16 новых военных материалов

Новые военные материалы являются материальной основой нового поколения вооружения и техники, а также являются ключевыми технологиями в военной сфере в современном мире. Технология новых военных материалов — это новая технология материалов, используемая в военной области. Это ключ к современному сложному вооружению и технике и важная часть высоких военных технологий. Страны всего мира придают большое значение развитию технологий новых военных материалов. Ускорение разработки новых технологий военных материалов является важной предпосылкой сохранения военного лидерства.

Статус применения новых военных материалов

Новые военные материалы можно разделить на две категории: конструкционные материалы и функциональные материалы в зависимости от их использования. В основном они используются в авиационной промышленности, аэрокосмической промышленности, оружейной промышленности и судостроении.

Алюминиевый сплав

Алюминиевый сплав всегда был наиболее широко используемым металлическим конструкционным материалом в военной промышленности. Алюминиевый сплав имеет характеристики низкой плотности, высокой прочности и хороших характеристик обработки. В качестве конструкционного материала, благодаря своим превосходным характеристикам обработки, из него можно изготавливать профили, трубы, высокоармированные пластины и т. д. различного сечения, чтобы полностью использовать потенциал материала и улучшить компоненты. Жесткость и прочность. Поэтому алюминиевый сплав является предпочтительным легким конструкционным материалом для легкого оружия.

В авиационной промышленности алюминиевые сплавы в основном используются для изготовления обшивки самолетов, перегородок, балок и триммеров. В аэрокосмической промышленности алюминиевые сплавы являются важным материалом для изготовления деталей конструкций ракет-носителей и космических кораблей. В области вооружения успешно применяются алюминиевые сплавы. Широко применяется в боевых машинах пехоты и бронетранспортерах. Недавно разработанная гаубичная установка также использует большое количество новых материалов из алюминиевых сплавов.

Использование алюминиевых сплавов в авиакосмической промышленности в последние годы сократилось, но они остаются одним из основных конструкционных материалов в военной промышленности. Тенденцией развития алюминиевых сплавов является стремление к высокой чистоте, высокой прочности, высокой ударной вязкости и устойчивости к высоким температурам. К алюминиевым сплавам, применяемым в военной промышленности, в основном относятся алюминиево-литиевые сплавы, алюминиево-медные сплавы (серия 2000) и алюминиево-цинко-магниевые сплавы (серия 7000).

В авиационной промышленности применяются новые алюминиево-литиевые сплавы, прогнозируется, что масса самолетов снизится на 8–15 %; алюминиево-литиевые сплавы также станут кандидатами на конструкционные материалы для аэрокосмических аппаратов и тонкостенных корпусов ракет. В условиях быстрого развития аэрокосмической промышленности основное внимание в исследованиях алюминиево-литиевых сплавов по-прежнему уделяется решению проблем низкой ударной вязкости в направлении толщины и снижению затрат.

Магниевый сплав

Как самый легкий конструкционный металлический материал, магниевый сплав обладает рядом уникальных свойств, таких как легкий удельный вес, высокая удельная прочность и удельная жесткость, хорошее демпфирование и теплопроводность, сильная способность к электромагнитному экранированию и хорошие свойства гашения вибрации, что в значительной степени отвечает потребностям Потребностей аэрокосмической отрасли, современного вооружения и техники и других областей военного назначения.

Магниевые сплавы имеют множество применений в военной технике, например, в каркасах сидений танков, зеркалах командира, зеркалах наводчика, корпусах коробок передач, седлах фильтров двигателей, впускных и выпускных трубах для воды, седлах воздухораспределителей, корпусах масляных насосов, корпусах водяных насосов, масляных теплообменниках, корпуса масляных фильтров, клапанные крышки, респираторы и другие детали автомобилей; тактические отсеки поддержки ракет ПВО и обшивки элеронов, стеновые панели, усиленные шпангоуты, рули направления, шпангоуты и другие детали боекомплекта стрелы; истребители, бомбардировщики, вертолеты, транспортные самолеты, бортовые радары, ракеты класса «земля-воздух», ракеты-носители, искусственные спутники и другие компоненты космических аппаратов. Магниевые сплавы легкие по весу, обладают хорошей удельной прочностью и жесткостью, хорошими характеристиками демпфирования вибрации, сильными электромагнитными помехами и сильными экранирующими свойствами, что может удовлетворить требования военной продукции по снижению веса, шумопоглощению, поглощению ударов и радиационной защите. Он занимает очень важное место в аэрокосмическом и оборонном строительстве и является ключевым конструкционным материалом, необходимым для оружия и оборудования, такого как самолеты, спутники, ракеты, истребители и танки.

