軍事産業向けの新素材の大きな市場 (一)
新素材, 先端材料とも呼ばれる, 研究に成功し、開発が進んでいる、優れた特性と機能を持ち、高度な技術のニーズを満たすことができる新しい材料を指します。. 人類の歴史の発展は、物質が社会的発展の物質的基盤でありガイドであることを示しています, 新素材は社会の進歩のマイルストーンであり、.
材料技術は、世界のすべての国の科学的および技術的開発計画において常に非常に重要な分野でした。. 情報技術とともに, バイオテクノロジーとエネルギー技術, それは、今日の社会および将来の長い間、人間の状況全体を支配する高度な技術として認識されています. 材料の高度な技術は、今日の人類文明を支える近代産業のキーテクノロジーでもあります, また、一国の国防力の最も重要な物質的基盤でもあります. 国防産業は、多くの場合、新しい材料技術の成果の優先ユーザーです。. 新素材技術の研究開発は、国防産業や兵器・装備の発展に決定的な役割を果たす.
新軍事材料の戦略的意義
新しい軍事材料は、新世代の武器と装備の材料基盤です, そして今日の世界の軍事分野における重要な技術でもあります. 軍用新素材技術は、軍事分野で使用される新素材技術です, 現代の洗練された武器と装備の鍵です, 軍事ハイテクの重要な要素です. 世界中の国々が軍事用の新素材技術の開発を非常に重視してきました. 軍の新素材技術の開発を加速することは、軍のリーダーシップを維持するための重要な前提条件です.
新軍事材料の現状と開発
新軍事材料は用途によって構造材料と機能材料に分けられる, 主に航空産業で使用されている, aerospace industry, 兵器産業と船舶産業.
軍用構造材
1. アルミニウム合金
アルミニウム合金は、軍事産業で最も広く使用されている金属構造材料です。. アルミニウム合金は低密度の特性を持っています, 高強度と良好な加工性能. 構造材として, 処理能力が優れているため, プロファイルのさまざまなセクションにすることができます, パイプ, 高リブプレート, 等, 素材の可能性を最大限に引き出し、部品の剛性と強度を向上させる. したがって, アルミニウム合金は、武器の軽量化に適した軽量構造材料です.
航空業界では, アルミニウム合金は主に航空機の外板の製造に使用されます, 仕切り枠, ロングビームとホーニングストリップ; 航空宇宙産業では, アルミニウム合金はロケットや宇宙船の構造部品の重要な材料です. 武器の分野で, アルミニウム合金は、歩兵戦闘車と装甲輸送車で成功裏に使用されています. 最近開発された榴弾砲の砲塔も、多数の新しいアルミニウム合金材料を使用しています.
近年では, 航空宇宙産業におけるアルミニウム合金の消費量は減少しました, しかし、それは依然として軍事産業の主要な構造材料の1つです. アルミニウム合金の開発動向は高純度化の追求, 高強度, 高靭性と高温耐性. 軍事産業で使用されるアルミニウム合金には、主にアルミニウム リチウム合金が含まれます。, アルミ銅合金 (2000 シリーズ) およびアルミニウム亜鉛マグネシウム合金 (7000 シリーズ).
新しい Al-Li 合金は航空産業に適用されます, 機体重量は8~15%減少すると予測されています; Al-Li 合金は、航空宇宙機や薄肉ミサイル シェルの構造材料の候補にもなります。. 航空宇宙産業の急速な発展に伴い, Al-Li 合金の研究の焦点は依然として、厚さ方向の靭性不足とコスト削減の問題を解決することです。.
2. マグネシウム合金
最軽量のエンジニアリングメタル素材として, マグネシウム合金には一連のユニークな特性があります, 軽比重など, 高い比強度と比剛性, 良好な減衰と熱伝導率, 強力な電磁シールド能力, と良好な衝撃吸収, 航空宇宙のニーズを大きく満たします, 現代兵器およびその他の軍事分野.
マグネシウム合金は軍用機器に多くの用途があります, タンクシートフレームなど, 司令官の鏡, 砲手の鏡, ギアボックスボックス, エンジンフィルターベース, 入口および出口パイプ, 空気分配器ベース, オイルポンプハウジング, ウォーターポンプハウジング, オイル熱交換器, オイルフィルターハウジング, バルブカバー, 人工呼吸器およびその他の車両部品; サポートキャビンとエルロンスキン, 壁パネル, 補強フレーム, 舵板, 戦術防空ミサイルのパーティションフレームおよびその他のミサイルおよびミサイルコンポーネント; ファイターズ, 爆撃機, ヘリコプター, 輸送機, 空中レーダー, 地対空ミサイル, キャリアロケット, 衛星およびその他の宇宙船のコンポーネント. マグネシウム合金は軽量という特徴があります, 優れた比強度と剛性, 優れた減衰性能, 電磁干渉と強力なシールド能力, 軽量化のための軍用製品の要件を満たすことができます, 騒音吸収, 衝撃吸収と放射線防護. 航空宇宙と国防の構築において非常に重要な役割を果たしています, 航空機などの兵器や装備品に必要な重要な構造材料です。, 衛星, ミサイル, 戦闘機と戦闘車両.
