军事新材料技术
新材料是指新出现的或正在发展中的,具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。也指采用新的技术或工艺与装备,使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料。
新材料作为高新技术的基础和先导,其应用范围极其广泛。它同信息技术、生物技术等一起构成21世纪最重要和最具发展潜力的领域。一般认为满足高技术产业发展需要的一些关键材料也属于新材料的范畴。
新材料技术就是研究和应用新材料的技术,它是介于基础科技与应用科技之间的应用性基础技术。军用新材料技术则是用于军事领域的新材料技术,它是发展高技术武器的物质基础。目前,世界范围内的军用新材料技术已有上万种,并以每年5%的速度递增,正向高功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展。
(一)军用新材料的种类
常见的军用新材料技术有很多种,主要包括以下几大类。
1.高级复合材料
复合材料是指两种以上不同性质或不同结构物质组合而成的材料,通常由基体材料和增强剂构成。如碳纤维复合材料,它是一种质轻、强度高的复合材料,主要以聚丙烯腈为原料,也可用人造丝、石油沥青或煤沥青为原料,具有强度高、刚度高、耐疲劳、重量轻等优点。采用这种材料后,美国的AV-8B垂直起降飞机的重量减轻了27%。F-18战斗机减轻了10%。
2.先进陶瓷材料
先进陶瓷材料是当前世界上发展最快的高技术材料,它已经由单相陶瓷发展到多相复合陶瓷,由微米级陶瓷复合材料发展到纳米级陶瓷复合材料。先进陶瓷材料主要有功能陶瓷材料和结构陶瓷材料两大类。其中,在结构材料中,人们已经研制出氮化硅高温结构陶瓷,这种材料不仅克服了陶瓷的致命的脆弱性,而且具有很强的韧性、可塑性、耐磨性和抗冲击能力。与普通热燃气轮机相比,陶瓷热机的重量可减轻30%,而功率则提高30%,节约燃料50%。新型陶瓷材料也可以用于制造坦克装甲等方面。
3.高分子材料
高分子材料又称高分子化合物或高分子聚合物,是由单体聚合而成的分子量较高的化合物,其分子量高达几千几百万。塑料、合成橡胶、合成纤维是当今三大有机合成高分子材料。高分子化合材料除在武器装备中大量使用外,还可以代替高强度合金用于军用飞机,可大大减轻其重量,同时,高分子材料也广泛用于粘结兵器部件,尤其是非金属比例较大的火箭导弹部件。
4.非晶态材料
非晶态材料是指用人工方法将晶体材料加工成具有特殊功能的非晶态物质。非晶态材料主要包括非晶态金属和非晶态陶瓷氧化物。非晶态金属的特点是:强度比相应晶体材料高10倍,抗腐蚀性好,韧性大,电磁性能优良,电阻率高,耐磨性好,热膨胀系数小。非晶态陶瓷的主要优点是具有耐超高温性能。
5.功能材料
功能材料是指利用声、光、电、磁、热、化、生化等效应,可把能量从一种形式转变成另一种形式的材料。功能材料品种很多,如电子计算机的记忆元件、激光器的工作物质红宝石、声纳振荡器的压电陶瓷,以及超导材料、光学塑料、热电材料、光敏材料、反激光材料、防辐射与电子材料,等等。
(二)新材料技术的军事运用
新材料技术在军事上的用途十分广泛,用于武器装备可使其升级换代,性能大大提高。
1.应用于炮兵武器
为了增大火炮的威力,现代火炮的口径不断增大。为了提高炮弹的速度,人们已经利用高技术材料研制了电磁炮和电热炮。此外,轻型结构材料对火炮的机动性也具有决定意义,如美国155毫米榴弹炮,在采用轻型新材料后仅重7 136千克,比德、法、意三国联合研制的FH-70和以色列的M-71式同口径火炮要轻30%。轻型材料的使用,可以使火炮的体积更小、重量更轻、机动性能更好、弹丸速度更快、威力更大。
2.应用于装甲防护
面对种种现代反装甲技术的发展,以及未来战场对坦克和装甲车辆构成的全方位威胁,迫切需要进一步提高现代复合装甲防护能力。单从复合装甲构件来讲,就需要进一步开发具有超高硬度、高韧性和良好焊接性能的装甲钢、高强度先进陶瓷、高性能聚合物材料等新一代特殊功能材料。如美军的M1A1、M1A2主战坦克,其炮塔和侧裙均采用了复合装甲,内衬板也是复合材料防弹板。而若要使坦克不被击中,除提高机动性能外,更重要的是要发展“主动装甲”,即能预先识别目标,并利用诱饵触发和物理摧毁方法,破坏来袭兵器的“装甲”。这种“主动装甲”实际上是一种由复合工程材料制成的合成系统,即在复合装甲中由引入的敏感、传感、微电子等材料和技术而构成的多功能材料系统。将新的控爆材料,轻质多孔隔热、隔音、防火与防冲击材料用于坦克装甲车辆,就可以保证这些车辆中弹后能继续战斗。
3.应用于导弹、卫星、火箭技术
决定导弹、卫星、火箭重量的主要因素是其推进系统。为了减轻重量并增大推力,通常采取两种方法:一是要靠高性能的推进剂;二是要采用轻型壳体和各种轻型结构,以及耐高温材料。战略导弹和卫星的重量每减轻1千克,运载它们的火箭就可减轻500千克。因此,导弹弹体和卫星都要使用重量轻、刚度好、耐高温、弹性强的新型复合材料。
4.应用于武器战斗部
新材料应用于武器的战斗部,可使其威力得到大大提高。如将高密度钨合金与贫铀材料用于穿甲弹,可以提高穿甲侵彻力。大长径比杆式动能弹,可以击穿600毫米的钢板。破甲弹使用了新材料技术后,其侵彻深度已大于锥形炮弹的10倍,一些大口径的射流侵彻深度已经达到1300毫米,并进一步向高纯度冶炼技术、新合金、精密成型和高性能复合化方向发展。
此外,还可以广泛应用于隐形技术及后勤装备等众多领域。