Титановый сплав

Титановый сплав обладает высокой прочностью на разрыв (441–1470 МПа), низкой плотностью (4,5 г/см³), отличной коррозионной стойкостью, определенной прочностью при высоких температурах и хорошей устойчивостью к низким температурам при 300–550 градусах. Ударная вязкость, это идеальный легкий конструкционный материал. Титановый сплав обладает функциональными характеристиками сверхпластичности. Используя технологию сверхпластического формовочно-диффузионного соединения, из сплава можно изготавливать изделия сложной формы и точных размеров с очень небольшими затратами энергии и материалов.

Применение титановых сплавов в авиационной промышленности в основном заключается в изготовлении конструктивных деталей фюзеляжа самолетов, шасси, опорных балок, дисков компрессоров двигателей, лопастей и шарниров; В авиакосмической промышленности титановые сплавы в основном используются для изготовления силовых деталей и каркасов. , газовые баллоны, сосуды под давлением, корпуса турбонасосов, корпуса и сопла твердотопливных двигателей и другие детали. В начале 1950-х годов промышленный чистый титан начал использоваться на некоторых военных самолетах для изготовления деталей конструкции, таких как тепловые экраны задней части фюзеляжа, хвостовые обтекатели и скоростные тормоза; В 1960-х годах применение титановых сплавов в конструкциях самолетов расширилось и стало включать в себя скользящие рулонные закрылки. , несущие переборки, балки шасси и другие основные несущие конструкции; с 1970-х годов использование титановых сплавов в военных самолетах и ​​двигателях быстро возросло, начиная с истребителей и заканчивая большими военными бомбардировщиками и транспортными самолетами. Он используется на самолетах F14 и F15. На долю использования приходится 25% веса конструкции, а на двигателях F100 и TF39 коэффициент использования достигает 25% и 33% соответственно; после 1980-х годов материалы и технология изготовления титановых сплавов достигли дальнейшего развития, а для самолета B1B требуется 90 402 килограмма титана. Среди существующих авиационных титановых сплавов наибольшее распространение получил универсальный сплав Ti-6Al-4V типа a+b. В последние годы Запад и Россия последовательно разработали два новых типа титановых сплавов. Это титановые сплавы с высокой прочностью, высокой вязкостью, свариваемостью и хорошей формуемостью, а также титановые сплавы с высокой температурой, высокой прочностью и огнестойкостью. Эти два передовых титановых сплава будут играть важную роль в будущей аэрокосмической промышленности. имеет хорошие перспективы применения.

С развитием современной войны армия нуждается в многофункциональной усовершенствованной гаубичной системе, обладающей высокой мощностью, большой дальностью действия, высокой точностью и способностью быстрого реагирования. Одной из ключевых технологий перспективной гаубицы являются технологии новых материалов. Облегчение материалов для самоходных артиллерийских башен, их комплектующих и легкой металлической бронетехники является неизбежной тенденцией в развитии вооружения. Титановые сплавы с целью обеспечения динамики и защиты широко используются в армейском оружии. Использование титанового сплава для дульного тормоза артиллерии 155 позволяет не только снизить вес, но и уменьшить деформацию артиллерийского ствола под действием силы тяжести, эффективно повышая точность стрельбы; некоторые сложные формы на основных боевых танках и вертолетно-противотанковых многоцелевых ракетах. Компоненты могут быть изготовлены из титанового сплава, что позволяет не только удовлетворить требования к характеристикам продукта, но и снизить стоимость обработки деталей.

Долгое время применение титановых сплавов было сильно ограничено из-за высоких производственных затрат. В последние годы страны по всему миру активно разрабатывают недорогие титановые сплавы для снижения затрат и одновременного улучшения характеристик титановых сплавов. В моей стране себестоимость производства титановых сплавов все еще относительно высока. Поскольку количество титановых сплавов постепенно увеличивается, стремление к снижению производственных затрат является неизбежной тенденцией в разработке титановых сплавов.

