16 Nous Materials Militars

Els nous materials militars són la base material per a una nova generació d'armes i equips, i també són tecnologies clau en l'àmbit militar en el món actual. La tecnologia de material nou militar és una tecnologia de material nova utilitzada en l'àmbit militar. És la clau d'armes i equipaments moderns i sofisticats i una part important de l'alta tecnologia militar. Els països d'arreu del món donen una gran importància al desenvolupament de noves tecnologies de material militar. Accelerar el desenvolupament de noves tecnologies de material militar és un requisit previ important per mantenir el lideratge militar.

Estat d'aplicació dels nous materials militars

Els nous materials militars es poden dividir en dues categories: materials estructurals i materials funcionals segons els seus usos. S'utilitzen principalment en la indústria de l'aviació, la indústria aeroespacial, la indústria d'armes i la indústria de la construcció naval.

Aliatge d'alumini

L'aliatge d'alumini ha estat sempre el material estructural metàl·lic més utilitzat a la indústria militar. L'aliatge d'alumini té les característiques de baixa densitat, alta resistència i bon rendiment de processament. Com a material estructural, a causa del seu excel·lent rendiment de processament, es pot convertir en perfils, canonades, plaques d'alt reforç, etc. de diverses seccions transversals per aprofitar al màxim el potencial del material i millorar els components. Rigidesa i força. Per tant, l'aliatge d'alumini és el material estructural lleuger preferit per a armes lleugeres.

A la indústria de l'aviació, els aliatges d'alumini s'utilitzen principalment per fabricar pells d'avions, particions, bigues llargues i barres de guarnició. A la indústria aeroespacial, els aliatges d'alumini són materials importants per a peces estructurals de vehicles de llançament i naus espacials. En el camp de les armes, els aliatges d'alumini s'han utilitzat amb èxit. S'utilitza àmpliament en vehicles de combat d'infanteria i vehicles de transport blindats. El suport d'obús desenvolupat recentment també utilitza un gran nombre de nous materials d'aliatge d'alumini.

L'ús d'aliatges d'alumini a la indústria aeroespacial ha disminuït en els últims anys, però segueix sent un dels principals materials estructurals de la indústria militar. La tendència de desenvolupament dels aliatges d'alumini és la recerca d'alta puresa, alta resistència, alta tenacitat i resistència a alta temperatura. Els aliatges d'alumini utilitzats a la indústria militar inclouen principalment aliatges d'alumini-liti, aliatges d'alumini-coure (sèrie 2000) i aliatges d'alumini-zinc-magnesi (sèrie 7000).

A la indústria de l'aviació s'utilitzen nous aliatges d'alumini i liti i es preveu que el pes dels avions disminuirà entre un 8 i un 15%; Els aliatges d'alumini i liti també es convertiran en materials estructurals candidats per a vehicles aeroespacials i carcasses de míssils de parets primes. Amb el ràpid desenvolupament de la indústria aeroespacial, l'enfocament de la investigació dels aliatges d'alumini i liti encara està en resoldre els problemes de la mala tenacitat en la direcció del gruix i la reducció de costos.

Aliatge de magnesi

Com a material metàl·lic d'enginyeria més lleuger, l'aliatge de magnesi té una sèrie de propietats úniques, com ara la gravetat específica de la llum, la força específica i la rigidesa específiques, un bon amortiment i conductivitat tèrmica, una forta capacitat de blindatge electromagnètic i bones propietats d'amortiment de vibracions, que satisfan molt les necessitats. de Les necessitats de l'aeroespacial, les armes i equipaments moderns i altres camps militars.

