在常規兵器用材料中,金屬材料約占80%,其中又以鋼鐵材料占主導地位。但是,隨著兵器的現代化發展,高性能的有色金屬裝甲材料、結構特殊功能材料和復合材料的乃是在迅速增加,對處理器戰術技術性能的提高超到越來越大的作用。
鋁合金裝甲車體材料
為了減輕重量和提高防護性能,國外鋁裝甲的使用從50年代就開始了,到現在已經歷了四個發展階段,即由高韌可焊Al-Mg系合金裝甲發展成中強可焊Al-Zn-Mg系裝甲,再發展到鋁合金間隙疊層裝甲和鋁合金裝甲附加復合裝甲。使用鋁裝甲的車輛也由裝甲輸送車,發展到輕型坦克、步兵戰車和中型主戰坦克。
英國進行的均質鋁裝甲材料D54S(Al-Mg系)與IT80裝甲鋼(Ni-Cr-Mo鋼)防護性能的實驗比較表明:在相同面密度(板材單位面積上的重時相等)的情況下,對榴彈破片的防護能力鋁裝甲優于鋼,在入射角為30-45°范圍內,對小口徑彈(7.62mm硬芯穿甲彈)鋁不如鋼,但是隨著彈丸走私的增大,入射角的增大或減小,鋁裝甲防護的優越性就顯示出來了。而且,鋁裝甲的性還在于它可以大幅度提高國體風度,可在其上采用焊接鋁合金構件,以達到減輕重量的“連鎖反應“的效果。
我國60年代中即開始鋁裝甲材料研究,新型LC52鋁裝甲材料已在部分戰車上使用。鋁裝甲今后的發展方向,仍是研究抗彈性更好的均質材料和復合裝甲材料。
鋁合金結構材料
1. 變形鋁合金
為減重,現在幾乎所有的兵器都盡可能多的采用鋁合金結構件。在坦克車輛方面,以英國“蝎“式坦克為例,其使用的變形鋁合金除裝甲車體外,還有平衡時連桿底座、剎車盤、轉向節、履帶松緊裝置、誘導輪、負重輪、炮塔座圈、煙幕發射器、彈藥架、貯藏艙、油箱、座椅、、管路等。目前,各國的架橋坦克和渡河舟橋的橋體,采用鋁合金焊接結構,與原負結構相比,可使橋長由18m左右增加到22-27m,載重量也增加到50-60t。在火炮方面,美國M102式105mm榴彈炮最為典型,它的大架、搖架、前座板、左右耳軸托架、瞄準鏡支架、牽引桿和平衡機外筒均是變形鋁合金制成。加之其結構的變化,使此炮重量從其前身(M101式炮)的3.7t降到1.4t,射程提高35%-40%,可實現全炮空運空投。對尾翼穩定的各種大中徑炮彈、戰術導彈和火箭彈,為提高其飛行的穩定性,其尾部零件,如尾翼、尾桿、下彈體彈托、尾翼座等多采用鋁合金。另外,各類彈的引信體也多數是采用鋁。
2. 鑄造鋁合金
常規兵器中,鑄造鋁合金主要用于坦克柴油機發機缸蓋、缸體、上下曲軸箱、活塞、壓氣機葉輪、各種泵體、坦克左右傳動箱,以及各種儀表和其它兵器的各種結構件等。為保證產品質量,坦克發動機用鑄鋁合金,一般要嚴格控制雜技含量,并在工藝上采取相應措施,如用鍶變質、真空或復合氣體除氣、高壓釜或差壓鑄造等。近幾年迅速發展起來的鋁合金擠壓鑄造,由于其鑄件的質量和機械性能接近鍛件水平,又適于大批量生產,因而在軍品中小型厚壁零件、氣密性零件上有望取代部分鍛件。
鈦合金及燃燒合金
1.鈦合金裝甲材料
從綜合防護性能來看,鈦是很理想的裝甲材料。因此,50年代初國外即開始鈦裝甲研究。在相同防護條件下,鈦裝甲可比鋼裝甲減重25%。但是,由于鈦合金太貴,直到70年代末,鈦裝甲都沒有得到實際應用。近年來,隨著各種復合裝甲材料的研制,鈦合金作為其復合結構的一部分,取得了很好的技術效果。
2.鈦結構材料
鈦合金用于坦克車輛的結構件方面,如履帶板、主動軸、懸掛臂、拖桿扭力軸和負重輪幅等。由于經濟上的原因,未能在生產上使用。而真正在生產中使用的,目前國內外只限于供特種部隊使用的迫擊炮、無后座炮等輕武器。
3.彈藥燃燒合金
