Grande mercato di nuovi materiali per l'industria militare (uno)
Nuovi materiali, noto anche come materiali avanzati, si riferiscono a nuovi materiali che sono stati studiati con successo e sono in fase di sviluppo e hanno caratteristiche e funzioni eccellenti e possono soddisfare le esigenze dell'alta tecnologia. Lo sviluppo della storia umana mostra che i materiali sono la base materiale e la guida dello sviluppo sociale, mentre i nuovi materiali sono la pietra miliare del progresso sociale.
La tecnologia dei materiali è sempre stata un campo molto importante nella pianificazione dello sviluppo scientifico e tecnologico di tutti i paesi del mondo. Insieme all'informatica, biotecnologie e tecnologie energetiche, è riconosciuto come un'alta tecnologia che dominerà la situazione umana complessiva nella società odierna e per molto tempo nel futuro. L'alta tecnologia dei materiali è anche la tecnologia chiave dell'industria moderna che sostiene la civiltà umana oggi, ed è anche il fondamento materiale più importante della forza di difesa nazionale di un paese. L'industria della difesa nazionale è spesso l'utente prioritario dei nuovi risultati della tecnologia dei materiali. La ricerca e lo sviluppo di nuove tecnologie dei materiali svolgono un ruolo decisivo nello sviluppo dell'industria della difesa nazionale, delle armi e delle attrezzature.
Significato strategico dei nuovi materiali militari
I nuovi materiali militari sono la base materiale della nuova generazione di armi e attrezzature, e anche la tecnologia chiave nel campo militare del mondo di oggi. La nuova tecnologia dei materiali militari è la nuova tecnologia dei materiali utilizzata in campo militare, è la chiave delle moderne armi e attrezzature sofisticate, ed è una componente importante dell'alta tecnologia militare. I paesi di tutto il mondo hanno attribuito grande importanza allo sviluppo di nuove tecnologie materiali militari. Accelerare lo sviluppo della nuova tecnologia materiale militare è un prerequisito importante per mantenere la leadership militare.
Situazione attuale e sviluppo di nuovi materiali militari
I nuovi materiali militari possono essere suddivisi in materiali strutturali e materiali funzionali in base ai loro usi, che sono utilizzati principalmente nell'industria aeronautica, industria aerospaziale, industria delle armi e industria navale.
Materiali strutturali militari
1. Lega di alluminio
La lega di alluminio è stata il materiale strutturale metallico più utilizzato nell'industria militare. La lega di alluminio ha le caratteristiche di bassa densità, alta resistenza e buone prestazioni di elaborazione. Come materiale strutturale, grazie alle sue eccellenti prestazioni di elaborazione, può essere trasformato in varie sezioni di profili, tubi, piatti a costine alte, eccetera., per dare pieno gioco alle potenzialità dei materiali e migliorare la rigidità e la resistenza dei componenti. Perciò, la lega di alluminio è il materiale strutturale leggero preferito per le armi leggere.
Nel settore aeronautico, la lega di alluminio viene utilizzata principalmente per fabbricare la pelle degli aerei, telaio divisorio, trave lunga e striscia di levigatura; Nel settore aerospaziale, la lega di alluminio è un materiale importante per le parti strutturali dei veicoli di lancio e dei veicoli spaziali. Nel campo delle armi, la lega di alluminio è stata utilizzata con successo nei veicoli da combattimento della fanteria e nei veicoli da trasporto corazzati. Anche le torrette obice sviluppate di recente utilizzano un gran numero di nuovi materiali in lega di alluminio.
Negli ultimi anni, il consumo di leghe di alluminio nell'industria aerospaziale è diminuito, ma è ancora uno dei principali materiali strutturali nell'industria militare. La tendenza allo sviluppo delle leghe di alluminio è quella di perseguire un'elevata purezza, molta forza, elevata tenacità e resistenza alle alte temperature. Le leghe di alluminio utilizzate nell'industria militare includono principalmente la lega di alluminio al litio, lega di rame alluminio (2000 serie) e lega di alluminio zinco magnesio (7000 serie).
La nuova lega Al-Li trova applicazione nell'industria aeronautica, e si prevede che il peso dell'aeromobile diminuirà dell'8~15%; La lega Al-Li diventerà anche un materiale strutturale candidato per veicoli aerospaziali e proiettili missilistici a parete sottile. Con il rapido sviluppo dell'industria aerospaziale, l'obiettivo della ricerca della lega Al-Li è ancora quello di risolvere i problemi di scarsa tenacità nella direzione dello spessore e riduzione dei costi.