Композитные материалы

4.1 Композиционные материалы на основе смол

Композиционные материалы на основе смол обладают хорошей технологичностью при формовании, высокой удельной прочностью, высоким удельным модулем, низкой плотностью, усталостной прочностью, амортизацией, стойкостью к химической коррозии, хорошими диэлектрическими свойствами и низкой теплопроводностью. Благодаря высокой эффективности и другим характеристикам он широко используется в военной промышленности. Композиционные материалы на основе смол можно разделить на две категории: термореактивные и термопластичные. Композиционные материалы на основе термореактивных смол представляют собой тип композиционных материалов, в которых в качестве матрицы используются различные термореактивные смолы и добавляются различные армирующие волокна; в то время как термопластичные смолы представляют собой тип линейных полимерных соединений, которые можно растворять в растворителях или в растворителях. Они размягчаются и плавятся в вязкую жидкость при нагревании и затвердевают в твердое вещество при охлаждении. Композиционные материалы на основе смол обладают отличными комплексными свойствами, процесс приготовления прост в реализации, а сырье имеется в изобилии. В авиационной промышленности композиционные материалы на основе смол используются для изготовления крыльев, фюзеляжей самолетов, оперения, горизонтального оперения, наружных каналов двигателей; В аэрокосмической области композиционные материалы на основе смол являются не только важными материалами для рулей направления, радаров и воздухозаборников, но также могут использоваться для изготовления изолирующей оболочки камеры сгорания твердотопливного ракетного двигателя, а также могут использоваться в качестве абляционного термостойкого материала для сопла двигателя. Новые композиционные материалы на основе цианатной смолы, разработанные в последние годы, обладают такими преимуществами, как высокая влагостойкость, хорошие диэлектрические свойства в микроволновом диапазоне и хорошая стабильность размеров. Они широко используются при производстве деталей аэрокосмической конструкции, основных и вторичных несущих частей конструкции самолетов, обтекателей радиолокационных станций.

4.2 Композиты с металлической матрицей

Композиционные материалы с металлической матрицей имеют высокую удельную прочность, высокий удельный модуль, хорошие характеристики при высоких температурах, низкий коэффициент теплового расширения, хорошую стабильность размеров, отличную электро- и теплопроводность и широко используются в военной промышленности. Алюминий, магний и титан являются основными матрицами металломатричных композитов. Армирующие материалы обычно можно разделить на три категории: волокна, частицы и усы. Среди них композиты с алюминиевой матрицей, армированные частицами, прошли проверку модели, например, используемые в истребителях F-16. Брюшной плавник заменяет алюминиевый сплав, его жесткость и срок службы значительно улучшены. Композиционные материалы на основе алюминия и магния, армированные углеродным волокном, не только обладают высокой удельной прочностью, но также имеют коэффициент теплового расширения, близкий к нулю, и хорошую стабильность размеров. Они успешно используются для изготовления кронштейнов искусственных спутников, планарных антенн L-диапазона, космических телескопов и искусственных спутников. Параболические антенны и т.п.; Композиционные материалы с алюминиевой матрицей, армированные частицами карбида кремния, обладают хорошими жаропрочными и противоизносными характеристиками и могут использоваться для изготовления компонентов ракет и ракет, компонентов инфракрасных и лазерных систем наведения, прецизионных устройств авионики и т. д.; Титановая матрица, армированная карбидокремниевым волокном. Композиционные материалы обладают хорошей термостойкостью и стойкостью к окислению и являются идеальными конструкционными материалами для двигателей с высокой тяговооруженностью. Сейчас они вступили в стадию испытаний перспективных двигателей. В области вооружения металломатричные композиционные материалы могут быть использованы в крупнокалиберных бронебойных подкалиберных стабилизированных хвостовой части, корпусах твердотопливных двигателей противовертолетных/противотанковых многоцелевых ракет и других компонентах для снижения веса боевой части. и улучшить боевые возможности.

4.3 Композиты с керамической матрицей

Композиционные материалы с керамической матрицей — это общий термин для материалов, в которых в качестве армирования используются волокна, усы или частицы, которые комбинируются с керамической матрицей посредством определенного композиционного процесса. Видно, что композиционные материалы с керамической матрицей вводят в керамическую матрицу вторую фазу. Многофазные материалы, состоящие из компонентов, преодолевают присущую керамическим материалам хрупкость и стали наиболее активным аспектом современных исследований в области материаловедения. Композиционные материалы с керамической матрицей обладают характеристиками низкой плотности, высокой удельной прочности, хорошими термомеханическими свойствами и термостойкостью. Они являются одним из ключевых вспомогательных материалов для будущего развития военной промышленности. Хотя керамические материалы обладают хорошими жаропрочными свойствами, они также хрупкие. Методы повышения хрупкости керамических материалов включают упрочнение с фазовым переходом, упрочнение микротрещин, упрочнение дисперсного металла и упрочнение непрерывного волокна. Композиционные материалы с керамической матрицей в основном используются для изготовления сопловых клапанов авиационных газотурбинных двигателей, которые играют важную роль в улучшении тяговооруженности двигателя и снижении расхода топлива.

