新材料在軍民融合中的應(yīng)用

■ 呂德龍

新材料在軍民融合中的應(yīng)用

■ 呂德龍

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新型工程材料不斷涌現(xiàn)和被采用，新材料與新技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用的作用日益重要。新材料及特種加工技術(shù)對新型武器裝備的研制和生產(chǎn)，起到舉足輕重的作用，可以說新材料及特種加工技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的重要加工方法和手段。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新型工程材料不斷涌現(xiàn)和被采用，新材料與新技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用的作用日益重要。新材料及特種加工技術(shù)對新型武器裝備的研制和生產(chǎn)，起到舉足輕重的作用，可以說新材料及特種加工技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的重要加工方法和手段。

軍民兩用新材料是技術(shù)創(chuàng)新的先導(dǎo)、基礎(chǔ)和支撐，新材料的使用改變著人類的生活習(xí)慣與生活方式。新建筑材料的出現(xiàn)，為人類創(chuàng)造了更加美觀而舒適的居住條件。新材料還促進(jìn)了交通運(yùn)輸條件的改善，它使得火車與飛機(jī)更加快捷，而汽車則為人類的個性化生活提供了前提條件。生物材料為人類提供了新的醫(yī)療手段，同時也為人類提供了新的健康概念。新的合成纖維的出現(xiàn)，使人類超越自然纖維單一途徑獲取更加豐富多彩的紡織品和服裝；具有各種特殊功能的合成冼滌劑，使人類的生活更加清潔；信息材料的發(fā)展，豐富了人類的通信手段，改變著人們的交流方式，而且深刻地影響著人類的生活方式，它不僅使人們能夠在現(xiàn)實空間，而且能夠在虛擬空間里創(chuàng)造自己的個性化生活。新材料還為人類的航空航天事業(yè)提供了前提條件，為人類實現(xiàn)拓展生存空間和消解人類孤獨(dú)提供可能的機(jī)會。

利用我國已有軍工新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)優(yōu)勢，優(yōu)化配置軍民科技力量和產(chǎn)業(yè)資源，推進(jìn)國防科技成果加速向經(jīng)濟(jì)建設(shè)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)軍民新材料技術(shù)在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)、生產(chǎn)采購等環(huán)節(jié)有機(jī)銜接，加快軍民共用新材料產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。鼓勵優(yōu)勢新材料企業(yè)積極參與軍工新材料配套，提高企業(yè)綜合實力，實現(xiàn)寓軍于民。建立軍民人才交流與技術(shù)成果信息共享機(jī)制，積極探索軍民融合的市場化途徑，推動軍民共用材料技術(shù)的雙向轉(zhuǎn)移和輻射。

復(fù)合化是當(dāng)代材料技術(shù)發(fā)展的重要趨勢之一,而大量采用高性能復(fù)合材料是航空航天飛行器發(fā)展的重要方向。其中在民用飛機(jī)領(lǐng)域,應(yīng)用發(fā)展非常迅速。在航天領(lǐng)域,高性能復(fù)合材料的用量也在迅速擴(kuò)大,各種航天飛行器的重要結(jié)構(gòu)件(如運(yùn)載火箭和導(dǎo)彈殼體,航天飛機(jī)與宇宙飛船部件,衛(wèi)星天線,天文望遠(yuǎn)鏡等)正在越來越多地采用復(fù)合材料。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上異質(zhì)、異形、異構(gòu)的材料通過專門成型工藝復(fù)合而成的一種高性能的新材料體系,復(fù)合的目的是要改善材料的性能,或使材料能滿足某種特殊的物理性能(如光、電、熱、聲、磁等)要求。

纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)具有比強(qiáng)度高、比剛度大、阻尼特性好、疲勞壽命長、結(jié)構(gòu)可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在航空、航天及一些特殊領(lǐng)域中被廣泛使用。然而,復(fù)合材料的各向異性,非均勻性等特點(diǎn)給復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析帶來了一系列的挑戰(zhàn)。尤其在航空航天領(lǐng)域,飛行器在運(yùn)行過程中所處的環(huán)境和所受的載荷都非常復(fù)雜。除了考慮飛行器在這些復(fù)雜環(huán)境下的自振特性和確定性外載作用下的動力響應(yīng)外,考慮隨機(jī)性外載的影響也不容忽視。隨機(jī)振動理論和方法就是處理這類問題的先進(jìn)思想和重要手段,但在國內(nèi)外航空航天領(lǐng)域中還很少實際應(yīng)用,主要原因之一就是現(xiàn)有隨機(jī)振動分析方法復(fù)雜而且低效,這在很大程度上限制了飛行器設(shè)計水平的提高。虛擬激勵法是高效精確的隨機(jī)振動分析方法,迄今已經(jīng)在大跨度結(jié)構(gòu)抗震、抗風(fēng),海洋平臺和汽車隨機(jī)振動等多個工程領(lǐng)域被數(shù)以百計的專家針對各工程領(lǐng)域的特點(diǎn)予以發(fā)展而取得很多實際成效。

