Stort marked af nye materialer til militærindustrien (en)

Nye materialer, også kendt som avancerede materialer, henvise til nye materialer, der er blevet forsket med succes og udvikles og har fremragende egenskaber og funktioner og kan opfylde højteknologiens behov. Udviklingen af menneskets historie viser, at materialer er det materielle grundlag og guide for social udvikling, mens nye materialer er milepælen for sociale fremskridt.

Materialeteknologi har altid været et meget vigtigt felt i den videnskabelige og teknologiske udviklingsplanlægning i alle lande i verden. Sammen med informationsteknologi, bioteknologi og energiteknologi, det er anerkendt som en højteknologi, der vil dominere den overordnede menneskelige situation i dagens samfund og i lang tid i fremtiden. Materialernes højteknologi er også nøgleteknologien i moderne industri, der understøtter den menneskelige civilisation i dag, og er også det vigtigste materielle fundament for et lands nationale forsvarsstyrke. National forsvarsindustri er ofte den prioriterede bruger af nye materialeteknologiske resultater. Forskning og udvikling af ny materialeteknologi spiller en afgørende rolle i udviklingen af den nationale forsvarsindustri og våben og udstyr.

Strategisk betydning af nye militære materialer

Nye militære materialer er det materielle grundlag for den nye generation af våben og udstyr, og også nøgleteknologien på det militære område i verden i dag. Den militære nye materialeteknologi er den nye materialeteknologi, der bruges på det militære område, er nøglen til moderne sofistikerede våben og udstyr, og er en vigtig komponent i militær højteknologi. Lande over hele verden har lagt stor vægt på udviklingen af militær ny materialeteknologi. Fremskyndelse af udviklingen af militær ny materielteknologi er en vigtig forudsætning for at opretholde militær lederskab.

Nuværende situation og udvikling af nye militære materialer

Nye militære materialer kan opdeles i strukturelle materialer og funktionelle materialer efter deres anvendelse, som hovedsageligt anvendes i luftfartsindustrien, luftfartsindustrien, våbenindustri og skibsindustri.

Militære strukturelle materialer

1. Aluminiumslegering

Aluminiumslegering har været det mest udbredte metalstrukturmateriale i militærindustrien. Aluminiumslegering har egenskaberne ved lav densitet, høj styrke og god forarbejdningsydelse. Som et konstruktionsmateriale, på grund af dens fremragende behandlingsydelse, det kan laves i forskellige profilsektioner, rør, højribbede plader, etc., at give fuldt spil til materialernes potentiale og forbedre komponenternes stivhed og styrke. Derfor, aluminiumslegering er det foretrukne letvægtsstrukturmateriale til letvægtsvåben.

I luftfartsindustrien, aluminiumslegering bruges hovedsageligt til fremstilling af flyhud, skillevægsramme, lang bjælke og honebånd; I rumfartsindustrien, aluminiumslegering er et vigtigt materiale til de strukturelle dele af løfteraketter og rumfartøjer. Inden for våben, aluminiumslegering er med succes blevet brugt i infanteri kampkøretøjer og pansrede transportkøretøjer. Nyligt udviklede haubitstårne bruger også et stort antal nye aluminiumslegeringsmaterialer.

I de seneste år, forbruget af aluminiumslegering i flyindustrien er faldet, men det er stadig et af de vigtigste strukturelle materialer i militærindustrien. Udviklingstendensen for aluminiumslegeringer er at forfølge høj renhed, høj styrke, høj sejhed og høj temperaturbestandighed. De aluminiumslegeringer, der anvendes i militærindustrien, omfatter hovedsageligt aluminium lithiumlegering, aluminium kobberlegering (2000 serie) og aluminium zink magnesiumlegering (7000 serie).

Den nye Al-Li-legering anvendes i luftfartsindustrien, og det forudsiges, at flyets vægt vil falde med 8~15 %; Al-Li-legering vil også blive et kandidat-strukturmateriale til rumfartsfartøjer og tyndvæggede missilgranater. Med den hurtige udvikling af rumfartsindustrien, Al-Li-legeringens forskningsfokus er stadig at løse problemerne med dårlig sejhed i tykkelsesretning og omkostningsreduktion.

