第一篇：新材料在軍工方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

新材料在軍工方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

摘要：隨著現(xiàn)代軍事科技的不斷發(fā)展，促使各國對武器裝備的性能提出了更高的要求。由于軍用新材料能夠滿足武器材料強韌化、輕量化、多功能化和高效化的發(fā)展要求，促使軍工新材料的研究十分繁榮。本文主要綜述了國內(nèi)外軍用結(jié)構(gòu)新材料和功能新材料的研究進展，并對未來軍用新材料的研究趨勢進行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：軍用新材料，鈦合金，高強度鋼，納米隱身材料，磁性材料 前 沿

新材料是指那些新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能的材料。新材料的研制、開發(fā)與應(yīng)用不僅構(gòu)成對高技術(shù)發(fā)展的推動力，而且也成為衡量一個國家科技水品的高低的重要標(biāo)志。因此，新材料是技術(shù)革命與創(chuàng)新的基石，是社會現(xiàn)代化的先導(dǎo)。現(xiàn)代高新技術(shù)對新材料的依賴越來越多，這使得發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都爭相將新材料列為高新技術(shù)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)，各國都采取各種措施，力爭搶占新材料技術(shù)的“制高點”[1]。

新材料的出現(xiàn)一方面對經(jīng)濟有著巨大的促進作用，自從20世紀(jì)80年代以來，新材料在整個世界貿(mào)易中所占的比例逐年遞增，而且還促進了與新材料相關(guān)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。因為有了新材料做基礎(chǔ)，信息、生物工程、新能源、激光、海洋開發(fā)和空間技術(shù)作為促進生產(chǎn)、振興經(jīng)濟、增強綜合國力的高技術(shù)群和高知識密集型產(chǎn)業(yè)能夠繁榮發(fā)展[1]。由此可見，新材料是未來經(jīng)濟發(fā)展的支柱性力量。另一方面，新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用又為國防安全提供了保證。國防科一直都是高、精、尖技術(shù)的集合，新材料是高技術(shù)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。納米材料出現(xiàn)使微型武器出現(xiàn)在戰(zhàn)場，先進高分子材料出現(xiàn)使洲際導(dǎo)彈的出現(xiàn)成為可能，新型鋰離子電池材料的出現(xiàn)讓“無人機”出現(xiàn)在人們的視野，而非晶軟磁合金材料大大提高了一些精密武器的工作環(huán)境。由此可見，新材料也是軍事工業(yè)發(fā)展的重要促進力量，是新型武器裝備的物質(zhì)基礎(chǔ), 也是當(dāng)今世界軍事領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。所以，對新材料在軍工方面的研究現(xiàn)狀總結(jié)和發(fā)展趨勢的展望，對促進我國軍事工業(yè)的發(fā)展有重大意義。軍用結(jié)構(gòu)材料

軍用新材料按材料性能和用途可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類, 主要應(yīng)用于航空工業(yè)、航天工業(yè)、兵器工業(yè)和船艦工業(yè)中。結(jié)構(gòu)材料主要是利用材料的力學(xué)和理化性能，以滿足高強度、高剛度、高硬度、耐高溫、耐磨、耐蝕和抗輻射等性能要求, 目前在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料主要有以下幾類。2.1 先進金屬結(jié)構(gòu)材料

2.1.1 變形鎂合金

變形鎂合金有很高的比強度、比剛度和塑性，是航空航天領(lǐng)域中最有前途的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，座艙架、吸氣管、導(dǎo)彈艙段、壁板、蒙皮、直升機上機閘等大都采用鎂理合金制件。有研究表明采用鎂合金部件代替鋁合金，可以解決鋁合金機翼的疲勞問題。目前，對于鎂合金的研究和開發(fā)已基本成熟，多個品牌的變形鎂合金已經(jīng)開發(fā)出來。例如：耐熱鎂合金、耐蝕鎂合金、阻燃鎂合金、高強韌鎂合金以及超輕變形Mg-Li合金。其中，鎂鋰合金的研究十分活躍，美國、日本、俄羅斯在理論和應(yīng)用開發(fā)方面都做了不少研究，我國也有一些單位進行前期研究，如東北大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。目前主要應(yīng)用在殲擊機和槍械方面。如噴氣式殲擊機“洛克希德F-80”以及“B-36”轟炸機都應(yīng)用這類鎂合金。耐熱鎂合金目前主要在往稀土鎂合金方向研究，如美國開發(fā)的QE22和 WE44鎂合金具有相當(dāng)高的高溫強度，以運用到直徑1m的“維熱爾”火箭殼體的制作上，提高了其飛行性能。阻燃鎂合金目前的研究也是向稀土化方向發(fā)展。這方面上海交通大學(xué)輕合金精密成型國家工程研究中心研究成果豐碩，他們開發(fā)出的加入鈹和稀土元素的鎂合金已成功的應(yīng)用到了轎車變速箱殼蓋的工業(yè)試驗，相信在武器要求強量化背景下，這種鎂合金在軍事工業(yè)上會有很大的應(yīng)用前景[2]。2.1.2 先進鈦合金

鈦是20世紀(jì)80 年代走向工業(yè)化生產(chǎn)的一種重要金屬。也是一種對經(jīng)濟和國防具有重要意義的新型金屬。鈦合金與鎂合金相似，它密度小、強度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點，在航空航天和軍事領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，包括軍用、民用飛機、航空發(fā)動機、導(dǎo)彈。艦艇、核反應(yīng)堆以及輕型火炮等。為了擴大鈦合金在軍事方面的用途，主要進行了以下幾個方面的研究[3]。（1）高強韌性，美國開發(fā)的Ti1023鈦合金抗拉強度高、斷裂韌性高、耐疲勞性好、鍛造性能優(yōu)良，已應(yīng)用在B777飛機起落架系統(tǒng)和火箭發(fā)動機推進劑儲箱和導(dǎo)管等部件。另外美國鈦金屬公司Timet分部研制的一種新型抗氧化、超高強鈦合金β21S在690℃具有良好的抗氧化性能，可在540℃下長期工作。冷、熱加工性能優(yōu)良，可制成0.064mm的箔材。已被美國國家宇航局確定用作硅/鈦復(fù)合材料的基體材料，并將用于美國航天飛機的機身和機翼壁板。（2）耐高溫性，這項工作開始于20世紀(jì)50年代初期，英國、美國和俄羅斯在這方面具有先進水平，英國的IMI829、IMI834鈦合金，美國的Ti100、俄羅斯的BT18Y、BT36、BT37已經(jīng)用在了軍用飛機發(fā)動機上。（3）阻燃性，20世紀(jì)80年代美國的兩 2 家公司研制出對持續(xù)燃燒不敏感的鈦合金Alloy C（Ti-1270），它具有較高的室溫強度，并具有良好的室溫和高溫塑性、蠕變和疲勞性能，已用于F119發(fā)動機。我國研制的Ti-40阻燃性能與美國的Ti-1270相當(dāng)，也用于我國新型的戰(zhàn)斗機發(fā)動機上。我國的600℃高溫鈦合金TI60還處于研制階段。2.1.3超高強度鋼

超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1200 Mpa 和1400 Mpa的鋼, 它是為了滿足飛機結(jié)構(gòu)上要求高比強度的材料而研究和開發(fā)的。Aermetl00是美國Carpenter技術(shù)公司研制的高合金超高強度鋼。已披用于F-

22、F-18E/F等先進飛機的起落架。美國近期又開發(fā)出一種后繼鋼，稱Aermet 310，比Aermet100強度高10％，KIc達(dá)70MPa。SFGHITEN、NANOHITEN、ERW和HISTORY是日本JFE公司最近開發(fā)出的幾種高強度鋼。其中SFGHITEN為含Nb系列高強度IF鋼板，主要應(yīng)用對象是汽車車身外板, NANOHITEN是強度級別為780MPa的熱軋鋼板,其特點是塑性好、擴孔率高，具有優(yōu)良的翻邊成形性能和穩(wěn)定的力學(xué)性能。可應(yīng)用于各類加強件、臂類與梁類零件。ERW和HISTORY是JFE針對飛機懸架系零部件開發(fā)的高強度鋼管，強度級別也是780 MPa。該材料具有良好的液壓成形性能。已開始應(yīng)用于飛機懸架系統(tǒng)的臂類零件。Stelco公司最近開發(fā)出了一種代號為SteIR MM的高強度微合金，具有良好的斷裂韌性，經(jīng)試驗其斷裂韌性比普通鋼高22%左右，并已投放市場。國內(nèi)發(fā)動機、直升機傳動材料技術(shù)十分落后，北京航空材料研究院已自主開發(fā)出適應(yīng)某型號飛機發(fā)動機的剛強度鋼[4]。2.1.4 金屬間化合物

金屬間化合物材料技術(shù)仍處在探索發(fā)展階段，美國GE公司將Ti-48Al-2Nb-2Crγ型合金精鑄成CF6—80CZ發(fā)動機渦輪葉片．地面試車取得成功。惠普公司也擬根據(jù)Caesar計劃在F119發(fā)動機上試車。對鎳鋁化臺物也在進行廣泛的研究工作，俄羅斯近年開發(fā)成功了BKHA-1B和BKHA-2M．前者以Nl3Al為基、后者以N3Al+NaAl為基。已分別用于發(fā)動機靜子葉片和導(dǎo)向葉片涂層材料。國外在鈮基體中加入Si，形成Nb3Si或Nb 3Si2金屬間化合物。作為增強體，形成Nb-Si復(fù)合材料，其耐溫能力比單晶合金提高

200～300℃[5]。

2.2 復(fù)合材料

材料科學(xué)的發(fā)展造就了高強度、高模量、低比重的碳纖維，從而掀開了先進復(fù)合材料的時代。日本于1955年首先發(fā)明了聚丙烯腈（PAN）基碳纖維，并于60年代初進入工業(yè)化生產(chǎn)，70年代中期誕生了以碳纖維為增強相的先進復(fù)合材料。碳基 3 增強具有無可比擬的高比強度及高比剛度性質(zhì)及耐腐蝕、耐疲勞特性，非常適用于航空飛機和航天飛機。PAN 碳基纖維較早時候是T300級別的用于武器裝備上，20世紀(jì)60年代末，美國開發(fā)出了硼纖維增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，1971年成功應(yīng)用于F-14戰(zhàn)斗機尾翼上，此后又有F-

15、F-

16、米格-

29、幻影2000、F/A-18等復(fù)合材料尾翼問世。此時一般一架軍用飛機的垂尾、平尾全采用復(fù)合材料，可占總重的5%左右。經(jīng)過以后的發(fā)展，目前的飛機上復(fù)合材料用量到20%～50%不等，如美國的B-2戰(zhàn)斗機大約占50%左右，機身大部分為復(fù)合材料[5]。

復(fù)合材料除了在軍用飛機上有突出貢獻，在導(dǎo)彈彈頭上也大量應(yīng)用，復(fù)合材料最早應(yīng)用在導(dǎo)彈彈頭的是層壓玻璃/酚醛復(fù)合材料，后來發(fā)現(xiàn)不足，產(chǎn)生了模壓高硅氧/酚醛。目前，科學(xué)家開發(fā)出了更好的碳/碳復(fù)合材料, 碳/碳復(fù)合材料具有低密度(<2.0g/cm3)、高比強、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是目前在1650℃以上應(yīng)用的唯一備選材料，最高理論溫度更高達(dá)2600℃，因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料。近期研制的導(dǎo)彈頭帽幾乎都采用了碳/碳復(fù)合材料。目前為了提高導(dǎo)彈的打擊能力，由開發(fā)出碳/酚醛復(fù)合材料用作導(dǎo)彈彈頭的防熱層。另外在固體火箭發(fā)動機的噴管上，復(fù)合材料也不短改進，從最早的金屬到后來的金屬/非金屬，現(xiàn)在一開始使用碳/碳復(fù)合材料，使導(dǎo)彈的性能得到很大的提高[6]。

陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料具有高耐熱性、低密度、良好的高溫抗氧化性、抗腐蝕性和耐磨性等優(yōu)點，對提高航空發(fā)動機的渦輪前溫度，進而提高發(fā)動機的推重比和降低燃料消耗具有重要作用。因此，高溫結(jié)構(gòu)陶瓷及其陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的研究成為高推重比航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國早在1995年就用陶瓷基復(fù)合材料制造出了發(fā)動機燃燒室浮璧，并成功應(yīng)用于XTC-65核心機中；法國在大量研究工作的基礎(chǔ)上，將陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)用于Rafale飛機的M88燃?xì)鉁u輪發(fā)動機噴嘴閥；英國羅羅公司對陶瓷基復(fù)合材料的第一步目標(biāo)是發(fā)展能在1200℃工作的陶瓷基復(fù)合材料，使現(xiàn)在的遄達(dá)發(fā)動機減重10％左右。目前，陶瓷基復(fù)合材料一直在改性研究上，碳纖維改性是最近研究的熱點，用日本碳素公司生產(chǎn)的Hi-Nicalon纖維及道康寧公司開發(fā)的Sytramic纖維改性獲得了較好結(jié)果[7][8]。軍用功能材料

3.1 納米隱身材料

美、俄、法等軍事強國都把納米隱身材料作為新一代的隱身材料進行探索和研究, 并對納米材料的微波電磁譜理論、材料系列、制備方法、性能表征等進行了系統(tǒng) 研究, 研制出了多種不同結(jié)構(gòu)的納米隱身材料, 取得了實質(zhì)性進展。

1995年, 日本采用納米碳管與磁性吸收劑復(fù)合, 設(shè)計了納米材料吸波涂層, 吸波性能有一定的提高, 在此基礎(chǔ)上, 具有更明顯的形狀、磁晶、應(yīng)力各向異性的二維納米結(jié)構(gòu)磁性金屬薄膜逐漸引起了人們的重視。

20世紀(jì)末, 美國研制出的“超黑粉”納米隱身材料, 對雷達(dá)波吸收率達(dá)到99%, 這種“超黑粉”納米隱身材料實際上是用納米石墨做吸收劑制成的石墨熱塑性復(fù)合材料和石墨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料, 不僅吸收率大, 而且在低溫下仍保持良好的韌性。

2000年俄羅斯成功利用了納米晶體膜的高磁損耗和高磁導(dǎo)率特性, 制備了20nm 的超薄型多層膜毫米波吸波材料 , 具有良好的隱身效果。

法國研制的一種磁性多層膜寬頻帶納米隱身材料, 它是由粘結(jié)劑和納米級微屑填充材料構(gòu)成, 能夠吸收超高頻的電磁波, 納米級由超薄不定型磁性薄層及絕緣層構(gòu)成, 非晶態(tài)磁性材料層為具有高磁導(dǎo)率的鐵磁性材料, 層厚度為3nm,絕緣層為碳或者無機材料, 厚度為5nm,在50MHz～50GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的吸波性能[9][10]。

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代末也一直關(guān)注納米材料用于雷達(dá)波隱身的可能性, 在納米隱身機理的理論研究和實驗研究方面均有所進展。成都電子科技大學(xué)研制的納米針形磁性金屬粉多層納米膜復(fù)合吸波材料, 通過改變納米針形磁性金屬粉成分, 可以有效地控制其頻率特性, 有利于展寬吸收頻帶。南京大學(xué)、華中科技大學(xué)在納米物性研究的基礎(chǔ)上, 理論上論證了采用納米磁性多層膜提高隱身材料吸波效果的可行性, 并采用磁控濺射技術(shù)試制了納米晶薄膜, 在4GHz～6GHz, 磁導(dǎo)率μ"可達(dá)到 40左右, 比磁性微米吸收劑提高了10倍[10]。

3.2 磁性材料

磁性材料作為新材料的一種，也是發(fā)展非常迅速的基礎(chǔ)功能材料，其功能、結(jié)構(gòu)、用途也是十分廣泛的。而其在軍事領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用更是成為各國強化軍事優(yōu)勢的重要手段。

美國作為軍事大國，其科技十分發(fā)達(dá)，在微波領(lǐng)域尤其如此。美國軍方2003年與IBM等公司合作研究用于雷達(dá)報警系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、艦載防御導(dǎo)彈、PAC-3導(dǎo)彈等的磁性材料，取得可喜進展。2004年IBM微電子公司發(fā)布了兩條標(biāo)準(zhǔn)IC生產(chǎn)線，包括功率放大器和電壓控制振蕩器。2006年8月，美國東北大學(xué)研制出一種磁性材料。這種磁性陶制薄膜材料具有一種自發(fā)磁矩，可以有效降低雷達(dá)對磁體的需求。美國新近成立的VIDA產(chǎn)品公司集中研究高Q、寬調(diào)諧濾波器、振蕩器和頻率合成器的軍事和商業(yè)應(yīng)用。在新武器電磁炮方面，美國也已經(jīng)取得了成果。

在日本，對磁性材料的研究也十分活躍。大同特殊鋼公司近年開發(fā)出撓性電磁波吸收體“DPR”系列，其主要特點是高溫環(huán)境下抗電磁干擾，可滿足電子機器、光纖通信多方面需求。日立金屬公司生產(chǎn)的“Finemet”納米晶磁性材料，主要用于電子機器防干擾共態(tài)扼流圈。戶佃工業(yè)公司與明治大學(xué)共同研制成由Co、Ni和氧化鐵組成的只有30～40nm的納米磁粉，可獲得239～542kA/m(3000～6800 Oe)的矯頑力，并可以在50℃保持1 000h的熱穩(wěn)性。川崎鋼鐵公司新近開發(fā)出電磁線材，可用于倒相電路中的變壓器或扼流圈，滿足了電磁器件小型化、異型化需求。

印度從2003年1月起實施“薩姆尤科塔”電子戰(zhàn)計劃。計劃中用的重要設(shè)施一拉簡德拉相控陣?yán)走_(dá)，由印度巴拉特電子有限公司生產(chǎn)。該技術(shù)的有效使用壽命將持續(xù)到2020年。印度陸軍官員稱，首批26輛電子戰(zhàn)車輛已交付陸軍并投入使用。韓國也在加緊研發(fā)。目前磁性材料的領(lǐng)域主要有軟磁鐵氧體、永磁鐵氧體、磁介質(zhì)、非晶磁芯等方面。俄羅斯SPA Ferrite公司研制的磁性材料已用于毫米波器件，大功率器件，鐵氧體移相器上，SRPC“ISTOK”公司研制的材料在嵌入式微帶和帶線環(huán)行器和隔離器，同軸環(huán)行器，毫米波波導(dǎo)環(huán)行器和隔離器，高功率毫米波和厘米波環(huán)行器上廣泛應(yīng)用。

在歐洲，歐盟研究了微波真空器件用碳納米管，微波與先進CMOS（補充型金屬氧化物）技術(shù)集成，微電機系統(tǒng)集成相陣天線等。英國Belfast大學(xué)高頻電子研究小組的典型研究項目包括毫米波前端和集成自追蹤天線用的靈敏結(jié)構(gòu)，其中關(guān)鍵技術(shù)是研制具有低反射損耗的空間移相器。英國Loughborough大學(xué)的無線通信研究小組主要研究天線與無線系統(tǒng)，包括在移動和衛(wèi)星通信系統(tǒng)、微波和毫米波工程中的應(yīng)用[11][12]。

3.3 電子信息材料

2006年8月, 美國喬治亞州技術(shù)學(xué)院研制出一種新型液晶聚合體材料(LCP), 并正在實驗測試。這種超薄、像塑膠一樣的材料具有輕質(zhì)和柔軟的特性, 比傳統(tǒng)材料的性能更優(yōu)異, 可應(yīng)用于電路板、相控陣天線等各種領(lǐng)域。

2006年10月, 美國利弗莫爾·伯克利國家實驗室研制出一種能夠提高太陽能電池板功率的新型半導(dǎo)體材料。應(yīng)用該材料能比傳統(tǒng)材料獲取更多頻譜的太陽能, 利用率可達(dá)45%, 而傳統(tǒng)的單晶半導(dǎo)體材料是25%, 傳統(tǒng)的多晶半導(dǎo)體材料為39%, 有望替代在衛(wèi)星上應(yīng)用的昂貴的鋅錳碲合金材料。

美國IBM公司和喬治亞州技術(shù)學(xué)院聯(lián)合研制出一種新型硅-鍺半導(dǎo)體材料。采用此材料制造成的晶體管運行頻率超過500GHz。經(jīng)過實驗測試, 材料性能在超低溫度 6 下仍然達(dá)到預(yù)定的期望值。該材料制成的超高頻率硅-鍺半導(dǎo)體材料電路可應(yīng)用于通信、防務(wù)、航天、遙感等諸多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域[13]。研究展望

新材料的研究發(fā)展水平與一個國家的高技術(shù)以及國防建設(shè)的發(fā)展有著密切關(guān)系。而新材料在軍工的研究任然十分活躍，目前的國內(nèi)外研究水平已經(jīng)取得了不少的成果，但是，在要求武器裝備輕量化、性能高效化、智能化的現(xiàn)在，新材料還應(yīng)該向以下趨勢發(fā)展。

（1）在金屬結(jié)構(gòu)材料方面，主要發(fā)展高純度、高強度、高韌性和耐高溫以及低密度的金屬結(jié)構(gòu)材料，積極開發(fā)低成本合金。

（2）超高強度鋼的發(fā)展趨勢是在保證超高強度的同時, 不斷提高韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力。

（3）對于金屬間化合物應(yīng)該致力于研究合金化和復(fù)合化研究，用以解決其低溫脆性和高溫強度偏低的缺陷。

（4）目前陶瓷結(jié)構(gòu)材料存在的主要問題是脆性高、成本高和加工困難, 發(fā)展方向是采用CVI 技術(shù)和納米技術(shù)制造高性能陶瓷。

（5）復(fù)合材料方面，應(yīng)該加大新型復(fù)合材料的開發(fā)，提高材料的環(huán)保性能，可靠性能，智能性。

（6）軍用功能材料的未來發(fā)展趨勢是功能復(fù)合型材料，因此，各種功能材料在復(fù)合功能材料的研究是很有必要的。

總的來說，軍用新材料的發(fā)展趨勢是種類增多, 成本降低, 性能提高。材料通用化和標(biāo)準(zhǔn)化以及新型的加工工藝手段可以提高產(chǎn)品的使用壽命并且可以簡化維修，也是未來軍用材料研究的重點[14]。

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第二篇：新材料在軍工方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

新材料在軍工方面的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

摘要：新材料在軍工領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，這里綜述了軍工結(jié)構(gòu)材料以及功能材料的研究現(xiàn)狀，最后展望了新材料在軍工方面的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵字：新材料, 軍工, 研究現(xiàn)狀，結(jié)構(gòu)材料，功能材料，發(fā)展趨勢

The status quo and development trend of new materials in aspects of the military-industrial(Wang Hongwei Material Science and Engineering Institute in North University of China)Abstract: The new materials has been widely used in the military-industrial，here reviewed the status quo of research of Structural materials and functional materials in aspects of the military-industrial.Finally, here prospect the development trend of the new materials in aspects of the military-industrial.Key words: new materials, military-industrial, the status quo of research, structural materials, functional materials, the trends of development