Els aliatges de magnesi tenen moltes aplicacions en equipaments militars, com ara marcs de seients de tancs, miralls del comandant, miralls d'artiller, caixa de canvis, seients de filtre de motor, canonades d'entrada i sortida d'aigua, seients de distribuïdor d'aire, carcasses de bombes d'oli, carcassa de bombes d'aigua, intercanviadors de calor d'oli, carcasses del filtre d'oli, cobertes de vàlvules, respiradors i altres peces del vehicle; compartiments de suport de míssils de defensa aèria tàctica i pells d'alerons, panells de paret, marcs reforçats, plaques de timó, marcs de partició i altres peces de fletxa de munició; avions de caça, bombarders, helicòpters, avions de transport, radars aerotransportats, míssils terra-aire, vehicles de llançament, satèl·lits artificials i altres components de naus espacials. Els aliatges de magnesi tenen un pes lleuger, tenen una bona força i rigidesa específiques, un bon rendiment d'amortiment de vibracions, una forta interferència electromagnètica i una forta capacitat de blindatge, que poden complir els requisits dels productes militars per a la reducció de pes, l'absorció de soroll, l'absorció de xoc i la protecció contra la radiació. Ocupa una posició molt important en la construcció aeroespacial i de defensa nacional i és un material estructural clau necessari per a armes i equips com ara avions, satèl·lits, míssils i avions de combat i tancs.

Aliatge de titani

L'aliatge de titani té una alta resistència a la tracció (441 ~ 1470MPa), una baixa densitat (4,5 g / cm³), una excel·lent resistència a la corrosió i una certa resistència duradora a alta temperatura i una bona resistència a baixa temperatura a 300 ~ 550 graus. Resistent a l'impacte, és un material estructural lleuger ideal. L'aliatge de titani té les característiques funcionals de la superplasticitat. Mitjançant la tecnologia d'unió de conformació-difusió superplàstica, l'aliatge es pot convertir en productes de formes complexes i dimensions precises amb molt poc consum d'energia i consum de material.

L'aplicació d'aliatges de titani a la indústria de l'aviació consisteix principalment a fabricar peces estructurals del fuselatge d'avions, trens d'aterratge, bigues de suport, discs de compressor de motor, fulles i juntes; a la indústria aeroespacial, els aliatges de titani s'utilitzen principalment per fabricar components i marcs de càrrega. , ampolles de gas, recipients a pressió, carcasses de bombes turbo, carcassas de motors de coets sòlids i broquets i altres peces. A principis de la dècada de 1950, el titani pur industrial va començar a utilitzar-se en alguns avions militars per fabricar peces estructurals com ara escuts tèrmics del fuselatge posterior, capotes de cua i frens de velocitat; a la dècada de 1960, l'aplicació d'aliatges de titani a les estructures d'avions es va expandir per incloure flaps enrotllats lliscants. , mampares de càrrega, bigues del tren d'aterratge i altres estructures principals que suporten tensions; des de la dècada de 1970, l'ús d'aliatges de titani en avions i motors militars ha augmentat ràpidament, ampliant-se des d'avions de caça fins a grans bombarders militars i avions de transport. S'utilitza en avions F14 i F15. L'ús representa el 25% del pes estructural, i l'ús en els motors F100 i TF39 arriba al 25% i al 33% respectivament; després de la dècada de 1980, els materials d'aliatge de titani i la tecnologia de procés han assolit un major desenvolupament, i un avió B1B requereix 90.402 quilograms de titani. Entre els aliatges de titani aeroespacials existents, el més utilitzat és l'aliatge polivalent Ti-6Al{-4 de tipus a+b. En els últims anys, Occident i Rússia han desenvolupat successivament dos nous tipus d'aliatges de titani. Són aliatges de titani amb alta resistència, alta tenacitat, soldabilitat i bona conformabilitat, i aliatges de titani amb alta temperatura, alta resistència i retard de flama. Aquests dos aliatges de titani avançats jugaran un paper important en la futura indústria aeroespacial. té bones perspectives d'aplicació.

Amb el desenvolupament de la guerra moderna, l'exèrcit necessita un sistema d'obús avançat multifuncional amb gran potència, llarg abast, alta precisió i capacitats de resposta ràpida. Una de les tecnologies clau del sistema d'obús avançat és la nova tecnologia de materials. L'alleugeriment dels materials per a torres d'artilleria autopropulsades, components i vehicles blindats de metall lleuger és una tendència inevitable en el desenvolupament d'armes. Amb la premissa de garantir la dinàmica i la protecció, els aliatges de titani s'utilitzen àmpliament en les armes de l'exèrcit. L'ús d'aliatge de titani per al fre de boca d'artilleria 155 no només pot reduir el pes, sinó que també pot reduir la deformació del canó d'artilleria causada per la gravetat, millorant eficaçment la precisió del tir; Algunes formes complexes dels tancs de batalla principals i dels míssils polivalents antitancs d'helicòpter. Els components es poden fer d'aliatge de titani, que no només pot complir els requisits de rendiment del producte, sinó que també redueix el cost de processament de les peces.