4.4 Углерод-углеродные композиты

Углерод-углеродные композиционные материалы представляют собой композиционные материалы, состоящие из армирования углеродным волокном и углеродной матрицы. Углерод-углеродные композиционные материалы обладают рядом преимуществ, таких как высокая удельная прочность, хорошая термостойкость, высокая стойкость к абляции и проектные характеристики. Разработка углерод-углеродных композиционных материалов тесно связана с высокими требованиями аэрокосмической техники. С 1980-х годов исследования углерод-углеродных композитных материалов вступили в стадию улучшения характеристик и расширения области применения. В военной промышленности наиболее привлекательными применениями углерод-углеродных композитных материалов являются антиокислительные углерод-углеродные носовые обтекатели и передние кромки крыльев космических кораблей. Крупнейшим углеродно-углеродным продуктом являются тормозные колодки сверхзвуковых самолетов. Углерод-углеродные композиционные материалы в основном используются в качестве абляционных материалов и термоконструкционных материалов в аэрокосмической отрасли. В частности, они используются в качестве носовых обтекателей боеголовок межконтинентальных ракет, сопел твердотопливных ракет и передних кромок крыльев космических кораблей. Плотность тока современных углеродно-углеродных материалов сопла составляет 1,87–1,97 г/см3, а предел прочности на разрыв составляет 75–115 МПа. В торцевых крышках недавно разработанных межконтинентальных ракет большой дальности почти все изготовлены из углеродно-углеродных композитных материалов.

С развитием современной авиационной техники погрузочная масса самолетов продолжает увеличиваться, а посадочная скорость полета продолжает увеличиваться, что выдвигает более высокие требования к экстренному торможению самолетов. Углерод-углеродные композиционные материалы легки по весу, устойчивы к высоким температурам, поглощают большое количество энергии, обладают хорошими фрикционными свойствами. Они широко используются в высокоскоростных военных самолетах для изготовления тормозных колодок.

сверхвысокопрочная сталь

Сверхвысокопрочная сталь — это сталь с пределом текучести и пределом прочности более 1200 МПа и 1400 МПа соответственно. Он исследован и разработан для удовлетворения требований к материалам с высокой удельной прочностью для авиационных конструкций. В связи с расширением использования в авиации титановых сплавов и композиционных материалов количество стали, используемой в самолетах, сократилось, но ключевые несущие узлы самолетов по-прежнему изготавливаются из сверхвысокопрочной стали. В настоящее время широко распространенная на международном уровне низколегированная сверхвысокопрочная сталь 300М является типичной сталью для шасси самолетов. Кроме того, низколегированная сверхвысокопрочная сталь Д6АС является типичным материалом корпуса твердотопливного двигателя. Тенденция развития сверхвысокопрочных сталей заключается в постоянном повышении ударной вязкости и стойкости к коррозии под напряжением при обеспечении сверхвысокой прочности.

Усовершенствованные жаропрочные сплавы

Жаропрочные сплавы являются ключевыми материалами для аэрокосмических энергетических систем. Высокотемпературные сплавы — это сплавы, которые могут выдерживать определенные нагрузки при высоких температурах 600–1200 градусов и обладают антиокислительными и антикоррозийными свойствами. Они являются предпочтительными материалами для изготовления дисков турбин аэрокосмических двигателей. По различным матричным компонентам жаропрочные сплавы делятся на три категории: на основе железа, на основе никеля и на основе кобальта. Диски турбины двигателей до 1960-х годов изготавливались из кованых жаропрочных сплавов. Типичные марки включают A286 и Inconel 718. В 1970-х годах американская компания GE использовала быстро затвердевающий порошковый сплав Rene95 для изготовления диска турбины двигателя CFM56, что значительно увеличило его тяговооруженность. , рабочая температура значительно повышается. С тех пор турбинные диски порошковой металлургии быстро развивались. Недавно в Соединенных Штатах был принят процесс быстрого отверждения напылением для производства дисков турбин из жаропрочных сплавов. По сравнению с порошкообразными жаропрочными сплавами этот процесс прост, стоимость снижается и имеет хорошие характеристики обработки ковки. Это технология приготовления с большим потенциалом развития.