在現(xiàn)代工業(yè)、國防和高新技術(shù)發(fā)展中，新材料已成為一項共性關(guān)鍵技術(shù)，并且正在成為當(dāng)代和下世紀(jì)初最重要、發(fā)展最快的科學(xué)技術(shù)之一。國防科技工業(yè)常常是新材料技術(shù)成果的優(yōu)先使用者，同時也是一些重要高性能新材料的需求牽引者。新材料技術(shù)的研究開發(fā)對于國防科技工業(yè)和武器裝備的發(fā)展有著決定性的意義，新材料是指那些新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能的材科，而軍工新材料則是指用于制造各種先進武器裝備或用于武器裝備改造的新材料[1]。

1.軍工新材料的分類

按照物化成的武器裝備，軍工新材料可分成航空材料、航天材料、兵器材料、艦船材料、核武器及核動力裝置材料、動能、定向能武器材料以及軍用電子材料等。按照材料的主要用途，軍工新材料可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。其中，結(jié)構(gòu)材料又可分為金屬結(jié)構(gòu)材料，陶瓷結(jié)構(gòu)材料、高分子結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料；功能材料則可分為磁性材料、電子和光學(xué)材料、防熱材料、抗核、抗激光、抗粒 子云侵蝕材料、隱身材料、阻尼材料、推進劑、炸藥或高能量密度材料以及新出現(xiàn)的智能材料、功能梯度材料等。近年來，還出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)／功能一體化及多功能化的趨勢。

2.軍工新材料的特點

軍工新材料與傳統(tǒng)材料相比具有一些新的特點，這些特點對于發(fā)展高技術(shù)武器裝備具有十分重要的意義。

（1）質(zhì)量輕，強度高，彈性模量大，這為發(fā)展小型化、輕量化核武器、導(dǎo)彈、衛(wèi)星、火箭和具有高機動性能的坦克、飛機等武器裝備創(chuàng)造了條件。

（2）具有耐高溫、高壓、高速、高燃速、高熱流、強腐蝕、強振動、強輻射和原子氧輻照等極端惡劣環(huán)境的性能，這為發(fā)展極端環(huán)境下使用導(dǎo)彈、火箭和可重復(fù)使用航天器及長壽命的火炮、飛機等武器裝備奠定了基礎(chǔ)。

（3）具有吸波、消聲、降噪、吸能、減少紅外特征等隱身功能和抗核、抗激光、抗粒子云侵蝕等防護功能或多種功能兼?zhèn)涞奶匦裕@對提高坦克、飛機、導(dǎo)彈、艦艇和航天器等武器裝備的生存能力和突防能力具有重要意義。

（4）具有優(yōu)異的光、電、磁性能，這些性能是確保武器裝備的控制、制導(dǎo)、導(dǎo)航、通信、電子戰(zhàn)的準(zhǔn)確性和有效性并向智能化方向發(fā)展，實現(xiàn)高精度、高效率、高可靠性要求的前提。3.新材料在軍工方面的研究現(xiàn)狀

軍工新材料按其用途可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器和船艦領(lǐng)域中[2]。3.1 軍工結(jié)構(gòu)材料

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，武器裝備的技術(shù)密集程度越來越高，正在從機械化戰(zhàn)爭向信息化戰(zhàn)爭演變，武器裝備向精確制導(dǎo)方向發(fā)展。因此，對軍用材料提出了更高、更新的要求。

3.1.1 超高強度鋼和先進高溫合金

超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1200MPa和1400MPa的鋼，它是為了滿足飛機結(jié)構(gòu)上要求高比強度的材料而研究和開發(fā)的。超高強度鋼大量用于制造火箭發(fā)動機外殼，飛機機身骨架、蒙皮和著陸部件以及高壓容器和一些常規(guī)武器。由于鈦合金和復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的擴大，鋼在飛機上用量有所減少，但 2 是飛機上的關(guān)鍵承力構(gòu)件仍采用超高強度鋼制造。目前，在國際上有代表性的低合金超高強度鋼300M，是典型的飛機起落架用鋼。此外，低合金超高強度鋼D6AC是典型的固體火箭發(fā)動機殼體材料。超高強度鋼的發(fā)展趨勢是在保證超高強度的同時，不斷提高韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力。3.1.2 鈦合金

鈦合金具有輕質(zhì)高強、耐熱性好、并有較高的疲勞壽命和優(yōu)良的抗腐蝕性能等優(yōu)點。在軍民用飛機上的應(yīng)用不斷增長。鈦合金用量占美國第四代戰(zhàn)斗機F-22結(jié)構(gòu)重量的41%，占俄羅斯第三代戰(zhàn)斗機蘇-27結(jié)構(gòu)重量的18%左右。預(yù)計到下世紀(jì)初，這種趨勢將繼續(xù)保持。鈦合金在飛機上起初只用于發(fā)動機熱影響區(qū)的非承力零件。從60年代開始用于承力構(gòu)件．包括飛機機身的加強框、中央翼盒、進氣道框架、發(fā)動機支撣梁等．機翼的梁、肋等，起落絮的主、前起支柱等．發(fā)動機的壓氣機盤件、葉片、機匣、鼓筒等。3.1.3 鎂合金

鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金，是目前實際應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、強度高、阻尼性、切削加工性和鑄造性能好的優(yōu)點，因此鎂合金是武器輕量化極為重要的的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料[3]。（1）鎂合金材料在航空航天工業(yè)中的研究現(xiàn)狀

航空材料減重帶來的經(jīng)濟效益和性能的改善十分顯著, 商用飛機與汽車減重相同質(zhì)量帶來的燃油費用節(jié)省, 前者是后者的近100 倍。而戰(zhàn)斗機的燃油費用節(jié)省又是商用飛機的近10 倍, 更重要的是其機動性能改善可以極大提高其戰(zhàn)斗力和生存能力。

隨著鎂合金制備技術(shù)的發(fā)展,材料的性能如比強度、比剛度、耐熱強度、蠕變等性能不斷提高,其應(yīng)用范圍也不斷擴大。目前其應(yīng)用領(lǐng)域包括各民用、軍用飛機的發(fā)動機零部件、螺旋槳、齒輪箱、支架結(jié)構(gòu)以及火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星的一些零部件。如用ZM2制造WP7各型發(fā)動機的前支撐殼體和殼體蓋；用ZM3鎂合金制造J6飛機的WP6發(fā)動機的前艙鑄件和WP11的離心機匣；用ZM4鎂合金制造飛機液壓恒速裝置殼體、戰(zhàn)機座艙骨架和鎂合金機輪；以稀土金屬釹為主要添加元素的ZM6 鑄造鎂合金已擴大用于直升機WZ6發(fā)動機后減速機匣、殲擊機翼助等重要零件； 研制的稀土高強鎂合金MB25、MB26已代替部分中強鋁合金, 在殲擊機上獲得應(yīng) 3 用。

（2）鎂合金材料在用于現(xiàn)代兵器零部件方面的研究現(xiàn)狀

采用鎂合金及鎂基復(fù)合材料替代武器裝備的中、低強度要求的鋁合金零件和部分黑色金屬零件,可進一步實現(xiàn)武器裝備輕量化。表1給出了鎂合金材料在武器裝備零部件中的研究應(yīng)用情況。

表1 鎂合金材料在武器裝備零部件中的研究應(yīng)用情況

裝備名稱 槍械武器

零部件名稱

機匣、彈匣、槍托體、下機匣、提把、前護手、彈托板、瞄準(zhǔn)座等 坦克座椅骨架、機長鏡、炮長鏡、變速箱箱體、發(fā)動機濾座、進出水管、裝甲車輛 空氣分配器座、機油泵殼體、水泵殼體、機油熱交換器、機油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等

導(dǎo)彈 導(dǎo)彈艙體、舵機本體、儀表艙體、舵架、飛機翼片

火炮及彈藥 供彈箱、牽引器、腳踏板、炮長鏡、輪轂、引信體、風(fēng)帽、火藥筒等 光電產(chǎn)品 計算機及通軍用計算機、通訊器材箱體、殼體、板類等零件

信器材 鏡頭殼體、紅外成像儀殼體、底座等

此外，鎂合金材料還可用于解決零件老化、變形和變色的問題。目前, 輕武器、光電及通訊器材產(chǎn)品、戰(zhàn)車儀表盤等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纖維增強塑料的比強度最高, 但彈性模量、比剛度遠(yuǎn)小于鎂合金, 且難以回收, 環(huán)境適應(yīng)性差, 易磨損和老化變形、變色, 還影響武器戰(zhàn)術(shù)性能。鎂合金替代工程塑料能從根本上克服工程塑料的這些缺陷。表2給出了鎂合金替代工程塑料在武器裝備零部件上的研究應(yīng)用情況。

表2 鎂合金替代工程塑料在武器裝備零部件方面的研究應(yīng)用情況

裝備名稱 槍械武器 光電產(chǎn)品 軍用器材

零部件名稱

彈匣、護蓋體、附件筒、前護手等 鏡頭殼體、瞄具殼體、夜視儀殼體等

種類儀表盤、通訊器材箱體、殼體零件、軍用頭盔等

3.1.4 復(fù)合材料

復(fù)合材料是指兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)物質(zhì)組合而成的材料，通常由基 4 體材料與增強劑組成。先進復(fù)合材料比通用復(fù)合材料具有更高綜合性能，它包括樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料等，它在軍事工業(yè)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。先進的復(fù)合材料具有高強度、高模量、耐燒蝕、抗侵蝕、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隱身、抗高速撞擊等一系列優(yōu)點，是國防工業(yè)發(fā)展中最重要的一類工程材料。3.1.5 結(jié)構(gòu)陶瓷

陶瓷材料是當(dāng)今世界上發(fā)展晟快的高技術(shù)村料，它已經(jīng)由單相陶瓷發(fā)展到多相復(fù)合陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷材料因其耐高溫、低密度、耐磨損及低的熱膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)異性能，在軍事工業(yè)中有著良好的應(yīng)用前景。3.2 軍工功能材料

功能材料是指利用聲、光、電、磁、熱、化、生化等效應(yīng)，將能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的材料。功能材料很多．如光電功能材料、貯氫功能材料、阻尼減震材料、隱身材料等[4]。3.2.1 光電功能材料

光電功能材料是指在光電子技術(shù)中使用的材料，它能將光電結(jié)合的信息傳輸與處理，是現(xiàn)代信息科技的重要組成部分。光電功能材料在軍事工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。碲鎘汞、銻化銦是紅外探測器的重要材料：硫化鋅、硒化鋅、砷化鎵主要用于制作飛行器、導(dǎo)彈以及地面武器裝備紅外探測系統(tǒng)的窗口、頭罩、整流罩等。氟化鎂具有較高的透過率、較強的抗雨蝕、抗沖刷能力，它是較好的紅外透射材料。激光晶體和激光玻璃是高功率和高能量固體激光器的材料，典型的激光材料有紅寶石晶體、摻釹釔鋁石榴石、半導(dǎo)體激光材料等。3.2.2 儲氫功能材料

某些過渡簇金屬，合金和金屬問化合物，由于其特殊的晶格結(jié)構(gòu)的原因，氫原子比較容易透入金屬晶格的四面體或八面體間隙位中，形成了金屬氫化物，這種材料稱為貯氫材料。在兵器工業(yè)中，坦克車輛使用的鉛酸蓄電池因容量低、自放電率高而需經(jīng)常充電，此時維護和搬運十分不便。放電輸出功率容易受電池壽命、充電狀態(tài)和溫度的影響，在寒冷的氣候條件下，坦克車輛起動速度會顯著減慢，甚至不能起動，這樣就會影響坦克的作戰(zhàn)能力。貯氫合金蓄電池具有能量密 度高、耐過充、抗震、低溫性能好、壽命長等優(yōu)點，在未來主戰(zhàn)坦克蓄電池發(fā)展 5 過程中具有廣闊的應(yīng)用前景。3.2.3 阻尼減震材料