Durant molt de temps en el passat, l'aplicació d'aliatges de titani ha estat molt limitada a causa dels elevats costos de fabricació. En els darrers anys, països de tot el món estan desenvolupant activament aliatges de titani de baix cost per reduir costos alhora que milloren el rendiment dels aliatges de titani. Al meu país, el cost de fabricació dels aliatges de titani encara és relativament alt. A mesura que la quantitat d'aliatges de titani augmenta gradualment, la recerca de costos de fabricació més baixos és una tendència inevitable en el desenvolupament d'aliatges de titani.

Materials compostos

4.1 Materials compostos a base de resines

Els materials compostos a base de resina tenen una bona processabilitat d'emmotllament, alta resistència específica, alt mòdul específic, baixa densitat, resistència a la fatiga, absorció de cops, resistència a la corrosió química, bones propietats dielèctriques i baixa conductivitat tèrmica. Alta eficiència i altres característiques, s'utilitza àmpliament a la indústria militar. Els materials compostos a base de resina es poden dividir en dues categories: termoestables i termoplàstics. Els materials compostos a base de resina termoestables són un tipus de materials compostos que utilitzen diverses resines termoestables com a matriu i afegeixen diverses fibres de reforç; mentre que les resines termoplàstiques són un tipus de compostos polimèrics lineals que es poden dissoldre en dissolvents o en S'estova i es fon en un líquid viscós quan s'escalfa i s'endureix en un sòlid quan es refreda. Els materials compostos a base de resina tenen excel·lents propietats integrals, el procés de preparació és fàcil d'implementar i les matèries primeres són abundants. A la indústria de l'aviació, els materials compostos a base de resina s'utilitzen per fabricar ales d'avions, fuselatges, canards, cues horitzontals i conductes exteriors del motor; en el camp aeroespacial, els materials compostos a base de resina no només són materials importants per a timons, radars i preses d'aire, sinó que també es poden utilitzar per fabricar la carcassa aïllant de la cambra de combustió del motor de coets sòlids, i també es pot utilitzar. com a material resistent a la calor per a l'ablació per al broquet del motor. Els nous materials compostos de resina de cianat desenvolupats en els últims anys tenen els avantatges d'una forta resistència a la humitat, bones propietats dielèctriques de microones i una bona estabilitat dimensional. S'utilitzen àmpliament en la producció de peces estructurals aeroespacials, peces estructurals de càrrega primàries i secundàries d'avions i radars.

4.2 Composites de matriu metàl·lica

Els materials compostos de matriu metàl·lica tenen una alta resistència específica, un alt mòdul específic, un bon rendiment a alta temperatura, un baix coeficient d'expansió tèrmica, una bona estabilitat dimensional i una excel·lent conductivitat elèctrica i tèrmica i s'han utilitzat àmpliament a la indústria militar. L'alumini, el magnesi i el titani són les matrius principals dels compostos de matriu metàl·lica. Els materials de reforç generalment es poden dividir en tres categories: fibres, partícules i bigotis. Entre ells, els compostos de matriu d'alumini reforçat amb partícules han entrat a la verificació del model, com el que s'utilitza als avions de caça F-16. L'aleta ventral substitueix l'aliatge d'alumini, i la seva rigidesa i vida útil es milloren molt. Els materials compostos d'alumini i magnesi reforçats amb fibra de carboni no només tenen una alta resistència específica, sinó que també tenen un coeficient d'expansió tèrmica proper a zero i una bona estabilitat dimensional. S'han utilitzat amb èxit per fabricar suports de satèl·lit artificials, antenes planes de banda L, telescopis espacials i satèl·lits artificials. antenes parabòliques, etc.; Els materials compostos de matriu d'alumini reforçat amb partícules de carbur de silici tenen un bon rendiment a alta temperatura i característiques antidesgast, i es poden utilitzar per fabricar components de coets i míssils, components de sistemes de guia d'infrarojos i làser, dispositius d'aviònica de precisió, etc.; Matriu de titani reforçada amb fibra de carbur de silici Els materials compostos tenen una bona resistència a les altes temperatures i resistència a l'oxidació i són materials estructurals ideals per a motors amb una alta relació empenta/pes. Ara han entrat a l'etapa de proves de motors avançats. En el camp de la indústria d'armes, els materials compostos de matriu metàl·lica es poden utilitzar en sabots de perforació d'armadura estabilitzat amb cua de gran calibre, carcassa de motor sòlid de míssils polivalents anti-helicòpter/antitanc i altres components per reduir el pes de l'ogiva. i millorar les capacitats de combat.

