新材料在軍民融合中的應用

■ 呂德龍

新材料在軍民融合中的應用

■ 呂德龍

隨著科學技術的迅速發展，新型工程材料不斷涌現和被采用，新材料與新技術在新產品開發中應用的作用日益重要。新材料及特種加工技術對新型武器裝備的研制和生產，起到舉足輕重的作用，可以說新材料及特種加工技術已經成為現代工業不可缺少的重要加工方法和手段。

隨著科學技術的迅速發展，新型工程材料不斷涌現和被采用，新材料與新技術在新產品開發中應用的作用日益重要。新材料及特種加工技術對新型武器裝備的研制和生產，起到舉足輕重的作用，可以說新材料及特種加工技術已經成為現代工業不可缺少的重要加工方法和手段。

軍民兩用新材料是技術創新的先導、基礎和支撐，新材料的使用改變著人類的生活習慣與生活方式。新建筑材料的出現，為人類創造了更加美觀而舒適的居住條件。新材料還促進了交通運輸條件的改善，它使得火車與飛機更加快捷，而汽車則為人類的個性化生活提供了前提條件。生物材料為人類提供了新的醫療手段，同時也為人類提供了新的健康概念。新的合成纖維的出現，使人類超越自然纖維單一途徑獲取更加豐富多彩的紡織品和服裝；具有各種特殊功能的合成冼滌劑，使人類的生活更加清潔；信息材料的發展，豐富了人類的通信手段，改變著人們的交流方式，而且深刻地影響著人類的生活方式，它不僅使人們能夠在現實空間，而且能夠在虛擬空間里創造自己的個性化生活。新材料還為人類的航空航天事業提供了前提條件，為人類實現拓展生存空間和消解人類孤獨提供可能的機會。

利用我國已有軍工新材料產業發展的技術優勢，優化配置軍民科技力量和產業資源，推進國防科技成果加速向經濟建設轉化，促進軍民新材料技術在基礎研究、應用開發、生產采購等環節有機銜接，加快軍民共用新材料產業化、規模化發展。鼓勵優勢新材料企業積極參與軍工新材料配套，提高企業綜合實力，實現寓軍于民。建立軍民人才交流與技術成果信息共享機制，積極探索軍民融合的市場化途徑，推動軍民共用材料技術的雙向轉移和輻射。

復合化是當代材料技術發展的重要趨勢之一,而大量采用高性能復合材料是航空航天飛行器發展的重要方向。其中在民用飛機領域,應用發展非常迅速。在航天領域,高性能復合材料的用量也在迅速擴大,各種航天飛行器的重要結構件(如運載火箭和導彈殼體,航天飛機與宇宙飛船部件,衛星天線,天文望遠鏡等)正在越來越多地采用復合材料。復合材料是由兩種或兩種以上異質、異形、異構的材料通過專門成型工藝復合而成的一種高性能的新材料體系,復合的目的是要改善材料的性能,或使材料能滿足某種特殊的物理性能(如光、電、熱、聲、磁等)要求。

纖維增強樹脂基復合材料層合結構具有比強度高、比剛度大、阻尼特性好、疲勞壽命長、結構可設計性強等優點,在航空、航天及一些特殊領域中被廣泛使用。然而,復合材料的各向異性,非均勻性等特點給復合材料結構的力學分析帶來了一系列的挑戰。尤其在航空航天領域,飛行器在運行過程中所處的環境和所受的載荷都非常復雜。除了考慮飛行器在這些復雜環境下的自振特性和確定性外載作用下的動力響應外,考慮隨機性外載的影響也不容忽視。隨機振動理論和方法就是處理這類問題的先進思想和重要手段,但在國內外航空航天領域中還很少實際應用,主要原因之一就是現有隨機振動分析方法復雜而且低效,這在很大程度上限制了飛行器設計水平的提高。虛擬激勵法是高效精確的隨機振動分析方法,迄今已經在大跨度結構抗震、抗風,海洋平臺和汽車隨機振動等多個工程領域被數以百計的專家針對各工程領域的特點予以發展而取得很多實際成效。

航空技術的發展與航空材料有著密切的關系。一方面航空技術的發展,對材料不斷提出新的要求,推動著航空材料的發展；另一方面,航空材料的發展又是航空技術發展的基礎和前提。一種先進的飛機、發動機設計方案,必須有相適應的航空材料,才能付諸實現；新材料的發展和應用往往成為航空技術突破的重要因素。各國對航空材料的研制都非常重視,投入大量的人力和物力。由于航空材料的性能要求比較高,因此航空材料的發展水平在某種程度上反映著一個國家材料科學及工程的水平。分析當前航空材料發展的特點和趨勢,確定對策,以便看準方向,不失時機地開展有關研究工作,打基礎,上水平,為航空工業的騰飛做好準備是非常必要的。當代航空材料的發展非常迅速,領域也極為廣闊,要概括所有的特點是不可能的。