2. Lega di magnesio
Come il materiale metallico tecnico più leggero, la lega di magnesio ha una serie di proprietà uniche, come il peso specifico leggero, elevata resistenza specifica e rigidità specifica, buon smorzamento e conducibilità termica, forte capacità di schermatura elettromagnetica, e un buon assorbimento degli urti, che soddisfa notevolmente le esigenze del settore aerospaziale, armi moderne e altri campi militari.
La lega di magnesio ha molte applicazioni nelle attrezzature militari, come il telaio del sedile del serbatoio, specchio del comandante, specchio del mitragliere, scatola del cambio, base filtro motore, tubi di ingresso e uscita, base di distribuzione dell'aria, corpo pompa olio, alloggiamento della pompa dell'acqua, scambiatore di calore ad olio, alloggiamento filtro olio, coperchio della valvola, respiratore e altre parti del veicolo; Supporto cabina e rivestimento alettone, pannello murale, telaio di irrigidimento, piastra del timone, telaio di partizione e altri componenti missilistici e missilistici del missile tattico di difesa aerea; Combattenti, bombardieri, elicotteri, aerei da trasporto, radar aereo, missili terra-aria, razzi vettore, satelliti e altri componenti di veicoli spaziali. La lega di magnesio ha le caratteristiche di leggerezza, buona resistenza specifica e rigidità, buone prestazioni di smorzamento, interferenze elettromagnetiche e forte capacità di schermatura, che può soddisfare i requisiti dei prodotti militari per la riduzione del peso, assorbimento del rumore, assorbimento degli urti e protezione dalle radiazioni. Svolge un ruolo molto importante nella costruzione dell'industria aerospaziale e della difesa nazionale, ed è il materiale strutturale chiave richiesto per armi e attrezzature come gli aerei, satelliti, missili, aerei da combattimento e veicoli da combattimento.
3. Lega di titanio
La lega di titanio ha un'elevata resistenza alla trazione (441~1470MPa), bassa densità (4.5g/cm3), ottima resistenza alla corrosione, resistenza alle alte temperature e buona resistenza agli urti a bassa temperatura a 300 ~ 550 ℃, ed è un materiale strutturale leggero ideale. La lega di titanio ha le caratteristiche funzionali della superplasticità. Utilizzando la tecnologia di legame di formazione-diffusione superplastica, la lega può essere trasformata in prodotti con forma complessa e dimensioni precise con un consumo di energia e materiale ridotto.
L'applicazione della lega di titanio nell'industria aeronautica è principalmente quella di realizzare parti strutturali della fusoliera degli aerei, carrello di atterraggio, travi di sostegno, dischi del compressore del motore, lame e giunti, eccetera; Nel settore aerospaziale, le leghe di titanio sono utilizzate principalmente per realizzare componenti portanti, cornici, bombole di gas, recipienti a pressione, gusci della turbopompa, gusci di motori a razzo solido, ugelli e altri componenti.
Tra le leghe di titanio esistenti per l'industria aerospaziale, la più utilizzata è la lega Ti-6Al-4V tipo a+b. Negli ultimi anni, l'Occidente e la Russia hanno successivamente sviluppato due nuove leghe di titanio, che sono leghe di titanio ad alta resistenza, alta tenacità, saldabilità e buona formabilità, e ad alta temperatura, leghe di titanio ad alta resistenza e ignifughe. Queste due leghe di titanio avanzate hanno buone prospettive di applicazione nella futura industria aerospaziale.
Con lo sviluppo della guerra moderna, le forze dell'esercito hanno bisogno di sistemi obice avanzati con potenti, lungo raggio, elevata precisione e capacità di risposta rapida. Una delle tecnologie chiave del sistema obice avanzato è la nuova tecnologia dei materiali. Il peso leggero della torretta semovente, componenti e materiali per veicoli corazzati in metallo leggero è una tendenza inevitabile nello sviluppo delle armi. Con la premessa di garantire prestazioni dinamiche e protettive, le leghe di titanio sono ampiamente utilizzate nelle armi militari.
In passato parecchio tempo, la lega di titanio è stata notevolmente limitata nell'applicazione a causa del suo elevato costo di produzione. Negli ultimi anni, i paesi di tutto il mondo stanno attivamente sviluppando leghe di titanio a basso costo. Riducendo i costi, devono anche migliorare le proprietà delle leghe di titanio.
4. Materiali compositi
4.1 Compositi a matrice di resina
I compositi a base di resina sono ampiamente utilizzati nell'industria militare grazie alla loro buona formabilità, elevata resistenza specifica, alto modulo specifico, bassa densità, resistenza alla fatica, assorbimento degli urti, resistenza alla corrosione chimica, buone proprietà dielettriche e bassa conducibilità termica.