4.3 Composites de matriu ceràmica

Els materials compostos de matriu ceràmica són un terme general per a materials que utilitzen fibres, bigotis o partícules com a reforç i que es combinen amb una matriu ceràmica mitjançant un determinat procés compost. Es pot veure que els materials compostos de matriu ceràmica introdueixen una segona fase a la matriu ceràmica. Els materials multifàsics compostos per components superen la fragilitat inherent dels materials ceràmics i s'han convertit en l'aspecte més actiu en la investigació actual de la ciència dels materials. Els materials compostos de matriu ceràmica tenen les característiques de baixa densitat, alta resistència específica, bones propietats termomecàniques i resistència al xoc tèrmic. Són un dels materials de suport clau per al desenvolupament futur de la indústria militar. Tot i que els materials ceràmics tenen bones propietats a alta temperatura, també són trencadissos. Els mètodes per millorar la fragilitat dels materials ceràmics inclouen l'enduriment per canvi de fase, l'enduriment per microesquerdes, l'enduriment del metall dispers i l'enduriment continu de la fibra. Els materials compostos de matriu ceràmica s'utilitzen principalment per fer vàlvules de broquet de motor de turbina de gas d'avions, que tenen un paper important en la millora de la relació empenta-pes del motor i la reducció del consum de combustible.

4.4 Composites carboni-carboni

Els materials compostos carboni-carboni són materials compostos compostos per reforç de fibra de carboni i matriu de carboni. Els materials compostos de carboni-carboni tenen una sèrie d'avantatges com ara una alta resistència específica, una bona resistència al xoc tèrmic, una forta resistència a l'ablació i un rendiment dissenyable. El desenvolupament de materials compostos carboni-carboni està estretament relacionat amb els requisits exigents de la tecnologia aeroespacial. Des de la dècada de 1980, la investigació sobre materials compostos carboni-carboni ha entrat en una etapa de millora del rendiment i ampliació de les aplicacions. A la indústria militar, les aplicacions més atractives dels materials compostos de carboni-carboni són els taps de con anti-oxidació de carboni-carboni i les vores davanteres de les ales dels transbordadors espacials. El producte carboni-carboni més gran són les pastilles de fre dels avions supersònics. Els materials compostos de carboni-carboni s'utilitzen principalment com a materials ablatius i materials estructurals tèrmics a l'aeronàutica. Concretament, s'utilitzen com a taps de con del morro per a ogives de míssils intercontinentals, broquets de coets sòlids i vores d'atac de l'ala del transbordador espacial. La densitat actual dels materials avançats de broquet de carboni-carboni és d'1,87 ~ 1,97 g/cm3 i la resistència a la tracció del cèrcol és de 75 ~ 115 MPa. Els caps finals dels míssils intercontinentals de llarg abast desenvolupats recentment gairebé tots utilitzen materials compostos de carboni-carboni.