航空技術(shù)的發(fā)展與航空材料有著密切的關(guān)系。一方面航空技術(shù)的發(fā)展,對材料不斷提出新的要求,推動著航空材料的發(fā)展；另一方面,航空材料的發(fā)展又是航空技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。一種先進(jìn)的飛機(jī)、發(fā)動機(jī)設(shè)計方案,必須有相適應(yīng)的航空材料,才能付諸實現(xiàn)；新材料的發(fā)展和應(yīng)用往往成為航空技術(shù)突破的重要因素。各國對航空材料的研制都非常重視,投入大量的人力和物力。由于航空材料的性能要求比較高,因此航空材料的發(fā)展水平在某種程度上反映著一個國家材料科學(xué)及工程的水平。分析當(dāng)前航空材料發(fā)展的特點(diǎn)和趨勢,確定對策,以便看準(zhǔn)方向,不失時機(jī)地開展有關(guān)研究工作,打基礎(chǔ),上水平,為航空工業(yè)的騰飛做好準(zhǔn)備是非常必要的。當(dāng)代航空材料的發(fā)展非常迅速,領(lǐng)域也極為廣闊,要概括所有的特點(diǎn)是不可能的。

在航空航天領(lǐng)域中,應(yīng)用復(fù)合材料的同時,金屬和陶瓷材料的研究亦有新的進(jìn)展。此外,有機(jī)、碳一碳和金屬基復(fù)合材料用的原絲材料也有了新的改進(jìn)并不斷出現(xiàn)一些新的工藝技術(shù)。復(fù)合材料的競爭中,金屬及合金也獲得很大進(jìn)展。

值得重點(diǎn)關(guān)注的軍民兩用新材料主要有：高性能有機(jī)硅材料、復(fù)合材料、節(jié)能環(huán)保材料、高性能氟硅材料等。

高性能復(fù)合材料，指由兩種或兩種以上異質(zhì)、異型、異性材料(一種作為基體、其他作為增強(qiáng)體)復(fù)合而成的具有特殊材料和結(jié)構(gòu)的新型材料。包括樹脂基復(fù)合材料、碳/碳復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維等高性能增強(qiáng)纖維。目前，國內(nèi)在碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維等領(lǐng)域已有一定的發(fā)展,但仍難以滿足下游領(lǐng)域的需求量。

納米碳化硅微晶（30-50nm）及連續(xù)碳化硅纖維，具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、抗氧化、可編織、電阻率可調(diào)、與樹脂、金屬、陶瓷相容性好等特性，用增強(qiáng)纖維制備的復(fù)合材料，主要作為航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、汽車發(fā)動機(jī)、核能反應(yīng)堆、液體渦扇發(fā)動機(jī)、沖壓發(fā)動機(jī)、高超音速飛行器和深空探測器等耐高熱部件。高速列車的制動材料，汽車尾氣焚燒催化劑的載體如設(shè)備防腐，化學(xué)試劑過濾材料等也有很大的應(yīng)用空間，在電路基板增強(qiáng)材料、燃料電池隔板增強(qiáng)材料等也將獲得更為廣泛的應(yīng)用。此外，碳化硅纖維在材料隱身方面已有應(yīng)用，在結(jié)構(gòu)吸波領(lǐng)域也具備應(yīng)用前景。

碳化硅纖維及納米粉制品的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）作為耐熱材料：如汽車尾氣處理中的脫塵,脫硫,脫NOx裝置、耐鹽霧、海水腐蝕、紅外敏感元件、高溫輸送帶、噴燈嘴、航天飛機(jī)柔性防熱材料、過濾器、催化劑載體等。

（2）增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料：纖維體積含量為30%的Al基復(fù)合材料，其彎曲強(qiáng)度為超硬鋁的1.8倍，拉伸強(qiáng)度為1.3倍。減重40%。而且在400℃以下材料的強(qiáng)度降低幅度不大，而特超硬鋁在200℃時為常溫強(qiáng)度的1/5以下?？捎糜谥圃鞂?dǎo)彈的尾翼、炮管等。

