稀土材料在军事领域中的应用

稀土材料在军事领域中的应用讲解人卢杨王程博刘士杰肖镇于康为什么“爱国者”导弹能比较轻易地击落“飞毛腿”？为什么尽管美制M1和苏制T-72坦克的主炮直射距离差距并不大，但前者却总是能更早开火，而且打得更准？为什么F-22战斗机可以超音速巡航？为什么“爱国者”导弹能比较轻易地击落“飞毛腿”？为什么尽管美制M1和苏制T-72坦克的主炮直射距离差距并不大，但前者却总是能更早开火，而且打得更准？为什么F-22战斗机可以超音速巡航？……相比传统兵器，高技术兵器的优点在于其更方便、更灵敏、更准确、更容易操纵。这些提起来容易，但却集中体现了当今材料科学、电子科学以及工程制造的诸多最高成就。而这些成就的获得,往往是源于稀土的某些特殊功能的发现和应用。稀土材料在军事领域金属方面中的应用稀土有工业“维生素”之称，由于其具有优良的光电磁等物理特性,能与其他材料组成性能各异、品种繁多的新型材料，其最显著的功能就是大幅度提高其他产品的质量和性能。比如大幅度提高用于制造坦克、飞机、导弹的钢材、铝合金、镁合金、钛合金的战术性能。而且，稀土同样是电子、激光、核工业、超导等诸多高科技的润滑剂。从一定意义上说,美军在中东地区的战争中能够对敌人肆无忌惮地公开杀戮，很大程度上缘于稀土科技领域的超人一等。稀土材料在军事领域应用概述稀土元素有钢材中的“盘尼西林”之称，具有净化变质和促进合金化的功能。稀土可以同钢材中的硫、氧等反应，从而消除这些低熔点有害杂质，细化晶粒，影响钢的相变点，从而提高钢的力学性能和淬透性等。稀土特种钢被广泛应用坦克等的装甲钢和炮钢等，稀土高锰钢用于制造坦克履带板，稀土铸钢用于制造高速脱壳穿甲弹的尾翼、炮口制退器和火炮结构件等。稀土元素在核工业中也具有重要的应用，如在核辐射探测器中，利用稀土的闪耀材料，可以作为核辐射强度探测的材料。稀土元素属于较重的核，具有较大的中子吸收截面，具有较好的种子捕获能力。其中铕、钆、镝等经常用来做抗辐射材料。由于稀土元素较为活波，性质和碱土元素比较类似，经常作为燃烧弹的添加材料。金属合金中也获得广泛应用。例如有一种稀土镁合金（含有Mg,Zn,Zr,La,Ce）可用于制造喷气式发动机的传动装置，直升飞机的变速箱，飞机的着陆轮和座舱罩。在镁合金中添加稀土金属的优点是可提高其高温抗蠕变性，改善铸造性能和室温可焊性。有一种铝锆钇合金用作电线，其特点是输出功率高、耐热、耐振动和耐腐蚀。至于F-22超音速巡航的功能，则拜其强大的发动机以及轻而坚固的机身所赐，它们都大量使用稀土科技造就的特种材料。比如F119发动机叶片以及燃烧室使用了阻燃钛合金，这种钛合金的制造据说是使用了铼；而F-22的机身就更加是用稀土强化的镁钛合金武装。否则，超音速巡航中，F119强大的动力足以摧毁它自己。1.1.1装甲钢早在60年代初期,我国兵器工业就开始了稀土在装甲钢和炮钢上的应用研究,先后生产了601、603、623等稀土装甲钢,开创了我国坦克生产中的关键原材料立足于国内的新纪元。稀土材料在军事领域材料方面中的具体应用1.1.2稀土碳素钢60年代中期,我国又在原某种优质碳素钢中加入0.05%的稀土,制成了稀土碳素钢。这种稀土钢较原碳素钢的横向冲击值提高了70%～100%,-40℃时的冲击值提高近1倍。采用该钢制造的大口径药筒经靶场射击试验证明,完全能满足技术要求,目前我国已定型投产,实现了我国在药筒材料方面以钢代铜的多年宿愿。1.1.3稀土高锰钢和稀土铸钢稀土高锰钢用于制造坦克履带板,稀土铸钢用于制造高速脱壳穿甲弹的尾翼、炮口制退器和火炮结构件,可减少加工工序,提高钢材的利用率,并能达到战术技术指标。1.2稀土球墨铸铁在现代军事技术的应用过去,我国前膛弹弹体材料均采用以优质生铁加入30%~40%的废钢而制成的半钢性铸铁,由于其强度低、脆性大、爆炸后的有效杀伤破片数量少且不锋利以及杀伤威力弱等原因,一度束缚了前膛弹弹体的发展。