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复合材料在军事领域的应用
军用新材料是军用高技术的基础，谁能更快地开发和应用具有特定性能的新材料，谁就拥有最强大的技术潜力。因此世界各国军事部门都把军用新材料的研究开发放在特殊的地位，各国的军用高技术计划无不以新材料作为其重要的内容之。
当前新材料的发展重点是具有优异性能的结构材料和具有特殊功能的功能材料。结构材料包括金属材料和复合材料。先进复合材料是指用高性能纤维及编织物增强不同基体所制成的一种高级材料。先进复合材料是结构材料的主要发展方向。这种材料的特点是强度大、比重小、具有良好的气动弹性性能，并且能大批量生产。
材料的复合化是材料发展的必然趋势之一。复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。复合材料与其它单质材料相比具有高比强度、高比刚度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优良的性能，倍受各国技术人员的重视。因复合材料具有可设计性的特点，已成为军事工业的一支主力军，复合材料技术是发展高技术武器的物质基础，是现代精良武器装备的关键。目前军用复合材料正向高功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展，加速复合材料在航空工业、航天工业、兵器工业和舰船工业中的应用是打赢现代高技术局部战争的有力保障。
复合材料已经在航空航天工业以及各种武器装备上得到了广泛地应用。随着复合材料技术不断发展，应用的结构部件已由次承力件发展到主承力件，而巳应用面逐步扩大。先进复合材料已成功地应用在F－－
16、F－－
18、“幻影”2000等军用飞机、“民兵”、“三叉戟”、“株儒”等战略导弹，以及M—L、T—72、“豹”－－Ⅱ等坦克上，并取得了良好的效果。为进一步推动复合材料在武器装备上的应用，美国正在实施“先进设计复合材料飞机”计划，预计复合材料将占飞机结构质量的68.5％，并使整个结构质量减轻35％。隐形材料是特种功能复合材料的重要发展方向。
功能复合材料在军事领域的应用功能复合材料是指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括化学和生物性能的复合材料。功能复合材料设计自由度大，按功能一多功能一机敏一智能的形式逐步升级。功能复合材料将具有电、声、光、热、磁特性的材料，按不同的应用进行组合匹配，得到不仅保持原有特性，还产生一些新特性或具有比原来更优越特性的材料。现代化高技术常规战争极大地提高了武器的对抗性、精确性，未来的智能武器、隐形武器、电子战武器、激光武器以及新概念软杀伤武器等的设防、跟踪，使功能材料成为关键技术。目前，功能复合材料涉及面宽，下面就军事领域较常用的功能复合材料做一简单介绍。
隐身材料
隐身材料是实现武器隐身的物质基础。武器装备如飞机、舰船、导弹等使用隐身材料后，可大大减少自身的信号特征，提高生存能力。声隐身材料包括消声材料、隔声材料、吸声材料及消声、隔声、吸声的复合体，主要用于新一代潜艇。雷达隐身材料能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射雷达波，从而达到隐身的目的。另外，一些由硅、碳、硼、玻璃纤维，以及某些陶瓷与有机聚合物构成的复合材料，有很高的机械强度，可用于制作部分结构件，如飞机蒙皮、雷达天线罩等，同时又具有隐身功能。红外隐身材料主要用于车辆、舰艇、军用飞机及其他军用设施，使这些装备和设施的红外辐射与背景基本达到一致，敌人的红外探测器难以分辨。用铝粉及含有二价铁离子的材料作为填充料，加到能透过红外线的粘结剂中，可构成红外隐身涂料。