2. Magnesium legering

Som det letteste tekniske metalmateriale, magnesiumlegering har en række unikke egenskaber, såsom let vægtfylde, høj specifik styrke og specifik stivhed, god dæmpning og varmeledningsevne, stærk elektromagnetisk afskærmningsevne, og god stødabsorbering, som i høj grad opfylder luft- og rumfartsbehovene, moderne våben og andre militære felter.

Magnesiumlegering har mange anvendelser i militært udstyr, såsom tanksæderamme, kommandantens spejl, skyttens spejl, gearkasse, motorens filterbund, indløbs- og udløbsrør, luftfordeler base, oliepumpehus, vandpumpehus, olie varmeveksler, oliefilterhus, ventildæksel, åndedrætsværn og andre køretøjsdele; Støtte kabine og krængerørskind, vægpanel, afstivningsramme, rorplade, skillevægsramme og andre missil- og missilkomponenter af taktiske luftforsvarsmissiler; Fighters, bombefly, helikoptere, transportfly, luftbåren radar, jord-til-luft missiler, bæreraketter, satellitter og andre rumfartøjskomponenter. Magnesiumlegering har egenskaberne af let vægt, god specifik styrke og stivhed, god dæmpningsevne, elektromagnetisk interferens og stærk afskærmningsevne, som kan opfylde militære produkters krav til vægtreduktion, støjabsorbering, stødabsorbering og strålebeskyttelse. Det spiller en meget vigtig rolle i opbygningen af rumfart og nationalt forsvar, og er det vigtigste strukturelle materiale, der kræves til våben og udstyr såsom fly, satellitter, missiler, kampfly og kampkøretøjer.

3. Titanium legering

Titaniumlegering har høj trækstyrke (441~1470 MPa), lav densitet (4.5g/cm3), fremragende korrosionsbestandighed, høj temperatur udholdenhed styrke og god lav temperatur slagstyrke ved 300 ~ 550 ℃, og er et ideelt letvægts konstruktionsmateriale. Titaniumlegering har de funktionelle egenskaber af superplasticitet. Bruger superplastisk dannelses-diffusionsbindingsteknologi, legeringen kan laves til produkter med kompleks form og præcis størrelse med lavt energiforbrug og materialeforbrug.

Anvendelsen af titanlegering i luftfartsindustrien er hovedsageligt at fremstille strukturelle dele af flykroppen, landingsstel, støttebjælker, motorkompressorskiver, klinger og led, etc; I rumfartsindustrien, titanlegeringer bruges hovedsageligt til fremstilling af bærende komponenter, rammer, gasflasker, Trykbeholdere, turbopumpe skaller, solide raketmotorgranater, dyser og andre komponenter.

Blandt de eksisterende titanlegeringer til rumfart, den mest udbredte er a+b type Ti-6Al-4V legering. I de seneste år, Vesten og Rusland har successivt udviklet to nye titanlegeringer, som er titanlegeringer med høj styrke, høj sejhed, svejsbarhed og god formbarhed, og høj temperatur, højstyrke og flammehæmmende titanlegeringer. Disse to avancerede titanlegeringer har gode anvendelsesmuligheder i fremtidens luft- og rumfartsindustri.

Med udviklingen af moderne krig, hærstyrkerne har brug for avancerede haubitssystemer med kraftfulde, Lang distance, høj nøjagtighed og hurtig reaktionsevne. En af nøgleteknologierne i avanceret haubits-system er ny materialeteknologi. Det lette selvkørende kanontårn, komponenter og materialer til letmetal pansrede køretøjer er en uundgåelig tendens til våbenudvikling. Ud fra forudsætningen om at sikre dynamisk og beskyttende ydeevne, titanlegeringer er meget udbredt i militære våben.

Tidligere ret lang tid, titanlegering har været stærkt begrænset i anvendelse på grund af dens høje fremstillingsomkostninger. I de seneste år, lande rundt om i verden udvikler aktivt billige titanlegeringer. Samtidig med at omkostningerne reduceres, de skal også forbedre egenskaberne af titanlegeringer.

4. Kompositmaterialer

4.1 Harpiks matrix kompositter

Harpiksbaserede kompositter er meget udbredt i militærindustrien på grund af deres gode formbarhed, høj specifik styrke, højt specifikt modul, lav densitet, træthedsmodstand, stødabsorbering, kemisk korrosionsbestandighed, gode dielektriske egenskaber og lav varmeledningsevne.

