形形色色的軍工新材料

馬曉榮

隨著現代軍事科技的不斷發展，促使各國對武器裝備的性能提出了更高的要求。由于軍用新材料能夠滿足武器材料強韌化、輕量化、多功能化和高效化的發展要求，促使軍工新材料的研究十分繁榮。

1先進金屬結構材料

1.1變形鎂合金

變形鎂合金有很高的比強度、比剛度和塑性，是航空航天領域中最有前途的金屬結構材料之一，座艙架、吸氣管、導彈艙段、壁板、蒙皮、直升機上機閘等大都采用鎂理合金制件。有研究表明采用鎂合金部件代替鋁合金，可以解決鋁合金機翼的疲勞問題。目前，對于鎂合金的研究和開發已基本成熟，多個品牌的變形鎂合金已經開發出來。例如：耐熱鎂合金、耐蝕鎂合金、阻燃鎂合金、高強韌鎂合金以及超輕變形Mg-Li合金。其中，鎂鋰合金的研究十分活躍，美國、日本、俄羅斯在理論和應用開發方面都做了不少研究，我國也有一些單位進行前期研究，如東北大學和哈爾濱工業大學。目前主要應用在殲擊機和槍械方面。如噴氣式殲擊機“洛克希德F-80”以及“B-36”轟炸機都應用這類鎂合金。耐熱鎂合金目前主要在往稀土鎂合金方向研究，如美國開發的QE22和WE44鎂合金具有相當高的高溫強度，以運用到直徑1m的“維熱爾”火箭殼體的制作上，提高了其飛行性能。阻燃鎂合金目前的研究也是向稀土化方向發展。這方面上海交通大學輕合金精密成型國家工程研究中心研究成果豐碩，他們開發出的加入鈹和稀土元素的鎂合金已成功的應用到了轎車變速箱殼蓋的工業試驗，相信在武器要求強量化背景下，這種鎂合金在軍事工業上會有很大的應用前景。

1.2先進鈦合金

鈦是20世紀80年代走向工業化生產的一種重要金屬。也是一種對經濟和國防具有重要意義的新型金屬。鈦合金與鎂合金相似，它密度小、強度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優點，在航空航天和軍事領域中獲得了廣泛應用，包括軍用、民用飛機、航空發動機、導彈。艦艇、核反應堆以及輕型火炮等。為了擴大鈦合金在軍事方面的用途，主要進行了以下幾個方面的研究[3]。（1）高強韌性，美國開發的Ti1023鈦合金抗拉強度高、斷裂韌性高、耐疲勞性好、鍛造性能優良，已應用在B777飛機起落架系統和火箭發動機推進劑儲箱和導管等部件。另外美國鈦金屬公司Timet分部研制的一種新型抗氧化、超高強鈦合金β21S在690℃具有良好的抗氧化性能，可在540℃下長期工作。冷、熱加工性能優良，可制成0.064mm的箔材。已被美國國家宇航局確定用作硅/鈦復合材料的基體材料，并將用于美國航天飛機的機身和機翼壁板。（2）耐高溫性，這項工作開始于20世紀50年代初期，英國、美國和俄羅斯在這方面具有先進水平，英國的IMI829、IMI834鈦合金，美國的Ti100、俄羅斯的BT18Y、BT36、BT37已經用在了軍用飛機發動機上。（3）阻燃性，20世紀80年代美國的兩家公司研制出對持續燃燒不敏感的鈦合金Alloy C（Ti-1270），它具有較高的室溫強度，并具有良好的室溫和高溫塑性、蠕變和疲勞性能，已用于F119發動機。我國研制的Ti-40阻燃性能與美國的Ti-1270相當，也用于我國新型的戰斗機發動機上。我國的 600℃高溫鈦合金TI60還處于研制階段。

