它号称现代工业的“维生素”在军事技术上都有哪些应用呢？

  被称为新材料“宝库”的稀土, 作为一种特殊功能材料, 能够大幅度地提高其它产品的质量和性能, 号称现代工业的“维生素”, 不仅大范围的使用在冶金、石油化学工业、玻璃陶瓷、毛纺、革和农业等传统产业, 而且在荧光、磁性、激光、光纤通讯、贮氢能源、超导等材料领域有着必不可少的作用, 直接影响着光学仪器、电子、航空航天、核工业等新兴高技术产业高质量发展的速度和水平。这些技术成功应用于军事技术, 极大地促进了现代军事技术的发展。

  稀土新材料在现代军事技术中所发挥的特殊作用, 广泛引起各国政府和专家的高度关注, 如被美国、日本等国家相关部门列为发展高技术产业和军事技术的关键元素。

  严格讲，所有的稀土元素都有一定的军事用途，但在国防和军事领域发挥最关键作用的应该是激光测距、激光制导、激光通讯等领域的应用。

  作用包括净化变质和合金化两个方面, 即主要是脱硫、脱氧和去除气体, 消除低熔点有害杂质的影响, 细化晶粒和组织, 影响钢的相变点来提升钢的淬透性和力学性能等, 军工科学技术人员利用稀土的这一性质, 研制了不少适于兵器使用的稀土材料。

  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。

  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, 完全能满足技术方面的要求, 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夙愿。

  稀土高锰钢用来制造坦克履带板, 稀土铸钢用来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。

  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, 大幅度的提升了杀伤威力。我国用这样一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。

  稀土具备极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, 进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, 这一些产品在歼击机、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。

  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, 很多牌号已用来生产, 质量稳定。例如:以稀土金属钕为主要添加元素的ZM 6 铸造镁合金已扩大用于直升机后减速机匣、歼击机翼肋及30 kW 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BM 25 已代替部分中强铝合金, 在强击机上获得应用。

  70 年代初, 北京航空材料研究院(简称:航材院) 在Ti— A1— M o 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W PI3Ⅱ发动机, 每架飞机减重达39 kg, 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), 就非常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,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, 该工艺已大范围的使用在制造各种飞机、发动机及民品铸件。

  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。

  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”227 kg 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% 。

  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 ㎏ /m 3, 燃烧速度1.3 ～1.5 m m /s, 火焰直径约500 m m , 火焰温度高达1 715～2 000 ℃。其燃烧后炽热体炽热持续时间长于5m in。美军在侵越战争中,用发射器发射的一种40 m m 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。

  重量为100 g 的稀土燃烧合金可形成200 ~3 000 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。

  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10 m m 的板材进行防辐射试验。结果表明, 稀土高分子材料的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。

  美国采用1% 硼和5% 的稀土元素钆、钐和镧, 制成厚度为600m m 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。

  它由四层单板组成, 总厚度为5 ~ 20 cm 。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。

  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。

  稀土氧化钇可用作沸水反应堆(BW R) 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4 600 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。添加稀土钆和镝的薄箔可用作航天、核工业工程中中子探场仪, 少量的稀土铥和铒用作密封管中子发生器的靶材料, 稀土氧化铕—铁金属陶瓷用于制作改进型反应堆控制支承板。稀土钆还可以用作防中子弹辐射的涂料添加剂, 涂有含氧化钆的特殊涂料的装甲车可防中子辐射。稀土镱被用于测量地下核爆炸所引起的地应力的设备中。当稀土镱受力时, 电阻加大,电阻的变化可用来计算所受的压力。把气相沉积、交错涂敷的稀土钆箔和一个应力敏感元件相联,可用于测量很高的核应力。

  被誉为新一代磁王的稀土永磁材料, 是目前已知的综合性能最高的一种永磁材料。它比70 年代在军事装备中使用的磁钢的磁性能高100 多倍。目前, 它已成为现代电子技术通讯中的重要材料, 用在人造地球卫星、雷达等方面的行波管、环行器中, 因此, 在军事上有其重要的意义。

