新材料在军民融合中的应用

■ 吕德龙

新材料在军民融合中的应用

■ 吕德龙

随着科学技术的迅速发展，新型工程材料不断涌现和被采用，新材料与新技术在新产品开发中应用的作用日益重要。新材料及特种加工技术对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用，可以说新材料及特种加工技术已经成为现代工业不可缺少的重要加工方法和手段。

随着科学技术的迅速发展，新型工程材料不断涌现和被采用，新材料与新技术在新产品开发中应用的作用日益重要。新材料及特种加工技术对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用，可以说新材料及特种加工技术已经成为现代工业不可缺少的重要加工方法和手段。

军民两用新材料是技术创新的先导、基础和支撑，新材料的使用改变着人类的生活习惯与生活方式。新建筑材料的出现，为人类创造了更加美观而舒适的居住条件。新材料还促进了交通运输条件的改善，它使得火车与飞机更加快捷，而汽车则为人类的个性化生活提供了前提条件。生物材料为人类提供了新的医疗手段，同时也为人类提供了新的健康概念。新的合成纤维的出现，使人类超越自然纤维单一途径获取更加丰富多彩的纺织品和服装；具有各种特殊功能的合成冼涤剂，使人类的生活更加清洁；信息材料的发展，丰富了人类的通信手段，改变着人们的交流方式，而且深刻地影响着人类的生活方式，它不仅使人们能够在现实空间，而且能够在虚拟空间里创造自己的个性化生活。新材料还为人类的航空航天事业提供了前提条件，为人类实现拓展生存空间和消解人类孤独提供可能的机会。

利用我国已有军工新材料产业发展的技术优势，优化配置军民科技力量和产业资源，推进国防科技成果加速向经济建设转化，促进军民新材料技术在基础研究、应用开发、生产采购等环节有机衔接，加快军民共用新材料产业化、规模化发展。鼓励优势新材料企业积极参与军工新材料配套，提高企业综合实力，实现寓军于民。建立军民人才交流与技术成果信息共享机制，积极探索军民融合的市场化途径，推动军民共用材料技术的双向转移和辐射。

复合化是当代材料技术发展的重要趋势之一,而大量采用高性能复合材料是航空航天飞行器发展的重要方向。其中在民用飞机领域,应用发展非常迅速。在航天领域,高性能复合材料的用量也在迅速扩大,各种航天飞行器的重要结构件(如运载火箭和导弹壳体,航天飞机与宇宙飞船部件,卫星天线,天文望远镜等)正在越来越多地采用复合材料。复合材料是由两种或两种以上异质、异形、异构的材料通过专门成型工艺复合而成的一种高性能的新材料体系,复合的目的是要改善材料的性能,或使材料能满足某种特殊的物理性能(如光、电、热、声、磁等)要求。

纤维增强树脂基复合材料层合结构具有比强度高、比刚度大、阻尼特性好、疲劳寿命长、结构可设计性强等优点,在航空、航天及一些特殊领域中被广泛使用。然而,复合材料的各向异性,非均匀性等特点给复合材料结构的力学分析带来了一系列的挑战。尤其在航空航天领域,飞行器在运行过程中所处的环境和所受的载荷都非常复杂。除了考虑飞行器在这些复杂环境下的自振特性和确定性外载作用下的动力响应外,考虑随机性外载的影响也不容忽视。随机振动理论和方法就是处理这类问题的先进思想和重要手段,但在国内外航空航天领域中还很少实际应用,主要原因之一就是现有随机振动分析方法复杂而且低效,这在很大程度上限制了飞行器设计水平的提高。虚拟激励法是高效精确的随机振动分析方法,迄今已经在大跨度结构抗震、抗风,海洋平台和汽车随机振动等多个工程领域被数以百计的专家针对各工程领域的特点予以发展而取得很多实际成效。

航空技术的发展与航空材料有着密切的关系。一方面航空技术的发展,对材料不断提出新的要求,推动着航空材料的发展；另一方面,航空材料的发展又是航空技术发展的基础和前提。一种先进的飞机、发动机设计方案,必须有相适应的航空材料,才能付诸实现；新材料的发展和应用往往成为航空技术突破的重要因素。各国对航空材料的研制都非常重视,投入大量的人力和物力。由于航空材料的性能要求比较高,因此航空材料的发展水平在某种程度上反映着一个国家材料科学及工程的水平。分析当前航空材料发展的特点和趋势,确定对策,以便看准方向,不失时机地开展有关研究工作,打基础,上水平,为航空工业的腾飞做好准备是非常必要的。当代航空材料的发展非常迅速,领域也极为广阔,要概括所有的特点是不可能的。