可见光隐身材料通常由铝粉、多金属氧化物粉和有机物复合而成，或由掺杂的半导体材料构成，可形成与背景颜色相匹配的迷彩图案，满足可见光隐身的要求。激光隐身材料用来对抗激光制导武器、激光雷达和激光测距机，要求这些材料对激光的反射率低可吸收率高。对隐身材料来说，对某种探测手段的隐身性能好，往往对另一种探测手段的隐身性能就不好，即隐身材料的相容性问题。为解决这一问题，研制了兼容型隐身材料，如雷达波、红外兼容隐身材料，红外、激光兼容隐身材料，雷达波、红外、激光等多种兼容的隐身材料，这是当前隐身材料的发展方向。
应用于隐身的现代隐身技术，除了热红外线和自身电磁隐身外，主要使用新型吸收波材料，即在飞机表面涂抹能大量吸收雷达波的新型介质材料，将雷达电磁波吸收，使雷达无法发现，纳米复合材料是隐身吸波材料研究的重要方向。为应付不同雷达的不同工作方式，现在的隐身飞机已经开始有选择地使用吸收材料。目前，美、英等国正进行主动抵消技术的研究，即利用吸收材料先吸收大部分雷达波，剩下的少量的反射波再利用主动抵消技术将其全部抵消，雷达就会完全失去作用。美国的F一¨7战斗机采用6种吸波材料，机身机翼和V型垂尾外表面贴吸波薄板或铁氧体复合涂层，起到很好的隐身效果，在1991年的海湾战争中出动1000多架次而无一受损，在国际上引起了极大的反响，可见隐身材料在高技术战争中的地位。
隐形材料可以吸收大量的雷达波信号，从而达到防探测的目的。它可以涂复在飞行器外表上，也可作为飞行器的蒙皮构件。好的吸波材料可以吸收雷达波99％以上的能量。海湾战争中使用的F—L17A隐形飞机，除了具有良好的隐形外形和进气道设计外，主要是涂复了良好吸波材料。美国最新研制的新一代战斗机F－－22，也大量采用丁吸波材料，因而具有良好的隐形性能。
军用新材料是军用高技术的基础，谁能更快地开发和应用具有特定性能的新材料，谁就拥有最强大的技术潜力。因此世界各国军事部门都把军用新材料的研究开发放在特殊的地位，各国的军用高技术计划无不以新材料作为其重要的内容之。
智能材料
智能材料是把传感器、致动器、光电器件和微型处理机等埋在复合材料结构中，具有感知周围环境变化，针对这种变化具有自诊断功能、自适应功能、自修复自愈合功能，且具有自决策功能的复合材料。智能材料成为当前研究的新热点。飞机上采用的智能结构是由各种智能材料制成的传感元件、处理元件和驱动元件组成的，而这3个组成部分相当于人的神经、大脑和肌肉。格鲁曼公司将光导纤维埋人树脂基复合材料制成机翼以提高飞机效率，这些光导纤维能像神经那样感知机翼上因气候条件变化而引起的压力变化，根据光传输信号进行处理后发出指令，通过驱动元件驱动机翼前缘和后线自行弯曲。驱动可通过电流由压电陶瓷变形来实现，也可通过磁场由磁致伸缩材料变形来实现，或通过加热由形状记忆合金发生位移来实现，还可应用于无人飞机上。在磁致伸缩材料中，铁稀土合金具有最大的磁致伸缩效应。智能材料压电陶瓷制成的传感器和驱动器可解决机翼和尾翼的颤振问题，例如F／A—JSE／F垂尾的振动试验表明，振动减少了8O。
智能材料还将在其他领域发挥它的聪明才智，例如美国正在制造一种小型智能炸弹。可使一架重型轰炸机同时精确攻击数百个独立目标，还准备给这种炸弹装上智能引信，巧妙地做到“不见目标不拉弦”。在地面作战中，若要使坦克不被击中，除提高机动性能外。更重要的是发展“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，破坏来袭兵器的由复合材料制成的合成系统，即在复合装甲中引入敏感、传感、微电子等材料和技术而构成的多功能智能材料系统。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。总之，智能材料虽然尚处于早期开发阶段，但正孕育着新的突破和大的发展。设计和合成智能材料需要解决许多关键技术问题，智能材料这一复杂体系的材料复合应能仿照生物模型，确保在设计的结构层次上将多种功能集于一体，建立起传感、驱动和控制网络，通过建立数学或力学模型，进一步优化。