3. チタン合金
チタン合金は引張強度が高い (441~1470MPa), 低密度 (4.5グラム/ cm 3で), 優れた耐食性, 300~550℃での高温耐久強度と優れた低温衝撃靭性, 理想的な軽量構造材料です. チタン合金は超塑性の機能特性を持っています. 超塑性形成拡散接合技術の採用, 合金は、エネルギー消費と材料消費がほとんどなく、複雑な形状と正確なサイズの製品を作ることができます.
航空産業におけるチタン合金の用途は、主に航空機の胴体構造部品を作ることです, 着陸装置, サポートビーム, エンジンコンプレッサーディスク, ブレードとジョイント, 等; 航空宇宙産業では, チタン合金は主に耐荷重部品の製造に使用されます, フレーム, ガスボンベ, 圧力容器, ターボポンプシェル, 固体ロケット モーター シェル, ノズルおよびその他のコンポーネント.
既存の航空宇宙用チタン合金の中で, 最も広く使用されているのは a+b タイプの Ti-6Al-4V 合金です。. 近年では, 西側とロシアは、2 つの新しいチタン合金を相次いで開発しました。, 高強度チタン合金, 高靭性, 溶接性と良好な成形性, そして高温, 高強度難燃チタン合金. これらの 2 つの高度なチタン合金は、将来の航空宇宙産業での応用が期待されています。.
近代戦争の進展とともに, 陸軍は強力な高度な榴弾砲システムを必要としています, 長距離, 高精度と高速応答能力. 先進榴弾砲システムの重要な技術の 1 つは、新しい材料技術です。. 自走砲の砲塔の軽さ, 軽金属装甲車の部品と材料は、兵器開発の必然的な傾向です. ダイナミックで保護性能を確保する前提で, チタン合金は軍事兵器に広く使用されています.
過去にかなり長い間, チタン合金は、製造コストが高いため、用途が大幅に制限されていました. 近年では, 世界中の国々が低コストのチタン合金を積極的に開発しています. コストを削減しながら, また、チタン合金の特性を改善する必要があります.
4. 複合材料
4.1 樹脂マトリックス複合材
樹脂ベースの複合材は、成形性に優れているため、軍事産業で広く使用されています, 高比強度, 高比弾性率, 低密度, 耐疲労性, 衝撃吸収, 耐薬品性, 優れた誘電特性と低い熱伝導率.
航空業界では, 航空機の翼の製造には、樹脂マトリックス複合材料が使用されています。, 機体, アヒル, フラットテールとエンジン外部暗渠; 航空宇宙分野では, 樹脂マトリックス複合材料は、舵の重要な材料であるだけではありません, レーダーと入口, 固体ロケットモーターの燃焼室の断熱シェルの製造にも使用できます, また、エンジンノズルのアブレーション熱保護材料としても使用できます. 近年開発された新しいシアネート樹脂複合材は、耐湿性が強いという利点があります。, 良好なマイクロ波誘電特性と良好な寸法安定性, 航空宇宙構造の製造に広く使用されています, 航空機の一次および二次耐力構造とレーダー レドーム.
4.2 金属マトリックス複合材
金属マトリックス複合材は、比強度が高いため、軍事産業で広く使用されています。, 高比弾性率, 良好な高温性能, 低熱膨張係数, 良好な寸法安定性, と優れた熱伝導率.
アルミニウム, マグネシウムとチタンは、金属マトリックス複合材の主な基質です, 補強材は一般的に3つのカテゴリーに分けることができます: ファイバ, 粒子とウィスカ. その中で, 粒子強化アルミニウム マトリックス複合材は、モデル検証に入りました. 例えば, F-16戦闘機の腹部フィンとしてアルミ合金の代替として使用する場合, その剛性と寿命は大幅に改善されました.