發展高燃燒能力的多功能彈藥是國內外彈藥的發展方向之一。當前最新 地,是在這些彈的戰斗部,旋轉一定量的燃燒合金,它們是金屬鋯、鈦、稀土及其合金等。加有燃燒合金的榴彈不僅有殺傷能力,而且有縱火效果,其特點有:燃燒溫度高、火種數目多、覆蓋面積大、不用專門引信引燃,只靠炸藥爆炸和高速撞擊引起的高溫即可引燃。目前國內外均裝備了這種彈種。
重金屬和高密度金屬
1.銅合金
在常規兵器中,銅合金主要用于破甲彈藥形罩、大口徑彈藥筒、彈帶和各種銅基軸瓦。
破甲彈是利用空心裝藥的聚能作用,使藥形罩材料以高射流速度撞擊裝甲板,并在裝甲板上形成20-200Gpa的高壓力和1000℃以上的高溫,將裝甲板貫穿的一種彈種。因此藥形罩的材質、形狀及工藝狀態對破甲性能均有大的影響,各國均選用紫銅材料。目前國外正發展具有燃燒后效的新材料和流變—復合鑄造新工藝。由于銅合金優良的回彈性能和抗腐蝕性能,因而是藥筒(彈殼)的理想材料。為了降低成本,一段時間以來,各國都研制鋼質藥筒,以節約銅材,目前除少數大口徑藥筒外,其余均鋼質化了。各國所用軸承材料不盡相同。我國坦克和火炮所有軸瓦材料大都用鋼背——ZQPb30鉛青銅,對于坦克發動機主軸瓦和連桿軸瓦是在ZQPb30表面鍍Pb-Sn合金。目前國外有發展使用Al-Sn、Al-Zn軸瓦并表面鍍二元或三元合金趨勢。
2.鋅基合金
常規兵器中鋅合金主要用于某些通信和儀表等零件的壓鑄件,近年來超塑性良好的Zn-Al合金,有望在復雜儀表和計算機殼體等零件上使用。早在二次世界大戰期間,英、美、日等國均在小口徑炮彈上使用了壓鑄鋅合金引信體,后來美國又在菠蘿彈上作了使用。我國先后在迫擊炮彈、37mm高炮炮彈、火箭布雷彈上也使用了鋅合金引信體,并從技術上較好地解決了鋅合金老化和低溫脆性等問題。
3.鎢合金和鈾合金
長桿式穿甲彈彈芯的穿甲深度隨彈芯密度、彈丸速度和彈丸長度/直徑比的增加而增加,因此高密度金屬鎢和鈾被用于彈芯材料后,使長桿式穿甲彈的威力大幅度提高,形成了對坦克的最大威脅。提高鎢粉純度、改進粉冶工藝、研制超細鎢粉和鎢基復合材料是鎢彈芯材料的發展方向。作為彈芯材料的U-Ti合金,其密度和機械性能均高于鎢合金,又有燃燒后效作用,故其成本高,又需解決防腐涂層和長期儲存等問題。目前,鈾彈材料是向鎢絲增強的復合材料方向發展。
金屬基復合材料
常規兵器中應用纖維增強的金屬基復合材料,在國內外都是近十年才開始的。由于纖維價格的降低和擠壓鑄造、真空吸鑄、真空壓滲等復合工藝的出現,使復合材料有可能用于批量大的常規兵器中。復合材料性能優異,因此一開始就受到各國極大的重視。
1.顆粒及短纖維增強鋁基復合材料
向鋁合金中添加、SiC和石墨等顆粒和短纖維的主要目的是增加材料的耐磨性、耐熱性和硬度等。目前最成功的例子是活塞和履帶板。短纖維等增強鋁基復合材料活塞,是用短纖維制成高孔隙度的預制件,然后用擠壓鑄造法將鋁液滲入其中,以制成局部增強的復合材料活塞。此活塞與傳統的鑲圈活塞相比,其耐磨性相當 ,活塞頂的工作溫度可提高100℃,且活塞總重量和膨脹系數都明顯降低。因此是新一代主戰坦克發動機活塞的理想材料。SiC晶須和顆粒增強鋁基復合材料的制備除上方法外,也可用半固態流變鑄造法生產出復合材料鑄錠,再進行軋制擠壓或鑄造等壓力加工,以制成管、棒、型材或鍛件。Al/SiC復合材料有優良的機械性能,其耐磨性接近于鋼。據稱,美國Alcan公司生產了近千噸材料,并應用于導彈、導航零件。美國AVCO公司用SiC晶須/鋁復合材料制成裝甲車輛履帶板、剎車片、懦弱翼片、離心泵葉片等。
2.長纖維增強鋁基復合材料
用作增強劑的長纖維主要有碳、石墨、碳化硅、氧化鋁和硼等。由于其強度高達2000-4000MPa,楊氏達150-450GPa,用其增強鋁合金,按照復合材料的混合律,其對材料的強化效果是非常明顯的。因此,各先進國家投入了大量研究工作,試制了發動機中的連桿、活塞、戰術懦弱發動機殼體、制導舵板、戰斗部支撐架、軍用作戰橋梁的拉力弦、架橋坦克橋體和長桿式穿甲彈彈托等。隨著其價格和技術問題的不斷解決,此類材料的應用將會是非常廣闊的。
