新材料在军工用品方面的应用现状和发展趋势

新材料技术在军工方面的应用现状及发展趋势

武晓博

摘要：军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类，广泛应用于航空、航天、兵器和船舰等领域中。文章对二者进行了综述，并就及其在军工领域的相关应用；并讨论了其今后的发展趋势。

关键词：新材料技术；军工；结构材料；功能材料

1 引言

国无防不立，民无防不安。作为一个国家、一个民族，最重要的无非两件大事：一个是发展问题，一个是安全问题。国防是人类社会发展与安全需要的产物，它是关系到国家和民族生死存亡的根本大计。

现代国防以军事力量为核心，还包括有关的非军事力量；它重视国家的战争潜力，特别是战时的动员效率；它还是以经济和科技为主的综合实力的竞争。材料技术作为国家科技发展规划中最为关键的领域之一，与信息技术、生物技术、能源技术一起，被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽全局的高新技术。材料高新技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术，用于军事领域的军用新材料技术是发展高新技术武器的物质基础，也是一个国家国防力最最重要的物质基础。

出于自身利益及世界形势的考量，每个国家都需要且必须建立强大的国防。因而开发具有自主知识产权的现代化尖端武器，对国家安全而言就显得尤为重要。而就目前现有的材料品种、规格、性能及冶炼工艺方式已远远不能满足高新武器发展的需求，有时甚至成为制约武器研究开发的“瓶颈”，在这种背景下，军用材料技术便应运而生。目前，世界范围内的军用新材料技术已有上万种，并以每年5％的速度递增，正向高功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展。

2 新材料技术在军工方面的应用

军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类，广泛应用于航空、航天、兵器和船舰等领域中。

2.1 军用结构材料

随着现代科学技术的发展，武器装备的技术密集程度越来越高，正在从机械化战争向信息化战争演变，武器装备向精确制导方向发展。因此，对军用材料提出了更高、更新的要求。

2.1.1 镁合金[1]

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。

2.1.2 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之一。铝合金材料具有密度低、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、铝铜合金和铝锌镁合金。

新型铝锂台金应用于航空工业中，预计飞机重量将下降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。

2.1.3 结构陶瓷

常用的结构陶瓷材料主要包括：氧化铝、氧化铅、氮化硅、碳化硅、氮化铝及其复合材料等。由于结构陶瓷材料通常具有高强、高硬、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的特性，因而在国防、军工领域具有广泛的应用。

陶瓷材料是当今世界上发展晟快的高技术村料，它已经南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。

利用结构陶瓷的高硬度、高耐磨性可以制备陶瓷刀具、陶瓷轴承、防弹装甲、各种阀门、耐磨衬里、密封环；利用结构陶瓷的耐高温性能可以制备高温陶瓷热交换器、汽车尾气过滤器、燃气轮机高温过流部件；利用结构陶瓷的透明性可以制备透明灯管、导弹窗口材料等[2]。

2.1.4 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。

超高强度钢不仅具有高的抗拉强度，还具有一定塑性和韧性、小的缺口敏感性、高的疲劳强度、一定的抗蚀性、良好的工艺性能、符合资源情况及价格低廉等优点，在航空工业的应用越来越广泛。

超高强度钢大量用于制造火箭发动机外壳，飞机机身骨架、蒙皮和着陆部件以及高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。

2.1.5 先进高温合金

高温合金在600~1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金，具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。

按基体元素来分，高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃，对于在更高温度下使用的耐热部件，则采用镍基和难熔金属为基的合金。镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。若以150MPA~100H持久强度为标准，而目前镍合金所能承受的最高温度＞1100℃，而镍合金约为950℃，铁基的合金＜850℃，即镍基合金相应地高出150℃至250℃左右。所以人们称镍合金为发动机的心脏。目前，在先进的发动机上，镍合金已占总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍合金。与铁合金相比，镍合金的优点是：工作温度较高，组织稳定、有害相少及抗氧化搞腐蚀能力大。与钴合金相比，镍合金能在较高温度与应力下工作，尤其是在动叶片场合。

2.1.6 复合材料

复合材料是指两种以上不同性质或不同结构物质组合而成的材料，通常由基体材料与增强剂组成。先进复合材料比通用复合材料具有更高综合性能，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。先进的复合材料具有高强度、高模量、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。

复合材料正在迅速发展成为航天航空工业的基本结构材料。高性能聚合物基复合材料在航空航天工业的用量占其全部用量的80％。由于碳纤维具有高比强度、比模量、低热膨胀系数和高导热性等独特性能，因而由其增强的复合材料用作航空航天结构材料，减重效果十分显著，显示出无可比拟的巨大应用潜力。例如，碳纤维增强树脂烬复合材料用做航天飞机舱门、机械臂和压力容器等，此外，还将其在火箭与导弹的减重、飞机的主承力结构，在雷达波隐身材料方面，除涂层外，复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注，主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料(如C/EP、C/PI或C/BMI)和热塑性树脂基复合材料(C/PEEK，C/PPS)，目前已经得到了某些应用[3]。