自1963年后,采用稀土球墨铸铁制造各种口径的迫击弹,使其力学性能提高1~2倍,有效杀伤破片数量成倍增加,破片刃口锋利,大大提高了杀伤威力。我国用这种材料制造的某型加农炮炮弹和野战炮炮弹战斗壳体,其有效杀伤破片数和密集杀伤半径比钢质壳体略胜一筹。稀土具有很高的化学活性和较大的原子半径,加入到有色金属及其合金中,可细化晶粒、防止偏析、除气、除杂和净化以及改善金相组织等作用,从而达到改善机械性能、物理性能和加工性能等综合目的。国内外材料工作者利用稀土的这一性质,研制出了新型稀土镁合金、铝合金、钛合金、高温合金,这些产品在歼击机、强击机、直升机、无人驾驶机、以及导弹卫星等现代军事技术上获得了广泛的应用。2镁、铝等有色稀土合金在现代军事技术上的应用经多年研究,采用了特殊的矿化处理技术,研制出了稳定廉价的氧化钇砂料与粉料,它在比重、硬度和对钛液的稳定性上,都达到了较好的水平,而在调节控制壳料浆性能上,表现出更大的优越性。用氧化钇型壳制造钛铸件的突出优点是:在铸件质量和工艺水平与钨面层工艺相当的条件下,能制造比钨面层工艺更薄的钛合金铸件。目前,该工艺已广泛用于制造各种飞机、发动机及民品铸件。2.1稀土镁合金稀土镁合金比强度较高,能减轻飞机重量,提高战术性能,具有广泛的应用前景。中国航空工业总公司(以下简称中航总)研制的稀土镁合金包括铸造镁合金及变形镁合金约有10个牌号,很多牌号已用于生产,质量稳定。例如:以稀土金属钕为主要添加元素的ZM6铸造镁合金已扩大用于直升机后减速机匣、歼击机翼肋及30kW发电机的转子引线压板等重要零件。中航总与有色金属总公司联合研制的稀土高强镁合金BM25已代替部分中强铝合金,在强击机上获得应用。2.2稀土钛合金70年代初,北京航空材料研究院(简称:航材院)在Ti—A1—Mo系钛合金中用稀土金属铈(Ce)取代部分铝、硅,限制了脆性相的析出,使合金在提高耐热强度的同时,也改善了热稳定性能。以此基础上,又研制出了性能良好的含铈的铸造高温钛合金ZT3。它与国际同类合金相比,在耐热强度及工艺性能方面均具有一定的优势。用它制造的压气机匣用于WPI3Ⅱ发动机,每架飞机减重达39kg,提高推重比1.5%,此外减少加工工序约30%,取得了明显的技术经济效益,填补了我国航空发动机在500℃条件下使用铸钛机匣的空白。研究表明,含铈的ZT3合金组织中存在着细小的氧化铈质点。铈化合了合金中的一部分氧,形成了难熔的、高硬度的稀土氧化物质点Ce2O3。这些质点在合金形变过程中阻碍了位错运动,提高了合金高温性能,铈夺取了一部分气体杂质(尤其是在晶界上的),就有可能在使合金强化的同时,保持良好的热稳定性能。这是在铸造钛合金中应用难溶质点强化理论的首次尝试。此外航材院在钛合金溶模精密铸造工艺中,2.3稀土铝合金中航总研制的含稀土耐热铸造铝合金HZL206,与国外含镍的合金比较,具有优越的高温和常温力学性能,并已达到国外同类合金的先进水平。现已用于直升机和歼击机工作温度达300℃的耐压阀门,取代了钢和钛合金。减轻了结构重量,已投入批量生产。稀土铝硅过共晶ZL117合金在200～300℃下的拉伸强度超过西德活塞合金KS280和KS282,耐磨性能比常用活塞合金ZL108提高4～5倍,线膨胀系数小,尺寸稳定性好,已用于航空附件KY—5,KY—7空压机和航模发动机活塞。稀土元素加入铝合金中,明显改善显微组织和机械性能。稀土元素在铝合金中的作用机制为:形成分散分布,细小的铝化合物起着显著的第二相强化作用;稀土元素的加入起到了除气净化作用,从而减少合金中气孔的数量,提高合金的性能;稀土铝化合物作为异质晶核细化晶粒和共晶相,也是一种变质剂;稀土元素促进了富铁相的形成和细化,减少了富铁相的有害作用。α—A1中铁的固溶量随稀土加入量的增加而减少,也对提高强度和塑性有利。3.1纯稀土金属纯稀土金属因其化学性质活泼,极易同氧、硫、氮作用生成稳定的化合物,当受到剧烈摩擦与冲击发生火花时,可引燃易燃物。因此,早在1908年它就被制成打火石。现已查明,17种稀土元素中有铈、镧、钕、镨、钐和钇等六种元素具有特别良好的纵火性能。