在航空航天領域中,應用復合材料的同時,金屬和陶瓷材料的研究亦有新的進展。此外,有機、碳一碳和金屬基復合材料用的原絲材料也有了新的改進并不斷出現一些新的工藝技術。復合材料的競爭中,金屬及合金也獲得很大進展。

值得重點關注的軍民兩用新材料主要有：高性能有機硅材料、復合材料、節能環保材料、高性能氟硅材料等。

高性能復合材料，指由兩種或兩種以上異質、異型、異性材料(一種作為基體、其他作為增強體)復合而成的具有特殊材料和結構的新型材料。包括樹脂基復合材料、碳/碳復合材料、陶瓷基復合材料、金屬基復合材料、碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維等高性能增強纖維。目前，國內在碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維等領域已有一定的發展,但仍難以滿足下游領域的需求量。

納米碳化硅微晶（30-50nm）及連續碳化硅纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、抗氧化、可編織、電阻率可調、與樹脂、金屬、陶瓷相容性好等特性，用增強纖維制備的復合材料，主要作為航空發動機、燃氣輪機、汽車發動機、核能反應堆、液體渦扇發動機、沖壓發動機、高超音速飛行器和深空探測器等耐高熱部件。高速列車的制動材料，汽車尾氣焚燒催化劑的載體如設備防腐，化學試劑過濾材料等也有很大的應用空間，在電路基板增強材料、燃料電池隔板增強材料等也將獲得更為廣泛的應用。此外，碳化硅纖維在材料隱身方面已有應用，在結構吸波領域也具備應用前景。

碳化硅纖維及納米粉制品的應用主要體現在以下幾個方面：

（1）作為耐熱材料：如汽車尾氣處理中的脫塵,脫硫,脫NOx裝置、耐鹽霧、海水腐蝕、紅外敏感元件、高溫輸送帶、噴燈嘴、航天飛機柔性防熱材料、過濾器、催化劑載體等。

（2）增強金屬基復合材料：纖維體積含量為30%的Al基復合材料，其彎曲強度為超硬鋁的1.8倍，拉伸強度為1.3倍。減重40%。而且在400℃以下材料的強度降低幅度不大，而特超硬鋁在200℃時為常溫強度的1/5以下。可用于制造導彈的尾翼、炮管等。

（3）增強樹脂基復合材料：與環氧樹脂、聚酰亞胺樹脂組成的復合材料與碳纖維相比具有較高的壓縮強度、較高的沖擊強度和優異的磨損性，同時碳化硅/環氧樹脂復合材料還具有優異的電性能。可應用于雷達天線罩和飛行器的結構材料，以及各種結構吸波材料。

（4）增強陶瓷基復合材料：主要應用于宇宙火箭和飛機噴氣發動機的耐熱部件、航天飛機的隔熱瓦等。

（5）隱身材料：碳化硅纖維以及優異的吸波性與高溫抗氧化性而被用于制造隱身巡航導彈的頭錐和火箭發動機殼體。

為了提高飛行器的實防能力和自我保護的生存能力，以提高戰斗力為目標，世界各大國都在努力發展隱身技術。在實戰中，雷達及紅外探測器應用比例最大，分別為60%和30%。研究雷達波吸收材料是當今世界隱身技術的熱點。隨著各種新型飛行器的出現，吸收頻帶寬度和吸波性能不斷提高，單一的吸波材料難以適應要求，而功能也由單一吸波發展為承載和吸波結合，從而出現了一種新型的結構型吸波復合材料，其核心材料就是應具有一定的力學性能和吸波功能為一體的纖維。從吸波原理上，應用最廣的材料有磁損耗型和介電損耗型。

作為耐高溫、耐氧化的高性能SiC纖維，它不僅與碳纖維等其它增強纖維有相近的力學性能，可以承載，它還具有一定的半導體特性，其電阻率可以在101～107Ω?cm范圍內通過改進工藝進行調節。通用型SiC纖維其電阻率一般在105～107Ω?cm，不具有吸波特性，若改變制造工藝和調整纖維的有效組成比，完全可以將SiC纖維的電阻率調至101～103Ω?cm，具有介電損耗型吸波纖維，國內外的文獻均有報導，認為SiC纖維是一種理想的高性能結構吸波纖維。

碳化硅復合材料是碳纖維增強碳和碳化硅陶瓷基體復合材料，具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蝕、優異的高溫力學性能和熱物理性能、良好的自潤滑性能等優點，是一種能滿足1650℃使用的新型高溫結構材料和功能材料。作為剎車材料不僅具有碳/碳復合材料剎車盤密度小、剎車平穩，磨損失重率小、熱容量大等優勢，而且克服了碳盤吸濕性大、濕態摩擦系數低、靜摩擦系數低、適應性差的不足，因此美軍率先在F16戰機上應用，效果良好。美國摩擦材料公司對陶瓷基剎車復合材料進行評估，表明碳/碳化硅復合材料將成為新一代飛機和汽車剎車材料。