稀有金屬材料
航天產業在本月第51屆世界最大的巴黎航展上,中國和巴基斯坦聯合研制的“梟龍”戰斗機迎來了它的精彩首秀。
梟龍戰機是中國航空工業集團公司和巴基斯坦空軍聯合研制并生產的第三代單座多用途戰斗機,巴基斯坦軍方對其高性能、高性價比及出色的作戰能力稱道有加。此番西方媒體一改常態對梟龍戰機的大加報道,可以說西方對梟龍戰機的關注度甚至超出了對F-22 “猛禽”的關注。西方驚恐“梟龍”戰機,并不是驚恐其有多么先進的性能,而是看到其背后的中國軍工的發展能力、中國軍事實力提升及對世界其他國家的影響力。
為了提升梟龍的綜合作戰效能,使其更好地適應現代化戰爭,我國和巴基斯坦對梟龍做了一系列設備升級,尤其是基于機身隱身化的改進。類似于俄羅斯研制生產的第五代戰斗機T-50,升級后的梟龍擁有“獨一無二”的復合材料元件涂層,每一層的鍍膜厚度不超過20納米,總鍍層厚度約90納米。盡管這種金屬材料用量很小,但是可以使座艙內設備的雷達反射面積降低250倍,應用這種涂層,不但能夠保護駕駛員玻璃座艙防止無線電波和太陽輻射,而且敵人防空系統雷達信號不能顯示飛機座艙,因此安裝在內部的儀器對于敵人電子偵察系統來說是不可見的。座艙是機身前向的一大腔體散射源,普通玻璃座艙蓋無法阻止雷達波進入雜亂無章的座艙內,從而形成強烈腔體散射,涂抹后該金屬鍍膜的座艙蓋可以有效減少雷達波的透入,并將大部分雷達波反射到低威脅方向。而生產此類金屬鍍膜的主要原料便是稀有金屬銦和鍺。
鍺是光纖和傳感器材料的理想材料,具有高折射率、低色散、容易加工、有良好的機械強度、不吸潮等優點,利用銦和鍺稀有金屬材料設計的智能蒙皮技術,可以通過共性設計有效減少飛機的天線尺寸,并可以采用低成本的新型材料提高氣動外形效果,對縮減飛機性能起到了重要作用,節省了大量的飛機內部空間,減輕了飛機重量,簡化了飛機設計方案,從而極大地提高了飛機的可靠性、可用性和生存能力。此外,稀有金屬鍺將空間太陽能電池同全球衛星的發射量緊密銜接,預計在北斗導航系統等軍民衛星發射需求的支撐下,我國每年將以20顆衛星的速度發射。
在航空太陽能電池領域,鍺襯底化合物半導體電池具有高效率、高電壓、高溫特性好等優點,廣泛用于空間衛星太陽能電池和地面太陽能電站建設當中。如每顆普通衛星大約需要高效太陽能電池用鍺晶片約6000-15000片,每顆大型衛星的太陽能用鍺晶片將達到數萬片,空間站的建立及維護所需要的太陽能用鍺晶片數量更為巨大。目前全球空間太陽能電池超過80%采用了鍺襯底化合物半導體疊層電池,未來將提高到95%。
在世人面前,國防核工業始終蒙著一層厚厚的面紗,2011年日本大地震,福田核電站發生了嚴重的核泄漏事故,核泄漏主要是事故后泄漏的大量放射性物質,引起世界的關注,因此核電站的安全得到了全世界的關注,福島事件使日本核電產業發展進入幾年的寒冬期。
近期我國“華龍一號”的推出,李克強總理““走出去”戰略的實施,開啟中國核電“一帶一路”互利共贏布局似乎拉近了“核”這個望而生畏的字眼同我們的距離。本月中核集團在海上絲綢之路起點福建,面向全球組織召開“華龍一號”技術推介會,推介中國先進的三代核電——“華龍一號”技術,據悉,中科院核能安全技術研究所建成的“多功能鉛鉍堆技術綜合實驗回路KYLIN-II”已通過包括中國核動力研究設計院、中國原子能科學研究院在內的專家評審。評審專家組一致認為:“該裝置是世界最大的多功能液態鉛鉍綜合實驗平臺,回路規模、設計與綜合實驗能力處于國際領先水平。發展了多項核心技術,成果具有創新性。其成功建造與調試運行為中國鉛基反應堆技術及液態重金屬技術進一步研究奠定了基礎,為提升中國在先進核能領域的國際競爭力起到重要作用”。鉛鉍合金回路試驗裝置是研究并解決鉛鉍反應堆材料相容性、設備與系統安全等關鍵科學技術問題的必備平臺。