（3）增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料：與環(huán)氧樹脂、聚酰亞胺樹脂組成的復(fù)合材料與碳纖維相比具有較高的壓縮強(qiáng)度、較高的沖擊強(qiáng)度和優(yōu)異的磨損性，同時碳化硅/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料還具有優(yōu)異的電性能?？蓱?yīng)用于雷達(dá)天線罩和飛行器的結(jié)構(gòu)材料，以及各種結(jié)構(gòu)吸波材料。

（4）增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料：主要應(yīng)用于宇宙火箭和飛機(jī)噴氣發(fā)動機(jī)的耐熱部件、航天飛機(jī)的隔熱瓦等。

（5）隱身材料：碳化硅纖維以及優(yōu)異的吸波性與高溫抗氧化性而被用于制造隱身巡航導(dǎo)彈的頭錐和火箭發(fā)動機(jī)殼體。

為了提高飛行器的實防能力和自我保護(hù)的生存能力，以提高戰(zhàn)斗力為目標(biāo)，世界各大國都在努力發(fā)展隱身技術(shù)。在實戰(zhàn)中，雷達(dá)及紅外探測器應(yīng)用比例最大，分別為60%和30%。研究雷達(dá)波吸收材料是當(dāng)今世界隱身技術(shù)的熱點(diǎn)。隨著各種新型飛行器的出現(xiàn)，吸收頻帶寬度和吸波性能不斷提高，單一的吸波材料難以適應(yīng)要求，而功能也由單一吸波發(fā)展為承載和吸波結(jié)合，從而出現(xiàn)了一種新型的結(jié)構(gòu)型吸波復(fù)合材料，其核心材料就是應(yīng)具有一定的力學(xué)性能和吸波功能為一體的纖維。從吸波原理上，應(yīng)用最廣的材料有磁損耗型和介電損耗型。

作為耐高溫、耐氧化的高性能SiC纖維，它不僅與碳纖維等其它增強(qiáng)纖維有相近的力學(xué)性能，可以承載，它還具有一定的半導(dǎo)體特性，其電阻率可以在101～107Ω?cm范圍內(nèi)通過改進(jìn)工藝進(jìn)行調(diào)節(jié)。通用型SiC纖維其電阻率一般在105～107Ω?cm，不具有吸波特性，若改變制造工藝和調(diào)整纖維的有效組成比，完全可以將SiC纖維的電阻率調(diào)至101～103Ω?cm，具有介電損耗型吸波纖維，國內(nèi)外的文獻(xiàn)均有報導(dǎo)，認(rèn)為SiC纖維是一種理想的高性能結(jié)構(gòu)吸波纖維。

碳化硅復(fù)合材料是碳纖維增強(qiáng)碳和碳化硅陶瓷基體復(fù)合材料，具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蝕、優(yōu)異的高溫力學(xué)性能和熱物理性能、良好的自潤滑性能等優(yōu)點(diǎn)，是一種能滿足1650℃使用的新型高溫結(jié)構(gòu)材料和功能材料。作為剎車材料不僅具有碳/碳復(fù)合材料剎車盤密度小、剎車平穩(wěn)，磨損失重率小、熱容量大等優(yōu)勢，而且克服了碳盤吸濕性大、濕態(tài)摩擦系數(shù)低、靜摩擦系數(shù)低、適應(yīng)性差的不足，因此美軍率先在F16戰(zhàn)機(jī)上應(yīng)用，效果良好。美國摩擦材料公司對陶瓷基剎車復(fù)合材料進(jìn)行評估，表明碳/碳化硅復(fù)合材料將成為新一代飛機(jī)和汽車剎車材料。

作為一類新興的功能材料，記憶合金的很多新用途正不斷被開發(fā)，例如用記憶合金制作的眼鏡架，如果不小心被碰彎曲了，只要將其放在熱水中加熱，就可以恢復(fù)原狀。汽車的外殼也可以用記憶合金制作。如果不小心碰癟了，只要用電吹風(fēng)加加溫就可恢復(fù)原狀，既省錢又省力，很是方便。

利用記憶合金在特定溫度下的形變功能，可以制作多種溫控器件，如溫控電路、溫控閥門，溫控的管道連接。人們已經(jīng)利用記憶合金制作了自動的消防龍頭：失火溫度升高，記憶合金變形，使閥門開啟，噴水救火。制作了機(jī)械零件的連接、管道的連接，飛機(jī)的空中加油的接口處就是利用了記憶合金：兩機(jī)油管套結(jié)后，利用電加熱改變溫度，接口處記憶合金變形，使接口緊密滴水（油）不漏。制作了宇宙空間站的面積幾百平米的自展天線--先在地面上制成大面積的拋物線形或平面天線，折疊成一團(tuán)，用飛船帶到太空，溫度轉(zhuǎn)變，自展成原來的大面積和形狀。