阻尼是指一個自由振動的固體即使與外界完全隔離，它的機械性能也會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿默F(xiàn)象。采用高阻尼功能材料的目的是減震降嗓。因此阻尼減震材料在軍事工業(yè)中具有十分重要的意義。3.2.4 隱身材料

現(xiàn)代攻擊武器的發(fā)展，特別是精確打擊武器的出現(xiàn)，使武器裝備的生存力受到了極大的威脅，單純依靠加強武器的防護能力已不實際。采用隱身技術(shù)，使敵方的探測、制導(dǎo)、偵察系統(tǒng)失去功效。從而盡可能地隱蔽自己，掌握戰(zhàn)場的主動權(quán)。搶先發(fā)現(xiàn)并消滅敵人，己成為現(xiàn)代武器防護的重要發(fā)展方向。

現(xiàn)代隱形技術(shù)，除了外型設(shè)計上采用先進的方法，進行熱紅外線和自身電磁隱形外，主要是使用新型吸收波材料，即在飛機表面涂抹能大量吸收雷達(dá)波的新型介質(zhì)材料，將雷達(dá)電磁波吸收，使雷達(dá)無法發(fā)現(xiàn)。為應(yīng)付不同雷達(dá)的不同工作方式，現(xiàn)在的隱形飛機已經(jīng)開始有選擇地使用吸收材料。目前，美、英等國正進行主動抵消技術(shù)的研究，即利用吸收材料，先吸收大部分的雷達(dá)波，剩下少量的反射波再利用主動抵消技術(shù)將其全部抵消，雷達(dá)就會完全失去作用。

近年來．國外在提高與改進傳統(tǒng)隱身材料的同時，正致力于多種新材料的探索。晶須材料、納米材料、陶瓷材料、手性材料、導(dǎo)電高分子材料等逐步應(yīng)用到雷達(dá)波和紅外隱身材料，使涂層更加薄型化、輕量化。納米材料因其具有極好的吸波特性，同時具備了寬頻帶、兼容性好、厚度薄等特點，發(fā)達(dá)國家均把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和開發(fā)；國內(nèi)毫米波隱身材料的研究起步于上世紀(jì)80年代中期，研究單位主要集中在兵器系統(tǒng)。經(jīng)過多年的努力，預(yù)研工作取得了較大進展，該項技術(shù)可用于各類地面武器系統(tǒng)的偽裝和隱身，如主戰(zhàn)坦克、155毫米先進加榴炮系統(tǒng)及水陸兩用坦克等。目前，世界上正在研制的第四代超音速殲擊機，其機體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料、翼身融合體和吸波涂層，使其真正具有了隱身功能，而電磁波吸收型涂料、電磁屏蔽型涂料已開始在隱身飛機上涂裝；美國和俄羅斯的地對空導(dǎo)彈正在使用輕質(zhì)、寬頻帶吸收、熱穩(wěn)定性好的隱身材料。可以預(yù)見，隱身技術(shù)的研究和應(yīng)用已成為世界各國國防技術(shù)中最重要的課題之一。

綜上所述，對于國防兵器工業(yè)來說，對材料的基本要求是提高武器威力，減 6 輕重量、延長壽命、降低成本。因此，新型材料的發(fā)展與否、先進與否直接影響到我國的國防建設(shè)。我公司在軍用新材料研制方面取得了長足的發(fā)展，先后成功研制了14MnNi、58SiMn等一系列新鋼號，特別是某軍品用材料，國內(nèi)現(xiàn)有材料的強度已無法滿足其正常工作。公司科技人員與鋼廠共同研制了低合金超高強度鋼管，保證了產(chǎn)品對原材料高強度、高韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力。4.軍工新材料的發(fā)展趨勢

從今后軍工企業(yè)發(fā)展趨勢來看，用于軍事工業(yè)的新材料要求具有較高的技術(shù)含量，世界范圍內(nèi)的軍用新材料正向高功能化、超高功能化、復(fù)合輕量和智能化的方向發(fā)展。

隨著軍事工業(yè)對高強度、低密度材料需求的日益迫切，鈦合金的產(chǎn)業(yè)化進程顯著加快。在國外，先進飛機上鈦材重量已達(dá)到飛機結(jié)構(gòu)總重的30％-35％。軍事高技術(shù)的發(fā)展要求材料不再是單一的結(jié)構(gòu)材料．在這種條件下。軍用復(fù)合材料應(yīng)運而生。2l世紀(jì)復(fù)合材料的發(fā)展方向是低成本、高性能、多功能和智能化。

納米技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)和技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它不僅涉及到現(xiàn)有的一切基礎(chǔ)性科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，而且在軍事工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用前景[5]。隨著未來戰(zhàn)爭突發(fā)性的急劇增大，各種探測手段越來越先進。為適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭的需要，隱身技術(shù)在軍事領(lǐng)域占有十分重要的地位。納米材料對雷達(dá)波的吸收率較高，從而為兵器隱身技術(shù)的發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

參考文獻

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第三篇：新材料在軍工方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

新材料在軍工方面的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

摘要：隨著現(xiàn)代軍事科技的不斷發(fā)展，促使各國對武器裝備的性能提出了更高的要求。由于軍用新材料能夠滿足武器材料強韌化、輕量化、多功能化和高效化的發(fā)展要求，促使軍工新材料的研究十分繁榮。本文主要綜述了國內(nèi)外軍用結(jié)構(gòu)新材料和功能新材料的研究進展，并對未來軍用新材料的研究趨勢進行了總結(jié)。關(guān)鍵詞：軍用新材料，鈦合金，高強度鋼，納米隱身材料，磁性材料 前 沿

新材料是指那些新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的具有傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)異性能的材料。新材料的研制、開發(fā)與應(yīng)用不僅構(gòu)成對高技術(shù)發(fā)展的推動力，而且也成為衡量一個國家科技水品的高低的重要標(biāo)志。因此，新材料是技術(shù)革命與創(chuàng)新的基石，是社會現(xiàn)代化的先導(dǎo)。現(xiàn)代高新技術(shù)對新材料的依賴越來越多，這使得發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家都爭相將新材料列為高新技術(shù)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域和關(guān)鍵技術(shù)，各國都采取各種措施，力爭搶占新材料技術(shù)的“制高點”[1]。

新材料的出現(xiàn)和應(yīng)用又為國防安全提供了保證。國防科一直都是高、精、尖技術(shù)的集合，新材料是高技術(shù)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)。納米材料出現(xiàn)使微型武器出現(xiàn)在戰(zhàn)場，先進高分子材料出現(xiàn)使洲際導(dǎo)彈的出現(xiàn)成為可能，新型鋰離子電池材料的出現(xiàn)讓“無人機”出現(xiàn)在人們的視野，而非晶軟磁合金材料大大提高了一些精密武器的工作環(huán)境。由此可見，新材料也是軍事工業(yè)發(fā)展的重要促進力量，是新型武器裝備的物質(zhì)基礎(chǔ), 也是當(dāng)今世界軍事領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。所以，對新材料在軍工方面的研究現(xiàn)狀總結(jié)和發(fā)展趨勢的展望，對促進我國軍事工業(yè)的發(fā)展有重大意義。軍用結(jié)構(gòu)材料

軍用新材料按材料性能和用途可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類, 主要應(yīng)用于航空工業(yè)、航天工業(yè)、兵器工業(yè)和船艦工業(yè)中。結(jié)構(gòu)材料主要是利用材料的力學(xué)和理化性能，以滿足高強度、高剛度、高硬度、耐高溫、耐磨、耐蝕和抗輻射等性能要求, 目前在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的結(jié)構(gòu)材料主要有以下幾類。

2.1 先進金屬結(jié)構(gòu)材料

2.1.1 變形鎂合金

變形鎂合金有很高的比強度、比剛度和塑性，是航空航天領(lǐng)域中最有前途的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，座艙架、吸氣管、導(dǎo)彈艙段、壁板、蒙皮、直升機上機閘等大都采用鎂理合金制件。有研究表明采用鎂合金部件代替鋁合金，可以解決鋁合金機翼 的疲勞問題。目前，對于鎂合金的研究和開發(fā)已基本成熟，多個品牌的變形鎂合金已經(jīng)開發(fā)出來。例如：耐熱鎂合金、耐蝕鎂合金、阻燃鎂合金、高強韌鎂合金以及超輕變形Mg-Li合金。其中，鎂鋰合金的研究十分活躍，美國、日本、俄羅斯在理論和應(yīng)用開發(fā)方面都做了不少研究，我國也有一些單位進行前期研究，如東北大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)。目前主要應(yīng)用在殲擊機和槍械方面。如噴氣式殲擊機“洛克希德F-80”以及“B-36”轟炸機都應(yīng)用這類鎂合金。耐熱鎂合金目前主要在往稀土鎂合金方向研究，如美國開發(fā)的QE22和 WE44鎂合金具有相當(dāng)高的高溫強度，以運用到直徑1m的“維熱爾”火箭殼體的制作上，提高了其飛行性能。阻燃鎂合金目前的研究也是向稀土化方向發(fā)展。2.1.2 先進鈦合金

鈦是20世紀(jì)80 年代走向工業(yè)化生產(chǎn)的一種重要金屬。也是一種對經(jīng)濟和國防具有重要意義的新型金屬。鈦合金與鎂合金相似，它密度小、強度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點，在航空航天和軍事領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用，包括軍用、民用飛機、航空發(fā)動機、導(dǎo)彈。艦艇、核反應(yīng)堆以及輕型火炮等。為了擴大鈦合金在軍事方面的用途，主要進行了以下幾個方面的研究。（1）高強韌性，美國開發(fā)的Ti1023鈦合金抗拉強度高、斷裂韌性高、耐疲勞性好、鍛造性能優(yōu)良，已應(yīng)用在B777飛機起落架系統(tǒng)和火箭發(fā)動機推進劑儲箱和導(dǎo)管等部件。（2）耐高溫性，這項工作開始于20世紀(jì)50年代初期，英國、美國和俄羅斯在這方面具有先進水平，英國的IMI829、IMI834鈦合金，美國的Ti100、俄羅斯的BT18Y、BT36、BT37已經(jīng)用在了軍用飛機發(fā)動機上。（3）阻燃性，20世紀(jì)80年代美國的兩家公司研制出對持續(xù)燃燒不敏感的鈦合金Alloy C（Ti-1270），它具有較高的室溫強度，并具有良好的室溫和高溫塑性、蠕變和疲勞性能，已用于F119發(fā)動機。我國研制的Ti-40阻燃性能與美國的Ti-1270相當(dāng)，也用于我國新型的戰(zhàn)斗機發(fā)動機上。2.1.3超高強度鋼

超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1200 Mpa 和1400 Mpa的鋼, 它是為了滿足飛機結(jié)構(gòu)上要求高比強度的材料而研究和開發(fā)的。Aermetl00是美國Carpenter技術(shù)公司研制的高合金超高強度鋼。已披用于F-