1.3超高強度鋼

超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1 200 Mpa 和1 400 Mpa的鋼，它是為了滿足飛機結構上要求高比強度的材料而研究和開發的。Aermetl00是美國Carpenter技術公司研制的高合金超高強度鋼。已披用于F-22、F-18E/F等先進飛機的起落架。美國近期又開發出一種后繼鋼，稱Aermet 310，比Aermet100強度高10%，KIc達70MPa。SFGHITEN、NANOHITEN、ERW和HISTORY是日本JFE公司最近開發出的幾種高強度鋼。其中SFGHITEN為含Nb系列高強度IF鋼板，主要應用對象是汽車車身外板， NANOHITEN是強度級別為780MPa的熱軋鋼板，其特點是塑性好、擴孔率高，具有優良的翻邊成形性能和穩定的力學性能。可應用于各類加強件、臂類與梁類零件。ERW和 HISTORY是JFE針對飛機懸架系零部件開發的高強度鋼管，強度級別也是780 MPa。該材料具有良好的液壓成形性能。已開始應用于飛機懸架系統的臂類零件。Stelco公司最近開發出了一種代號為SteIR MM的高強度微合金，具有良好的斷裂韌性，經試驗其斷裂韌性比普通鋼高22%左右，并已投放市場。國內發動機、直升機傳動材料技術十分落后，北京航空材料研究院已自主開發出適應某型號飛機發動機的剛強度鋼。

1.4金屬間化合物

金屬間化合物材料技術仍處在探索發展階段，美國GE公司將Ti-48Al-2Nb-2Crγ型合金精鑄成CF6-80CZ發動機渦輪葉片。地面試車取得成功。惠普公司也擬根據Caesar計劃在F119發動機上試車。對鎳鋁化臺物也在進行廣泛的研究工作，俄羅斯近年開發成功了BKHA-1B和BKHA-2M.前者以Nl3Al為基、后者以N3Al+NaAl為基。已分別用于發動機靜子葉片和導向葉片涂層材料。國外在鈮基體中加入Si，形成Nb3Si或Nb 3Si2金屬間化合物。作為增強體，形成Nb-Si復合材料，其耐溫能力比單晶合金提高200～300℃。

2復合材料

材料科學的發展造就了高強度、高模量、低比重的碳纖維，從而掀開了先進復合材料的時代。日本于1955年首先發明了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維，并于60年代初進入工業化生產，70年代中期誕生了以碳纖維為增強相的先進復合材料。碳基增強具有無可比擬的高比強度及高比剛度性質及耐腐蝕、耐疲勞特性，非常適用于航空飛機和航天飛機。PAN碳基纖維較早時候是T300級別的用于武器裝備上，20世紀60年代末，美國開發出了硼纖維增強的環氧樹脂復合材料，1971年成功應用于F-14戰斗機尾翼上，此后又有F-15、F-16、米格-29、幻影2000、F/A-18等復合材料尾翼問世。此時一般一架軍用飛機的垂尾、平尾全采用復合材料，可占總重的5%左右。經過以后的發展，目前的飛機上復合材料用量到20%～50%不等，如美國的B-2戰斗機大約占50%左右，機身大部分為復合材料。

復合材料除了在軍用飛機上有突出貢獻，在導彈彈頭上也大量應用，復合材料最早應用在導彈彈頭的是層壓玻璃/酚醛復合材料，后來發現不足，產生了模壓高硅氧/酚醛。目前，科學家開發出了更好的碳/碳復合材料， 碳/碳復合材料具有低密度（<2.0g/cm3）、高比強、高比模量、高導熱性、低膨脹系數，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩定性高等優點，是目前在1650℃以上應用的唯一備選材料，最高理論溫度更高達2600℃，因此被認為是最有發展前途的高溫材料。近期研制的導彈頭帽幾乎都采用了碳/碳復合材料。目前為了提高導彈的打擊能力，由開發出碳/酚醛復合材料用作導彈彈頭的防熱層。另外在固體火箭發動機的噴管上，復合材料也不斷改進，從最早的金屬到后來的金屬/非金屬，現在一開始使用碳/碳復合材料，使導彈的性能得到很大的提高。

3軍用功能材料

3.1納米隱身材料

美、俄、法等軍事強國都把納米隱身材料作為新一代的隱身材料進行探索和研究， 并對納米材料的微波電磁譜理論、材料系列、制備方法、性能表征等進行了系統研究，研制出了多種不同結構的納米隱身材料，取得了實質性進展。