军用复合材料的可设计性
复合材料已广泛应用于飞机、火箭、人造卫星和国防等各个领域。但复合材料的设计是一个复杂的系统性问题，它涉及环境载荷、设计要求、材料选材、成型方法及工艺过程、力学分析、检验测试、维护与修补、安全性、可靠性及成本等诸多因素。对于飞机、火箭等军用材料减轻结构重量、提高有效载荷是设计者追求的永恒主题。材料的设计应从最大限度的安全性、可靠性出发来考虑经济贡献，同时材料的选择应该满足复合材料设计中所提出的要求，符合军事工业领域的规范和要求；在设计军用复合材料及其结构时，必须进行系统的实验工作，了解并掌握复合材料及其结构在静载荷、动载荷、疲劳载荷及冲击载荷作用下，在室温、高温、低温、湿热、辐射和腐蚀等不同使用环境下的各种重要性能数据，为军用复合材料的设计提供科学的依据。在兵器高技术的迅速发展过程中，先进军用复合材料是国际兵器高新技术发展的基础，应是多种学科的综合，复合材料整体化、优选化、智能化是未来高技术兵器发展的必然趋势。军用复合材料正向着低成本、高性能、多功能和智能化方向发展，在未来的军事高技术领域有着举足轻重的地位，并具有十分良好的产业化前景。
复合材料在军用舟桥装备中的应用
战时为了保障部队及兵器的高速机动, 维持前 线和后方的交通畅通, 保证军事物资的顺利补给, 舟 桥装备对战争有决定性的作用。浮桥结合、架设迅 速, 便于撤收和随军转移。它受河流深度、河床地形 和土壤性质等地理特征的影响小, 具有固定桥脚桥 梁无法比拟的优点。按照战术要求, 还可以灵活地 使用桥脚舟拼组成门桥实施渡河。它适用于宽大江 河和复杂的水文环境[ 1]。现代战争对军用舟桥有很 高的技术要求: 具有足够的承载能力。现代武器 装备, 尤其是坦克和自行火炮等主战兵器, 重量都日 益增加。战场物资消耗量大, 补给物资的运输任务 极其繁重。快速架桥。部队的快速前进往往是争 分夺秒, 因此要求结构简单, 技术难度低, 以简化作 业过程。!机动性好。关键在于减轻舟桥器材的自 重, 这往往与承载能力的要求相矛盾。∀有足够的 抗毁伤能力。战场环境恶劣, 所用材料对火烧及震 动应有抵抗力, 桥脚舟具有良好的抗沉性, 结构能经 受局部破坏。舟桥装备适用复合材料
我军的舟桥装备, 包括带式舟桥、桥脚分置式舟 桥以及轻型渡河器材(冲锋舟和汽艇等), 几乎全部 采用钢材。钢材的优点在于强度高, 塑性和韧性好, 弹性模量高, 各向受力均匀, 性能可靠, 设计计算理 论成熟。在舟桥装备的使用中, 钢材也暴露出许多 突出的缺点。比如重量大, 严重影响装备的机动性 能和战场架设速度, 耐腐蚀性差, 维修保养费用高 等。复合材料在舟桥装备中的应用已开始起步。其 主要优点是比强度高, 可在保证承载能力的前提下 降低装备自重, 运输架设轻便, 因而有利于提高机动 性能和架设速度等技术指标。它的可设计性好, 能 够按照结构的受力要求, 通过选择组分和结构选型 实现优化设计, 满足军事装备的苛刻要求。战时军 用浮桥通载频繁, 工况复杂, 随时可能遭受爆炸产生 的冲击破坏作用。纤维增强复合材料可吸收一定的 冲击能量, 减震性能和疲劳强度好[ 2]。另一突出优 点是耐腐蚀, 可适应恶劣的工作环境, 在化工建筑和 永久性地下(水下)工程中表现优秀[ 3]。舟桥装备使 用复合材料能大大增强抗腐蚀性能, 简化维修保养, 延长使用寿命, 在全寿命期内具有较好的经济性 能[ 4]。