在航空航天领域中,应用复合材料的同时,金属和陶瓷材料的研究亦有新的进展。此外,有机、碳一碳和金属基复合材料用的原丝材料也有了新的改进并不断出现一些新的工艺技术。复合材料的竞争中,金属及合金也获得很大进展。

值得重点关注的军民两用新材料主要有：高性能有机硅材料、复合材料、节能环保材料、高性能氟硅材料等。

高性能复合材料，指由两种或两种以上异质、异型、异性材料(一种作为基体、其他作为增强体)复合而成的具有特殊材料和结构的新型材料。包括树脂基复合材料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料、金属基复合材料、碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高性能增强纤维。目前，国内在碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等领域已有一定的发展,但仍难以满足下游领域的需求量。

纳米碳化硅微晶（30-50nm）及连续碳化硅纤维，具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、可编织、电阻率可调、与树脂、金属、陶瓷相容性好等特性，用增强纤维制备的复合材料，主要作为航空发动机、燃气轮机、汽车发动机、核能反应堆、液体涡扇发动机、冲压发动机、高超音速飞行器和深空探测器等耐高热部件。高速列车的制动材料，汽车尾气焚烧催化剂的载体如设备防腐，化学试剂过滤材料等也有很大的应用空间，在电路基板增强材料、燃料电池隔板增强材料等也将获得更为广泛的应用。此外，碳化硅纤维在材料隐身方面已有应用，在结构吸波领域也具备应用前景。

碳化硅纤维及纳米粉制品的应用主要体现在以下几个方面：

（1）作为耐热材料：如汽车尾气处理中的脱尘,脱硫,脱NOx装置、耐盐雾、海水腐蚀、红外敏感元件、高温输送带、喷灯嘴、航天飞机柔性防热材料、过滤器、催化剂载体等。

（2）增强金属基复合材料：纤维体积含量为30%的Al基复合材料，其弯曲强度为超硬铝的1.8倍，拉伸强度为1.3倍。减重40%。而且在400℃以下材料的强度降低幅度不大，而特超硬铝在200℃时为常温强度的1/5以下。可用于制造导弹的尾翼、炮管等。

（3）增强树脂基复合材料：与环氧树脂、聚酰亚胺树脂组成的复合材料与碳纤维相比具有较高的压缩强度、较高的冲击强度和优异的磨损性，同时碳化硅/环氧树脂复合材料还具有优异的电性能。可应用于雷达天线罩和飞行器的结构材料，以及各种结构吸波材料。

（4）增强陶瓷基复合材料：主要应用于宇宙火箭和飞机喷气发动机的耐热部件、航天飞机的隔热瓦等。

（5）隐身材料：碳化硅纤维以及优异的吸波性与高温抗氧化性而被用于制造隐身巡航导弹的头锥和火箭发动机壳体。

为了提高飞行器的实防能力和自我保护的生存能力，以提高战斗力为目标，世界各大国都在努力发展隐身技术。在实战中，雷达及红外探测器应用比例最大，分别为60%和30%。研究雷达波吸收材料是当今世界隐身技术的热点。随着各种新型飞行器的出现，吸收频带宽度和吸波性能不断提高，单一的吸波材料难以适应要求，而功能也由单一吸波发展为承载和吸波结合，从而出现了一种新型的结构型吸波复合材料，其核心材料就是应具有一定的力学性能和吸波功能为一体的纤维。从吸波原理上，应用最广的材料有磁损耗型和介电损耗型。

作为耐高温、耐氧化的高性能SiC纤维，它不仅与碳纤维等其它增强纤维有相近的力学性能，可以承载，它还具有一定的半导体特性，其电阻率可以在101～107Ω•cm范围内通过改进工艺进行调节。通用型SiC纤维其电阻率一般在105～107Ω•cm，不具有吸波特性，若改变制造工艺和调整纤维的有效组成比，完全可以将SiC纤维的电阻率调至101～103Ω•cm，具有介电损耗型吸波纤维，国内外的文献均有报导，认为SiC纤维是一种理想的高性能结构吸波纤维。