22、F-18E/F等先進飛機的起落架。美國近期又開發(fā)出一種后繼鋼，稱Aermet 310，比Aermet100強度高10％，,其特點是塑性好、擴孔率高，具有優(yōu)良的翻邊成形性能和穩(wěn)定的力學(xué)性能。可應(yīng)用于各類加強件、臂類與梁類零件。ERW和HISTORY是JFE針對飛機懸架系零部件開發(fā)的高強度鋼管，強度級別也是780 MPa。該材料具有良好的液壓成形性能。已 2 開始應(yīng)用于飛機懸架系統(tǒng)的臂類零件。國內(nèi)發(fā)動機、直升機傳動材料技術(shù)十分落后，北京航空材料研究院已自主開發(fā)出適應(yīng)某型號飛機發(fā)動機的剛強度鋼。2.1.4 金屬間化合物

金屬間化合物材料技術(shù)仍處在探索發(fā)展階段，美國GE公司將Ti-48Al-2Nb-2Crγ型合金精鑄成CF6—80CZ發(fā)動機渦輪葉片．地面試車取得成功。惠普公司也擬根據(jù)Caesar計劃在F119發(fā)動機上試車。對鎳鋁化臺物也在進行廣泛的研究工作，俄羅斯近年開發(fā)成功了BKHA-1B和BKHA-2M．前者以Nl3Al為基、后者以N3Al+NaAl為基。已分別用于發(fā)動機靜子葉片和導(dǎo)向葉片涂層材料。國外在鈮基體中加入Si，形成Nb3Si或Nb 3Si2金屬間化合物。作為增強體，形成Nb-Si復(fù)合材料，其耐溫能力比單晶合金提高

200～300℃。

2.2 復(fù)合材料

材料科學(xué)的發(fā)展造就了高強度、高模量、低比重的碳纖維，從而掀開了先進復(fù)合材料的時代。碳基增強具有無可比擬的高比強度及高比剛度性質(zhì)及耐腐蝕、耐疲勞特性，非常適用于航空飛機和航天飛機。PAN 碳基纖維較早時候是T300級別的用于武器裝備上，20世紀(jì)60年代末，美國開發(fā)出了硼纖維增強的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，1971年成功應(yīng)用于F-14戰(zhàn)斗機尾翼上，此后又有F-

15、F-

16、米格-

29、幻影2000、F/A-18等復(fù)合材料尾翼問世。此時一般一架軍用飛機的垂尾、平尾全采用復(fù)合材料，可占總重的5%左右。經(jīng)過以后的發(fā)展，目前的飛機上復(fù)合材料用量到20%～50%不等，如美國的B-2戰(zhàn)斗機大約占50%左右，機身大部分為復(fù)合材料。

復(fù)合材料除了在軍用飛機上有突出貢獻，在導(dǎo)彈彈頭上也大量應(yīng)用，復(fù)合材料最早應(yīng)用在導(dǎo)彈彈頭的是層壓玻璃/酚醛復(fù)合材料，后來發(fā)現(xiàn)不足，產(chǎn)生了模壓高硅氧/酚醛。目前，科學(xué)家開發(fā)出了更好的碳/碳復(fù)合材料, 碳/碳復(fù)合材料具有低密度(<2.0g/cm3)、高比強、高比模量、高導(dǎo)熱性、低膨脹系數(shù)，以及抗熱沖擊性能好、尺寸穩(wěn)定性高等優(yōu)點，是目前在1650℃以上應(yīng)用的唯一備選材料，最高理論溫度更高達(dá)2600℃，因此被認(rèn)為是最有發(fā)展前途的高溫材料。近期研制的導(dǎo)彈頭帽幾乎都采用了碳/碳復(fù)合材料。目前為了提高導(dǎo)彈的打擊能力，由開發(fā)出碳/酚醛復(fù)合材料用作導(dǎo)彈彈頭的防熱層。另外在固體火箭發(fā)動機的噴管上，復(fù)合材料也不短改進，從最早的金屬到后來的金屬/非金屬，現(xiàn)在一開始使用碳/碳復(fù)合材料，使導(dǎo)彈的性能得到很大的提高。

陶瓷及陶瓷基復(fù)合材料具有高耐熱性、低密度、良好的高溫抗氧化性、抗腐蝕性和耐磨性等優(yōu)點，對提高航空發(fā)動機的渦輪前溫度，進而提高發(fā)動機的推重比和 3 降低燃料消耗具有重要作用。因此，高溫結(jié)構(gòu)陶瓷及其陶瓷基復(fù)合材料(CMC)的研究成為高推重比航空發(fā)動機的關(guān)鍵技術(shù)之一。美國早在1995年就用陶瓷基復(fù)合材料制造出了發(fā)動機燃燒室浮璧，并成功應(yīng)用于XTC-65核心機中；法國在大量研究工作的基礎(chǔ)上，將陶瓷基復(fù)合材料技術(shù)用于Rafale飛機的M88燃?xì)鉁u輪發(fā)動機噴嘴閥；英國羅羅公司對陶瓷基復(fù)合材料的第一步目標(biāo)是發(fā)展能在1200℃工作的陶瓷基復(fù)合材料，使現(xiàn)在的遄達(dá)發(fā)動機減重10％左右。目前，陶瓷基復(fù)合材料一直在改性研究上，碳纖維改性是最近研究的熱點，用日本碳素公司生產(chǎn)的Hi-Nicalon纖維及道康寧公司開發(fā)的Sytramic纖維改性獲得了較好結(jié)果。軍用功能材料

3.1 納米隱身材料

美、俄、法等軍事強國都把納米隱身材料作為新一代的隱身材料進行探索和研究, 并對納米材料的微波電磁譜理論、材料系列、制備方法、性能表征等進行了系統(tǒng)研究, 研制出了多種不同結(jié)構(gòu)的納米隱身材料, 取得了實質(zhì)性進展。

1995年, 日本采用納米碳管與磁性吸收劑復(fù)合, 設(shè)計了納米材料吸波涂層, 吸波性能有一定的提高, 在此基礎(chǔ)上, 具有更明顯的形狀、磁晶、應(yīng)力各向異性的二維納米結(jié)構(gòu)磁性金屬薄膜逐漸引起了人們的重視。

20世紀(jì)末, 美國研制出的“超黑粉”納米隱身材料, 對雷達(dá)波吸收率達(dá)到99%, 這種“超黑粉”納米隱身材料實際上是用納米石墨做吸收劑制成的石墨熱塑性復(fù)合材料和石墨環(huán)氧樹脂復(fù)合材料, 不僅吸收率大, 而且在低溫下仍保持良好的韌性。

2000年俄羅斯成功利用了納米晶體膜的高磁損耗和高磁導(dǎo)率特性, 制備了20nm 的超薄型多層膜毫米波吸波材料 , 具有良好的隱身效果。

法國研制的一種磁性多層膜寬頻帶納米隱身材料, 它是由粘結(jié)劑和納米級微屑填充材料構(gòu)成, 能夠吸收超高頻的電磁波, 納米級由超薄不定型磁性薄層及絕緣層構(gòu)成, 非晶態(tài)磁性材料層為具有高磁導(dǎo)率的鐵磁性材料, 層厚度為3nm,絕緣層為碳或者無機材料, 厚度為5nm,在50MHz～50GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的吸波性能

[9][10]。

國內(nèi)從20世紀(jì)80年代末也一直關(guān)注納米材料用于雷達(dá)波隱身的可能性, 在納米隱身機理的理論研究和實驗研究方面均有所進展。成都電子科技大學(xué)研制的納米針形磁性金屬粉多層納米膜復(fù)合吸波材料, 通過改變納米針形磁性金屬粉成分, 可以有效地控制其頻率特性, 有利于展寬吸收頻帶。南京大學(xué)、華中科技大學(xué)在納米物性研究的基礎(chǔ)上, 理論上論證了采用納米磁性多層膜提高隱身材料吸波效果的可行性, 并采用磁控濺射技術(shù)試制了納米晶薄膜, 在4GHz～6GHz, 磁導(dǎo)率μ"可達(dá)到 40左 右, 比磁性微米吸收劑提高了10倍。

3.2 磁性材料

磁性材料作為新材料的一種，也是發(fā)展非常迅速的基礎(chǔ)功能材料，其功能、結(jié)構(gòu)、用途也是十分廣泛的。而其在軍事領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用更是成為各國強化軍事優(yōu)勢的重要手段。

美國作為軍事大國，其科技十分發(fā)達(dá)，在微波領(lǐng)域尤其如此。美國軍方2003年與IBM等公司合作研究用于雷達(dá)報警系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、艦載防御導(dǎo)彈、PAC-3導(dǎo)彈等的磁性材料，取得可喜進展。2004年IBM微電子公司發(fā)布了兩條標(biāo)準(zhǔn)IC生產(chǎn)線，包括功率放大器和電壓控制振蕩器。2006年8月，美國東北大學(xué)研制出一種磁性材料。這種磁性陶制薄膜材料具有一種自發(fā)磁矩，可以有效降低雷達(dá)對磁體的需求。美國新近成立的VIDA產(chǎn)品公司集中研究高Q、寬調(diào)諧濾波器、振蕩器和頻率合成器的軍事和商業(yè)應(yīng)用。在新武器電磁炮方面，美國也已經(jīng)取得了成果。

在歐洲，歐盟研究了微波真空器件用碳納米管，微波與先進CMOS（補充型金屬氧化物）技術(shù)集成，微電機系統(tǒng)集成相陣天線等。英國Belfast大學(xué)高頻電子研究小組的典型研究項目包括毫米波前端和集成自追蹤天線用的靈敏結(jié)構(gòu)，其中關(guān)鍵技術(shù)是研制具有低反射損耗的空間移相器。

3.3 電子信息材料

2006年8月, 美國喬治亞州技術(shù)學(xué)院研制出一種新型液晶聚合體材料(LCP), 并正在實驗測試。這種超薄、像塑膠一樣的材料具有輕質(zhì)和柔軟的特性, 比傳統(tǒng)材料的性能更優(yōu)異, 可應(yīng)用于電路板、相控陣天線等各種領(lǐng)域。

2006年10月, 美國利弗莫爾·伯克利國家實驗室研制出一種能夠提高太陽能電池板功率的新型半導(dǎo)體材料。應(yīng)用該材料能比傳統(tǒng)材料獲取更多頻譜的太陽能, 利用率可達(dá)45%, 而傳統(tǒng)的單晶半導(dǎo)體材料是25%, 傳統(tǒng)的多晶半導(dǎo)體材料為39%, 有望替代在衛(wèi)星上應(yīng)用的昂貴的鋅錳碲合金材料。

美國IBM公司和喬治亞州技術(shù)學(xué)院聯(lián)合研制出一種新型硅-鍺半導(dǎo)體材料。采用此材料制造成的晶體管運行頻率超過500GHz。經(jīng)過實驗測試, 材料性能在超低溫度下仍然達(dá)到預(yù)定的期望值。該材料制成的超高頻率硅-鍺半導(dǎo)體材料電路可應(yīng)用于通信、防務(wù)、航天、遙感等諸多潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。研究展望

新材料的研究發(fā)展水平與一個國家的高技術(shù)以及國防建設(shè)的發(fā)展有著密切關(guān)系。而新材料在軍工的研究任然十分活躍，目前的國內(nèi)外研究水平已經(jīng)取得了不少 的成果，但是，在要求武器裝備輕量化、性能高效化、智能化的現(xiàn)在，新材料還應(yīng)該向以下趨勢發(fā)展。

（1）在金屬結(jié)構(gòu)材料方面，主要發(fā)展高純度、高強度、高韌性和耐高溫以及低密度的金屬結(jié)構(gòu)材料，積極開發(fā)低成本合金。

（2）超高強度鋼的發(fā)展趨勢是在保證超高強度的同時, 不斷提高韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力。