由此可见, 复合材料在舟桥装备中的应用乃大 势所趋。纵观现有研究工作, 在适用于舟桥装备的 复合材料中讨论最多的有两种, 玻璃钢和泡沫塑料。玻璃钢用做结构材料;泡沫塑料用做飘浮材料, 以提 供浮力。21
玻璃钢
玻璃钢在军事工业上应用十分广泛, 已经成功 用于制造飞机和导弹上的受力结构件。实际上, 在 二战期间发明玻璃钢后, 最早的应用就是军事工业。全玻璃钢的侦察艇、登陆艇、扫雷艇早已经问世, 并 已造出1000t 级的玻璃钢舰艇。1982 年, 北京密云 县建成一座玻璃钢蜂窝箱梁公路桥, 跨径20.7m, 宽 9.2m, 载重80t 左右[ 5]。玻璃钢在造船和桥梁方面 的应用是玻璃钢适用于舟桥装备的有利佐证, 并可 为其提供设计参考。玻璃钢的主要缺点在于抗冲击 性能不足, 在潮湿环境中易产生老化, 必须采取一定 的表面防护措施, 才能应用于舟桥装备。目前普遍 采用有机复合涂层。研究表明, 表面防护层能较大 增强复合材料的耐环境老化能力和抵抗外力对表面 的划伤。军用装备特别关注玻璃钢的防火性能, 建 筑工业有类似的要求[ 6] , 这一难点已基本解决。玻 璃钢的工艺方法成熟, 成型简单方便, 易实现机械化 和自动化生产, 制造成本低, 生产周期短。22
泡沫塑料
以聚氨酯为代表的泡沫塑料, 密度小, 能提供大 的漂浮力, 是理想的漂浮材料。它们的比强度高, 生 产工艺成熟, 发泡方法简单实用, 成型方便, 广泛使 用于漂浮、救生和打捞装置。美军曾用泡沫塑料制 成靶船, 可供射手连续射击而不沉没。聚氨酯泡沫 2002年7月玻璃钢/ 复合材料45 FRP/ CM
2002No.4 塑料的化学稳定性好, 能耐多种有机溶剂, 若带有致 密的保护表皮层, 则对复杂环境的适应性更强。实 践证明, 其性能经得住较长时间的考验。此外, 泡沫 塑料制品的适应性强, 可通过改变原料和调整配方 得到不同特性的产品, 经济性能优良[ 3]。
泡沫塑料的力学性能与泡孔特性有密切关系。漂浮器材使用的泡沫塑料均为闭孔结构, 泡孔具有 单胞性。每个泡孔都是一个独立的漂浮元件, 刺破 或打穿时对整体的漂浮性能影响甚微。漂浮用泡沫 塑料的密度较小, 而表面强度往往偏低。这一缺陷 有两种解决方法:
在材料表面覆盖一层玻璃纤维 增强树脂;利用特殊发泡工艺在高强度蒙皮中整 体成型。两种方法的增强效果都很好。泡沫塑料的 另一重要指标是阻燃性能, 对于军事装备尤为重要。它应具有不易着火, 火焰传播性小, 发烟量少, 燃烧 时生成的有害气体少等特性。硬质聚氨酯泡沫塑料 在加入阻燃剂后, 可较好的满足阻燃性要求。应用实例
(1)网架实心舟。目前军用舟桥器材的桥脚舟 均为钢结构形式, 因自重受到严格限制, 大多数制式 单舟内部未设水密隔舱。当结构受到局部破坏时, 钢结构空心舟体的抗沉性能很差, 难以满足战时装 备抗毁伤能力要求。钢结构舟体的使用寿命因腐蚀 问题受到严重影响, 除锈防腐的保养工作耗费大量 的人力物力。考虑到复合材料的诸多优点, 若用轻 质复合材料制成实心舟体, 则可在相当程度上改进 其使用性能。网架作为新型受力结构在承载时内力 分布更为合理。其分析理论和设计制造方法日臻成 熟。随着化学工业的发展, 泡沫塑料的密度、强度、阻燃和耐老化等性能已具备用于制作承重桥脚舟的 条件。因此, 可以采用以复合材料管材网架作为受 力结构, 并在内部填充发泡材料作为军用舟桥器材 的舟体(简称网架实心舟)[ 4]。网架实心舟的承载能 力与相同尺寸的钢结构桥脚舟大致相当, 对现有舟 桥装备配套器材基本无需改动, 却具有钢质空心舟 无法比拟的抗沉性能和耐腐蚀性能, 而且自重较轻, 使用寿命更长。与钢舟相比, 网架实心舟的制作无 需复杂的工艺流程, 生产方法简单高效。遵循# 平战 结合∃的思想, 可以在平时储存制作网架实心舟所需 的杆件和球节点, 战时再快速组装生产。如此即可 节约桥脚舟的贮存场地和费用, 免去平时的保养维 护工作, 延长装备的使用寿命。
