铝合金是武器轻量化首选的轻质新材料的战略意义

一、简介

新材料又称先进材料（ ），是指新近研究成功或正在开发的、具有优异性能和功能、能满足高新技术需要的新材料。 人类历史的发展表明，材料是社会发展的物质基础和先导，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计划中非常重要的领域。 它与信息技术、生物技术、能源技术一起被公认为当今社会和今后很长一段时期主宰人类全局的高新技术。 材料高技术仍然是支撑当今人类文明的现代工业关键技术，也是一个国家国防实力最重要的物质基础。 国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者。 新材料技术研发对国防工业和武器装备发展具有决定性作用。

二、军工新材料的战略意义

军用新型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。 军工新材料技术是应用于军事领域的新材料技术。 它是现代尖端武器装备的关键，是军事高技术的重要组成部分。 世界各国都高度重视新型军用材料技术的发展。 加快发展军用新材料技术，是保持军事领先地位的重要前提。

3、军用新型材料现状及发展

新型军工材料按用途可分为结构材料和功能材料两大类。 它们主要用于航空工业、航天工业、兵器工业和造船工业。

1、军用结构材料

1.1 铝合金

铝合金一直是军工行业应用最广泛的金属结构材料。 铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点。 作为结构材料，由于其优良的加工性能，可制成各种截面的型材、管材、高强板材等，充分发挥材料的潜力，改进构件。 刚性和强度。 因此，铝合金是轻量化武器的首选轻质结构材料。

在航空工业中，铝合金主要用于制造飞机蒙皮、隔板、长梁、装饰条等。 在航空航天工业中，铝合金是运载火箭、航天器结构件的重要材料。 在武器领域，铝合金已得到成功应用。 广泛应用于步兵战车和装甲运输车。 最近研制的榴弹炮炮座也大量采用了新型铝合金材料。

近年来，铝合金在航空航天工业中的使用有所减少，但它仍然是军工工业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。 军工工业用铝合金主要有铝锂合金、铝铜合金（2000系列）和铝锌镁合金（7000系列）。

新型铝锂合金应用于航空工业，预计飞机重量将减轻8%~15%； 铝锂合金也将成为航空航天器和薄壁导弹外壳的候选结构材料。 随着航空航天工业的快速发展，铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向韧性差的问题和降低成本。

1.2镁合金

镁合金作为最轻的工程金属材料，具有比重轻、比强度和比刚度高、阻尼导热性能好、电磁屏蔽能力强、振动阻尼性能好等一系列独特性能，极大地满足了人们的需求。航空航天、现代武器装备等军事领域的需求。

镁合金在军事装备上有很多应用，如坦克座架、车长镜、炮长镜、变速箱箱、发动机滤清器座、进出水管、空气分配器座、油泵壳体、水泵壳体、油热交换器、机油滤清器外壳、阀盖、呼吸器和其他车辆部件； 战术防空导弹保障舱及副翼蒙皮、壁板、加强架、舵板、隔框等弹药箭零件； 战斗机、轰炸机、直升机、运输机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星等航天器部件。 镁合金重量轻，比强度和刚度好，减振性能好，电磁干扰强，屏蔽能力强，可以满足军工产品减重、吸噪、减震、防辐射等要求。 它在航空航天和国防建设中占有非常重要的地位，是飞机、卫星、导弹、战斗机、坦克等武器装备所需的关键结构材料。

1.3钛合金

钛合金具有较高的拉伸强度（441~）、较低的密度（4.5g/cm3）、优异的耐腐蚀性能和一定的高温耐久强度以及在300~550℃下良好的低温冲击性能。 坚韧，是理想的轻质结构材料。 钛合金具有超塑性的功能特性。 采用超塑成形-扩散连接技术，可以用很少的能源消耗和材料消耗将合金制成形状复杂、尺寸精确的制品。