（3）對于金屬間化合物應(yīng)該致力于研究合金化和復(fù)合化研究，用以解決其低溫脆性和高溫強度偏低的缺陷。

（4）目前陶瓷結(jié)構(gòu)材料存在的主要問題是脆性高、成本高和加工困難, 發(fā)展方向是采用CVI 技術(shù)和納米技術(shù)制造高性能陶瓷。

（5）復(fù)合材料方面，應(yīng)該加大新型復(fù)合材料的開發(fā)，提高材料的環(huán)保性能，可靠性能，智能性。

（6）軍用功能材料的未來發(fā)展趨勢是功能復(fù)合型材料，因此，各種功能材料在復(fù)合功能材料的研究是很有必要的。

總的來說，軍用新材料的發(fā)展趨勢是種類增多, 成本降低, 性能提高。材料通用化和標(biāo)準(zhǔn)化以及新型的加工工藝手段可以提高產(chǎn)品的使用壽命并且可以簡化維修，也是未來軍用材料研究的重點。

參考文獻

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第四篇：新材料在軍工用品方面的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

新材料技術(shù)在軍工方面的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

武曉博

摘 要：軍用新材料按其用途可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器和船艦等領(lǐng)域中。文章對二者進行了綜述，并就及其在軍工領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用；并討論了其今后的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：新材料技術(shù)；軍工；結(jié)構(gòu)材料；功能材料 引言

國無防不立，民無防不安。作為一個國家、一個民族，最重要的無非兩件大事：一個是發(fā)展問題，一個是安全問題。國防是人類社會發(fā)展與安全需要的產(chǎn)物，它是關(guān)系到國家和民族生死存亡的根本大計。

現(xiàn)代國防以軍事力量為核心，還包括有關(guān)的非軍事力量；它重視國家的戰(zhàn)爭潛力，特別是戰(zhàn)時的動員效率；它還是以經(jīng)濟和科技為主的綜合實力的競爭。材料技術(shù)作為國家科技發(fā)展規(guī)劃中最為關(guān)鍵的領(lǐng)域之一，與信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)一起，被公認(rèn)為是當(dāng)今社會及今后相當(dāng)長時間內(nèi)總攬全局的高新技術(shù)。材料高新技術(shù)還是支撐當(dāng)今人類文明的現(xiàn)代工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，用于軍事領(lǐng)域的軍用新材料技術(shù)是發(fā)展高新技術(shù)武器的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是一個國家國防力最最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

出于自身利益及世界形勢的考量，每個國家都需要且必須建立強大的國防。因而開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代化尖端武器，對國家安全而言就顯得尤為重要。而就目前現(xiàn)有的材料品種、規(guī)格、性能及冶煉工藝方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高新武器發(fā)展的需求，有時甚至成為制約武器研究開發(fā)的“瓶頸”，在這種背景下，軍用材料技術(shù)便應(yīng)運而生。目前，世界范圍內(nèi)的軍用新材料技術(shù)已有上萬種，并以每年5％的速度遞增，正向高功能化、超高能化、復(fù)合輕量和智能化的方向發(fā)展。2 新材料技術(shù)在軍工方面的應(yīng)用

軍用新材料按其用途可分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類，廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器和船艦等領(lǐng)域中。

2.1 軍用結(jié)構(gòu)材料

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，武器裝備的技術(shù)密集程度越來越高，正在從機械化戰(zhàn)爭向信息化戰(zhàn)爭演變，武器裝備向精確制導(dǎo)方向發(fā)展。因此，對軍用材料提出了更高、更新的要求。2.1.1 鎂合金[1] 鎂合金作為最輕的工程金屬材料，具有比重輕、比強度及比剛度高、阻尼性及導(dǎo)熱性好，電磁屏蔽能力強、以及減振性好等一系列獨特的性質(zhì)，極大的滿足了航空航天、現(xiàn)代武器裝備等軍工領(lǐng)域的需求。

鎂合金在軍工裝備上有諸多應(yīng)用，如坦克座椅骨架、車長鏡、炮長鏡、變速箱箱體、發(fā)動機機濾座、進出水管、空氣分配器座、機油泵殼體、水泵殼體、機油熱交換器、機油濾清器殼體、氣門室罩、呼吸器等車輛零部件；戰(zhàn)術(shù)防空導(dǎo)彈的支座艙段與副翼蒙皮、壁板、加強框、舵板、隔框等彈箭零部件；殲擊機、轟炸機、直升機、運輸機、機載雷達(dá)、地空導(dǎo)彈、運載火箭、人造衛(wèi)星等飛船飛行器構(gòu)件。

鎂合金重量輕、比強度和剛度好、減振性能好、電磁干擾、屏蔽能力強等特點能滿足軍工產(chǎn)品對減重、吸噪、減震、防輻射的要求。在航空航天和國防建設(shè)中占有十分重要的地位，是飛行器，衛(wèi)星，導(dǎo)彈，以及戰(zhàn)斗機和戰(zhàn)車等武器裝備所需的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料。2.1.2 鋁合金

鋁合金一直是軍事工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。鋁合金材料具有密度低、強度高、加工性能好等特點，作為結(jié)構(gòu)材料，因其加工性能優(yōu)良，可制成各種截面的型材、管材、高筋板材等，以充分發(fā)揮材料的潛力，提高構(gòu)件剛、強度。所以，鋁合金是武器輕量化首選的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。

鋁合金的發(fā)展趨勢是追求高純、高強、高韌和耐高溫，在軍事工業(yè)中應(yīng)用的鋁合金主要有鋁鋰合金、鋁銅合金和鋁鋅鎂合金。

新型鋁鋰臺金應(yīng)用于航空工業(yè)中，預(yù)計飛機重量將下降8%~15%；鋁鋰合金同樣也將成為航天飛行器和薄壁導(dǎo)彈殼體的候選結(jié)構(gòu)材料。隨著航空航天業(yè)的迅速發(fā)展，鋁鋰合金的研究重點仍然是解決厚度方向的韌性差和降低成本的問題。2.1.3 結(jié)構(gòu)陶瓷

常用的結(jié)構(gòu)陶瓷材料主要包括：氧化鋁、氧化鉛、氮化硅、碳化硅、氮化鋁及其復(fù)合材料等。由于結(jié)構(gòu)陶瓷材料通常具有高強、高硬、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損的特性，因而在國防、軍工領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

陶瓷材料是當(dāng)今世界上發(fā)展晟快的高技術(shù)村料，它已經(jīng)南單相陶瓷發(fā)展到多相復(fù)合陶瓷。結(jié)構(gòu)陶瓷材料因其耐高溫、低密度、耐磨損及低的熱膨脹系數(shù)等諸多優(yōu)異性能，在軍事工業(yè)中有著良好的應(yīng)用前景。

利用結(jié)構(gòu)陶瓷的高硬度、高耐磨性可以制備陶瓷刀具、陶瓷軸承、防彈裝甲、各種閥門、耐磨襯里、密封環(huán)；利用結(jié)構(gòu)陶瓷的耐高溫性能可以制備高溫陶瓷熱交換器、汽車尾氣過濾器、燃?xì)廨啓C高溫過流部件；利用結(jié)構(gòu)陶瓷的透明性可以制備透明燈管、導(dǎo)彈窗口材料等[2]。2.1.4 超高強度鋼

超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1200MPa和1400MPa的鋼，它是為了滿足飛機結(jié)構(gòu)上要求高比強度的材料而研究和開發(fā)的。

超高強度鋼不僅具有高的抗拉強度，還具有一定塑性和韌性、小的缺口敏感性、高的疲勞強度、一定的抗蝕性、良好的工藝性能、符合資源情況及價格低廉等優(yōu)點，在航空工業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。

超高強度鋼大量用于制造火箭發(fā)動機外殼，飛機機身骨架、蒙皮和著陸部件以及高壓容器和一些常規(guī)武器。由于鈦合金和復(fù)合材料在飛機上應(yīng)用的擴大，鋼在飛機上用量有所減少，但是飛機上的關(guān)鍵承力構(gòu)件仍采用超高強度鋼制造。目前，在國際上有代表性的低合金超高強度鋼300M，是典型的飛機起落架用鋼。此外，低合金超高強度鋼D6AC是典型的固體火箭發(fā)動機殼體材料。超高強度鋼的發(fā)展趨勢是在保證超高強度的同時，不斷提高韌性和抗應(yīng)力腐蝕能力。2.1.5 先進高溫合金

高溫合金在600~1200℃高溫下能承受一定應(yīng)力并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金，具有較高的高溫強度，良好的抗氧化和抗腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性等綜合性能廣泛應(yīng)用于航空、航天、石油、化工、艦船的一種重要材料。按基體元素來分，高溫合金又分為鐵基、鎳基、鈷基等高溫合金。鐵基高溫合金使用溫度一般只能達(dá)到750~780℃，對于在更高溫度下使用的耐熱部件，則采用鎳基和難熔金屬為基的合金。鎳基高溫合金在整個高溫合金領(lǐng)域占有特殊重要的地位，它廣泛地用來制造航空噴氣發(fā)動機、各種工業(yè)燃?xì)廨啓C最熱端部件。若以150MPA~100H持久強度為標(biāo)準(zhǔn)，而目前鎳合金所能承受的最高溫度＞1100℃，而鎳合金約為950℃，鐵基的合金＜850℃，即鎳基合金相應(yīng)地高出150℃至250℃左右。所以人們稱鎳合金為發(fā)動機的心臟。目前，在先進的發(fā)動機上，鎳合金已占總重量的一半，不僅渦輪葉片及燃燒室，而且渦輪盤甚至后幾級壓氣機葉片也開始使用鎳合金。與鐵合金相比，鎳合金的優(yōu)點是：工作溫度較高，組織穩(wěn)定、有害相少及抗氧化搞腐蝕能力大。與鈷合金相比，鎳合金能在較高溫度與應(yīng)力下工作，尤其是在動葉片場合。2.1.6 復(fù)合材料

復(fù)合材料是指兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)物質(zhì)組合而成的材料，通常由基體材料與增強劑組成。先進復(fù)合材料比通用復(fù)合材料具有更高綜合性能，它包括樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料等，它在軍事工業(yè)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。先進的復(fù)合材料具有高強度、高模量、耐燒蝕、抗侵蝕、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隱身、抗高速撞擊等一系列優(yōu)點，是國防工業(yè)發(fā)展中最重要的一類工程材料。

復(fù)合材料正在迅速發(fā)展成為航天航空工業(yè)的基本結(jié)構(gòu)材料。高性能聚合物基復(fù)合材料在航空航天工業(yè)的用量占其全部用量的80％。由于碳纖維具有高比強度、比模量、低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱性等獨特性能，因而由其增強的復(fù)合材料用作航空航天結(jié)構(gòu)材料，減重效果十分顯著，顯示出無可比擬的巨大應(yīng)用潛力。例如，碳纖維增強樹脂燼復(fù)合材料用做航天飛機艙門、機械臂和壓力容器等，此外，還將其在火箭與導(dǎo)彈的減重、飛機的主承力結(jié)構(gòu)，在雷達(dá)波隱身材料方面，除涂層外，復(fù)合材料作為結(jié)構(gòu)隱身材料正日益引起人們的關(guān)注，主要為碳纖維增強熱固性樹脂基復(fù)合材料(如C/EP、C/PI或C/BMI)和熱塑性樹脂基復(fù)合材料(C/PEEK，C/PPS)，目前已經(jīng)得到了某些應(yīng)用[3]。