1995年，日本采用納米碳管與磁性吸收劑復合，設計了納米材料吸波涂層，吸波性能有一定的提高，在此基礎上，具有更明顯的形狀、磁晶、應力各向異性的二維納米結構磁性金屬薄膜逐漸引起了人們的重視。

20世紀末，美國研制出的“超黑粉”納米隱身材料，對雷達波吸收率達到99%，這種“超黑粉”納米隱身材料實際上是用納米石墨做吸收劑制成的石墨熱塑性復合材料和石墨環氧樹脂復合材料，不僅吸收率大，而且在低溫下仍保持良好的韌性。

2000年俄羅斯成功利用了納米晶體膜的高磁損耗和高磁導率特性，制備了20nm的超薄型多層膜毫米波吸波材料，具有良好的隱身效果。

法國研制的一種磁性多層膜寬頻帶納米隱身材料，它是由粘結劑和納米級微屑填充材料構成，能夠吸收超高頻的電磁波， 納米級由超薄不定型磁性薄層及絕緣層構成，非晶態磁性材料層為具有高磁導率的鐵磁性材料，層厚度為3nm，絕緣層為碳或者無機材料， 厚度為5nm，在50MHz～50GHz頻率范圍內具有良好的吸波性能。

國內從20世紀80年代末也一直關注納米材料用于雷達波隱身的可能性，在納米隱身機理的理論研究和實驗研究方面均有所進展。成都電子科技大學研制的納米針形磁性金屬粉多層納米膜復合吸波材料，通過改變納米針形磁性金屬粉成分，可以有效地控制其頻率特性，有利于展寬吸收頻帶。南京大學、華中科技大學在納米物性研究的基礎上， 理論上論證了采用納米磁性多層膜提高隱身材料吸波效果的可行性， 并采用磁控濺射技術試制了納米晶薄膜，在4GHz～6GHz，磁導率μ可達到 40左右，比磁性微米吸收劑提高了10倍。

3.2磁性材料

磁性材料作為新材料的一種，也是發展非常迅速的基礎功能材料，其功能、結構、用途也是十分廣泛的。而其在軍事領域中的廣泛應用更是成為各國強化軍事優勢的重要手段。

美國作為軍事大國，其科技十分發達，在微波領域尤其如此。美國軍方2003年與IBM等公司合作研究用于雷達報警系統、全球定位系統、艦載防御導彈、PAC-3導彈等的磁性材料，取得可喜進展。2004年IBM微電子公司發布了兩條標準IC生產線，包括功率放大器和電壓控制振蕩器。2006年8月，美國東北大學研制出一種磁性材料。這種磁性陶制薄膜材料具有一種自發磁矩，可以有效降低雷達對磁體的需求。美國新近成立的VIDA產品公司集中研究高Q、寬調諧濾波器、振蕩器和頻率合成器的軍事和商業應用。在新武器電磁炮方面，美國也已經取得了成果。

在日本，對磁性材料的研究也十分活躍。大同特殊鋼公司近年開發出撓性電磁波吸收體“DPR”系列，其主要特點是高溫環境下抗電磁干擾，可滿足電子機器、光纖通信多方面需求。日立金屬公司生產的“Finemet”納米晶磁性材料，主要用于電子機器防干擾共態扼流圈。戶佃工業公司與明治大學共同研制成由Co、Ni和氧化鐵組成的只有30～40nm的納米磁粉，可獲得239～542kA/m（3000～6800 Oe）的矯頑力，并可以在50℃保持1000h的熱穩性。川崎鋼鐵公司新近開發出電磁線材，可用于倒相電路中的變壓器或扼流圈，滿足了電磁器件小型化、異型化需求。