I luftfartsindustrien, harpiks matrix kompositter bruges til at fremstille flyvinger, skrog, ænder, flade haler og udvendige motorkulverter; I rumfartsområdet, harpiksmatrixkompositter er ikke kun vigtige materialer til ror, radar og indløb, men kan også bruges til at fremstille den termiske isoleringsskal af forbrændingskammeret i en solid raketmotor, og kan også bruges som det ablative varmebeskyttelsesmateriale i motordysen. Den nye cyanatharpikskomposit udviklet i de senere år har fordelene ved stærk fugtbestandighed, god mikrobølge dielektrisk egenskab og god dimensionsstabilitet, og er meget brugt til at lave rumfartsstrukturer, fly primære og sekundære bærende strukturer og radar-radomer.

4.2 Metal matrix kompositter

Metalmatrixkompositter er blevet meget brugt i militærindustrien på grund af deres høje specifikke styrke, højt specifikt modul, god ydeevne ved høj temperatur, lav termisk udvidelseskoefficient, god dimensionsstabilitet, og fremragende varmeledningsevne.

Aluminium, magnesium og titanium er de vigtigste substrater af metalmatrixkompositter, og armeringsmaterialer kan generelt inddeles i tre kategorier: fiber, partikel og whisker. Blandt dem, partikelforstærkede aluminiummatrixkompositter er gået ind i modelverifikationen. For eksempel, når den bruges som bugfinne på F-16 kampfly til at erstatte aluminiumslegering, dens stivhed og levetid er blevet væsentligt forbedret.

Kulfiberforstærkede aluminium- og magnesiummatrixkompositter har høj specifik styrke, tæt på nul termisk udvidelseskoefficient og god dimensionsstabilitet, og er med succes blevet brugt til at lave satellitunderstøttelse, L-bånd plan antenne, rumteleskop, paraboloid satellitantenne, etc; Siliciumcarbid partikelforstærkede aluminium matrix kompositter har god høj temperatur ydeevne og slidstyrke, og kan bruges til at lave raket- og missilkomponenter, komponenter til infrarødt og laserstyringssystem, præcisions flyelektronik komponenter, etc;

Siliciumcarbidfiberforstærket titaniummatrixkomposit har god højtemperaturbestandighed og oxidationsmodstand. Det er et ideelt konstruktionsmateriale til motorer med højt tryk-vægtforhold. På nuværende tidspunkt, den er gået ind i testfasen af avancerede motorer.

Inden for våbenindustrien, metalmatrix kompositmaterialer kan bruges til dele såsom sabot af stor kaliber halefinne stabiliseret beskydningspenetrator, solid motorskal af anti-helikopter/panserværnsmissil til flere formål, at reducere vægten af sprænghovedet og forbedre kampevnen.

4.3 Keramiske matrix kompositter

Keramiske matrixkompositter er den generelle betegnelse for materialer sammensat af fibre, whiskers eller partikler som forstærkninger og keramisk matrix gennem visse sammensatte processer. Det kan ses, at keramiske matrixkompositter er flerfasede materialer, der består af at indføre den anden fasekomponent i den keramiske matrix, som overvinder den iboende skørhed af keramiske materialer, og er blevet det mest aktive aspekt af den nuværende materialevidenskabelige forskning.

Keramiske matrixkompositter er kendetegnet ved lav densitet, høj specifik styrke, gode termiske mekaniske egenskaber og termisk stødmodstand, og er et af de vigtigste støttematerialer til udvikling af militær industri i fremtiden.

Selvom keramiske materialer har god ydeevne ved høj temperatur, de er skøre. Metoderne til at forbedre skørheden af keramiske materialer omfatter fasetransformationshærdning, hærdning af mikrorevner, dispergeret metalhærdning og kontinuerlig fiberhærdning.

Keramiske matrixkompositter bruges hovedsageligt til fremstilling af dyseventiler til flygasturbinemotorer. De spiller en vigtig rolle i at forbedre motorernes trykvægtforhold og reducere brændstofforbruget.