钛合金在航空工业的应用主要是制作飞机机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头； 在航空航天工业中，钛合金主要用于制造承重部件和框架。 、气瓶、压力容器、涡轮泵壳体、固体火箭发动机壳体及喷嘴等零部件。 20世纪50年代初，工业纯钛开始在一些军用飞机上使用，制造后机身隔热罩、尾罩、减速板等结构件； 20世纪60年代，钛合金在飞机结构中的应用扩大到包括滑动滚动襟翼。 、承重舱壁、起落架横梁等主要受力结构； 自20世纪70年代以来碳纤维在军事上的应用，钛合金在军用飞机和发动机上的使用迅速增加，从战斗机扩展到大型军用轰炸机和运输机。 它用于F14和F15飞机。 使用量占结构重量的25%，在F100和TF39发动机上的使用量分别达到25%和33%； 20世纪80年代以后，钛合金材料和工艺技术得到进一步发展，一架B1B飞机需要90402公斤钛。 现有的航空航天钛合金中，应用最广泛的是多用途a+b型Ti-6Al-4V合金。 近年来，西方和俄罗斯相继开发出两种新型钛合金。 它们是具有高强度、高韧性、可焊接性和良好成形性的钛合金，以及具有高温、高强度和阻燃性的钛合金。 这两种先进钛合金将在未来航空航天工业中发挥重要作用。 具有良好的应用前景。

随着现代战争的发展，军队需要一种具有大威力、远射程、高精度和快速反应能力的多功能先进榴弹炮系统。 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、部件、轻金属装甲车材料的轻量化是武器发展的必然趋势。 在保证动力性和防护性的前提下，钛合金在军队武器中得到广泛应用。 155火炮炮口制退器采用钛合金，不仅可以减轻重量，还可以减少重力造成的火炮身管变形，有效提高射击精度； 主战坦克、直升机反坦克多用途导弹上的一些复杂形状的零部件可以采用钛合金制造，既能满足产品的性能要求，又能降低零件的加工成本。

过去很长一段时间，钛合金的应用由于制造成本较高而受到很大限制。 近年来，世界各国都在积极开发低成本钛合金，在提高钛合金性能的同时降低成本。 在我国，钛合金的制造成本仍然较高。 随着钛合金用量逐渐增加，寻求更低的制造成本是钛合金发展的必然趋势。

1.4 复合材料

先进复合材料是比一般复合材料综合性能更高的新材料。 它们包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料。 它们对军工工业的发展起着决定性的作用。 角色。 先进复合材料具有高比强度、高比模量、耐烧蚀、耐冲蚀、耐核、耐颗粒云、透波、吸波、隐身、耐高速冲击等一系列优点，国防工业发展的重要组成部分。 最重要的一类工程材料。

1.4.1 树脂基复合材料

树脂基复合材料具有成型加工性好、比强度高、比模量高、密度低、耐疲劳、减震、耐化学腐蚀、介电性能好、导热系数低等优点。 效率高等特点，在军事工业中得到广泛应用。 树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两大类。 热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体，添加各种增强纤维的复合材料； 热塑性树脂是一类线型高分子化合物，可溶于溶剂或中，加热时软化并熔融成粘稠液体，冷却时硬化成固体。 树脂基复合材料综合性能优良，制备工艺易于实施，原料丰富。 在航空工业中，树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、水平尾翼、发动机外导管； 在航空航天领域，树脂基复合材料不仅是舵、雷达、进气道的重要材料，而且还可以用来制造固体火箭发动机燃烧室的隔热外壳，还可以用于作为发动机喷嘴的烧蚀耐热材料。 近年来开发的新型氰酸酯树脂复合材料具有防潮性强、微波介电性能好、尺寸稳定性好等优点。 广泛应用于航空航天结构件、飞机主次承重结构件、雷达天线罩等的生产。

1.4.2 金属基复合材料

金属基复合材料具有比强度高、比模量高、高温性能好、热膨胀系数低、尺寸稳定性好、导电导热性能优良等优点，在军事工业中得到广泛应用。 铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体。 增强材料一般可分为三类：纤维、颗粒、晶须。 其中，颗粒增强铝基复合材料已进入型式验证，如用于F-16战斗机。 腹鳍取代铝合金，其刚度和寿命大大提高。 碳纤维增强铝镁基复合材料不仅具有较高的比强度，而且还具有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性。 它们已成功用于制造人造卫星支架、L波段平面天线、太空望远镜和人造卫星。 抛物面天线等； 碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损特性，可用于制造火箭和导弹部件、红外和激光制导系统部件、精密航空电子设备等； 碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温性和抗氧化性，是高推重比发动机的理想结构材料。 他们现在已经进入先进发动机的测试阶段。 在兵器工业领域，金属基复合材料可用于大口径尾稳定穿甲弹托、反直升机/反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零件，以减少减轻弹头重量，提高作战能力。