印度從2003年1月起實施“薩姆尤科塔”電子戰計劃。計劃中用的重要設施一拉簡德拉相控陣雷達，由印度巴拉特電子有限公司生產。該技術的有效使用壽命將持續到2020年。印度陸軍官員稱，首批26輛電子戰車輛已交付陸軍并投入使用。韓國也在加緊研發。目前磁性材料的領域主要有軟磁鐵氧體、永磁鐵氧體、磁介質、非晶磁芯等方面。俄羅斯SPA Ferrite公司研制的磁性材料已用于毫米波器件，大功率器件，鐵氧體移相器上，SRPC“ISTOK”公司研制的材料在嵌入式微帶和帶線環行器和隔離器，同軸環行器，毫米波波導環行器和隔離器，高功率毫米波和厘米波環行器上廣泛應用。

在歐洲，歐盟研究了微波真空器件用碳納米管，微波與先進CMOS（補充型金屬氧化物）技術集成，微電機系統集成相陣天線等。英國Belfast大學高頻電子研究小組的典型研究項目包括毫米波前端和集成自追蹤天線用的靈敏結構，其中關鍵技術是研制具有低反射損耗的空間移相器。英國Loughborough大學的無線通信研究小組主要研究天線與無線系統，包括在移動和衛星通信系統、微波和毫米波工程中的應用。

3.3電子信息材料

2006年8月， 美國喬治亞州技術學院研制出一種新型液晶聚合體材料（LCP）， 并正在實驗測試。這種超薄、像塑膠一樣的材料具有輕質和柔軟的特性，比傳統材料的性能更優異，可應用于電路板、相控陣天線等各種領域。

2006年10月，美國利弗莫爾·伯克利國家實驗室研制出一種能夠提高太陽能電池板功率的新型半導體材料。應用該材料能比傳統材料獲取更多頻譜的太陽能，利用率可達45%，而傳統的單晶半導體材料是25%，傳統的多晶半導體材料為39%，有望替代在衛星上應用的昂貴的鋅錳碲合金材料。

美國IBM公司和喬治亞州技術學院聯合研制出一種新型硅-鍺半導體材料。采用此材料制造成的晶體管運行頻率超過500GHz。經過實驗測試，材料性能在超低溫度下仍然達到預定的期望值。該材料制成的超高頻率硅-鍺半導體材料電路可應用于通信、防務、航天、遙感等諸多潛在的應用領域。

4高性能纖維

高性能纖維，是指對外部的力、熱、光、電等物理作用和酸、堿、氧化劑等化學作用具有特殊耐受能力的一種材料。包括高強度、高模量、耐高溫、阻燃、抗電子束輻射、抗射線輻射、耐酸、耐堿、耐腐蝕等的纖維。

被稱為第三代合成纖維。這類纖維由于具有比普通纖維更高的機械強度和彈性模量，更好的熱穩定性、耐酸堿性及耐候性。是20世紀60年代初發展以來，高分子纖維材料領域發展迅速的一類特種纖維。它被稱為繼第一代錦綸、滌綸和腈綸及第二代改性纖維（包括差別化纖維）之后的第三代合成纖維。

高性能纖維在國防軍事和工業領域應用十分廣泛。尤其是在有特殊要求的工業和技術領域，比如宇宙開發、海洋開發、情報信息、能源交通、土木建筑、軍事裝備、化工和機械等諸多方面，高性能纖維起著不可缺少的作用。

有機高性能纖維中的高模量高強度纖維每年以兩位數速率增長。有機高性能纖維可分為4大類近40種，分別為高強高模纖維、耐熱纖維、抗燃纖維及耐腐蝕纖維。目前，已經商品化的高性能有機纖維當屬高強高模纖維增長最快，主要品種的需求量均以2位數增長，耐熱纖維次之，主要品種以5%-10%的年增長率發展，抗燃纖維和耐強腐蝕性纖維相對增長緩慢，但又不可缺。

體現國家綜合實力與技術創新的標志之一。高性能纖維在國內外已作為技術創新、占領技術優勢的重要戰略物質，在國防、軍工、航空、航天、能源、交通等領域具有廣泛的應用。高性能纖維生產技術與裝備水平是體現國家綜合實力與技術創新的標志之一。

（作者單位：航空集團螺旋槳有限公司）