4.4 Kulstof-kulstof komposit

Kulstof-kulstof-komposit er et kompositmateriale sammensat af kulfiberforstærkende middel og kulstofmatrix. Kulstof-kulstof-kompositter har en række fordele, såsom høj specifik styrke, god modstand mod termisk stød, stærk ablationsmodstand, og designbar ydeevne. Udviklingen af kulstof-kulstof-kompositter er tæt forbundet med de strenge krav til rumfartsteknologi. Siden 1980'erne, forskningen i kulstof-kulstof-kompositter er gået ind i en fase med forbedring af ydeevnen og udvidelse af anvendelsen.

I militærindustrien, den mest bemærkelsesværdige anvendelse af carbon-carbon-kompositter er anti-oxidation carbon-carbon næsekeglehætten og vingeforkanten på rumfærgen, og den største mængde kulstof-kulstofprodukter er bremseklodserne på supersoniske fly.

Kulstof-carbon-kompositmaterialet bruges hovedsageligt som ablativt materiale og termisk strukturmateriale i rumfart. Helt konkret, det bruges som næsekeglehætte på interkontinentale missilsprænghoveder, solid raketdyse og forkant af rumfartsflyvinge.

På nuværende tidspunkt, tætheden af avanceret kulstof-kulstof dysemateriale er 1,87~1,97 g/cm3, og bøjlens trækstyrke er 75~115 MPa. De nyligt udviklede langrækkende interkontinentale missilendekapper bruger næsten alle kulstof-kulstof-kompositmaterialer.

Med udviklingen af moderne luftfartsteknologi, lastekvaliteten af fly stiger, og landingshastigheden er stigende, som stiller højere krav til nødbremsning af fly. Kulstof-carbon-kompositmaterialet har en lav vægt, høj temperaturbestandighed, stor energiabsorption og god friktionsydelse. Det er meget udbredt i højhastigheds militærfly til fremstilling af bremseklodser.

5. Ultra højstyrke stål

Ultra-højstyrke stål er et stål med flydespænding og trækstyrke, der overstiger 1200 MPa og 1400 MPa hhv. Det er forsket og udviklet til at opfylde kravene til materialer med høj specifik styrke i flystrukturen. På grund af udvidelsen af anvendelsen af titanlegering og kompositmaterialer i fly, mængden af stål brugt i fly er faldet, men de vigtigste lastbærende komponenter i fly er stadig lavet af ultra-højstyrke stål.

På nuværende tidspunkt, det repræsentative lavlegerede ultrahøjstyrkestål 300M i verden er et typisk stål til flylandingsstel. Desuden, lavlegeret ultrahøjstyrkestål D6AC er et typisk solidt raketmotorskalmateriale. Udviklingstendensen for ultrahøjstyrkestål er løbende at forbedre sejhed og spændingskorrosionsbestandighed og samtidig sikre ultrahøj styrke.

6. Avanceret superlegering

Superlegering er nøglematerialet i fly-kraftsystemet. Superlegeringen er en legering, der kan bære visse belastninger ved høj temperatur på 600 ~ 1200oC og har evnen til oxidationsbestandighed og korrosionsbestandighed. Det er det foretrukne materiale til turbineskiven til rumfartsmotorer. I henhold til de forskellige matrixkomponenter, superlegeringer kan opdeles i tre kategorier: jernbaseret, nikkelbaseret og koboltbaseret.

Motorturbineskiven blev lavet af smedet superlegering før 1960'erne, med typiske mærker af A286 og Inconel 718. I 1970'erne, GE lavede CFM56-motorturbineskive med hurtigt størknet pulver Rene95-legering, hvilket i høj grad øgede dets tryk-vægt-forhold og øgede dets driftstemperatur betydeligt. Siden da, pulvermetallurgi-turbineskiver har udviklet sig hurtigt.

For nylig, superlegeringsturbineskiven fremstillet ved spraydeposition hurtig størkningsproces i USA er en forberedelsesteknologi med stort udviklingspotentiale på grund af dens enkle proces, lave omkostninger og god smedningsbehandlingsydelse sammenlignet med pulversuperlegering.

7. Wolfram legering

Wolfram har det højeste smeltepunkt blandt metaller. Dens enestående fordel er, at det høje smeltepunkt giver god høj temperaturstyrke og korrosionsbestandighed af materialer, og det viser fremragende egenskaber i militærindustrien, især inden for våbenfremstilling. I våbenindustrien, det bruges hovedsageligt til at lave sprænghoveder af forskellige panserbrydende projektiler.