“華龍一號”成功落地,標志著中國步入了世界先進核電技術國家的第一陣營。據國際原子能機構預測,中國目前在建核電站數量占全世界的40.5%,2015年,中國將有6至8臺核電機組開建,8臺機組有望實現商運,這標志著核電產業正在迎來發展的春天,在此背景下,金屬鉍作為核電站中應用廣泛的金屬原料,將迎來消費高峰。在核反應堆中銦錫氧化物及鍺酸鉍晶體的應用也日漸廣泛,根據國外權威市場分析公司NanoMarkets調查指出,銦在未來十年將被大量需要,即使價格高漲,銦的需求仍將繼續成長。NanoMarkets表示,至2015年,銦錫氧化物涂層基板的產值將達到80億美元,而銦錫氧化物墨作為商品,也將有6億美元的產值。
稀有金屬鎢本身的耐高溫優點,使其被用于各種高速彈藥,尤其是穿甲彈,幾乎是其必不可少的成本。在坦克裝甲車中,鎢合金不僅用來制作炮彈,也用來作為復合裝甲的成分,提高熱強度和耐高溫能力金屬鎢一直是稀缺資源,而鎢幾乎曾是高速穿甲彈彈芯材質的唯一選擇,各種彈道導彈武器由于飛行速度極高必須在外殼應用鎢合金,對抗高速飛行中因空氣摩擦產生的高溫,使得各種鎢合金是必不可少的關鍵成分。作為重要的戰略資源,鎢產業關系著國家經濟命脈和國防安全。
二戰時期,由于從中國進口鎢礦的渠道被切斷,納粹德國坦克嚴重缺乏大威力的鎢制穿甲彈,包括虎式坦克等武器在火力上都大打折扣。美軍在冷戰后幾次局部戰爭中壓倒性控制,以及能夠對敵人肆無忌憚地打擊,正緣于稀有金屬科技領域的超人一等,美國愛國者導彈的精確制導系統中使用了大約4公斤的釤鈷磁體和釹鐵硼磁體用于電子束聚焦, M1坦克裝備的摻釹釔鋁石榴石的激光測距機,在晴朗的白天可以達到近4000米的觀瞄距離,而T-72的激光測距機能看到2000米就算不錯,而在夜間,加入稀土金屬鑭的夜視儀又成為伊拉克軍隊的夢魘。
中國是全球稀有金屬資源的主要儲備國、出口國,資源優勢突出,但由于產業集中度不高,主要下游消費是日本、韓國、美國等發達國家,境外企業采用委托專業采購公司集中采購的辦法,對國內小產能企業各個擊破,國內企業在和下游壟斷跨國公司進行貿易談判時,完全沒有話語權,在沒有其他銷售途徑的情況下被迫以較低得價格將珍稀資源賤賣到境外。以稀有金屬鎢為例,中國一直是鎢礦資源最豐富的國家。然而近年來由于掠奪式開采,鎢礦也陷于枯竭,中國雖然有世界上最大的鎢礦資源,但長期因挖掘技術水平低下造成大量浪費,并且為換取外匯而低價出口國外。目前國內的白鎢礦已經枯竭,而黑鎢礦的資源也迅速減少。
泛亞交易所成立后,有效解決了這一實際問題,開辟了稀有金屬的投資需求,同時為中小生產企業開辟了融資渠道,生產企業隨時可以實現商品銷售和資金回籠及融資。同時交易所通過提高產業聚集度,提高了國際議價能力。泛亞交易所每天的交易量、交易價格、庫存量、指數等數據項填補了全球的數據空白。同時,由于稀有金屬的下游產業都是高科技、電子、信息、新材料、現代航空航天、現代軍事等戰略行業,在全球經濟格局中、國際競爭中占據越來越重要的戰略地位。 泛亞通過制度創新和交易模式創新,實現了稀有金屬貿易與流通、供應鏈金融、信息傳導、資源投資與收儲、商品定價等五大功能,大量社會閑散資本通過交易所這一高度市場化的平臺投資稀有金屬,分享資源增值收益。泛亞有色金屬交易所目前和將來都將主要選擇我國優勢的稀有金屬作為上市品種,使資本在資源和產業中承擔蓄水池的功能,以有效化解伴生金屬產量被動增加帶來的價格被動局面。
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