盘点 | 金属材料在武器装备方面的应用

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  在常规兵器用材料中，金属材料约占80%，其中又以钢铁材料占主导地位。但是，随着兵器的现代化发展，高性能的有色金属装甲材料、结构特殊功能材料和复合材料的乃是在迅速增加，对处理器战术技术性能的提高超到越来越大的作用。

   

一、铝合金装甲车体材料

  为了减轻重量和提高防护性能，国外铝装甲的使用从50年代就开始了，到现在已经历了四个发展阶段，即由高韧可焊Al-Mg系合金装甲发展成中强可焊Al-Zn-Mg系装甲，再发展到铝合金间隙叠层装甲和铝合金装甲附加复合装甲。使用铝装甲的车辆也由装甲输送车，发展到轻型坦克、步兵战车和中型主战坦克。

  英国进行的均质铝装甲材料D54S（Al-Mg系）与IT80装甲钢（Ni-Cr-Mo钢）防护性能的实验比较表明：在相同面密度（板材单位面积上的重时相等）的情况下，对榴弹破片的防护能力铝装甲优于钢，在入射角为30-45°范围内，对小口径弹（7.62mm硬芯穿甲弹）铝不如钢，但是随着弹丸走私的增大，入射角的增大或减小，铝装甲防护的优越性就显示出来了。而且，铝装甲的性还在于它可以大幅度提高国体风度，可在其上采用焊接铝合金构件，以达到减轻重量的“连锁反应”的效果。

  我国60年代中即开始铝装甲材料研究，新型LC52铝装甲材料已在部分战车上使用。铝装甲今后的发展方向，仍是研究抗弹性更好的均质材料和复合装甲材料。

二、铝合金结构材料

  1. 变形铝合金

  为减重，现在几乎所有的兵器都尽可能多的采用铝合金结构件。在坦克车辆方面，以英国“蝎”式坦克为例，其使用的变形铝合金除装甲车体外，还有平衡时连杆底座、刹车盘、转向节、履带松紧装置、诱导轮、负重轮、炮塔座圈、烟幕发射器、弹药架、贮藏舱、油箱、座椅、、管路等。目前，各国的架桥坦克和渡河舟桥的桥体，采用铝合金焊接结构，与原负结构相比，可使桥长由18m左右增加到22-27m，载重量也增加到50-60t。在火炮方面，美国M102式105mm榴弹炮最为典型，它的大架、摇架、前座板、左右耳轴托架、瞄准镜支架、牵引杆和平衡机外筒均是变形铝合金制成。加之其结构的变化，使此炮重量从其前身（M101式炮）的3.7t降到1.4t，射程提高35%-40%，可实现全炮空运空投。对尾翼稳定的各种大中径炮弹、战术导弹和火箭弹，为提高其飞行的稳定性，其尾部零件，如尾翼、尾杆、下弹体弹托、尾翼座等多采用铝合金。另外，各类弹的引信体也多数是采用铝。

  2. 铸造铝合金

  常规兵器中，铸造铝合金主要用于坦克柴油机发机缸盖、缸体、上下曲轴箱、活塞、压气机叶轮、各种泵体、坦克左右传动箱，以及各种仪表和其它兵器的各种结构件等。为保证产品质量，坦克发动机用铸铝合金，一般要严格控制杂技含量，并在工艺上采取相应措施，如用锶变质、真空或复合气体除气、高压釜或差压铸造等。近几年迅速发展起来的铝合金挤压铸造，由于其铸件的质量和机械性能接近锻件水平，又适于大批量生产，因而在军品中小型厚壁零件、气密性零件上有望取代部分锻件。

三、钛合金及燃烧合金

  1.钛合金装甲材料

  从综合防护性能来看，钛是很理想的装甲材料。因此，50年代初国外即开始钛装甲研究。在相同防护条件下，钛装甲可比钢装甲减重25%。但是，由于钛合金太贵，直到70年代末，钛装甲都没有得到实际应用。近年来，随着各种复合装甲材料的研制，钛合金作为其复合结构的一部分，取得了很好的技术效果。

  2.钛结构材料

  钛合金用于坦克车辆的结构件方面，如履带板、主动轴、悬挂臂、拖杆扭力轴和负重轮幅等。由于经济上的原因，未能在生产上使用。而真正在生产中使用的，目前国内外只限于供特种部队使用的迫击炮、无后座炮等轻武器。

