稀土新材料在军工领域的应用探讨

2024-03-05朱利华

安徽化工 2024年1期

朱利华

（内蒙古航天金峡化工有限责任公司，内蒙古呼和浩特 010110）

17个稀土元素镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钪、钇[1-5]及其化合物和材料具有不可替代的光、电、磁、热等性能，被称为“新材料的维生素”，被国家列为战略资源和发展高新技术的关键性元素[6-7]，是当今世界各国改造传统产业，发展高新科技和国防尖端技术不可或缺的战略资源。它们直接影响着光学仪器、电子、航空、航天、兵器、船舶、导弹、核工业等高技术产业发展的速度和水平[6-10]，极大地促进了现代军事技术的发展，并成为现代战争取得胜利的决定性因素之一，如海湾战争和伊拉克战争。美国《国防新闻》也介绍了其在军事上的用途，又如“战斧”巡航导弹的导引装置、MIA2战车的瞄准系统、喷气战斗机的耐高热引擎等都需要稀土[11-14]。

随着信息化战争模式的发展，全球的军事专家更是高度注视着稀土及其化合物在军事上的应用。本文对稀土新材料在现代军事技术上的应用进行归纳整理。

1 稀土金属及合金材料的应用

稀土对钢的作用包括净化变质和合金化两个方面，即脱硫、脱氧、除气，消除低熔点有害杂质的影响，细化晶粒和组织，影响钢的相变点，从而提高钢的淬透性和力学性能等[13]，加入方法有冲入法、喂丝法（包芯线或稀土金属丝、棒）、吊挂法、喷吹法和电渣重熔法。研究人员已开发了适于兵器使用的稀土材料，如稀土特种钢、纯稀土金属、复合稀土金属等，稀土钢在兵器领域的应用呈逐年攀升态势。

1.1 兵器稀土钢

1962年的601、602装甲钢，1975年的623铸造装甲钢，以及目前的685 装甲钢（30MnCrNiMo），先后应用于59、M1A1 等坦克上，使得其抗打击能力比使用碳钢提高了近1倍[6，10，13-15]。从701、703无镍炮钢[9]到如今的耐超高镗压RECrMoV 钢，新型工艺综合强度指标为同规格普通钢管的100 倍以上，不到5 个国家能独立造大口径坦克炮。0.05%的稀土加入碳素钢中，制成S20ARE药筒钢。这种稀土钢较原碳素钢的横向冲击值提高了约70%～100%，-40℃时的冲击值提高近1 倍。试验证明，满足战术技术要求，实现药筒材料钢替代铜[6]。

另外坦克履带板、高速脱壳穿甲弹的尾翼、炮口制退器和火炮结构件，采用稀土钢后减少了加工工序，提高了钢材的利用率，并满足战术技术要求[6，10，13]。

1.2 弹头用稀土金属

我国自采用稀土球墨铸铁（含铈的稀土硅铁合金）作为前膛弹弹体材料制造各种口径的迫击炮弹，炮弹力学性能提高1～2倍，有效杀伤破片数量成倍增加，杀伤力大大提高。迫击炮弹体材料、加农炮炮弹和野战火箭炮炮弹也采用稀土球墨铸铁，有效杀伤破片数和密集杀伤半径均比钢质壳体高[15-16]。稀土材料的引入解决了曾一度束缚了前膛弹弹体发展的瓶颈问题。

镧、铈、镨、钕、钐和钇等发火点很低，铈：160℃，镨：290℃，钕：270℃，并在燃烧时释放出大量的热，如铈燃烧热仅7.2 MJ/g，但单位体积燃烧热却高达39～54 kJ/cm3。美国马克-82 型227 kg 航弹采用稀土金属内衬，除了爆炸杀伤效应外，还产生纵火效应，空对地“阻尼人”火箭弹头内装108 个稀土金属方棒作内衬，取代部分预制破片，静爆破试验证明，其点燃航空油料的能力比无内衬的高44%[6，14]。

纯稀土金属的成本高，各国在燃烧武器中广泛采用价廉的复合稀土金属。复合稀土金属燃烧剂经高压装填于金属壳体中，燃烧剂密度为1.9～2.1 g/cm3，燃烧速度1.3～1.5 mm/s，火焰温度高达1 715℃～2 000℃，其炽热持续时间长于5 min，重量为100 g的稀土燃烧合金可形成200～3 000 个火种，覆盖面积大，与穿甲弹、破甲弹的杀伤半径相当[10，14]。

另外还有航空轻质化材料如稀土镁合金（YMgZn、CeMgAl）、稀土铝合金（AJ14、ZL117）、稀土钛合金（La，Ce，Er，Y，Gd 和Nd 等）用于歼击机、强击机、直升机、无人驾驶机、导弹、卫星等材料，稀土塑料合金用于燃烧弹。稀土合金已成为研究装甲、弹体、多功能弹药的主要材料[15-17]。

稀土永磁体包括稀土钴（Sm-Co 系）、钕铁硼（Nd-Fe-B 系）两大类，称为“高性能永磁材料”，具有剩磁（Br）、矫顽力（Hc）和最大磁能积[（BH）max]“三高”的特点，比二十世纪70 年代磁钢的磁性能高100 多倍。SmCo5和Sm2Co17永磁材料相对钕铁硼永磁材料具有更好的热稳定性[18-20]。

稀土永磁材料可实现电力电子元器件和整机高性能、小型轻量化，已开发出直流力矩电动机、直流发电机、变速恒频启动发动机、励磁整流子电动机、高频大电机、伺服电机、微型电机、同步电动机等多种型号电机，这些产品已成为现代军事中的重要部件，其应用如表1。

表1 稀土永磁电机军工领域应用表［21］

2 航空航天用稀土永磁材料

另外稀土永磁电机还用在航天卫星方面的行波管、环行器、卫星天线伺服跟踪、展开机构、太阳能帆板驱动、姿态控制、温控阀调节驱动、航天器交会对接机构中。在运载火箭、导弹、飞机、战机、野战车、雷达等控制部件也有应用：火箭燃料阀的控制、电子束聚焦、导航系统、制动器、擞波器件、粒子加速器、静音电机、微波管、精密测量仪表、自动导航定向陀螺仪等[22]。

3 稀土超磁致伸缩材料的应用

稀土超磁致伸缩材料目前已制造出换能器、制动器、传感器等。

3.1 海军舰艇声呐用稀土电声换能器

超磁致伸缩换能器是声呐系统重要部件，与锤击震源相比，具有重复性好，便于多组信号采集的优势。低频（频率低至2 kHz），大功率（约220 dB）的声呐用或水声对抗用发射水声换能器，目前已用于装备海军，可打破敌舰艇的隐身技术，探测更远距离目标，同时由于体积小，重量轻，还提升了海军舰艇的作战能力[13，24-26]。

3.2 精密定位马达用稀土电机换能器

依靠电能-动能转换制造的小型受控动作器件，精度可以达到nm级，承受载荷能力（60 kg/mm2）为压电器件20倍的稀土精密定位马达；100 kg输出力，1 m/s极限速度，主动降噪减震，2 000 次/s 动作的高速、强力稀土伺服管道、阀、泵、燃料注入系统等，被广泛用于车、航天器、机器人、精密机床精密仪器、光通讯及印刷等方面[24-26]。