1.4.3陶瓷基复合材料

陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体，通过一定的复合工艺与陶瓷基体结合在一起的材料的总称。 可以看出，陶瓷基复合材料在陶瓷基体中引入了第二相。 由组分组成的多相材料克服了陶瓷材料固有的脆性，成为当前材料科学研究中最活跃的方面。 陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、热机械性能好、抗热震性能好等特点。 它们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，但也很脆。 改善陶瓷材料脆性的方法有相变增韧、微裂纹增韧、弥散金属增韧、连续纤维增韧等。 陶瓷基复合材料主要用于制造飞机燃气轮机发动机喷嘴阀，对提高发动机的推重比、降低燃油消耗具有重要作用。

1.4.4 碳-碳复合材料

碳-碳复合材料是由碳纤维增强体和碳基体组成的复合材料。 碳-碳复合材料具有比强度高、抗热震性能好、抗烧蚀能力强、性能可设计等一系列优点。 碳碳复合材料的发展与航空航天技术的苛刻要求密切相关。 20世纪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。 在军工领域，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。 最大的碳碳产品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，它们被用作洲际导弹弹头、固体火箭喷嘴和航天飞机机翼前缘的鼻锥帽。 先进碳碳喷嘴材料的电流密度为1.87~1.97 g/cm3，环向拉伸强度为75~115 MPa。 最近研制的远程洲际导弹的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，飞机的装载质量不断增加，飞行和着陆速度不断提高，这对飞机的紧急制动提出了更高的要求。 碳碳复合材料重量轻、耐高温、吸收大量能量、摩擦性能良好。 它们广泛用于高速军用飞机制造刹车片。

1.5超高强度钢

超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200兆帕和1400兆帕的钢。 是为满足飞机结构高比强度材料的要求而研发的。 超高强度钢广泛用于制造火箭发射船和一些常规武器。 由于钛合金和复合材料在飞机上的使用扩大，飞机用钢量有所减少，但飞机上的关键承重部件仍采用超高强钢制成。 目前国际上具有代表性的低合金超高强钢300M是典型的飞机起落架用钢。 此外，低合金超高强钢D6AC是典型的固体火箭发动机壳体材料。 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性能。

1.6 先进高温合金

高温合金是航空航天动力系统的关键材料。 高温合金是指在600℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化、抗腐蚀能力的合金。 是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。 根据基体成分的不同，高温合金分为铁基、镍基和钴基三类。 直到 20 世纪 60 年代，发动机涡轮盘均采用锻造高温合金制成。 典型牌号包括A286和718。20世纪70年代，美国GE公司采用快凝粉末合金制造CFM56发动机涡轮盘，大大提高了其推重比。 温度显着升高。 此后，粉末冶金涡轮盘得到迅速发展。 最近，美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造高温合金涡轮盘。 与粉末高温合金相比，工艺简单，成本降低，具有良好的锻造加工性能。 是一项极具发展潜力的制备技术。

1.7钨合金

钨是金属中熔点最高的。 其突出优点是其高熔点给材料带来了良好的高温强度和耐腐蚀性。 在军工特别是武器制造领域表现出了优良的特点。 在兵器工业中，主要用于制造各种穿甲弹的弹头。 钨合金采用粉末预处理技术和大形变强化技术，细化材料晶粒，拉长晶粒取向，从而提高材料的强度、韧性和穿透力。 我国研制的125II型穿甲弹的钨芯材料为W-Ni-Fe，采用变密度致密烧结工艺。 其平均性能达到抗拉强度1200兆帕，伸长率15%以上，作战技术指标达到2000米。 距离可穿透600毫米厚的均质钢装甲。 目前，钨合金广泛用作主战坦克大长径比穿甲弹、中小口径防空穿甲弹和超高速动能穿甲弹的核心材料，使得各种穿甲弹具有更强大的侵彻力。

1.8 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，赋予其许多特殊的物理、化学和机械性能。 金属间化合物具有优异的热强度，已成为近年来国内外积极研究的重要新型高温结构材料。 在军事工业中，金属间化合物已被用来制造承受热负荷的零件。 例如，美国Puau公司制造JT90燃气轮机发动机叶片，美国空军使用钛铝制造小型飞机发动机转子叶片等，俄罗斯使用钛铝金属间化合物替代耐热合金作为活塞顶，大大提高发动机性能。 在兵器工业领域，坦克发动机增压器涡轮材料为K18镍基高温合金，由于比重大、启动惯性大，影响坦克的加速性能。 钛铝金属间化合物及其组分由氧化铝和碳化硅纤维制成。 增强型复合轻质耐热新材料可大幅提高坦克的启动性能，提高战场生存能力。 此外，金属间化合物还可用于各种耐热部件，以减轻重量，提高可靠性和作战性能指标。