  3.弹药燃烧合金

  发展高燃烧能力的多功能弹药是国内外弹药的发展方向之一。当前最新 地，是在这些弹的战斗部，旋转一定量的燃烧合金，它们是金属锆、钛、稀土及其合金等。加有燃烧合金的榴弹不仅有杀伤能力，而且有纵火效果，其特点有：燃烧温度高、火种数目多、覆盖面积大、不用专门引信引燃，只靠炸药爆炸和高速撞击引起的高温即可引燃。目前国内外均装备了这种弹种。

    

四、重金属和高密度金属

  1.铜合金

  在常规兵器中，铜合金主要用于破甲弹药形罩、大口径弹药筒、弹带和各种铜基轴瓦。

  破甲弹是利用空心装药的聚能作用，使药形罩材料以高射流速度撞击装甲板，并在装甲板上形成20-200Gpa的高压力和1000℃以上的高温，将装甲板贯穿的一种弹种。因此药形罩的材质、形状及工艺状态对破甲性能均有大的影响，各国均选用紫铜材料。目前国外正发展具有燃烧后效的新材料和流变—复合铸造新工艺。由于铜合金优良的回弹性能和抗腐蚀性能，因而是药筒（弹壳）的理想材料。为了降低成本，一段时间以来，各国都研制钢质药筒，以节约铜材，目前除少数大口径药筒外，其余均钢质化了。各国所用轴承材料不尽相同。我国坦克和火炮所有轴瓦材料大都用钢背——ZQPb30铅青铜，对于坦克发动机主轴瓦和连杆轴瓦是在ZQPb30表面镀Pb-Sn合金。目前国外有发展使用Al-Sn、Al-Zn轴瓦并表面镀二元或三元合金趋势。

  2.锌基合金

  常规兵器中锌合金主要用于某些通信和仪表等零件的压铸件，近年来超塑性良好的Zn-Al合金，有望在复杂仪表和计算机壳体等零件上使用。早在二次世界大战期间，英、美、日等国均在小口径炮弹上使用了压铸锌合金引信体，后来美国又在菠萝弹上作了使用。我国先后在迫击炮弹、37mm高炮炮弹、火箭布雷弹上也使用了锌合金引信体，并从技术上较好地解决了锌合金老化和低温脆性等问题。

  3.钨合金和铀合金

  长杆式穿甲弹弹芯的穿甲深度随弹芯密度、弹丸速度和弹丸长度/直径比的增加而增加，因此高密度金属钨和铀被用于弹芯材料后，使长杆式穿甲弹的威力大幅度提高，形成了对坦克的最大威胁。提高钨粉纯度、改进粉冶工艺、研制超细钨粉和钨基复合材料是钨弹芯材料的发展方向。作为弹芯材料的U-Ti合金，其密度和机械性能均高于钨合金，又有燃烧后效作用，故其成本高，又需解决防腐涂层和长期储存等问题。目前，铀弹材料是向钨丝增强的复合材料方向发展。

   

五、金属基复合材料

  常规兵器中应用纤维增强的金属基复合材料，在国内外都是近十年才开始的。由于纤维价格的降低和挤压铸造、真空吸铸、真空压渗等复合工艺的出现，使复合材料有可能用于批量大的常规兵器中。复合材料性能优异，因此一开始就受到各国极大的重视。

  1.颗粒及短纤维增强铝基复合材料

  向铝合金中添加、SiC和石墨等颗粒和短纤维的主要目的是增加材料的耐磨性、耐热性和硬度等。目前最成功的例子是活塞和履带板。短纤维等增强铝基复合材料活塞，是用短纤维制成高孔隙度的预制件，然后用挤压铸造法将铝液渗入其中，以制成局部增强的复合材料活塞。此活塞与传统的镶圈活塞相比，其耐磨性相当 ，活塞顶的工作温度可提高100℃，且活塞总重量和膨胀系数都明显降低。因此是新一代主战坦克发动机活塞的理想材料。SiC晶须和颗粒增强铝基复合材料的制备除上方法外，也可用半固态流变铸造法生产出复合材料铸锭，再进行轧制挤压或铸造等压力加工，以制成管、棒、型材或锻件。Al/SiC复合材料有优良的机械性能，其耐磨性接近于钢。据称，美国Alcan公司生产了近千吨材料，并应用于导弹、导航零件。美国AVCO公司用SiC晶须/铝复合材料制成装甲车辆履带板、刹车片、懦弱翼片、离心泵叶片等。