(2)门桥增浮材料。门桥是武器装备渡河的主 要方式之一。由于大量主战兵器的吨位显著增加, 部分级别的制式门桥吨位偏低, 因此迫切需要研制 出相应器材, 能在不改变门桥原有结构、不影响原有 操作的前提下快速提高门桥的承载力并适当提高其 抗沉性。用泡沫塑料制成浮块单元, 作为增浮器材 通过适当方式加挂于门桥桥脚舟舷外, 即可达到提 高门桥承载力的目的。增浮器材的应用方便灵活, 无需对现有的舟体做任何改动, 也不影响拼组和结 合漕渡门桥的其他操作, 而且较好地满足了浮性、稳 性和拖航性等方面的要求。泡沫塑料浮块上的连接 结构适用于浮块之间的相互连接, 因此可根据需要 将浮块单独拼组为渡人浮筏、轻型浮桥和渡送轻型 车辆的浮筏, 达到了一物多用的目的[ 7]。泡沫塑料 价格低廉, 生产工艺成熟, 提高舟桥装备承载力的效 果显著[ 8] , 免去了研制新型装备的繁琐过程和巨额 费用, 体现了复合材料优良的经济性能。
(3)军用船艇。玻璃钢船体自重轻, 可增加有效 装载, 减少阻力, 增加航速, 节省燃料, 提高经济效 益。复合材料不同于金属材料, 它是在制造材料的 过程中即形成构件, 免去了钢材所需的复杂加工工 艺, 可设计性好, 加工成型方便, 尤其受船舶工业的 欢迎。玻璃钢具有良好的抗磁、隔音、电绝缘性能和 不反射雷达波等特点, 特别适合军事装备, 广泛用于 扫雷艇和巡逻艇等[ 8]。玻璃钢船艇的制造已不存在 任何实质性的问题, 开发重点是如何在性能与稳定 性方面、经济与安全方面取得优化协调[ 9]。秦皇岛 玻璃钢厂曾生产过班用冲锋舟, 但仍处于试生产阶 段, 与定型生产和大量装备部队的要求尚有差距。结束语
复合材料用于军事装备的优异性能是毋庸置疑 的。从长远考虑, 其应用大有前途。发展复合材料 并不是要丢弃传统材料。传统材料的应用已有数百 年的历史, 它有自己独特的优势, 短期内不可能被完 全代替。近年来, 传统材料领域在积极发展新工艺、新理论, 以充分发掘材料性能的潜力。应用复合材 料时应考虑与传统材料的混合使用, 仔细研究它们 的连接方式, 求得性能的最佳结合。参考文献
洪修和.浮桥结构与计算.南京: 解放军理工大学工程兵工程学 院, 1982 2
崔金泰.航空工程材料学.北京: 国防工业出版社, 1990 3
钱志屏.泡沫塑料[ M].北京: 中国石化出版社, 1998 新材料在军事工业中的应用与发展
合作单位－西南证券研发中心
王锋
一
前言
新材料，又称先进材料（Advanced Materials），是指新近研究成功的和正在研制中的具有优异特性和功能，能满足高技术需求的新型材料。人类历史的发展表明，材料是社会发展的物质基础和先导，而新材料则是社会进步的里程碑。
材料技术一直是世界各国科技发展规划之中的一个十分重要的领域，它与信息技术、生物技术、能源技术一起，被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。材料高技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术，也是一个国家国防力量最重要的物质基础。国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者，新材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。二
军用新材料的战略意义
军用新材料是新一代武器装备的物质基础，也是当今世界军事领域的关键技术。而军用新材料技术则是用于军事领域的新材料技术，是现代精良武器装备的关键，是军用高技术的重要组成部分。世界各国对军用新材料技术的发展给予了高度重视，加速发展军用新材料技术是保持军事领先的重要前提。