1.9 结构陶瓷

陶瓷材料是当今世界发展最快的高科技材料。 它们已从单相陶瓷发展到多相复合陶瓷。 结构陶瓷材料由于具有耐高温、低密度、耐磨、热膨胀系数低等诸多优异性能，在军工领域具有良好的应用前景。

近年来，国内外对军用发动机结构陶瓷进行了大量的研究工作。 例如，用于发动机增压器的小型涡轮已投入实用； 美国在活塞顶部嵌入了陶瓷板，大大增加了活塞的使用寿命，也提高了发动机的热效率。 德国在排气口镶嵌陶瓷元件，提高排气口的效率。 国外红外热像仪上的微型斯特林制冷机的活塞套和缸套采用陶瓷材料，寿命长达2000小时； 导弹陀螺仪的动力是由火药气体提供的，但气体中的火药残留物对陀螺仪有负面影响。 损害严重，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主战坦克发动机增压器涡轮、活塞顶部、排气口镶嵌等，是新型武器装备的关键材料。 目前20-30毫米口径机枪的射频要求达到每分钟1200发以上，这使得枪管烧蚀极其严重。 利用陶瓷的高熔点和高温化学稳定性，有效抑制严重的筒体烧蚀。 陶瓷材料具有较高的抗压缩性和抗蠕变性。 通过合理的设计，陶瓷材料可以保持三维压缩状态，克服其脆性。 ，保证陶瓷内胆的安全使用。

2军用功能材料

2.1 光电功能材料

光电功能材料是指用于光电技术的材料。 它们可以传输和处理光电信息，是现代信息技术的重要组成部分。 光电功能材料在军工领域有着广泛的应用。 碲化汞镉、锑化铟是红外探测器的重要材料； 硫化锌、硒化锌、砷化镓主要用于制作飞机、导弹、地面武器装备红外探测系统的窗户、引擎盖、整流罩等。 氟化镁透光率高碳纤维在军事上的应用，抗雨水冲刷和侵蚀能力强，是良好的红外透过材料。 激光晶体和激光玻璃是高功率、高能量固体激光器的材料。 典型的激光材料有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石、半导体激光材料等。

2.2 储氢材料

对于一些过渡簇金属、合金和金属间化合物，由于其特殊的晶格结构，氢原子很容易渗入金属晶格的四面体或八面体间隙位，形成金属氢化物。 这种材料被称为储氢材料。

在军械工业中，坦克和车辆中使用的铅酸电池由于容量低、自放电率高，需要频繁充电。 此时维护和运输都非常不方便。 放电输出功率很容易受到电池寿命、充电状态和温度的影响。 在寒冷的气候条件下，坦克车辆的启动速度会明显减慢甚至无法启动，从而影响坦克的作战能力。 储氢合金电池具有能量密度高、耐过充、抗震、低温性能好、寿命长等优点。 在未来主战坦克电池的发展中具有广阔的应用前景。

2.3 阻尼减震材料

阻尼是指自由振动的固体即使与外界完全隔离，其力学性能也会转化为热能的现象。 使用高阻尼功能材料的目的是减少震动和噪音。 因此，阻尼减震材料在军工领域具有重要意义。

国外金属阻尼材料的应用主要集中在造船、航空、航天等工业部门。 美国海军已采用锰铜高阻尼合金制造潜艇螺旋桨，取得了明显的减震效果。 在西方，阻尼材料及技术在武器上的应用研究受到高度重视。 一些发达国家设立了专门针对阻尼材料在武器装备中应用的研究机构。 20世纪80年代以后，国外阻尼、减震、降噪技术进一步发展。 他们利用CAD/CAM减振降噪技术，集设计-材料-工艺-检测为一体，对整体结构进行减振。 减震降噪设计。 我国在20世纪70年代左右就进行了阻尼、减震、降噪材料的研究，取得了一定的成果，但与发达国家相比，还存在一定的差距。 在航空航天领域，阻尼材料主要用于制造火箭、导弹、喷气机等的控制面板或陀螺仪外壳； 在船舶工业中，阻尼材料用于制造螺旋桨、传动部件和舱室隔板，有效降低机械零件啮合过程中因表面碰撞而产生的振动和噪声。 在兵器工业中，坦克传动部件（齿轮箱、传动箱）的振动是一种频率范围较宽的复杂振动。 高性能阻尼锌铝合金和吸振耐磨表面沉积材料技术的应用，大大缓解了这一主要问题。 坦克传动部分产生的振动和噪声。