  钐钴磁体和钕铁硼磁体在导弹制导系统中用于电子束致聚焦, 磁体是电子束的主要聚焦器件, 它将数据传递至导弹的操纵面。在导弹的每一个聚焦制导装置中约在5~10 磅(2.27 ~4.54 ㎏) 磁体。此外, 稀土磁体还用于驱动电动机, 转动制导导弹的方向舵, 其优势在于较原用的铝镍钴磁性强、重量轻。

  激光是一种新型光源, 它具有很好的单色性、方向性和相干性, 并且可达很高的亮度。激光与稀土激光材料是同时诞生的。到目前为止, 大约90% 的激光材料都涉及到稀土。例如:以钇铝石榴石晶体是当今普及的一种在室温下可获得连续高功率输出的激光器。固体激光器在现代军事上的应用包括以下几个方面。

  美、英、法、德等国研制的掺钕钇铝石榴，石激光测距机可测距离达4 000～20 000 m , 精确5 m 。美国的M I, 德国的“豹”Ⅱ、法国的“勒克莱尔”, 日本的90 式、以色列的“梅卡瓦”, 还有英国最新研制的“挑战者— 2”坦克等武器系统都采用了这类激光测距机。目前,有些国家正在研制新一代的人眼安全固体激光测距机, 其工作波段为1.5～2.1μm 。美国、英国的采用掺钬氟化钇锂激光器研制出手持式激光测距机, 其工作波段为2.06μm , 测距达3 000 m 。美国还与国际激光公司联合采用掺铒氟化钇锂激光器, 研制出波长为1.73 μm 的激光测距机, 并大量装备部队。我国的军用测距机激光波长1.06 μm , 测距200 ～7 000 m 。我国在发射远程火箭、导弹和试验通信卫星中均通过激光电视经纬仪在靶场测量中取得重要数据。

  激光制导炸弹是用激光进行终端制导。对目标照射激光采用每秒发出几十个脉冲的Nd·YAG 激光器, 脉冲进行编码, 光脉冲能自导导弹响应, 从而可防止导弹发射的干扰和敌方设置的障碍。如称作“灵巧炸弹”的美军GBV — 15滑翔炸弹。同理, 也可用来制造激光制导炮弹。

  除Nd·YAG 可用作激光通信外, 四磷酸钕锂晶体(LNP) 的激光输出有偏振性, 易于调制, 被认为是最有希望的微型激光材料之一,适于光纤通信的光源, 并可望在集成光学和宇宙通信方面获得应用。另外, 钇铁石榴石(Y3Fe5O12) 单晶可用微波集成工艺来作各种静磁表面波器件, 使器件集成化, 小型化, 在雷达遥控遥测、导航及电子对抗中有特殊用途。

  当某种材料在低于某一温度时, 出现电阻为零的现象即超导现象, 该温度是临界温度(Tc)。超导体是一种抗磁体, 低于临界温度时,超导体排斥任何试图施加于它的磁场, 这是所谓的迈斯纳效应。在超导材料中添加稀土元素可以使临界温度Tc 大幅度的提升。这就大大推动了超导材料的研制和应用的发展。80 年代, 美、日等发达国家先后在氧化钡、氧化铜化合物中添加了一定量的镧、钇、铕、铒等稀土氧化物, 经混匀、压制及烧结而成超导陶瓷材料, 使超导技术的广泛应用特别是在军事上的应用更为广阔。

  近年来, 国外开展了超导技术在电子计算机上的应用研究, 并用超导陶瓷材料研制成超导集成电路, 若用这种集成电路制造超导计算机, 不仅体积小、重量轻、使用起来更便捷, 而且运算速度比半导体计算机快10 ~ 100 倍, 每秒浮点运算达3 000 亿次到10 000 亿次。因而, 美军方预言: 超导计算机一旦问世, 即成为部队C1 系统战斗力的“倍增器”。