作為一類新興的功能材料，記憶合金的很多新用途正不斷被開發，例如用記憶合金制作的眼鏡架，如果不小心被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱，就可以恢復原狀。汽車的外殼也可以用記憶合金制作。如果不小心碰癟了，只要用電吹風加加溫就可恢復原狀，既省錢又省力，很是方便。

利用記憶合金在特定溫度下的形變功能，可以制作多種溫控器件，如溫控電路、溫控閥門，溫控的管道連接。人們已經利用記憶合金制作了自動的消防龍頭：失火溫度升高，記憶合金變形，使閥門開啟，噴水救火。制作了機械零件的連接、管道的連接，飛機的空中加油的接口處就是利用了記憶合金：兩機油管套結后，利用電加熱改變溫度，接口處記憶合金變形，使接口緊密滴水（油）不漏。制作了宇宙空間站的面積幾百平米的自展天線--先在地面上制成大面積的拋物線形或平面天線，折疊成一團，用飛船帶到太空，溫度轉變，自展成原來的大面積和形狀。

記憶合金目前已發展到幾十種，在航空、軍事、工業、農業、醫療等領域有著用途，而且發展趨勢十分可觀，它將大展宏圖、造福于人類。

玄武巖纖維是戰略性的創新材料，是指涉及國家全局的、舉足輕重的，不是局部的，也不是地區性的，更不是少數企業的事情。戰略性創新材料必須具備五個特征：一是關乎國家安全戰略和國家經濟發展戰略，對國防建設和國民經濟發展具有重要支撐及促進作用的新材料；二是制造該材料的技術自主可控；三是該材料的創新代表世界技術革命和產業革命的方向；四是符合綠色低碳可持續發展的要求；五是原料來源于本國自給且充沛不受外國控制。因此，玄武巖纖維無疑是戰略性的創新材料。

目前，戰略規劃和實施重點得當，我國完全有可能成為玄武巖纖維產業的大國和強國。隨著玄武巖纖維產業的快速發展，玄武巖纖維對國民經濟和國家安全的促進作用將日益顯示出來。

隨著科學技術的迅速發展，新型工程材料不斷涌現和被采用，新材料與新技術在新產品開發中的應用要求越來越高，對新材料與新技術在新產品開發中的應用提出了更高的要求。由于受新材料性能、結構、設備加工能力的限制，使用傳統的方法很難完成新產品開發。為了解決這些難題，人們不斷開發研究并成功采用新材料與新技術解決了很多工藝問題，發揮了很大的作用。

進入二十世紀以來，制造技術，特別是先進制造技術不斷發展，作為新材料與新技術在新產品開發中的應用的作用日益重要。它解決了加工方法所遇到的難以解決的問題，并有著自己獨特的特點，新材料及特種加工技術在國際上被稱為21世紀的技術，尤其對新型武器裝備的研制和生產，起到舉足輕重的作用，可以說新材料及特種加工技術已經成為現代工業不可缺少的重要加工方法和手段。

材料工業是國民經濟的基礎產業，新材料是材料工業發展的先導，是重要的戰略性新興產業。高性能復合材料和前沿新材料將是我國重點發展的新材料品種。

目前，重點新材料包括以下六大領域：①特種金屬功能材料。具有獨特的聲、光、電、熱、磁等性能的金屬材料。②高端金屬結構材料。較傳統金屬結構材料具有更高的強度、韌性和耐高溫、抗腐蝕等性能的金屬材料。③先進高分子材料。具有相對獨特的物理化學性能、適宜在特殊領域或特定環境下應用的人工合成高分子新材料。④新型無機非金屬材料。在傳統無機非金屬材料基礎上新出現的具有耐磨、耐腐蝕、光電等特殊性能的材料。⑤高性能復合材料。由兩種或兩種以上異質、異型、異性材料（一種作為基體，其他作為增強體）復合而成的具有特殊功能和結構的新型材料。⑥前沿新材料。當前以基礎研究為主，未來市場前景廣闊，代表新材料科技發展方向，具有重要引領作用的材料。

利用我國已有軍工新材料產業發展的技術優勢，優化配置軍民科技力量和產業資源，推進國防科技成果加速向經濟建設轉化，促進軍民新材料技術在基礎研究、應用開發、生產采購等環節有機銜接，加快軍民共用新材料產業化、規模化發展。鼓勵優勢新材料企業積極參與軍工新材料配套，提高企業綜合實力，實現寓軍于民。建立軍民人才交流與技術成果信息共享機制，積極探索軍民融合的市場化途徑，推動軍民共用材料技術的雙向轉移和輻射。

呂德龍,高級工程師，主要從事兵器工業材料及熱加工新技術推廣工作)