  2.长纤维增强铝基复合材料

  用作增强剂的长纤维主要有碳、石墨、碳化硅、氧化铝和硼等。由于其强度高达2000-4000MPa，杨氏达150-450GPa，用其增强铝合金，按照复合材料的混合律，其对材料的强化效果是非常明显的。因此，各先进国家投入了大量研究工作，试制了发动机中的连杆、活塞、战术懦弱发动机壳体、制导舵板、战斗部支撑架、军用作战桥梁的拉力弦、架桥坦克桥体和长杆式穿甲弹弹托等。随着其价格和技术问题的不断解决，此类材料的应用将会是非常广阔的。

   

六、稀有金属材料

  航天产业在本月第51届世界最大的巴黎航展上，中国和巴基斯坦联合研制的“枭龙”战斗机迎来了它的精彩首秀。

  枭龙战机是中国航空工业集团公司和巴基斯坦空军联合研制并生产的第三代单座多用途战斗机，巴基斯坦军方对其高性能、高性价比及出色的作战能力称道有加。此番西方媒体一改常态对枭龙战机的大加报道，可以说西方对枭龙战机的关注度甚至超出了对F-22 “猛禽”的关注。西方惊恐“枭龙”战机，并不是惊恐其有多么先进的性能，而是看到其背后的中国军工的发展能力、中国军事实力提升及对世界其他国家的影响力。

  为了提升枭龙的综合作战效能，使其更好地适应现代化战争，我国和巴基斯坦对枭龙做了一系列设备升级，尤其是基于机身隐身化的改进。类似于俄罗斯研制生产的第五代战斗机T-50，升级后的枭龙拥有“独一无二”的复合材料元件涂层，每一层的镀膜厚度不超过20纳米，总镀层厚度约90纳米。尽管这种金属材料用量很小，但是可以使座舱内设备的雷达反射面积降低250倍，应用这种涂层，不但能够保护驾驶员玻璃座舱防止无线电波和太阳辐射，而且敌人防空系统雷达信号不能显示飞机座舱，因此安装在内部的仪器对于敌人电子侦察系统来说是不可见的。座舱是机身前向的一大腔体散射源，普通玻璃座舱盖无法阻止雷达波进入杂乱无章的座舱内，从而形成强烈腔体散射，涂抹后该金属镀膜的座舱盖可以有效减少雷达波的透入，并将大部分雷达波反射到低威胁方向。而生产此类金属镀膜的主要原料便是稀有金属铟和锗。

  锗是光纤和传感器材料的理想材料，具有高折射率、低色散、容易加工、有良好的机械强度、不吸潮等优点，利用铟和锗稀有金属材料设计的智能蒙皮技术，可以通过共性设计有效减少飞机的天线尺寸，并可以采用低成本的新型材料提高气动外形效果，对缩减飞机性能起到了重要作用，节省了大量的飞机内部空间，减轻了飞机重量，简化了飞机设计方案，从而极大地提高了飞机的可靠性、可用性和生存能力。此外，稀有金属锗将空间太阳能电池同全球卫星的发射量紧密衔接，预计在北斗导航系统等军民卫星发射需求的支撑下，我国每年将以20颗卫星的速度发射。

  在航空太阳能电池领域，锗衬底化合物半导体电池具有高效率、高电压、高温特性好等优点，广泛用于空间卫星太阳能电池和地面太阳能电站建设当中。如每颗普通卫星大约需要高效太阳能电池用锗晶片约6000-15000片，每颗大型卫星的太阳能用锗晶片将达到数万片，空间站的建立及维护所需要的太阳能用锗晶片数量更为巨大。目前全球空间太阳能电池超过80%采用了锗衬底化合物半导体叠层电池，未来将提高到95%。

  在世人面前，国防核工业始终蒙着一层厚厚的面纱，2011年日本大地震，福田核电站发生了严重的核泄漏事故，核泄漏主要是事故后泄漏的大量放射性物质，引起世界的关注，因此核电站的安全得到了全世界的关注，福岛事件使日本核电产业发展进入几年的寒冬期。

  近期我国“华龙一号”的推出，李克强总理“”走出去“战略的实施，开启中国核电”一带一路“互利共赢布局似乎拉近了”核“这个望而生畏的字眼同我们的距离。本月中核集团在海上丝绸之路起点福建，面向全球组织召开”华龙一号“技术推介会，推介中国先进的三代核电——”华龙一号“技术，据悉，中科院核能安全技术研究所建成的”多功能铅铋堆技术综合实验回路KYLIN-II“已通过包括中国核动力研究设计院、中国原子能科学研究院在内的专家评审。评审专家组一致认为：”该装置是世界最大的多功能液态铅铋综合实验平台，回路规模、设计与综合实验能力处于国际领先水平。发展了多项核心技术，成果具有创新性。其成功建造与调试运行为中国铅基反应堆技术及液态重金属技术进一步研究奠定了基础，为提升中国在先进核能领域的国际竞争力起到重要作用“。铅铋合金回路试验装置是研究并解决铅铋反应堆材料相容性、设备与系统安全等关键科学技术问题的必备平台。