  用超导陶瓷材料制造成的磁敏感元件体积小,便于实现集成化、阵列化, 可组成多渠道、多参数的探测系统, 使单位信息容量大幅度提升,并使磁探仪的探测距离和精度大为提高。用超导磁探仪不但可以发现坦克、车辆及潜艇等活动目标, 而且能测定其尺寸, 从而使反坦克和反潜战等战术和技术出现重大变化。

  据悉, 美国海军已确定采用这种稀土超导材料研制一种遥感卫星, 用来演示和改进传统的遥感技术。这种名叫海军地球图像观测仪的卫星在2000 年已经发射。

  稀土超磁致伸缩材料是国外八十年代末新开发的新型功能材料。主要是指稀土—铁系化合物。这类材料具备比铁、镍等大得多的磁致伸缩值, 其磁致伸缩系数比一般磁致伸缩材料高约102 ~ 103 倍, 因此被称为大或超磁致伸缩材料。在所有商品材料中, 稀土超磁致伸缩材料是在物理作用下应变值最高、能量最大的材料。特别是铽镝铁磁致伸缩合金(Terfenol—D)的研制成功, 更开辟了磁致伸缩材料的新时代。当Terfenol—D 置于一个磁场中, 其尺寸的变化比一般磁性材料大, 这种变化使一些精密机械运动得以实现。目前大范围的使用在多种领域, 从燃料系统、液体阀门控制、微定位到机械致动器太空望远镜的调节机构和飞机机翼调节器等领域。Terfenol—D 材料技术的发展使电—机械转换技术获得突破性进展。并对尖端技术、军事技术的发展及传统产业的现代化产生了重要的作用。稀土磁致伸缩材料在现代军事上的应用主要有以下几个方面:

  一般的声纳发射频率都在2 kHz以上, 但是低于此频率的低频声纳有其特殊的优越性: 频率越低、衰减越小、声波传得越远, 同时频率低受到水下回声屏蔽的影响就越小, 用Terfenol— D 材料制做的声纳能够完全满足大功率、小体积、低频率的要求, 所以发展得较快。

  主要用于小型受控动作器件———致动器。包括控制精度达纳米级, 以及伺服泵、燃料注入系统、制动器等。用于军用汽车、军用飞机航天器、军用机器人等。

  如袖珍测磁仪、探测位移、力、加速度的传感器以及可调谐的表面声波器件等。后者用于雷、声纳的相位传感器和计算机的存储元件。

  其他如稀土发光材料、稀土贮氢材料、稀土巨磁阻材料、稀土磁致冷材料、稀土磁光存储材料等都在现代军事上有了成功的应用, 大大地提高了现代武器的战斗力。例如稀土发光材料成功应用于夜视设备, 在夜视镜中, 稀土荧光粉将光子(光能量) 转化成电子, 电子在通过光纤显微道平面的几百万个小孔被增强,互相从壁上来回反射, 释放出更多的电子。在尾端的另一些稀土荧光粉则将电子重新转化成光子, 于是用目镜就能看到图像了。这一过程与电视屏幕很相似,正是稀土荧光粉将某种彩色图像发射至电视屏幕上。美国工业界通常使用五氧化二铌, 但是, 要使夜视系统获得成功, 稀土元素镧是十分关键的成分。海湾战争中,多国部队就是用这种夜视镜一次又一次地观测伊军的目标, 以小小的代价换取大胜利。

  稀土工业的发展, 有力地推动了现代军事技术的全面进步, 军事技术的提高,又带动了稀土工业的繁荣发展。笔者相信, 随世界科学技术的飞速前进, 稀土产品必将以其特殊的功能, 在现代军事技术的发展中, 发挥更大的作用, 并为稀土行业本身带来非常大的经济效益与突出的社会效益。