Nel settore aeronautico, i compositi a matrice di resina vengono utilizzati per fabbricare le ali degli aerei, fusoliera, anatre, code piatte e condotti esterni del motore; In campo aerospaziale, i compositi a matrice di resina non sono solo materiali importanti per il timone, radar e ingresso, ma può anche essere utilizzato per fabbricare il guscio di isolamento termico della camera di combustione del motore a razzo solido, e può anche essere utilizzato come materiale di protezione dal calore ablativo dell'ugello del motore. Il nuovo composito di resina di cianato sviluppato negli ultimi anni presenta i vantaggi di una forte resistenza all'umidità, buona proprietà dielettrica a microonde e buona stabilità dimensionale, ed è ampiamente utilizzato per realizzare strutture aerospaziali, strutture portanti primarie e secondarie di aeromobili e radome radar.
4.2 Compositi a matrice metallica
I compositi a matrice metallica sono stati ampiamente utilizzati nell'industria militare grazie alla loro elevata resistenza specifica, alto modulo specifico, buone prestazioni ad alta temperatura, basso coefficiente di dilatazione termica, buona stabilità dimensionale, ed eccellente conducibilità termica.
Alluminio, magnesio e titanio sono i principali substrati dei compositi a matrice metallica, e i materiali di rinforzo possono generalmente essere suddivisi in tre categorie: fibra, particella e baffo. Tra loro, i compositi a matrice di alluminio rinforzati con particelle sono entrati nella verifica del modello. Per esempio, quando viene utilizzato come pinna ventrale dell'aereo da caccia F-16 per sostituire la lega di alluminio, la sua rigidità e durata sono state notevolmente migliorate.
I compositi a matrice di alluminio e magnesio rinforzati con fibra di carbonio hanno un'elevata resistenza specifica, coefficiente di dilatazione termica prossimo allo zero e buona stabilità dimensionale, e sono stati utilizzati con successo per fornire supporto satellitare, Antenna piana in banda L, telescopio spaziale, antenna paraboloide satellitare, eccetera; I compositi a matrice di alluminio rinforzati con particelle di carburo di silicio hanno buone prestazioni alle alte temperature e resistenza all'usura, e può essere utilizzato per realizzare componenti di razzi e missili, componenti del sistema di guida a infrarossi e laser, componenti avionici di precisione, eccetera;
Il composito a matrice di titanio rinforzato con fibra di carburo di silicio ha una buona resistenza alle alte temperature e resistenza all'ossidazione. È un materiale strutturale ideale per motori ad alto rapporto spinta-peso. Attualmente, è entrato nella fase di test dei motori avanzati.
Nel campo dell'industria delle armi, i materiali compositi a matrice metallica possono essere utilizzati per parti come il sabot di un penetratore di bombardamento stabilizzato con pinna caudale di grosso calibro, guscio motore solido di missile multiuso antielicottero / anticarro, per ridurre il peso della testata e migliorare la capacità di combattimento.
4.3 Compositi a matrice ceramica
I compositi a matrice ceramica sono il termine generale di materiali composti da fibre, baffi o particelle come rinforzi e matrice ceramica attraverso alcuni processi compositi. Si può vedere che i compositi a matrice ceramica sono materiali multifase composti dall'introduzione del componente della seconda fase nella matrice ceramica, che supera l'intrinseca fragilità dei materiali ceramici, ed è diventato l'aspetto più attivo dell'attuale ricerca sulla scienza dei materiali.
I compositi a matrice ceramica sono caratterizzati da una bassa densità, elevata resistenza specifica, buone proprietà termomeccaniche e resistenza agli shock termici, e sono uno dei principali materiali di supporto per lo sviluppo dell'industria militare in futuro.
Sebbene i materiali ceramici abbiano buone prestazioni ad alta temperatura, sono fragili. I metodi per migliorare la fragilità dei materiali ceramici includono l'indurimento per trasformazione di fase, indurimento delle microcricche, tempra metallica dispersa e tenacità continua della fibra.
I compositi a matrice ceramica sono utilizzati principalmente per realizzare valvole per ugelli per motori a turbina a gas per aeromobili. Svolgono un ruolo importante nel migliorare il rapporto peso spinta dei motori e ridurre il consumo di carburante.
