军工新材料市场大 (一)
新材料, 也称为高级材料, 指已经研究成功和正在开发中，具有优良特性和功能，能满足高科技需要的新材料。. 人类历史的发展表明，物质是社会发展的物质基础和先导, 而新材料是社会进步的里程碑.
材料技术一直是世界各国科技发展规划中非常重要的领域. 与信息技术一起, 生物技术和能源技术, 它被公认为将在当今社会和未来很长一段时间内主宰人类整体状况的高科技. 材料的高科技也是当今支撑人类文明的现代工业的关键技术, 也是一个国家国防力量最重要的物质基础. 国防工业往往是新材料技术成果的优先用户. 新材料技术的研发对国防工业和武器装备的发展具有举足轻重的作用.
军工新材料的战略意义
军工新材料是新一代武器装备的物质基础, 也是当今世界军事领域的关键技术. 军用新材料技术是应用于军事领域的新材料技术, 是现代尖端武器装备的关键, 是军事高新技术的重要组成部分. 世界各国都高度重视军用新材料技术的发展. 加快发展军用新材料技术是保持军队领先地位的重要前提.
军工新材料的现状与发展
军工新材料按用途可分为结构材料和功能材料, 主要用于航空工业, 航空航天业, 兵器工业和船舶工业.
军用结构材料
1. 铝合金
铝合金一直是军工领域应用最广泛的金属结构材料. 铝合金具有密度低的特点, 强度高，加工性能好. 作为结构材料, 由于其优良的加工性能, 可以做成各种剖面图, 管道, 高肋板, 等等, 充分发挥材料的潜力，提高部件的刚性和强度. 所以, 铝合金是武器轻量化的首选轻量化结构材料.
在航空业, 铝合金主要用于制造飞机蒙皮, 隔断框, 长梁和珩磨条; 在航天工业, 铝合金是运载火箭和航天器结构件的重要材料. 在武器领域, 铝合金成功应用于步兵战车和装甲运输车. 最近研制的榴弹炮炮塔也大量使用新型铝合金材料.
最近几年, 航空航天业铝合金用量下降, 但它仍然是军工中的主要结构材料之一. 铝合金的发展趋势是追求高纯度, 高强度, 高韧性和耐高温. 军工用铝合金主要有铝锂合金, 铝铜合金 (2000 series) 和铝锌镁合金 (7000 series).
新型铝锂合金应用于航空工业, 预计飞机减重8~15%; 铝锂合金也将成为航天飞行器和薄壁导弹外壳的候选结构材料. 随着航空航天事业的飞速发展, 铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向韧性差和降低成本的问题.
2. 镁合金
作为最轻的工程金属材料, 镁合金具有一系列独特的性能, 如轻比重, 高比强度和比刚度, 良好的阻尼和导热性, 电磁屏蔽能力强, 和良好的减震性, 极大地满足了航空航天的需求, 现代兵器等军事领域.
镁合金在军事装备上有很多应用, 如坦克座架, 指挥官的镜子, 枪手的镜子, 变速箱, 发动机滤清器底座, 进出水管, 空气分配器底座, 油泵外壳, 水泵外壳, 油热交换器, 机油滤清器外壳, 阀盖, 呼吸器和其他车辆零件; 支撑舱和副翼蒙皮, 墙板, 加强框架, 舵板, 战术防空导弹的隔板框架等导弹、导弹部件; 战士, 轰炸机, 直升飞机, 运输机, 机载雷达, 地对空导弹, 运载火箭, 卫星和其他航天器部件. 镁合金具有重量轻的特点, 良好的比强度和刚度, 良好的阻尼性能, 电磁干扰，屏蔽能力强, 可满足军工产品减重要求, 噪音吸收, 减震防辐射. 在航天和国防建设中发挥着非常重要的作用, 是飞机等武器装备所需的关键结构材料, 卫星, 导弹, 战斗机和战车.
3. 钛合金
钛合金抗拉强度高 (441~1470MPa), 低密度 (4.5克/立方厘米), 优异的耐腐蚀性, 300~550℃的高温耐久强度和良好的低温冲击韧性, 是一种理想的轻质结构材料. 钛合金具有超塑性的功能特性. 采用超塑性形成-扩散接合技术, 合金可制成形状复杂、尺寸精确的制品，能耗和材料消耗少.
钛合金在航空工业中的应用主要是制造飞机机身结构件, 起落架, 支撑梁, 发动机压缩机盘, 叶片和接头, ETC; 在航天工业, 钛合金主要用于制造承重部件, 框架, 气瓶, 压力容器, 涡轮泵壳, 固体火箭发动机壳, 喷嘴和其他组件.