三
军用新材料的现状与发展
军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类，主要应用于航空工业、航天工业、兵器工业和船舰工业中。
军用结构材料
1.1
铝合金
铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料。铝合金具有密度低、强度高、加工性能好等特点，作为结构材料，因其加工性能优良，可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等，以充分发挥材料的潜力，提高构件刚、强度。所以，铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。
铝合金在航空工业中主要用于制造飞机的蒙皮、隔框、长梁和珩条等；在航天工业中，铝合金是运载火箭和宇宙飞行器结构件的重要材料，在兵器领域，铝合金已成功地用于步兵战车和装甲运输车上，最近研制的榴弹炮炮架也大量采用了新型铝合金材料。
近年来，铝合金在航空航天业中的用量有所减少，但它仍是军事工业中主要的结构材料之一。铝合金的发展趋势是追求高纯、高强、高韧和耐高温，在军事工业中应用的铝合金主要有铝锂合金、铝铜合金（2000系列）和铝锌镁合金（7000系列）。
新型铝锂合金应用于航空工业中，预测飞机重量将下降8~15%；铝锂合金同样也将成为航天飞行器和薄壁导弹壳体的候选结构材料。随着航空航天业的迅速发展，铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向的韧性差和降低成本的问题。
1.2
钛合金
钛合金具有较高的抗拉强度（441~1470兆帕），较低的密度（4.5g/cm3），优良的抗腐蚀性能和在300~550oC温度下有一定的高温持久强度和很好的低温冲击韧性，是一种理想的轻质结构材料。钛合金具有超塑性的功能特点，采用超塑成形－扩散连接技术，可以以很少的能量消耗和材料消耗将合金制成形状复杂和尺寸精密的制品。
钛合金在航空工业中的应用主要是制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等；在航天工业中，钛合金主要用来制作承力构件、框架、气瓶、压力容器、涡轮泵壳、固体火箭发动机壳体及喷管等零部件。50年代初，在一些军用飞机上开始使用工业纯钛制造后机身的隔热板、机尾罩、减速板等结构件；60年代，钛合金在飞机结构上的应用扩大到襟翼滑轧、承力隔框、起落架梁等主要受力结构中；70年代以来，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加，从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机，它在F14和F15飞机上的用量占结构重量的25%，在F100和TF39发动机上的用量分别达到25%和33%；80年代以后，钛合金材料和工艺技术达到了进一步发展，一架B1B飞机需要90402公斤钛材。现有的航空航天用钛合金中，应用最广泛的是多用途的a+b型Ti-6Al-4V合金。近年来，西方和俄罗斯相继研究出两种新型钛合金，它们分别是高强高韧可焊及成形性良好的钛合金和高温高强阻燃钛合金，这两种先进钛合金在未来的航空航天业中具有良好的应用前景。
随着现代战争的发展，陆军部队需求具有威力大、射程远、精度高、有快速反应能力的多功能的先进加榴炮系统。先进加榴炮系统的关键技术之一是新材料技术。自行火炮炮塔、构件、轻金属装甲车用材料的轻量化是武器发展的必然趋势。在保证动态与防护的前提下，钛合金在陆军武器上有着广泛的应用。155火炮制退器采用钛合金后不仅可以减轻重量，还可以减少火炮身管因重力引起的变形，有效地提高了射击精度；在主战坦克及直升机－反坦克多用途导弹上的一些形状复杂的构件可用钛合金制造，这既能满足产品的性能要求又可减少部件的加工费用。