碳化硅复合材料是碳纤维增强碳和碳化硅陶瓷基体复合材料，具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蚀、优异的高温力学性能和热物理性能、良好的自润滑性能等优点，是一种能满足1650℃使用的新型高温结构材料和功能材料。作为刹车材料不仅具有碳/碳复合材料刹车盘密度小、刹车平稳，磨损失重率小、热容量大等优势，而且克服了碳盘吸湿性大、湿态摩擦系数低、静摩擦系数低、适应性差的不足，因此美军率先在F16战机上应用，效果良好。美国摩擦材料公司对陶瓷基刹车复合材料进行评估，表明碳/碳化硅复合材料将成为新一代飞机和汽车刹车材料。

作为一类新兴的功能材料，记忆合金的很多新用途正不断被开发，例如用记忆合金制作的眼镜架，如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复原状。汽车的外壳也可以用记忆合金制作。如果不小心碰瘪了，只要用电吹风加加温就可恢复原状，既省钱又省力，很是方便。

利用记忆合金在特定温度下的形变功能，可以制作多种温控器件，如温控电路、温控阀门，温控的管道连接。人们已经利用记忆合金制作了自动的消防龙头：失火温度升高，记忆合金变形，使阀门开启，喷水救火。制作了机械零件的连接、管道的连接，飞机的空中加油的接口处就是利用了记忆合金：两机油管套结后，利用电加热改变温度，接口处记忆合金变形，使接口紧密滴水（油）不漏。制作了宇宙空间站的面积几百平米的自展天线--先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，折叠成一团，用飞船带到太空，温度转变，自展成原来的大面积和形状。

记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观，它将大展宏图、造福于人类。

玄武岩纤维是战略性的创新材料，是指涉及国家全局的、举足轻重的，不是局部的，也不是地区性的，更不是少数企业的事情。战略性创新材料必须具备五个特征：一是关乎国家安全战略和国家经济发展战略，对国防建设和国民经济发展具有重要支撑及促进作用的新材料；二是制造该材料的技术自主可控；三是该材料的创新代表世界技术革命和产业革命的方向；四是符合绿色低碳可持续发展的要求；五是原料来源于本国自给且充沛不受外国控制。因此，玄武岩纤维无疑是战略性的创新材料。

目前，战略规划和实施重点得当，我国完全有可能成为玄武岩纤维产业的大国和强国。随着玄武岩纤维产业的快速发展，玄武岩纤维对国民经济和国家安全的促进作用将日益显示出来。

随着科学技术的迅速发展，新型工程材料不断涌现和被采用，新材料与新技术在新产品开发中的应用要求越来越高，对新材料与新技术在新产品开发中的应用提出了更高的要求。由于受新材料性能、结构、设备加工能力的限制，使用传统的方法很难完成新产品开发。为了解决这些难题，人们不断开发研究并成功采用新材料与新技术解决了很多工艺问题，发挥了很大的作用。

进入二十世纪以来，制造技术，特别是先进制造技术不断发展，作为新材料与新技术在新产品开发中的应用的作用日益重要。它解决了加工方法所遇到的难以解决的问题，并有着自己独特的特点，新材料及特种加工技术在国际上被称为21世纪的技术，尤其对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用，可以说新材料及特种加工技术已经成为现代工业不可缺少的重要加工方法和手段。

材料工业是国民经济的基础产业，新材料是材料工业发展的先导，是重要的战略性新兴产业。高性能复合材料和前沿新材料将是我国重点发展的新材料品种。

目前，重点新材料包括以下六大领域：①特种金属功能材料。具有独特的声、光、电、热、磁等性能的金属材料。②高端金属结构材料。较传统金属结构材料具有更高的强度、韧性和耐高温、抗腐蚀等性能的金属材料。③先进高分子材料。具有相对独特的物理化学性能、适宜在特殊领域或特定环境下应用的人工合成高分子新材料。④新型无机非金属材料。在传统无机非金属材料基础上新出现的具有耐磨、耐腐蚀、光电等特殊性能的材料。⑤高性能复合材料。由两种或两种以上异质、异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。⑥前沿新材料。当前以基础研究为主，未来市场前景广阔，代表新材料科技发展方向，具有重要引领作用的材料。

利用我国已有军工新材料产业发展的技术优势，优化配置军民科技力量和产业资源，推进国防科技成果加速向经济建设转化，促进军民新材料技术在基础研究、应用开发、生产采购等环节有机衔接，加快军民共用新材料产业化、规模化发展。鼓励优势新材料企业积极参与军工新材料配套，提高企业综合实力，实现寓军于民。建立军民人才交流与技术成果信息共享机制，积极探索军民融合的市场化途径，推动军民共用材料技术的双向转移和辐射。

吕德龙,高级工程师，主要从事兵器工业材料及热加工新技术推广工作)