Вольфрамовый сплав

Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления среди металлов. Его выдающимся преимуществом является то, что высокая температура плавления обеспечивает материалу хорошую жаропрочность и коррозионную стойкость. Он показал отличные характеристики в военной промышленности, особенно в производстве вооружений. В оружейной промышленности его в основном используют для изготовления боевых частей различных бронебойных снарядов. Вольфрамовый сплав использует технологию предварительной обработки порошка и технологию упрочнения большой деформацией для измельчения зерен материала и удлинения ориентации зерен, тем самым улучшая прочность, ударную вязкость и проникающую способность материала. Вольфрамовый сердечник бронебойного снаряда Тип 125 II, разработанного в нашей стране, представляет собой W-Ni-Fe, в котором применяется процесс компактного спекания переменной плотности. Его средние показатели достигают прочности на разрыв 1200 МПа, удлинения более 15% и боево-технического показателя 2,000 метра. На расстоянии пробивает гомогенную стальную броню толщиной 600 мм. В настоящее время вольфрамовый сплав широко используется в качестве сердечника бронебойных снарядов большого удлинения основного боевого танка, зенитных бронебойных снарядов малого и среднего калибра и сверхскоростных бронебойных снарядов с кинетической энергией, которые делает различные бронебойные снаряды более мощной пробивной способностью.

интерметаллические соединения

Интерметаллические соединения имеют сверхрешетчатую структуру с дальним упорядочением и поддерживают прочные металлические связи, что придает им множество особых физических, химических и механических свойств. Интерметаллические соединения обладают превосходной термической прочностью и стали важными новыми высокотемпературными конструкционными материалами, активно изучаемыми в стране и за рубежом в последние годы. В военной промышленности интерметаллиды используются для изготовления деталей, выдерживающих термические нагрузки. Например, американская компания Puau производит лопатки газотурбинного двигателя JT90, ВВС США используют титан-алюминий для изготовления лопастей несущего винта небольших авиационных двигателей и т. д., а Россия использует титан. Интерметаллические соединения алюминия заменяют жаропрочные сплавы в качестве днищ поршней. , что значительно улучшает производительность двигателя. В области вооружения материалом турбины нагнетателя танкового двигателя является жаропрочный сплав на основе никеля К18, который влияет на разгонные характеристики танка из-за большого удельного веса и пусковой инерции. Титан-алюминиевые интерметаллиды и их компоненты изготавливаются из волокон оксида алюминия и карбида кремния. Новый улучшенный композитный легкий и термостойкий материал может значительно улучшить стартовые характеристики танка и повысить его живучесть на поле боя. Кроме того, интерметаллиды также могут использоваться в различных термостойких компонентах для снижения веса, повышения показателей надежности и боевых качеств.

структурная керамика

Керамические материалы сегодня являются наиболее быстрорастущими высокотехнологичными материалами в мире. Они прошли путь от однофазной керамики к многофазной композитной керамике. Конструкционные керамические материалы имеют хорошие перспективы применения в военной промышленности благодаря своим превосходным свойствам, таким как высокая термостойкость, низкая плотность, износостойкость и низкий коэффициент теплового расширения.

В последние годы в стране и за рубежом ведутся обширные исследовательские работы по конструкционной керамике для военных двигателей. Например, на практике нашли применение небольшие турбины для нагнетателей двигателей; Соединенные Штаты установили керамические пластины в верхнюю часть поршня, что значительно увеличило срок службы поршня, а также повысило термический КПД двигателя. Германия вставляет керамические компоненты в выхлопное отверстие, чтобы повысить его эффективность. Гильза поршня и гильза цилиндра миниатюрного холодильника Стирлинга на зарубежных инфракрасных тепловизионных камерах изготовлены из керамических материалов, срок службы до 2,000 часов; Питание гироскопа ракеты осуществляется за счет порохового газа, однако остатки пороха в газе оказывают негативное воздействие на гироскоп. Тяжелый ущерб. Для устранения остатков в газе и повышения точности попадания ракеты необходимо изучить керамические фильтрующие материалы, пригодные для работы ракетных пороховых газов при температуре 2000 градусов. В области вооружения конструкционная керамика широко используется в турбинах нагнетателя двигателя основного боевого танка, головках поршней, вкладышах выхлопных отверстий и т. д. и является ключевым материалом для нового оружия и оборудования. В настоящее время потребность в радиочастоте пулеметов калибра 20-30 мм достигает более 1200 выстрелов в минуту, что делает абляцию ствола крайне серьезной. Высокая температура плавления и высокотемпературная химическая стабильность керамики используются для эффективного подавления сильной бочкообразной абляции. Керамические материалы обладают высокой стойкостью к сжатию и сопротивлением ползучести. Благодаря разумному дизайну керамические материалы могут поддерживать трехмерное сжатое состояние и преодолевать свою хрупкость. , чтобы обеспечить безопасное использование керамических вкладышей.