在过去相当长的时间里，钛合金由于制造成本昂贵，应用受到了极大的限制。近年来，世界各国正在积极开发低成本的钛合金，在降低成本的同时，还要提高钛合金的性能。在我国，钛合金的制造成本还比较高，随着钛合金用量的逐渐增大，寻求较低的制造成本是发展钛合金的必然趋势。图1为钛合金、铝合金和钢的强度对比。
MPa
图1 钛合金、铝合金和钢的强度对比
1.3
复合材料
先进复合材料是比通用复合材料有更高综合性能的新型材料，它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等，它在军事工业的发展中起着举足轻重的作用。先进复合材料具有高的比强度、高的比模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点，是国防工业发展中最重要的一类工程材料。
1.3.1
树脂基复合材料
树脂基复合材料具有良好的成形工艺性、高的比强度、高的比模量、低的密度、抗疲劳性、减震性、耐化学腐蚀性、良好的介电性能、较低的热导率等特点，广泛应用于军事工业中。树脂基复合材料可分为热固性和热塑性两类。热固性树脂基复合材料是以各种热固性树脂为基体，加入各种增强纤维复合而成的一类复合材料；而热塑性树脂则是一类线性高分子化合物，它可以溶解在溶剂中，也可以在加热时软化和熔融变成粘性液体，冷却后硬化成为固体。树脂基复合材料具有优异的综合性能，制备工艺容易实现，原料丰富。在航空工业中，树脂基复合材料用于制造飞机机翼、机身、鸭翼、平尾和发动机外涵道；在航天领域，树脂基复合材料不仅是方向舵、雷达、进气道的重要材料，而且可以制造固体火箭发动机燃烧室的绝热壳体，也可用作发动机喷管的烧蚀防热材料。近年来研制的新型氰酸树脂复合材料具有耐湿性强，微波介电性能佳，尺寸稳定性好等优点，广泛用于制作宇航结构件、飞机的主次承力结构件和雷达天线罩。
1.3.2
金属基复合材料
金属基复合材料具有高的比强度、高的比模量、良好的高温性能、低的热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、优异的导电导热性在军事工业中得到了广泛的应用。铝、镁、钛是金属基复合材料的主要基体，而增强材料一般可分为纤维、颗粒和晶须三类，其中颗粒增强铝基复合材料已进入型号验证，如用于F－16战斗机作为腹鳍代替铝合金，其刚度和寿命大幅度提高。碳纤维增强铝、镁基复合材料在具有高比强度的同时，还有接近于零的热膨胀系数和良好的尺寸稳定性，成功地用于制作人造卫星支架、L频带平面天线、空间望远镜、人造卫星抛物面天线等；碳化硅颗粒增强铝基复合材料具有良好的高温性能和抗磨损的特点，可用于制作火箭、导弹构件，红外及激光制导系统构件，精密航空电子器件等；碳化硅纤维增强钛基复合材料具有良好的耐高温和抗氧化性能，是高推重比发动机的理想结构材料，目前已进入先进发动机的试车阶段。在兵器工业领域，金属基复合材料可用于大口径尾翼稳定脱壳穿甲弹弹托，反直升机 / 反坦克多用途导弹固体发动机壳体等零部件，以此来减轻战斗部重量，提高作战能力。
1.3.3
陶瓷基复合材料
陶瓷基复合材料是以纤维、晶须或颗粒为增强体，与陶瓷基体通过一定的复合工艺结合在一起组成的材料的总称，由此可见，陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中引入第二相组元构成的多相材料，它克服了陶瓷材料固有的脆性，已成为当前材料科学研究中最为活跃的一个方面。陶瓷基复合材料具有密度低、比强度高、热机械性能和抗热震冲击性能好的特点，是未来军事工业发展的关键支撑材料之一。陶瓷材料的高温性能虽好，但其脆性大。改善陶瓷材料脆性的方法包括相变增韧、微裂纹增韧、弥散金属增韧和连续纤维增韧等。陶瓷基复合材料主要用于制作飞机燃气涡轮发动机喷嘴阀，它在提高发动机的推重比和降低燃料消耗方面具有重要的作用。