炭素繊維で強化されたアルミニウムとマグネシウムのマトリックス複合材は、比強度が高い, ゼロに近い熱膨張係数と優れた寸法安定性, 衛星をサポートするために使用され、成功しています。, Lバンド平面アンテナ, 宇宙望遠鏡, 衛星放物線アンテナ, 等; 炭化ケイ素粒子強化アルミニウム マトリックス複合材料は、優れた高温性能と耐摩耗性を備えています。, ロケットやミサイルの部品の製造に使用できます, 赤外線およびレーザー誘導システムのコンポーネント, 精密アビオニクス部品, 等;
炭化ケイ素繊維強化チタンマトリックス複合材料は、優れた耐高温性と耐酸化性を備えています. 高推力重量比エンジンの理想的な構造材料です。. 現在のところ, 高度なエンジンのテスト段階に入っています.
兵器産業の分野で, 金属基複合材料は、大口径尾翼のサボなどの部品に使用できます安定化された砲撃ペネトレーター, 対ヘリコプター/対戦車多目的ミサイルの固体モーター シェル, 弾頭の軽量化と戦闘能力の向上.
4.3 セラミックマトリックス複合材
セラミックス基複合材とは、繊維で構成された材料の総称です。, 特定の複合プロセスによる強化材およびセラミック マトリックスとしてのウィスカーまたは粒子. セラミックマトリックス複合材は、セラミックマトリックスに第2相成分を導入することで構成される多相材料であることがわかります, セラミック素材特有のもろさを克服, 現在の材料科学研究の最も活発な側面となっています.
セラミックマトリックス複合材料は、密度が低いという特徴があります, 高比強度, 優れた熱機械特性と耐熱衝撃性, 将来の軍事産業の発展のための重要な支持材料の1つです.
セラミック材料は優れた高温性能を備えていますが、, 彼らはもろい. セラミック材料の脆性を改善する方法には、相変態強化が含まれます, マイクロクラック強化, 分散金属強化および連続繊維強化.
セラミックマトリックス複合材料は、主に航空機ガスタービンエンジンのノズルバルブの製造に使用されます. エンジンの推力重量比の向上や燃費低減に重要な役割を果たします。.
4.4 カーボンカーボンコンポジット
炭素-炭素複合材料は、炭素繊維強化剤と炭素マトリックスからなる複合材料です。. 炭素-炭素複合材料には一連の利点があります, 高比強度など, 良好な耐熱衝撃性, 強いアブレーション抵抗, デザイン性の高いパフォーマンス. 炭素-炭素複合材料の開発は、航空宇宙技術の厳しい要件と密接に関連しています。. 1980年代以降, 炭素-炭素複合材料の研究は、性能を向上させ、用途を拡大する段階に入っています.
軍事産業では, 炭素-炭素複合材の最も顕著な用途は、スペースシャトルの抗酸化炭素-炭素ノーズコーンキャップと翼の前縁です。, カーボンカーボン製品の最大量は超音速航空機のブレーキパッドです.
炭素-炭素複合材料は、主に航空宇宙のアブレーション材料および熱構造材料として使用されます. 具体的には, 大陸間ミサイル弾頭のノーズコーンキャップとして使用されています, 固体ロケット ノズルと航空宇宙航空機の翼の前縁.
現在のところ, 高度なカーボンカーボン ノズル材料の密度は 1.87~1.97 g/cm3 です, そしてたがの引張強さは75~115 MPaです. 最近開発された長距離大陸間ミサイルのエンドキャップは、ほとんどすべてが炭素-炭素複合材料を使用しています.
現代の航空技術の発展とともに, 航空機の積載品質が向上し、着陸速度が向上しています, これは、航空機の緊急ブレーキに対するより高い要件を提唱しています. 炭素-炭素複合材料は軽量です, クォーツの用途は何ですか, 大きなエネルギー吸収と良好な摩擦性能. 高速の軍用機でブレーキパッドを作るために広く使用されています.
5. 超ハイテン
超高強度鋼は、降伏強度と引張強度が 1200 MPaと 1400 それぞれMPa. 航空機構造における比強度の高い材料の要件を満たすために研究開発されています。. チタン合金・複合材料の航空機への適用拡大により, 航空機に使用される鋼の量が減少した, しかし、航空機の主要な耐荷重コンポーネントは依然として超高張力鋼で作られています.
現在のところ, 世界の代表的な低合金超高張力鋼300Mは航空機着陸装置の代表的な鋼材です. 加えて, 低合金超高強度鋼 D6AC は、典型的な固体ロケット モーター シェル材料です。. 超高強度鋼の開発動向は、超高強度を確保しながら靭性と耐応力腐食性を継続的に向上させることです。.
6. 高度な超合金
超合金は航空宇宙の動力システムの主要材料です. 超合金は、600～1200℃の高温で一定の応力に耐えることができ、耐酸化性と耐食性を備えた合金です。. 航空宇宙エンジンのタービンディスクに最適な材料です。. 異なるマトリックス成分によると, 超合金は3つのカテゴリーに分けることができます: 鉄系, ニッケル系およびコバルト系.