Amb el desenvolupament de la tecnologia d'aviació moderna, la massa de càrrega de les aeronaus continua augmentant i la velocitat d'aterratge del vol continua augmentant, la qual cosa planteja requisits més elevats per a la frenada d'emergència de les aeronaus. Els materials compostos carboni-carboni són lleugers, resistents a altes temperatures, absorbeixen grans quantitats d'energia i tenen bones propietats de fricció. S'utilitzen àmpliament en avions militars d'alta velocitat per fabricar pastilles de fre.

acer d'ultra alta resistència

L'acer d'alta resistència és acer amb una resistència a la fluència i una resistència a la tracció superiors a 1200 MPa i 1400 MPa respectivament. S'ha investigat i desenvolupat per satisfer els requisits dels materials d'alta resistència específica per a estructures d'avions. A causa de l'expansió de l'ús d'aliatges de titani i materials compostos a les aeronaus, la quantitat d'acer utilitzat a les aeronaus ha disminuït, però els components clau de suport de càrrega dels avions encara estan fets d'acer d'alta resistència. Actualment, l'acer d'ultra-alta resistència de baix aliatge 300M representatiu internacionalment és un acer típic per a trens d'aterratge d'avions. A més, l'acer d'alta resistència D6AC de baix aliatge és un material sòlid típic de la carcassa del motor de coets. La tendència de desenvolupament de l'acer d'alta resistència és millorar contínuament la tenacitat i la resistència a la corrosió per estrès alhora que garanteix una resistència ultra alta.

Aliatges avançats d'alta temperatura

Els aliatges d'alta temperatura són materials clau per als sistemes d'energia aeroespacial. Els aliatges d'alta temperatura són aliatges que poden suportar cert estrès a altes temperatures de 600 ~ 1200 graus i tenen capacitats anti-oxidació i anticorrosió. Són els materials preferits per als discos de turbina de motors aeroespacials. Segons els diferents components de la matriu, els aliatges d'alta temperatura es divideixen en tres categories: a base de ferro, a base de níquel i a base de cobalt. Els discos de turbina del motor es van fabricar amb aliatges forjats d'alta temperatura fins als anys 60. Els graus típics inclouen A286 i Inconel 718. A la dècada de 1970, la companyia nord-americana GE va utilitzar l'aliatge Rene95 en pols de solidificació ràpida per fer el disc de turbina del motor CFM56, que va augmentar molt la seva relació empenta/pes. , la temperatura de funcionament augmenta significativament. Des d'aleshores, els discos de turbina de la metal·lúrgia en pols s'han desenvolupat ràpidament. Recentment, els Estats Units han adoptat un procés de solidificació ràpida de deposició per polvorització per fabricar discos de turbina d'aliatge d'alta temperatura. En comparació amb els aliatges en pols d'alta temperatura, el procés és senzill, el cost es redueix i té un bon rendiment de processament de forja. És una tecnologia de preparació amb un gran potencial de desenvolupament.

Aliatge de tungstè

El tungstè té el punt de fusió més alt entre els metalls. El seu avantatge destacat és que el seu alt punt de fusió aporta una bona resistència a alta temperatura i resistència a la corrosió al material. Ha mostrat excel·lents característiques en la indústria militar, especialment en la fabricació d'armes. A la indústria de les armes, s'utilitza principalment per fabricar les ogives de diversos projectils perforants. L'aliatge de tungstè utilitza tecnologia de pretractament de pols i tecnologia d'enfortiment de la gran deformació per refinar els grans del material i allargar l'orientació del gra, millorant així la força, la duresa i el poder de penetració del material. El material del nucli de tungstè del projectil perforador de blindatge tipus 125 II desenvolupat pel nostre país és W-Ni-Fe, que adopta un procés de sinterització compacta de densitat variable. El seu rendiment mitjà arriba a una resistència a la tracció de 1.200 MPa, un allargament superior al 15% i un índex tècnic de combat de 2,000 metres. La distància penetra una armadura d'acer homogènia de 600 mm de gruix. Actualment, l'aliatge de tungstè s'utilitza àmpliament com a material bàsic per als projectils perforants de blindatge de gran proporció d'aspecte del tanc de batalla principal, projectils perforants de blindatge antiaeris de calibre petit i mitjà i projectils perforants d'energia cinètica d'alta velocitat, que fa que diversos projectils perforants tinguin un poder de penetració més potent.