在现有的航空航天用钛合金中, 应用最广泛的是a+b型Ti-6Al-4V合金. 最近几年, 西方和俄罗斯相继研制出两种新型钛合金, 是高强度的钛合金, 高韧性, 可焊性和良好的成型性, 和高温, 高强阻燃钛合金. 这两种先进钛合金在未来航空航天领域具有良好的应用前景.
随着现代战争的发展, 陆军部队需要具有强大威力的先进榴弹炮系统, 长距离, 高精度和快速响应能力. 先进榴弹炮系统的关键技术之一是新材料技术. 自行火炮炮塔的轻量化, 轻金属装甲车零部件材料是武器发展的必然趋势. 在保证动力和防护性能的前提下, 钛合金广泛应用于军事武器.
在过去相当长的一段时间, 钛合金由于制造成本高，在应用上受到很大限制. 最近几年, 世界各国都在积极开发低成本的钛合金. 在降低成本的同时, 他们还需要提高钛合金的性能.
4. 复合材料
4.1 树脂基复合材料
树脂基复合材料以其良好的成型性在军工领域得到广泛应用, 比强度高, 高比模量, 低密度, 抗疲劳性, 减震, 耐化学腐蚀, 良好的介电性能和低导热性.
在航空业, 树脂基复合材料用于制造飞机机翼, 机身, 鸭子, 扁平尾翼和发动机外部涵洞; 在航空航天领域, 树脂基复合材料不仅是舵的重要材料, 雷达和入口, 也可用于制造固体火箭发动机燃烧室的隔热壳, 也可用作发动机喷嘴的烧蚀热保护材料. 近年来开发的新型氰酸酯树脂复合材料具有防潮性强的优点, 良好的微波介电性能和良好的尺寸稳定性, 并广泛用于制造航空航天结构, 飞机主要和次要承重结构和雷达天线罩.
4.2 金属基复合材料
金属基复合材料以其高比强度在军工领域得到广泛应用, 高比模量, 良好的高温性能, 低热膨胀系数, 良好的尺寸稳定性, 和优良的导热性.
铝, 镁和钛是金属基复合材料的主要基体, 而加固材料一般可分为三类: 纤维, 颗粒和晶须. 他们之中, 颗粒增强铝基复合材料已进入模型验证. 例如, 用作F-16战斗机腹鳍替代铝合金时, 它的刚度和寿命得到了很大的提高.
碳纤维增强铝镁基复合材料比强度高, 接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性, 并已成功用于卫星支援, L波段平面天线, 太空望远镜, 卫星抛物面天线, ETC; 碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和耐磨性, 可用于制造火箭和导弹部件, 红外和激光制导系统组件, 精密航空电子元件, ETC;
碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能. 是高推重比发动机的理想结构材料. 目前, 进入先进发动机试验阶段.
在兵器工业领域, 金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹的弹壳等部件, 反直升机/反坦克多用途导弹固体发动机壳, 减轻弹头重量，提高作战能力.
4.3 陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是由纤维组成的材料的总称, 通过某些复合工艺将晶须或颗粒作为增强材料和陶瓷基体. 可见，陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相组分组成的多相材料, 克服了陶瓷材料固有的脆性, 并成为当前材料科学研究最活跃的方面.
陶瓷基复合材料的特点是密度低, 比强度高, 良好的热机械性能和抗热震性, 是未来军工发展的关键支撑材料之一.
陶瓷材料虽然具有良好的高温性能, 它们很脆. 改善陶瓷材料脆性的方法包括相变增韧, 微裂纹增韧, 分散金属增韧和连续纤维增韧.
陶瓷基复合材料主要用于制造航空燃气涡轮发动机的喷口阀. 它们对提高发动机的推重比和降低油耗起着重要作用.
4.4 碳碳复合材料
碳-碳复合材料是由碳纤维增强剂和碳基体组成的复合材料. 碳-碳复合材料具有一系列优点, 如高比强度, 良好的抗热震性, 抗烧蚀性强, 和可设计的性能. 碳-碳复合材料的发展与航空航天技术的严苛要求密切相关. 80年代以来, 碳-碳复合材料的研究进入了提高性能和扩大应用的阶段.
在军工行业, 碳碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳碳鼻锥帽和机翼前缘, 而碳碳制品用量最大的是超音速飞机的刹车片.
碳-碳复合材料在航空航天中主要用作烧蚀材料和热结构材料. 具体来说, 用作洲际导弹弹头的鼻锥帽, 固体火箭喷管和航空航天飞机机翼前缘.
现在, 高级碳碳喷嘴材料的密度为1.87~1.97 g/cm3, 环向抗拉强度75~115 MPa. 最近研制的远程洲际导弹端盖几乎全部采用碳碳复合材料.