2.4 隐身材料

现代攻击武器的发展，特别是精确打击武器的出现，极大地威胁了武器装备的生存能力。 单纯依靠加强武器防护能力已经不切合实际。 利用隐身技术禁用敌方的探测、制导和侦察系统，从而尽可能隐藏自己，掌握战场主动权。 先发制人地发现并消灭敌人已成为现代武器防护的重要发展方向。 隐身技术最有效的手段是隐身材料的使用。 国外对隐身技术和材料的研究始于二战期间，起源于德国，发展于美国，扩展到英、法、俄等先进国家。 目前，美国在隐身技术和材料研究方面处于领先地位。 在航空领域，许多国家已成功地将隐身技术应用到飞机的隐身上； 在常规武器方面，美国在坦克和导弹的隐身性方面也进行了大量的工作，并陆续运用在装备上，比如美国的M1A1坦克。 采用雷达波和红外波隐身材料，前苏联的T-80坦克也涂有隐身材料。

隐身材料包括毫米波结构吸波材料、毫米波橡胶吸波材料和多功能吸波涂层。 它们不仅可以降低毫米波雷达和毫米波导系统的检测，跟踪和击打的可能性，而且还与可见光兼容，近红外伪装以及中脑和远红外热伪装的影响。

近年来，在改善和改善传统的隐身材料的同时，国外还致力于探索各种新材料。 晶须材料，纳米材料，陶瓷材料，手性材料，导电聚合物材料等逐渐应用于雷达波和红外隐形材料，从而使涂层更薄且更轻。 由于具有出色的波浪吸收特性，纳米材料也具有广泛的频段，良好的兼容性，厚度较薄等的特征，发达国家正在研究和开发纳米材料作为新一代的隐形材料。 国内毫米浪潮隐形材料是在1980年代中期开始的，研究单位主要集中在武器系统上。 经过多年的努力，研究前的工作取得了长足的进步。 该技术可用于伪装和对各种地面武器系统的隐身，例如主战车，155毫米高级榴弹炮系统和两栖坦克。

目前，世界上正在开发的第四代超音速战斗机使用复合材料，机翼融合和吸收波动的涂料来实现其身体结构，从而真正隐身。 电磁波吸收涂层和电磁屏蔽涂层已经开始在隐形飞机上。 美国和俄罗斯的地表向空中导弹使用轻巧，吸收宽带，热稳定的隐身材料。 可以预见的是，隐形技术的研究和应用已成为世界各国国防技术中最重要的主题之一。

4.我国新军事材料的工业化趋势

军事行业使用的新材料具有高技术含量，因此新军事材料的工业化速度通常很慢。 世界各地的新军事材料正在朝着功能化，超高能量，复合轻量级和智能的方向发展。 从这个角度来看，钛合金，复合材料和纳米材料在军事行业具有很好的工业化前景。

1.钛合金

钛是一种金属，具有出色的特性和在1950年代开发的丰富资源。 随着军事行业对高强度和低密度材料的越来越紧迫的需求，钛合金的工业化过程已经大大加速。 在国外，高级飞机上的钛材料的重量已达到飞机结构总重量的30〜35％。 为了满足航空，航空航天，造船业和其他部门的需求，在我国的“五年计划”期间，该国将钛合金视为开发新材料的优先事项之一。 预计“十五年计划”将是新钛合金材料和我国新工艺的快速发展。 。

2、复合材料

军事高科技的发展要求材料不再是单一的结构材料。 在这种情况下，中国在高级复合材料的开发和应用方面取得了重大成就。 它在“第十五年计划”期间的发展将更加惊人。 21世纪复合材料的开发方向是低成本，高性能，多功能和智能的。

3.纳米材料

纳米技术是现代科学和技术组合的产物。 它不仅涉及所有现有的基础科学和技术领域，而且在军事行业中具有广泛的应用前景。 随着未来战争的突然性急剧增加，各种检测方法变得越来越先进。 为了满足现代战争的需求， 在军事领域占据了非常重要的地位。 纳米材料的雷达波的吸收率很高，因此为武器隐身技术的发展提供了重要的基础。 （在线复杂材料并不代表智囊团的观点）

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