Gennem pulverforbehandlingsteknologi og stor deformationsforstærkende teknologi, wolframlegering kan forfine materialets korn og forlænge kornorienteringen, for at forbedre styrken, materialets sejhed og gennemtrængningskraft. På nuværende tidspunkt, wolframlegering er meget udbredt som kernemateriale til hovedkampvognens pansergennemtrængende projektil med stort længde-diameter-forhold, antiluftskyts pansergennemtrængende projektil med små og mellemstore kaliber og kinetisk energi panserbrydende projektil med hyperhastighed, hvilket gør alle slags panserbrydende projektiler kraftigere.

8. Intermetalliske forbindelser

Intermetalliske forbindelser har en lang række ordnede supergitterstruktur og opretholder en stærk metalbinding, hvilket gør at de har mange specielle fysiske og kemiske egenskaber og mekaniske egenskaber.

I militærindustrien, intermetalliske forbindelser er blevet brugt til at fremstille dele, der bærer varmebelastninger, såsom JT90 gasturbinemotorblade fremstillet af United States Puo Company, rotorbladene på små flymotorer fremstillet af United States Air Force med titanium og aluminium, og de russiske titanium og aluminium intermetalliske forbindelser er blevet brugt til at erstatte varmebestandige legeringer som plug top, i høj grad forbedre motorens ydeevne.

Inden for våbenindustrien, K18 nikkel-baseret superlegering bruges som turbinemateriale i tankmotorens supercharger. På grund af dets store forhold og store startinerti, tankens accelerationsevne påvirkes. Anvendelsen af titanium-aluminium intermetallisk forbindelse og dens sammensatte letvægts varmebestandige nye materiale forstærket af aluminiumoxid og siliciumcarbidfiber kan i høj grad forbedre tankens startydelse og forbedre dens levedygtighed på slagmarken.

Desuden, intermetalliske forbindelser kan også bruges i en række varmebestandige komponenter for at reducere vægten, forbedre pålideligheden og bekæmpe tekniske indikatorer.

9. Strukturel keramik

Keramisk materiale er det hurtigst udviklende højteknologiske materiale i verden i dag. Det har udviklet sig fra enfaset keramik til flerfaset kompositkeramik. Strukturelle keramiske materialer har gode anvendelsesmuligheder i militærindustrien på grund af deres fremragende egenskaber såsom høj temperaturbestandighed, lav densitet, slidstyrke og lav termisk udvidelseskoefficient.
I de seneste år, en bred vifte af forskningsarbejde er blevet udført på strukturel keramik til militære motorer i ind- og udland.

For eksempel, den lille turbine af motorens kompressor er blevet anvendt; USA indlægger keramiske plader på toppen af stemplet, hvilket i høj grad forbedrer stemplets levetid og også forbedrer motorens termiske effektivitet. Tyskland indlægger keramiske komponenter i udstødningsporten for at forbedre brugseffektiviteten af udstødningsporten. Stempelbøsningen og cylinderbøsningen på miniature-Stirling-køleskabet på det fremmede infrarøde termokamera er lavet af keramiske materialer, og deres levetid er op til 2000 timer; Kraften fra missilgyroskopet leveres af krudtgas, men krudtresten i gassen har alvorlige skader på gyroskopet.

For at fjerne resterne i gassen og forbedre missilets hitnøjagtighed, det er nødvendigt at studere det keramiske filtermateriale, der er egnet til, at missilkrudtgassen virker ved 2000oC. Inden for våbenindustrien, strukturel keramik er meget udbredt i turbolader-turbinen, stempel krone, udstødningsport indlæg, etc. af hovedkampvognsmotoren, og er nøglematerialerne til nye våben og udstyr. På nuværende tidspunkt, radiofrekvenskravet for 20-30 mm kaliber maskingeværet er mere end 1200 runder/minut, hvilket gør tøndeerosionen yderst alvorlig. Keramiks høje smeltepunkt og høje temperatur kemiske stabilitet kan effektivt hæmme den alvorlige pistolrørerosion. Det keramiske materiale har høje kompressions- og krybemodstandsegenskaber. Gennem fornuftigt design, det keramiske materiale kan opretholde den tredimensionelle kompressionstilstand, overvinde dens skørhed, og sikre sikker brug af den keramiske foring.

Stort marked af nye materialer til militærindustrien (en)