人们将稀土金属的纵火性制成了各式燃烧武器,例如美国“马克—82型”227kg航弹采用稀土金属内衬,除了产生爆炸杀伤效应处,还产生纵火效应。美国空对地“阻尼人”火箭战斗部内装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%。3.2混合稀土金属由于纯稀土金属的价格较为昂贵,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)×103㎏/m3,燃烧速度1.3～1.5mm/s,火焰直径约500mm,火焰温度高达1715～2000℃。其燃烧后炽热体炽热持续时间长于5min。美军在侵越战争中,用发射器发射的一种40mm纵火榴弹,其内装填的引燃内衬就用混合稀土金属制成的。当弹体爆炸后,每一片带有引燃内衬的破片都可引燃目标。当时该弹的月产量达20万发,最高达26万发。3.3稀土燃烧合金重量为100g的稀土燃烧合金可形成200~3000个火种,覆盖面积大,与穿甲弹、破甲弹的杀伤半径相当。为此,发展燃烧威力的多功能弹药成为目前中外弹药发展的主攻方向之一。对于穿甲弹和破甲弹,其战术性能要求在击穿敌坦克装甲之后,还能将其油料、弹药引燃,以彻底摧毁坦克。对于榴弹则要求在其杀伤范围内引燃军需物资和战略设施等。据悉,美国制造的一种塑料稀土金属燃烧弹,其弹体由玻璃纤维增强的尼龙制成,内装混合稀土合金弹芯,用于对付装有航空燃料及类似的目标具有较佳效果。4.1在军事防护技术上的应用稀土元素具有防辐射特性。美国国家中子截面中心采用高分子材料为基材,添加或不添加稀土元素制成了两种厚度为10mm的板材进行防辐射试验。热中子屏蔽效果优于无稀土高分子材料5~6倍。其中添加钐、铕、钆、镝等元素的稀土材料的中子吸收截面最大,具有良好的俘获中子的作用。目前,稀土防辐射材料在军事技术中的主要应用包括以下几个方面。4.1.1核辐射屏蔽美国采用1%硼和5%的稀土元素钆、钐、和镧,制成厚度为600mm的防辐射混凝土,用于屏蔽游泳池式反应堆裂变中子源。法国采用石墨为基材添加硼化物、稀土化合物或稀土合金,研制成一种稀土防辐射材料。这种复合屏蔽材料的填料要求分布均匀并制成预制件,根据屏蔽部位的不同要求,分别置于反应堆通道的四周。4.1.2坦克热辐射屏蔽它由四层单板组成,总厚度为5~20cm。第一层用玻璃纤维增强塑料制成,采用无机粉末添加2%的稀土化合物为填料,以阻滞快中子、吸收慢中子;第二层和第三层,是在前者之中再加入硼石墨和聚苯及占填料总量10%的稀土元素,以阻滞中能中子和吸收热中子;第四层采用石墨代替玻璃纤维,加入含25%稀土化合物,吸收热中子。4.1.3其它将稀土防辐射涂料涂在坦克、舰艇、掩蔽部和其它军事装备上,可以起到防辐射的作用。4.2在核技术上的应用稀土氧化钇可用作沸水反应堆(BWR)中铀燃料的可燃吸收体。在所有元素中,钆吸收中子的能力最强,每个原子约4600靶,每个自然钆原子在失效前平均吸收4个中子。当与可裂变的铀混合时,钆可促进燃烧,降低铀的消耗并提高能量输出。氧化钆不象碳化硼那样产生有害的副产品氘,在核反应时既能与铀燃料又能与它的包覆材料相配。用钆代替硼的好处是钆能与铀直接混合,以防止核燃料棒膨胀。据统计,目前全世界计划兴建的核反应堆149座,其中115座压水堆应用稀土氧化钆。稀土钐、铕和镝已用作中子增殖反应堆的中子吸收剂。稀土钇在中子中俘获截面小,可用作熔盐反应堆的管材。在硬质合金中添加少量稀土元素,可显著提高硬质合金的高温抗弯强度、抗氧化性和断裂韧性。合金的室温抗弯强度平均提高20%左右,硬度平均提高0.5一1HRA,还能改善硬质合金的耐冲击、耐热疲劳、热耐磨性等性能。稀土元素对粘结相有强化和作用，以钴为例，在钴中填充稀土元素可抑制α—Co→ε—Co马氏体相变。金属钴属于通俗异构多晶金属，具有多种晶格结构。在其中掺入稀土元素，可以升高粘结相的多晶型转变温度。金属合金中掺杂稀土原