2.1.7 金屬間化合物

金屬間化合物具有長程有序的超點陣結(jié)構(gòu)，保持很強的金屬鍵結(jié)合，使它們具有許多特殊的理化性質(zhì)和力學(xué)性能。金屬間化合物具有優(yōu)異的熱強性，近年來已成為國內(nèi)外積極研究的重要的新型高溫結(jié)構(gòu)材料。在軍事工業(yè)中，金屬間化合物已被用于制造承受熱負(fù)荷的零部件上；在兵器工業(yè)領(lǐng)域，坦克發(fā)動機增壓器渦輪材料為K18鎳基高溫合金，因其比重大、起動慣量大而影響了坦克的加速性 能，應(yīng)用鈦鋁金屬聞化合物及其由氧化鋁、碳化硅纖維增強的復(fù)合輕質(zhì)耐熱新材料，可以大大改善坦克的起動性能，提高戰(zhàn)場上的生存能力。此外，金屬問化合物還可用于多種耐熱部件，減輕重量，提高可靠性與戰(zhàn)技指標(biāo)。

2.2 軍用功能材料[4] 功能材料是指利用聲、光、電、磁、熱、化、生化等效應(yīng)，將能量從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式的材料。功能材料很多，如光電功能材料、貯氫功能材料、阻尼減震材料、隱身材料等。2.2.1 光電功能材料

光電功能材料是指在光電子技術(shù)中使用的材料，它能將光電結(jié)合的信息傳輸與處理，是現(xiàn)代信息科技的重要組成部分。光電功能材料在軍事工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。碲鎘汞、銻化銦是紅外探測器的重要材料；硫化鋅、硒化鋅、砷化鎵主要用于制作飛行器、導(dǎo)彈以及地面武器裝備紅外探測系統(tǒng)的窗口、頭罩、整流罩等。氟化鎂具有較高的透過率、較強的抗雨蝕、抗沖刷能力，它是較好的紅外透射材料。激光晶體和激光玻璃是高功率和高能量固體激光器的材料，典型的激光材料有紅寶石晶體、摻釹釔鋁石榴石、半導(dǎo)體激光材料等。2.2.2 貯氫功能材料

某些過渡簇金屬，合金和金屬問化合物，由于其特殊的晶格結(jié)構(gòu)的原因，氫原子比較容易透入金屬晶格的四面體或八面體間隙位中，形成了金屬氫化物，這種材料稱為貯氫材料。

在兵器工業(yè)中，坦克車輛使用的鉛酸蓄電池因容量低、自放電率高而需經(jīng)常充電，此時維護和搬運十分不便。放電輸出功率容易受電池壽命、充電狀態(tài)和溫度的影響，在寒冷的氣候條件下，坦克車輛起動速度會顯著減慢，甚至不能起動，這樣就會影響坦克的作戰(zhàn)能力。貯氫合金蓄電池具有能量密度高、耐過充、抗震、低溫性能好、壽命長等優(yōu)點，在未來主戰(zhàn)坦克蓄電池發(fā)展過程中具有廣闊的應(yīng) 用前景。

2.2.3 阻尼減震材料

阻尼是指一個自由振動的固體即使與外界完全隔離，它的機械性能也會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮艿默F(xiàn)象。采用高阻尼功能材料的目的是減震降嗓，因此阻尼減震材料在軍事工業(yè)中具有十分重要的意義。2.2.4 隱身材料

現(xiàn)代攻擊武器的發(fā)展，特別是精確打擊武器的出現(xiàn)，使武器裝備的生存力受到了極大的威脅，單純依靠加強武器的防護能力已不實際。采用隱身技術(shù)，使敵方的探測、制導(dǎo)、偵察系統(tǒng)失去功效，從而盡可能地隱蔽自己，掌握戰(zhàn)場的主動權(quán)，搶先發(fā)現(xiàn)并消滅敵人，己成為現(xiàn)代武器防護的重要發(fā)展方向。隱身技術(shù)的最有效手段是采用隱身材料。

隱身材料有毫米波結(jié)構(gòu)吸波材料、毫米波橡膠吸波材料和多功能吸波涂料等，它們不僅能夠降低毫米波雷達(dá)和毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)、跟蹤和命中的概率，而且能夠兼容可見光、近紅外偽裝和中遠(yuǎn)紅外熱迷彩的效果。

近年來，國外在提高與改進傳統(tǒng)隱身材料的同時，正致力于多種新材料的探索。晶須材料、納米材料、陶瓷材料、手性材料、導(dǎo)電高分子材料等逐步應(yīng)用到雷達(dá)波和紅外隱身材料，使涂層更加薄型化、輕量化。納米材料因其具有極好的吸波特性，同時具備了寬頻帶、兼容性好、厚度薄等特點，發(fā)達(dá)國家均把納米材料作為新一代隱身材料加以研究和開發(fā)；國內(nèi)毫米波隱身材料的研究起步于上世紀(jì)80年代中期，研究單位主要集中在兵器系統(tǒng)。經(jīng)過多年的努力，預(yù)研工作取得了較大進展，該項技術(shù)可用于各類地面武器系統(tǒng)的偽裝和隱身，如主戰(zhàn)坦克、155毫米先進加榴炮系統(tǒng)及水陸兩用坦克等。

目前，世界上正在研制的第四代超音速殲擊機，其機體結(jié)構(gòu)采用復(fù)合材料、翼身融合體和吸波涂層，使其真正具有了隱身功能，而電磁波吸收型涂料、電磁屏蔽型涂料已開始在隱身飛機上涂裝；美國和俄羅斯的地對空導(dǎo)彈正在使用質(zhì)、寬頻帶吸收、熱穩(wěn)定性好的隱身材料。可以預(yù)見，隱身技術(shù)的研究和應(yīng)用已成為世界各國國防技術(shù)中最重要的課題之一。3 軍用新材料技術(shù)的發(fā)展趨勢

從今后軍工企業(yè)發(fā)展趨勢來看，用于軍事工業(yè)的新材料要求具有較高的技術(shù)含量，世界范圍內(nèi)的軍用新材料正向高功能化、超高功能化、復(fù)合輕量和智能化的方向發(fā)展。軍事高技術(shù)的發(fā)展要求材料不再是單一的結(jié)構(gòu)材料。在這種條件下，軍用復(fù)合材料應(yīng)運而生。2l世紀(jì)復(fù)合材料的發(fā)展方向是低成本、高性能、多功能和智能化。

我國軍用材料經(jīng)過多年發(fā)展，已取得長足進步，但也存在“多、雜、散”的問題，系列化、通用化較差，影響了軍用材料科研的整體效益和對于武器裝備研制生產(chǎn)的保障能力，為此需要建立適合我國國情的軍用材料體系[5]。

回首過去，國防建設(shè)和兵器工業(yè)的發(fā)展得益于材料科學(xué)的發(fā)展，展望未來，材料科學(xué)的進步將給國防建設(shè)提供強有力的保障。

參考文獻

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會，2009.[2] 齊龍浩.先進結(jié)構(gòu)陶瓷材料的研究與應(yīng)用.中國(寧波)新材料與產(chǎn)業(yè)化國際論壇，2007.[3] 吳良義.航空航天先進復(fù)合材料現(xiàn)狀.第十三次全國環(huán)氧樹脂應(yīng)用技術(shù)學(xué)術(shù)交流會，2009.[4] 李照勇，王效榮.軍用新材料技術(shù)的研究與應(yīng)用.國際材料科學(xué)與工程學(xué)術(shù)研討會，2005.[5] 才鴻年.國際材料科學(xué)與工程學(xué)術(shù)研討會.中國工程院化工·冶金與材料工程學(xué)部第六屆學(xué)術(shù)會議，2007.

第五篇：竹炭研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢（模版）

竹炭研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

俞 佳 燕

（浙江臨安 311300）

摘要：本文主要講述了竹炭的起源，竹炭在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，竹炭炭化工藝和物理化學(xué)性質(zhì)，竹炭的用途，同時結(jié)合竹炭產(chǎn)品開發(fā)的多樣性所涉及到食品行業(yè)，提出要人們慎食竹炭食品，根據(jù)竹炭的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了竹炭的發(fā)展趨勢和幾點建議。

關(guān)鍵詞：竹炭、炭化工藝、竹炭用途、發(fā)展現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢

竹炭（BC）是竹材高溫?zé)峤獾墓腆w產(chǎn)物，空隙發(fā)達(dá)，比表面積大，具有很強的吸附能力，以及良好的導(dǎo)電性能。作為機能性的環(huán)境保護材料，竹炭由于其獨特的性質(zhì)和產(chǎn)品的高附加值，越來越受到人們的重視，成為竹材研究領(lǐng)域的一個新熱點［1-2］。在大氣污染和水污染的治理方面具有廣闊的應(yīng)用前景。它的出現(xiàn)不僅為竹材產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了一個新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域，同時也為環(huán)境保護提供了一種新型材料[3]，同時人們也逐漸意識到了竹炭在環(huán)境、保健、醫(yī)藥、高技術(shù)等領(lǐng)域有著潛在和廣泛的應(yīng)用前景[4]。1.竹炭起源

在中國，炭有著悠久的歷史。而使用炭，那更是與生俱來的。大概從雷電點燃原始森林使自然形成的木炭橫空出世那一刻起，我們的先民們便開始想用炭帶給人們的種種環(huán)保和健康的生活。

在兩千多年前，中國在炭材料的使用上創(chuàng)造了世界奇跡。馬王堆木炭的應(yīng)用就是中國古代使用木炭杰作之一。中國的先民們就已經(jīng)知道炭的防腐作用。在1972年3月，湖南長沙東郊，中國考古學(xué)家發(fā)掘了馬王堆一號漢古墓時，墓葬兩千多年的軟侯夫人的肌膚狀態(tài)仍如同剛剛死去。考古學(xué)家究其原因，是因為墓葬當(dāng)時人們在棺木中安放了萬斤木炭。正是用于這些木炭，軟侯夫人的尸體外形完整，全身柔軟光滑，皮膚呈淡黃色狀，肌肉和皮膚有彈性，各關(guān)節(jié)可自由彎曲。

無獨有偶，在日本的古墓中也發(fā)現(xiàn)了使用炭保存遺體的辦法，那些遺骨和木乃伊的狀態(tài)十分理想。雖然津輕承公的完整的木乃伊狀態(tài)只有死后一千年的歷史，但也證實了酷愛研究科技的日本人在墓中放置了大量木炭的成效。2.竹炭發(fā)展研究現(xiàn)狀

竹炭這種新型環(huán)保產(chǎn)品幾年前首先在東南亞地區(qū)興起，逐步風(fēng)靡日本、韓國、臺灣、新加坡。竹炭產(chǎn)品在國內(nèi)是在2003年“非典”以后逐步進入市場的。

目前，國際市場對環(huán)保產(chǎn)品需求量較大。中國是竹的故鄉(xiāng)。以竹炭為原料制作的產(chǎn)品有100多種。由于竹炭產(chǎn)品的價格較高，其銷售處于“墻內(nèi)開花墻外紅”階段，但隨著人們環(huán)保意識的普遍提高，竹炭這一新型環(huán)保產(chǎn)品進入尋常百姓家是指日可待。

我們對竹炭的功效還有些陌生，但在日本、韓國等地城市居民將竹炭用于日常生活已經(jīng)有十來年的歷史了。目前世界上竹炭的消費主要在日本、韓國、新加坡、臺灣等國家和地區(qū)，這些市場對竹炭的需求基本穩(wěn)定。在那里，人們已經(jīng)很習(xí)慣將竹炭列為生活日用品之一，他們特別認(rèn)可竹炭的環(huán)保和保健功能，所以，竹炭店到處都是，頗受大家的歡迎。

我國竹炭的生產(chǎn)主要集中在浙江、福建和江西等地，目前的生產(chǎn)廠家有幾十家，但大都是近2-3年發(fā)展起來的，一般是采用采購原炭，自己生產(chǎn)各種制品。只有20-30%的廠家是10多年前生產(chǎn)木炭的企業(yè)改變產(chǎn)品而來，他們大都具有自己的炭窯，其中一小部分廠家具有竹炭纖維的技術(shù)。2.1竹炭在日韓國家