エンジンのタービン ディスクは、1960 年代以前は鍛造超合金製でした, A286 とインコネルの代表的なブランド 718. 1970年代に, 急冷凝固粉末Rene95合金を使用したGE製CFM56エンジンタービンディスク, スラスト重量比が大幅に増加し、使用温度が大幅に上昇しました. それ以来, 粉末冶金タービンディスクは急速に発展しました.
最近, 米国の溶射急冷凝固法で製造された超合金タービンディスクは、プロセスが単純なため、開発の可能性が大きい準備技術です。, 粉末超合金に比べて安価で鍛造加工性が良い.
7. タングステン合金
タングステンは金属の中で最も融点が高い. その顕著な利点は、高い融点が材料の優れた高温強度と耐食性をもたらすことです, 軍事産業で優れた特性を示します, 特に兵器製造. 兵器産業では, 主に、さまざまな装甲貫通発射体の弾頭を作成するために使用されます.
粉末前処理技術と大変形強化技術により, タングステン合金は、材料の粒子を微細化し、粒子の方向を伸ばすことができます, 強度を上げるために, 素材の靭性と貫通力. 現在のところ, タングステン合金は、主力戦車の装甲貫通弾のコア材料として広く使用されており、長径比が大きい, 小口径および中口径の対空徹甲弾および超高速運動エネルギー徹甲弾, これにより、あらゆる種類の装甲貫通発射体がより強力になります.
8. 金属間化合物
金属間化合物は長距離秩序超格子構造を持ち、強い金属結合を維持します, 多くの特別な物理的および化学的特性と機械的特性を持たせます.
軍事産業では, 金属間化合物は、熱負荷に耐える部品の製造に使用されてきました, 米国Puo Company製のJT90ガスタービンエンジンブレードなど, 米国空軍がチタンとアルミニウムで製造した小型航空機エンジンの回転翼, ロシアのチタンとアルミニウムの金属間化合物は、プラグトップとして耐熱合金を置き換えるために使用されています, エンジンの性能を大幅に向上させる.
兵器産業の分野で, K18ニッケル基超合金は、タンクエンジン過給機のタービン材料として使用されています. 比が大きく始動慣性が大きいため, タンクの加速性能が影響を受ける. チタン-アルミニウム金属間化合物と、酸化アルミニウムと炭化ケイ素繊維で強化された複合軽量耐熱新素材の適用により、戦車の始動性能が大幅に向上し、戦場での実行可能性が向上します.
加えて, 金属間化合物は、軽量化のためにさまざまな耐熱部品にも使用できます, 信頼性を向上させ、テクニカル指標と戦う.
9. 構造用セラミックス
セラミック材料は、今日世界で最も急速に発展しているハイテク材料です. 単相セラミックスから多相複合セラミックスへと発展. 構造用セラミック材料は、高温耐性などの優れた特性により、軍事産業での応用が期待されています。, 低密度, 耐摩耗性と低熱膨張係数.
近年では, 軍用エンジンの構造用セラミックスに関して、国内外で幅広い研究が行われています。.
例えば, エンジン過給機の小型タービンを採用; 米国はピストンの上部にセラミックプレートをはめ込みます, これにより、ピストンの耐用年数が大幅に向上し、エンジンの熱効率も向上します. ドイツは、排気ポートの使用効率を向上させるために、排気ポートにセラミック部品をはめ込みます. 外国製赤外線サーマルイメージャーの小型スターリング冷凍機のピストンスリーブとシリンダースリーブはセラミック材料でできています, そしてそれらの耐用年数は 2000 時間; ミサイルジャイロスコープの電力は火薬ガスによって供給されます, しかし、ガス中の火薬残留物はジャイロスコープに深刻な損傷を与えます.
ガス中の残留物をなくし、ミサイルの命中精度を向上させるため, ミサイル火薬ガスが2000℃で機能するのに適したセラミックフィルター材料を研究する必要があります. 兵器産業の分野で, 構造用セラミックスは、ターボチャージャー タービンで広く使用されています。, ピストンクラウン, 排気ポートインレイ, 等. 主力戦車エンジンの, 新しい武器や装備の重要な素材です. 現在のところ, 20 ～ 30 mm 口径の機関銃の無線周波数要件は、 1200 ラウンド/分, バレルエロージョンを非常に深刻にします. セラミックスの高融点および高温化学安定性は、深刻なガンチューブの浸食を効果的に抑制することができます. セラミック材料は、高い圧縮および耐クリープ特性を備えています。. 合理的な設計を通じて, セラミック材料は、三次元圧縮状態を維持することができます, そのもろさを克服する, セラミックライナーの安全な使用を確保する.