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀，它將大展宏圖、造福于人類。

玄武巖纖維是戰(zhàn)略性的創(chuàng)新材料，是指涉及國家全局的、舉足輕重的，不是局部的，也不是地區(qū)性的，更不是少數(shù)企業(yè)的事情。戰(zhàn)略性創(chuàng)新材料必須具備五個特征：一是關(guān)乎國家安全戰(zhàn)略和國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略，對國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要支撐及促進(jìn)作用的新材料；二是制造該材料的技術(shù)自主可控；三是該材料的創(chuàng)新代表世界技術(shù)革命和產(chǎn)業(yè)革命的方向；四是符合綠色低碳可持續(xù)發(fā)展的要求；五是原料來源于本國自給且充沛不受外國控制。因此，玄武巖纖維無疑是戰(zhàn)略性的創(chuàng)新材料。

目前，戰(zhàn)略規(guī)劃和實施重點(diǎn)得當(dāng)，我國完全有可能成為玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的大國和強(qiáng)國。隨著玄武巖纖維產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，玄武巖纖維對國民經(jīng)濟(jì)和國家安全的促進(jìn)作用將日益顯示出來。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，新型工程材料不斷涌現(xiàn)和被采用，新材料與新技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用要求越來越高，對新材料與新技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用提出了更高的要求。由于受新材料性能、結(jié)構(gòu)、設(shè)備加工能力的限制，使用傳統(tǒng)的方法很難完成新產(chǎn)品開發(fā)。為了解決這些難題，人們不斷開發(fā)研究并成功采用新材料與新技術(shù)解決了很多工藝問題，發(fā)揮了很大的作用。

進(jìn)入二十世紀(jì)以來，制造技術(shù)，特別是先進(jìn)制造技術(shù)不斷發(fā)展，作為新材料與新技術(shù)在新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用的作用日益重要。它解決了加工方法所遇到的難以解決的問題，并有著自己獨(dú)特的特點(diǎn)，新材料及特種加工技術(shù)在國際上被稱為21世紀(jì)的技術(shù)，尤其對新型武器裝備的研制和生產(chǎn)，起到舉足輕重的作用，可以說新材料及特種加工技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代工業(yè)不可缺少的重要加工方法和手段。

材料工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，新材料是材料工業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，是重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。高性能復(fù)合材料和前沿新材料將是我國重點(diǎn)發(fā)展的新材料品種。

目前，重點(diǎn)新材料包括以下六大領(lǐng)域：①特種金屬功能材料。具有獨(dú)特的聲、光、電、熱、磁等性能的金屬材料。②高端金屬結(jié)構(gòu)材料。較傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料具有更高的強(qiáng)度、韌性和耐高溫、抗腐蝕等性能的金屬材料。③先進(jìn)高分子材料。具有相對獨(dú)特的物理化學(xué)性能、適宜在特殊領(lǐng)域或特定環(huán)境下應(yīng)用的人工合成高分子新材料。④新型無機(jī)非金屬材料。在傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料基礎(chǔ)上新出現(xiàn)的具有耐磨、耐腐蝕、光電等特殊性能的材料。⑤高性能復(fù)合材料。由兩種或兩種以上異質(zhì)、異型、異性材料（一種作為基體，其他作為增強(qiáng)體）復(fù)合而成的具有特殊功能和結(jié)構(gòu)的新型材料。⑥前沿新材料。當(dāng)前以基礎(chǔ)研究為主，未來市場前景廣闊，代表新材料科技發(fā)展方向，具有重要引領(lǐng)作用的材料。

利用我國已有軍工新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)優(yōu)勢，優(yōu)化配置軍民科技力量和產(chǎn)業(yè)資源，推進(jìn)國防科技成果加速向經(jīng)濟(jì)建設(shè)轉(zhuǎn)化，促進(jìn)軍民新材料技術(shù)在基礎(chǔ)研究、應(yīng)用開發(fā)、生產(chǎn)采購等環(huán)節(jié)有機(jī)銜接，加快軍民共用新材料產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展。鼓勵優(yōu)勢新材料企業(yè)積極參與軍工新材料配套，提高企業(yè)綜合實力，實現(xiàn)寓軍于民。建立軍民人才交流與技術(shù)成果信息共享機(jī)制，積極探索軍民融合的市場化途徑，推動軍民共用材料技術(shù)的雙向轉(zhuǎn)移和輻射。

呂德龍,高級工程師，主要從事兵器工業(yè)材料及熱加工新技術(shù)推廣工作)