随着现代航空技术的发展, 飞机装载质量不断提高，着陆速度越来越快, 这对飞行器的紧急制动提出了更高的要求. 碳碳复合材料重量轻, 石英玻璃一般具有良好的透光性, 吸能大，摩擦性能好. 广泛用于高速军用飞机制作刹车片.
5. 超高强度钢
超高强度钢是屈服强度和抗拉强度超过 1200 兆帕和 1400 MPa分别. 为满足飞机结构对高比强度材料的要求而研发的. 由于钛合金及复合材料在飞机上应用的扩大, 飞机用钢量减少, 但飞机中的关键承重部件仍由超高强度钢制成.
现在, 国际上具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外壳材料. 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.
6. 高级高温合金
高温合金是航天动力系统的关键材料. 高温合金是在600~1200oC的高温下能承受一定应力并具有抗氧化和耐腐蚀能力的合金. 是航空发动机涡轮盘的首选材料. 根据矩阵成分不同, 高温合金可分为三类: 铁基, 镍基和钴基.
发动机涡轮盘在1960年代之前由锻造高温合金制成, 典型品牌 A286 和 Inconel 718. 70年代, GE用快速凝固粉末Rene95合金制造CFM56发动机涡轮盘, 大大提高了它的推重比，并显着提高了它的使用温度. 自那时候起, 粉末冶金涡轮盘发展迅速.
最近, 美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘，工艺简单，是一项极具发展潜力的制备技术, 与粉末高温合金相比成本低，锻造加工性能好.
7. 钨合金
钨是金属中熔点最高的. 其突出优点是高熔点带来材料良好的高温强度和耐腐蚀性能, 并在军工领域表现出优异的特点, 尤其是武器制造. 在武器工业, 主要用于制造各种穿甲弹的弹头.
通过粉末预处理技术和大变形强化技术, 钨合金可以细化材料的晶粒，拉长晶粒取向, 从而提高实力, 材料的韧性和穿透力. 现在, 钨合金被广泛用作主战坦克大长径比穿甲弹的芯材, 中小口径防空穿甲弹和超高速动能穿甲弹, 这使得各种穿甲弹的威力更大.
8. 金属间化合物
金属间化合物具有长程有序的超晶格结构并保持牢固的金属键合, 使它们具有许多特殊的物理化学性能和机械性能.
在军工行业, 金属间化合物已被用于制造承受热负荷的零件, 如美国Puo公司生产的JT90燃气轮机叶片, 美国空军用钛和铝制造的小型飞机发动机的转子叶片, 俄罗斯钛和铝金属间化合物已被用于替代耐热合金作为塞顶, 大大提高了发动机的性能.
在兵器工业领域, K18镍基高温合金用作坦克发动机增压器的涡轮材料. 由于其变比大，启动惯性大, 坦克的加速性能受到影响. 钛铝金属间化合物及其复合氧化铝和碳化硅纤维增强轻质耐热新材料的应用，可大幅提高坦克的启动性能，提高其战场生存能力.
此外, 金属间化合物也可用于各种耐热部件以减轻重量, 提高可靠性和作战技术指标.
9. 结构陶瓷
陶瓷材料是当今世界发展最快的高科技材料. 由单相陶瓷发展到多相复合陶瓷. 结构陶瓷材料以其耐高温等优良性能在军工领域具有良好的应用前景, 低密度, 耐磨性和低热膨胀系数.
最近几年, 国内外对军用发动机用结构陶瓷开展了广泛的研究工作.
例如, 发动机增压器小涡轮已应用; 美国在活塞顶部镶嵌陶瓷板, 大大提高了活塞的使用寿命，也提高了发动机的热效率. 德国在排气口内镶嵌陶瓷元件，提高排气口使用效率. 国外红外热像仪上微型斯特林制冷机的活塞套和缸套都是用陶瓷材料制成的, 他们的使用寿命可达 2000 小时; 导弹陀螺仪的动力由火药气体提供, 但气体中残留的火药对陀螺仪有严重的损坏.
为了消除气体中的残留物，提高导弹的命中精度, 有必要研究适合导弹火药气体在2000oC下工作的陶瓷过滤材料. 在兵器工业领域, 结构陶瓷广泛应用于涡轮增压器涡轮, 活塞顶, 排气口镶嵌, ETC. 主战坦克发动机, 是新型武器装备的关键材料. 现在, 20-30mm口径机枪的射频要求超过 1200 发/分钟, 这使得桶腐蚀极其严重. 陶瓷的高熔点和高温化学稳定性能有效抑制严重的枪管腐蚀. 陶瓷材料具有高抗压抗蠕变特性. 通过合理的设计, 陶瓷材料可以保持三维压缩状态, 克服它的脆弱性, 确保陶瓷内胆的安全使用.
