己。
2.1 稀土镁合金 稀土镁合金比强度较高, 能减轻飞机重量, 提高战术性能, 具有广泛的应用前景。中国航 空工业总公司(以下简称中航总) 研制的稀土 镁合金包括铸造镁合金及变形镁合金约有10 个 牌号, 很多牌号已用于生产, 质量稳定。例如: 以稀土金属钕为主要添加元素的ZM 6 铸造镁合 金已扩大用于直升机后减速机匣、歼击机翼肋 及30 kW 发电机的转子引线压板等重要零件。 中航总与有色金属总公司联合研制的稀土高强 镁合金BM 25 已代替部分中强铝合金, 在强击 机上获得应用。
源自文库
4.1.1 核辐射屏蔽 美国采用1% 硼和5% 的稀土元素钆、钐、 和镧, 制成厚度为600m m 的防辐射混凝土, 用 于屏蔽游泳池式反应堆裂变中子源。法国采用石 墨为基材添加硼化物、稀土化合物或稀土合金, 研制成一种稀土防辐射材料。这种复合屏蔽材料 的填料要求分布均匀并制成预制件, 根据屏蔽部 位的不同要求, 分别置于反应堆通道的四周。
金属合金中也获得广泛应用。例如有一 种稀土镁合金（含有 Mg,Zn,Zr,La,Ce ）可 用于制造喷气式发动机的传动装置，直 升飞机的变速箱，飞机的着陆轮和座舱 罩。在镁合金中添加稀土金属的优点是 可提高其高温抗蠕变性，改善铸造性能 和室温可焊性。有一种铝锆钇合金用作 电线，其特点是输出功率高、耐热、耐 振动和耐腐蚀。
2.2 稀土钛合金 70 年代初, 北京航空材料研究院(简称: 航材院) 在Ti— A1— M o 系钛合金中用稀土金 属铈(Ce) 取代部分铝、硅, 限制了脆性相的 析出, 使合金在提高耐热强度的同时, 也改善 了热稳定性能。以此基础上, 又研制出了性能 良好的含铈的铸造高温钛合金ZT3。它与国际同 类合金相比, 在耐热强度及工艺性能方面均具 有一定的优势。用它制造的压气机匣用于W PI3 Ⅱ发动机, 每架飞机减重达39 kg, 提高推重 比1.5% , 此外减少加工工序约30% , 取得了明 显的技术经济效益, 填补了我国航空发动机在 500 ℃ 条件下使用铸钛机匣的空白。研究表明, 含铈的ZT3 合金组织中存在着细小的氧化铈质 点。铈化合了合金中的一部分氧, 形成了难熔 的、高硬度的稀土氧化物质点Ce2O3。这些质点 在合金形变过程中阻碍了位错运动, 提高了合 金高温性能, 铈夺取了一部分气体杂质(尤其 是在晶界上的), 就有可能在使合金强化的同 时, 保持良好的热稳定性能。这是在铸造钛合 金中应用难溶质点强化理论的首次尝试。 此外航材院在钛合金溶模精密铸造工艺中,
稀土材料在军事领域材料方面中的具体应用
1.1.1 装甲钢 早在60 年代初期, 我国兵器工业 就开始了稀土在装甲钢和炮钢 上的应用研究, 先后生产了601 、603、623 等稀土装甲钢, 开创 了我国坦克生产中的关键原材 料立足于国内的新纪元。
1.1.2 稀土碳素钢 60 年代中期, 我国又在原某种优质碳素钢中 加入0.05% 的稀土, 制成了稀土碳素钢。这 种稀土钢较原碳素钢的横向冲击值提高了 70% ～100% , - 40 ℃ 时的冲击值提高近1 倍 。采用该钢制造的大口径药筒经靶场射击试 验证明, 完全能满足技术要求, 目前我国已定 型投产, 实现了我国在药筒材料方面以钢代 铜的多年宿愿。
1.1.3 稀土高锰钢和稀土铸钢 稀土高锰钢用于制造坦克履带板, 稀土铸钢 用于制造高速脱壳穿甲弹的尾翼、炮口制退 器和火炮结构件, 可减少加工工序, 提高钢材 的利用率, 并能达到战术技术指标。
1.2 稀土球墨铸铁在现代军事技术的应用 过去 , 我国前膛弹弹体材料均采用以优质生铁加入 30% ~ 40% 的废钢而制成的半钢性铸铁,由于其强度低、脆性大、 爆炸后的有效杀伤破片数量少且不锋利以及杀伤威力弱等 原因,一度束缚了前膛弹弹体的发展。自1963 年后,采用稀土 球墨铸铁制造各种口径的迫击弹, 使其力学性能提高1 ~ 2 倍, 有效杀伤破片数量成倍增加, 破片刃口锋利, 大大提高了杀 伤威力。我国用这种材料制造的某型加农炮炮弹和野战炮 炮弹战斗壳体, 其有效杀伤破片数和密集杀伤半径比钢质壳 体略胜一筹。 稀土具有很高的化学活性和较大的原子半径, 加入到有色金 属及其合金中, 可细化晶粒、防止偏析、除气、除杂和净化 以及改善金相组织等作用, 从而达到改善机械性能、物理性 能和加工性能等综合目的。国内外材料工作者利用稀土的 这一性质, 研制出了新型稀土镁合金、铝合金、钛合金、高 温合金, 这些产品在歼击机、强击机、直升机、无人驾驶机、 以及导弹卫星等现代军事技术上获得了广泛的应用。
4.1.3 其它 将稀土防辐射涂料涂在坦克、舰艇、掩蔽 部和其它军事装备上, 可以起到防辐射的作用。
4.2 在核技术上的应用 稀土氧化钇可用作沸水反应堆(BW R) 中 铀燃料的可燃吸收体。 在所有元素中, 钆吸收中子的能力最强, 每个原子约4 600 靶, 每个自然钆原子在失效前 平均吸收4 个中子。当与可裂变的铀混合时, 钆可促进燃烧, 降低铀的消耗并提高能量输出。 氧化钆不象碳化硼那样产生有害的副产品氘, 在核反应时既能与铀燃料又能与它的包覆材料 相配。用钆代替硼的好处是钆能与铀直接混合, 以防止核燃料棒膨胀。据统计, 目前全世界计 划兴建的核反应堆149 座, 其中115 座压水堆 应用稀土氧化钆。 稀土钐、铕和镝已用作中子增殖反应堆的 中子吸收剂。稀土钇在中子中俘获截面小, 可 用作熔盐反应堆的管材。