1.3.4
碳－碳复合材料
碳－碳复合材料是由碳纤维增强剂与碳基体组成的复合材料。碳－碳复合材料具有比强度高、抗热震性好、耐烧蚀性强、性能可设计等一系列优点。碳－碳复合材料的发展是和航空航天技术所提出的苛刻要求紧密相关。80年代以来，碳－碳复合材料的研究进入了提高性能和扩大应用的阶段。在军事工业中，碳－碳复合材料最引人注目的应用是航天飞机的抗氧化碳－碳鼻锥帽和机翼前缘，用量最大的碳－碳产品是超音速飞机的刹车片。碳－碳复合材料在宇航方面主要用作烧蚀材料和热结构材料，具体而言，它是用作洲际导弹弹头的鼻锥帽、固体火箭喷管和航天飞机的机翼前缘。目前先进的碳－碳喷管材料密度为1.87~1.97克/厘米3，环向拉伸强度为75~115兆帕。近期研制的远程洲际导弹端头帽几乎都采用了碳－碳复合材料。
随着现代航空技术的发展，飞机装载质量不断增加，飞行着陆速度不断提高，对飞机的紧急制动提出了更高的要求。碳－碳复合材料质量轻、耐高温、吸收能量大、摩擦性能好，用它制作刹车片广泛用于高速军用飞机中。
1.4
超高强度钢和先进高温合金
超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200兆帕和1400兆帕的钢，它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。超高强度钢大量用于制造火箭发动机外壳，飞机机身骨架、蒙皮和着陆部件以及高压容器和一些常规武器。由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大，钢在飞机上用量有所减少，但是飞机上的关键承力构件仍采用超高强度钢制造。目前，在国际上有代表性的低合金超高强度钢300M，是典型的飞机起落架用钢。此外，低合金超高强度钢D6AC是典型的固体火箭发动机壳体材料。超高强度钢的发展趋势是在保证超高强度的同时，不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。
高温合金是航空航天动力系统的关键材料。高温合金是在600~1200oC高温下能承受一定应力并具有抗氧化和抗腐蚀能力的合金，它是航空航天发动机涡轮盘的首选材料。按照基体组元的不同，高温合金分为铁基、镍基和钴基三大类。发动机涡轮盘在60 年代前一直是用锻造高温合金制造，典型的牌号有A286和Inconel 718。70年代，美国GE公司采用快速凝固粉末Rene95合金制作了CFM56发动机涡轮盘，大大增加了它的推重比，使用温度显著提高。从此，粉末冶金涡轮盘得以迅速发展。最近美国采用喷射沉积快速凝固工艺制造的高温合金涡轮盘，与粉末高温合金相比，工序简单，成本降低，具有良好的锻造加工性能，是一种有极大发展潜力的制备技术。图2为美国战斗机各种材料结构的重量比。
图2
美国战斗机各种材料结构重量比
1.5
钨合金
钨的熔点在金属中最高，其突出的优点是高熔点带来材料良好的高温强度与耐蚀性，在军事工业特别是武器制造方面表现出了优异的特性。在兵器工业中它主要用于制作各种穿甲弹的战斗部。钨合金通过粉末预处理技术和大变形强化技术，细化了材料的晶粒，拉长了晶粒的取向，以此提高材料的强韧性和侵彻威力。我国研制的主战坦克125Ⅱ型穿甲弹钨芯材料为阅读全文(24)
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