  “华龙一号”成功落地，标志着中国步入了世界先进核电技术国家的第一阵营。据国际原子能机构预测，中国目前在建核电站数量占全世界的40.5%，2015年，中国将有6至8台核电机组开建，8台机组有望实现商运，这标志着核电产业正在迎来发展的春天，在此背景下，金属铋作为核电站中应用广泛的金属原料，将迎来消费高峰。在核反应堆中铟锡氧化物及锗酸铋晶体的应用也日渐广泛，根据国外权威市场分析公司NanoMarkets调查指出，铟在未来十年将被大量需要，即使价格高涨，铟的需求仍将继续成长。NanoMarkets表示，至2015年，铟锡氧化物涂层基板的产值将达到80亿美元，而铟锡氧化物墨作为商品，也将有6亿美元的产值。

  稀有金属钨本身的耐高温优点，使其被用于各种高速弹药，尤其是穿甲弹，几乎是其必不可少的成本。在坦克装甲车中，钨合金不仅用来制作炮弹，也用来作为复合装甲的成分，提高热强度和耐高温能力金属钨一直是稀缺资源，而钨几乎曾是高速穿甲弹弹芯材质的唯一选择，各种弹道导弹武器由于飞行速度极高必须在外壳应用钨合金，对抗高速飞行中因空气摩擦产生的高温，使得各种钨合金是必不可少的关键成分。作为重要的战略资源，钨产业关系着国家经济命脉和国防安全。

  二战时期，由于从中国进口钨矿的渠道被切断，纳粹德国坦克严重缺乏大威力的钨制穿甲弹，包括虎式坦克等武器在火力上都大打折扣。美军在冷战后几次局部战争中压倒性控制，以及能够对敌人肆无忌惮地打击，正缘于稀有金属科技领域的超人一等，美国爱国者导弹的精确制导系统中使用了大约4公斤的钐钴磁体和钕铁硼磁体用于电子束聚焦， M1坦克装备的掺钕钇铝石榴石的激光测距机，在晴朗的白天可以达到近4000米的观瞄距离，而T-72的激光测距机能看到2000米就算不错，而在夜间，加入稀土金属镧的夜视仪又成为伊拉克军队的梦魇。

  中国是全球稀有金属资源的主要储备国、出口国，资源优势突出，但由于产业集中度不高，主要下游消费是日本、韩国、美国等发达国家，境外企业采用委托专业采购公司集中采购的办法，对国内小产能企业各个击破，国内企业在和下游垄断跨国公司进行贸易谈判时，完全没有话语权，在没有其他销售途径的情况下被迫以较低得价格将珍稀资源贱卖到境外。以稀有金属钨为例，中国一直是钨矿资源最丰富的国家。然而近年来由于掠夺式开采，钨矿也陷于枯竭，中国虽然有世界上最大的钨矿资源，但长期因挖掘技术水平低下造成大量浪费，并且为换取外汇而低价出口国外。目前国内的白钨矿已经枯竭，而黑钨矿的资源也迅速减少。

  泛亚交易所成立后，有效解决了这一实际问题，开辟了稀有金属的投资需求，同时为中小生产企业开辟了融资渠道，生产企业随时可以实现商品销售和资金回笼及融资。同时交易所通过提高产业聚集度，提高了国际议价能力。泛亚交易所每天的交易量、交易价格、库存量、指数等数据项填补了全球的数据空白。同时，由于稀有金属的下游产业都是高科技、电子、信息、新材料、现代航空航天、现代军事等战略行业，在全球经济格局中、国际竞争中占据越来越重要的战略地位。 泛亚通过制度创新和交易模式创新，实现了稀有金属贸易与流通、供应链金融、信息传导、资源投资与收储、商品定价等五大功能，大量社会闲散资本通过交易所这一高度市场化的平台投资稀有金属，分享资源增值收益。泛亚有色金属交易所目前和将来都将主要选择我国优势的稀有金属作为上市品种，使资本在资源和产业中承担蓄水池的功能，以有效化解伴生金属产量被动增加带来的价格被动局面。

来源：军工资质受理中心

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