4.4 Composito carbonio-carbonio
Il composito carbonio-carbonio è un materiale composito composto da agente di rinforzo in fibra di carbonio e matrice di carbonio. I compositi carbonio-carbonio presentano una serie di vantaggi, come un'elevata resistenza specifica, buona resistenza agli shock termici, forte resistenza all'ablazione, e prestazioni designabili. Lo sviluppo di compositi carbonio-carbonio è strettamente correlato ai severi requisiti della tecnologia aerospaziale. Dagli anni '80, la ricerca sui compositi carbonio-carbonio è entrata in una fase di miglioramento delle prestazioni e di espansione delle applicazioni.
Nell'industria militare, l'applicazione più evidente dei compositi carbonio-carbonio è il cappuccio del cono anteriore carbonio-carbonio antiossidante e il bordo d'attacco dell'ala dello space shuttle, e la maggior quantità di prodotti carbonio-carbonio sono le pastiglie dei freni degli aerei supersonici.
Il materiale composito carbonio-carbonio è utilizzato principalmente come materiale ablativo e materiale strutturale termico nel settore aerospaziale. In particolare, è usato come puntale della testata missilistica intercontinentale, ugello a razzo solido e bordo d'attacco dell'ala di un aereo aerospaziale.
Attualmente, la densità del materiale dell'ugello carbonio-carbonio avanzato è di 1,87~1,97 g/cm3, e la resistenza alla trazione del cerchio è di 75~115 MPa. I cappucci terminali dei missili intercontinentali a lungo raggio recentemente sviluppati utilizzano quasi tutti materiali compositi carbonio-carbonio.
Con lo sviluppo della moderna tecnologia aeronautica, la qualità del carico degli aeromobili sta aumentando e la velocità di atterraggio sta aumentando, che propone requisiti più elevati per la frenata di emergenza degli aeromobili. Il materiale composito carbonio-carbonio ha un peso leggero, cellulari, grande assorbimento di energia e buone prestazioni di attrito. È ampiamente utilizzato negli aerei militari ad alta velocità per realizzare pastiglie dei freni.
5. Acciaio ad altissima resistenza
L'acciaio ad altissima resistenza è un acciaio con resistenza allo snervamento e resistenza alla trazione superiore 1200 MPa e 1400 MPa rispettivamente. È studiato e sviluppato per soddisfare i requisiti dei materiali con elevata resistenza specifica nella struttura degli aeromobili. A causa dell'espansione dell'applicazione della lega di titanio e dei materiali compositi negli aerei, la quantità di acciaio utilizzata negli aerei è diminuita, ma i principali componenti portanti degli aerei sono ancora realizzati in acciaio ad altissima resistenza.
Attualmente, l'acciaio 300M ad altissima resistenza a bassa lega rappresentativo nel mondo è un acciaio tipico per il carrello di atterraggio degli aerei. Inoltre, L'acciaio ad altissima resistenza a bassa lega D6AC è un tipico materiale del guscio del motore a razzo solido. La tendenza allo sviluppo dell'acciaio ad altissima resistenza è quella di migliorare continuamente la tenacità e la resistenza alla tensocorrosione, garantendo al tempo stesso una resistenza ultraelevata.
6. Superlega avanzata
La superlega è il materiale chiave del sistema di alimentazione aerospaziale. La superlega è una lega che può sopportare determinate sollecitazioni ad alta temperatura di 600~1200oC e ha la capacità di resistenza all'ossidazione e resistenza alla corrosione. È il materiale preferito per il disco della turbina del motore aerospaziale. Secondo i diversi componenti della matrice, le superleghe possono essere suddivise in tre categorie: a base di ferro, a base di nichel e a base di cobalto.
Il disco della turbina del motore era realizzato in superlega forgiata prima degli anni '60, con marchi tipici di A286 e Inconel 718. Negli anni '70, GE ha realizzato il disco della turbina del motore CFM56 con lega Rene95 in polvere rapidamente solidificata, che ha notevolmente aumentato il suo rapporto spinta-peso e aumentato notevolmente la sua temperatura di servizio. Da allora, i dischi delle turbine per la metallurgia delle polveri si sono sviluppati rapidamente.
Recentemente, il disco turbina in superlega prodotto mediante processo di solidificazione rapida per deposizione a spruzzo negli Stati Uniti è una tecnologia di preparazione con un grande potenziale di sviluppo grazie al suo processo semplice, basso costo e buone prestazioni di lavorazione della forgiatura rispetto alla superlega in polvere.
7. Lega di tungsteno
Il tungsteno ha il più alto punto di fusione tra i metalli. Il suo eccezionale vantaggio è che l'alto punto di fusione porta una buona resistenza alle alte temperature e resistenza alla corrosione dei materiali, e mostra eccellenti caratteristiche nell'industria militare, soprattutto nella produzione di armi. Nell'industria delle armi, è utilizzato principalmente per realizzare testate di vari proiettili perforanti.