compostos intermetàl·lics

Els compostos intermetàl·lics tenen estructures de superreixat ordenades a llarg abast i mantenen enllaços metàl·lics forts, cosa que els dóna moltes propietats físiques, químiques i mecàniques especials. Els compostos intermetàl·lics tenen una excel·lent resistència tèrmica i s'han convertit en importants nous materials estructurals d'alta temperatura estudiats activament a casa i a l'estranger en els darrers anys. En la indústria militar, s'han utilitzat compostos intermetàl·lics per fabricar peces que suporten càrregues tèrmiques. Per exemple, la companyia Puau, amb seu als Estats Units, fabrica pales de motor de turbina de gas JT90, la Força Aèria dels EUA utilitza titani-alumini per fer pales de rotor de motors d'avions petits, etc., i Rússia utilitza titani. Els compostos intermetàl·lics d'alumini substitueixen els aliatges resistents a la calor com a corones de pistons. , millorant molt el rendiment del motor. En el camp de la indústria d'armes, el material de la turbina del sobrealimentador del motor del tanc és un aliatge d'alta temperatura a base de níquel K18, que afecta el rendiment d'acceleració del tanc a causa de la seva gran gravetat específica i la seva inèrcia inicial. Els compostos intermetàl·lics titani-alumini i els seus components estan fets d'alúmina i fibres de carbur de silici. El nou material compost lleuger i resistent a la calor millorat pot millorar molt el rendiment inicial del tanc i millorar la seva supervivència al camp de batalla. A més, els compostos intermetàl·lics també es poden utilitzar en una varietat de components resistents a la calor per reduir el pes i millorar la fiabilitat i els indicadors de rendiment de combat.

ceràmica estructural

Els materials ceràmics són els materials d'alta tecnologia que creixen més ràpid al món actual. S'han desenvolupat des de la ceràmica monofàsica fins a la ceràmica composta multifàsica. Els materials ceràmics estructurals tenen bones perspectives d'aplicació a la indústria militar a causa de les seves excel·lents propietats, com ara resistència a alta temperatura, baixa densitat, resistència al desgast i baix coeficient d'expansió tèrmica.

En els darrers anys, s'ha realitzat un ampli treball de recerca sobre ceràmica estructural per a motors militars a casa i a l'estranger. Per exemple, s'han posat en pràctica petites turbines per a sobrealimentadors de motors; Els Estats Units han incrustat plaques de ceràmica a la part superior del pistó, la qual cosa ha augmentat molt la vida útil del pistó i també ha millorat l'eficiència tèrmica del motor. Alemanya incrusta components ceràmics al port d'escapament per millorar l'eficiència del port d'escapament. El revestiment del pistó i el revestiment del cilindre de la nevera Stirling en miniatura de les càmeres tèrmiques d'infrarojos estrangers estan fets de materials ceràmics, amb una vida útil de fins a 2,000 hores; la potència del giroscopi de míssils és subministrada per gas pólvora, però el residu de pólvora al gas té un impacte negatiu en el giroscopi. Danys greus. Per eliminar els residus del gas i millorar la precisió de l'impacte del míssil, cal estudiar els materials de filtre ceràmics adequats per al gas de pólvora de míssils que funcioni a 2000 graus. En el camp de la indústria d'armes, la ceràmica estructural s'utilitza àmpliament a les turbines de sobrealimentació de motors de tancs de batalla principals, capçals de pistons, incrustacions de ports d'escapament, etc., i són materials clau per a noves armes i equips. Actualment, el requisit de radiofreqüència de les metralladores de calibre 20-30 mm arriba a més de 1.200 rondes per minut, la qual cosa fa que l'ablació del canó sigui extremadament greu. L'alt punt de fusió i l'estabilitat química a alta temperatura de la ceràmica s'utilitzen per suprimir eficaçment l'ablació severa del barril. Els materials ceràmics tenen una alta resistència a la compressió i resistència a la fluència. Mitjançant un disseny raonable, els materials ceràmics poden mantenir un estat de compressió tridimensional i superar la seva fragilitat. , per garantir l'ús segur dels revestiments ceràmics.