Attraverso la tecnologia di pretrattamento delle polveri e la grande tecnologia di rafforzamento della deformazione, la lega di tungsteno può affinare la grana del materiale e allungare l'orientamento della grana, in modo da migliorare la forza, tenacità e potere di penetrazione del materiale. Attualmente, la lega di tungsteno è ampiamente utilizzata come materiale di base per il proiettile perforante del carro armato principale con un ampio rapporto lunghezza-diametro, proiettile perforante antiaereo di piccolo e medio calibro e proiettile perforante ad energia cinetica iperveloce, che rende più potenti tutti i tipi di proiettili perforanti.
8. Composti intermetallici
I composti intermetallici hanno una struttura superlattice ordinata a lungo raggio e mantengono un forte legame metallico, il che li rende dotati di molte proprietà fisiche e chimiche speciali e proprietà meccaniche.
Nell'industria militare, i composti intermetallici sono stati usati per fabbricare parti che sopportano carichi termici, come le pale del motore a turbina a gas JT90 prodotte dalla United States Puo Company, le pale del rotore di piccoli motori aeronautici fabbricati dall'aeronautica degli Stati Uniti con titanio e alluminio, e i composti intermetallici russi di titanio e alluminio sono stati usati per sostituire le leghe resistenti al calore come tappo superiore, migliorando notevolmente le prestazioni del motore.
Nel campo dell'industria delle armi, La superlega a base di nichel K18 viene utilizzata come materiale della turbina del compressore del motore del serbatoio. A causa del suo grande rapporto e della grande inerzia iniziale, le prestazioni di accelerazione del serbatoio ne risentono. L'applicazione del composto intermetallico titanio-alluminio e il suo nuovo materiale composito leggero resistente al calore rinforzato con ossido di alluminio e fibra di carburo di silicio possono migliorare notevolmente le prestazioni iniziali del serbatoio e migliorarne la fattibilità sul campo di battaglia.
Inoltre, i composti intermetallici possono anche essere utilizzati in una varietà di componenti resistenti al calore per ridurre il peso, migliorare l'affidabilità e combattere gli indicatori tecnici.
9. Ceramica strutturale
Il materiale ceramico è oggi il materiale high-tech in più rapido sviluppo al mondo. Si è sviluppato dalla ceramica monofase alla ceramica composita multifase. I materiali ceramici strutturali hanno buone prospettive di applicazione nell'industria militare grazie alle loro eccellenti proprietà come la resistenza alle alte temperature, bassa densità, resistenza all'usura e basso coefficiente di dilatazione termica.
Negli ultimi anni, è stata svolta un'ampia gamma di lavori di ricerca sulla ceramica strutturale per motori militari in patria e all'estero.
Per esempio, è stata applicata la piccola turbina del compressore del motore; Gli Stati Uniti intarsiano piastre di ceramica sulla parte superiore del pistone, che migliora notevolmente la durata del pistone e migliora anche l'efficienza termica del motore. La Germania inserisce componenti in ceramica nella porta di scarico per migliorare l'efficienza d'uso della porta di scarico. Il manicotto del pistone e il manicotto del cilindro del frigorifero Stirling in miniatura sulla termocamera a infrarossi straniera sono realizzati in materiali ceramici, e la loro durata è fino a 2000 ore; La potenza del giroscopio missilistico è fornita dal gas di polvere da sparo, ma i residui di polvere da sparo nel gas danneggiano gravemente il giroscopio.
Per eliminare i residui nel gas e migliorare la precisione del colpo del missile, è necessario studiare il materiale del filtro ceramico adatto al gas di polvere da sparo del missile per funzionare a 2000oC. Nel campo dell'industria delle armi, la ceramica strutturale è ampiamente utilizzata nella turbina del turbocompressore, cielo del pistone, intarsio della porta di scarico, eccetera. del motore del carro armato principale, e sono i materiali chiave di nuove armi e attrezzature. Attualmente, il requisito di radiofrequenza della mitragliatrice calibro 20-30 mm è superiore a 1200 giri/minuto, il che rende estremamente grave l'erosione della canna. L'alto punto di fusione e la stabilità chimica ad alta temperatura della ceramica possono inibire efficacemente la grave erosione del tubo della pistola. Il materiale ceramico ha elevate caratteristiche di resistenza alla compressione e al creep. Attraverso un design ragionevole, il materiale ceramico può mantenere lo stato di compressione tridimensionale, superare la sua fragilità, e garantire l'uso sicuro del rivestimento in ceramica.