竹炭制品的研究在國外主要是日本和韓國，主要研究關(guān)于竹材炭化過程、竹炭、竹醋液和竹活性炭的制造和利用。

日本竹炭和竹醋協(xié)會名譽會長、京都大學(xué)木質(zhì)科學(xué)研究所科學(xué)家野村隆哉是這方面的專家。他認(rèn)為，由于工業(yè)文明對生態(tài)系統(tǒng)的破壞等全球性環(huán)境問題日益突出，天然素材在炭化后所產(chǎn)生的碳結(jié)構(gòu)的物理和化學(xué)功能正在受到高度重視。如竹炭的固體表面的物理性質(zhì)、竹炭的固有振動產(chǎn)生的微弱電磁波與人體的共鳴現(xiàn)象、竹炭的半導(dǎo)體功能和屏蔽電磁波功能及負(fù)離子效應(yīng)等，竹醋對過敏性皮炎和糖尿病等疾病的療效、促進毛發(fā)生長作用、對植物的生理活性功能等。野村隆哉主張對這些物理和化學(xué)機理進行研究，并且積極地為它們開拓用途。

日本中村和善提出可用低溫干餾炭作脫臭、調(diào)濕的功能材料以及用竹炭粉作電磁波屏蔽的材料。浦銀治認(rèn)為竹炭對CO:的吸附性能高，不腐爛、保水、透水、保肥性好，可作土壤改良劑使用。佐久間對竹炭的熱水冷卻試驗，發(fā)現(xiàn)加了竹炭的熱水不容易變涼，認(rèn)為如果把竹炭加在洗澡水中，即使是自來水，也可獲得類似溫泉那樣的滿足感。

千葉大學(xué)的研究成果表明，竹醋的主要成分是醋酸，從中可分離出10種酚衍生物，對于如白粉病等某些植物病害也有抵抗作用。由日本農(nóng)山漁村文化協(xié)會出版的《竹炭和竹醋液的制造方法與用途》一書全面地論述了日本目前關(guān)于竹炭和竹醋的研究和應(yīng)用情況。作者池島庸元說，竹炭和竹醋今后在環(huán)境保護、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等方面可望發(fā)揮新的作用[6]。

在韓國國內(nèi)，有人在做飯時，將竹炭包在紗布內(nèi)放入飯中，煮出的飯味兒更[5]香；泡澡的水里放上一點竹炭，全身倍感融融暖意。韓國許多工廠生產(chǎn)的健康枕頭，用的就是竹炭。多孔性竹炭不僅可以蓄留植物根部所需水分，還可以改善土壤的透氣性和排水性，為植物的微生物提供良好的生存空間。因此在園林綠化中，盆栽土里摻進豆粒大小的竹炭，能為植物提供健康的生長環(huán)境。對庭院樹木，則增強了抗病蟲害的能力。一些裝飾性竹炭，猶如吸水石，放于相宜的盆里，本色、自然，且有著雷劈刀削的天然痕跡.竹炭則營造出更為特殊的情趣，春秋筆法赫然在焉。這樣的裝飾可去臭去濕，放在電視機或其它家電用品周圍，還可起到防電磁波作用。2.2竹炭在其他國家

竹炭作為一種全新的健康環(huán)保時尚產(chǎn)品，不僅在新加坡的軍工、醫(yī)藥等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，更多的是在生活消費領(lǐng)域的應(yīng)用，它以其獨特的健康保健作用被大多數(shù)消費者所接受，成為一種健康消費時尚。目前在新加坡市場上有 12 大系列 100 多個品種。如床上用品系列、汽車坐墊系列、鞋墊系列、美膚品系列、廚用品系列、工藝品系列、炭布系列、竹醋液等。

哥倫比亞對于竹炭速干布料的研制，已成功生產(chǎn)出竹碳內(nèi)衣。它的保暖，是因為使用的材料是納米級的遠(yuǎn)紅外線纖維，能吸收外界與人體的體溫，達(dá)到蓄熱保溫的功能，工研院檢測發(fā)現(xiàn)，竹炭紗的調(diào)節(jié)溫度效果為一般棉制品的一倍。竹炭內(nèi)衣中竹炭紗還能有促進血液循環(huán)，塑身保健減肥，紡織研究所研究發(fā)現(xiàn)，竹炭服飾可以提高人體淺層微血管內(nèi)的血液流量約30%，有效降低疾病的風(fēng)險。而血液循環(huán)好，又有助于皮下多于脂肪的代謝，避免脂肪囤積或血管阻塞[7]。2.3竹炭在中國

關(guān)于竹炭和竹醋液的研究是近幾年剛剛興起的新的研究領(lǐng)域，由于竹子的分布特性所決定，使對竹炭的研究具有很強的區(qū)域性。國內(nèi)對竹炭的生產(chǎn)和研究主要集中在浙江、江西、福建一帶。

在竹炭的機能性機理的研究方面，張齊生院士領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對竹炭的構(gòu)造、機能以及對飲用水的凈化做了比較詳細(xì)的研究[8-9]。另外，許多科研單位的研究人員對竹炭的生產(chǎn)和應(yīng)用方面做了大量的研究。葉良明教授等主要針對竹炭的燒制進行研究 [10-11]；還有其它學(xué)者對竹炭的含水率、揮發(fā)成分、竹醋液的成分等指標(biāo)進行了檢測[12]。

此外，還可利用竹炭開發(fā)醫(yī)藥保健品。如將竹炭粉與助劑混合裝入衣服、織物、枕頭、帽子、墊子和寵物用具等物品制成保健品，它具有清凈空氣作用、按摩作用、除臭作用、紅外線作用、調(diào)溫調(diào)濕作用、抗菌和殺蟲的作用。在醫(yī)藥上利用竹醋液作防菌殺菌劑和治療皮膚病等醫(yī)藥原料，提取甲醇和醋酸等作化工原料，其他還有染料媒染劑、動物除臭劑、農(nóng)藥添加劑、發(fā)根促進劑、土壤改良劑、動物營養(yǎng)劑等。2.3.1竹炭在浙江

中國的竹炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景寬闊。生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)主要集中在江浙沿海一帶，僅浙江省為例。在五、六年時間內(nèi)，浙江的竹炭生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，比較有名的企業(yè)主要集中在遂昌、衢江、安吉、寧波和慶元等地，年產(chǎn)量達(dá)3000t以上，產(chǎn)值達(dá)3000-4000萬元，竹炭品種開發(fā)也不斷深入，目前已開發(fā)出建筑、環(huán)保、保健、工藝、化妝等6大類100多個品種的竹炭產(chǎn)品，浙江省已成為竹炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要生產(chǎn)與貿(mào)易基地，并且成為山區(qū)林業(yè)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的新亮點[13]。3.竹炭的炭化工藝 3.1備料

炭用材一般選用4年以上竹齡和竹材加工剩余物。因竹材從基部到梢部，其密度、腔壁結(jié)構(gòu)、組成物質(zhì)都有一定的差異，同時竹材的材性又受竹齡、立地條件、氣候環(huán)境的影響。竹材中含大量糖類等營養(yǎng)物質(zhì)，易發(fā)生霉蛀。因此，要選擇竹齡、大小、立地條件相近的竹材一起裝窯，注意竹材的保管、窯中竹材的松緊度等問題。3.2熱解

熱解工藝條件決定了竹炭的品質(zhì)，可結(jié)合窯體的實際情況，準(zhǔn)確控制窯溫，尤其是精煉溫度，它是竹炭品質(zhì)的重要指標(biāo)，不同的用途采用不同的燒制工藝曲線。

竹材的熱分解是在溫度稍高于100℃時開始的，在150℃以下，竹材受熱分解速度很慢，隨著溫度的升高，竹材受熱分解速度顯著加快；溫度上升到約270℃以上時，分解反應(yīng)劇烈進行。溫度達(dá)500℃時，分解反應(yīng)基本結(jié)束。與木材一樣，竹材的熱分解過程，包括四個階段：

1.水分蒸發(fā)或干燥階段

加熱溫度為100--150℃之間，竹材分解的速度緩慢，主要是竹材組織中的吸著水受熱蒸發(fā)逸散，但竹材的化學(xué)組成，沒有明顯變化；但隨著加熱時間的延長，竹材中的戊聚糖含量是可能降低，竹材的物理力學(xué)性質(zhì)有所改變。

2.預(yù)炭化階段

加熱溫度為150--270℃，竹材受熱分解速度加快，其中的化學(xué)組成發(fā)生明顯的分解反應(yīng)，比較不穩(wěn)定的組份如半纖維素受熱分解生成CO2、CO、H2O和少量的乙酸等物質(zhì)。上述兩個熱分解階段，需要外界供給熱量，亦即竹材的吸熱分解階段。

3.炭化階段

加熱溫度升高至270-450℃，竹材熱分解反應(yīng)劇烈，伴隨產(chǎn)生大量的熱分解產(chǎn)物，生成的氣體中，CO2和CO的量逐漸減少，而碳?xì)浠衔锶缂淄椤⒁蚁⑾N類及各種活性高能的氫自由基和羥基，則逐漸增多；生成的液體主要有乙酸、甲醇、丙酮和木焦油。

這一階段放出大量的反應(yīng)熱，稱為放熱反應(yīng)階段；而放熱反應(yīng)溫度隨加熱速度而異。

4.煅燒階段

溫度繼續(xù)升高到450℃以上時，生成的液體產(chǎn)物已經(jīng)很少，這個階段借助外部的熱量，除去殘留在木炭中的揮發(fā)物質(zhì)，及木炭的煅燒。

以上四個階段，沒有明顯的界限，甚至同一試件的外表和內(nèi)部，都可能同時處于不同的熱分解階段。3.3存放

經(jīng)冷卻出窯的竹炭，因竹炭的吸水性強，如果儲存環(huán)境潮濕，空氣混濁，竹炭大量吸水、吸味，這無疑會影響產(chǎn)品的功效。所以應(yīng)選擇空氣干燥清潔的倉庫，并根據(jù)出窯日期、精煉度的不同分類堆放。3.4加工

根據(jù)質(zhì)量要求依次分批進行加工，在加工前應(yīng)先抽檢其精煉度，然后根據(jù)精煉度的不同分類加工成片炭、筒炭。規(guī)格尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照客戶的要求加工，片炭、筒炭不應(yīng)有裂縫、缺角等，并把粉塵擦干凈。作為顆粒炭和粉炭除按客戶規(guī)定的規(guī)格加工外，應(yīng)特別注意雜質(zhì)（泥沙等）問題，否則將嚴(yán)重影響產(chǎn)品信譽[14]。4.竹炭的理化性質(zhì)

竹炭同竹材外觀上相比，纖維素束外鞘變得致密，纖維素細(xì)胞腔中一些揮發(fā)物質(zhì)減少。竹炭主要是由碳、氫、氧等元素組成，呈六角形，質(zhì)地堅硬，細(xì)密多孔。炭化后的竹材仍然基本上保持密實狀態(tài)[15]，外表面仍然保留著竹材表皮粗糙不平的顆粒狀態(tài)，繼承了竹材的多孔狀和各向異性構(gòu)造特征，但是竹材基本組織細(xì)胞的細(xì)胞壁間隙消失，細(xì)胞壁變薄[16]。竹炭組織中的礦物是木炭的5倍[17]，1cm3竹炭的表面積可達(dá)350m2，是木炭的2.5～3倍，若進一步活化成竹活性炭，則其比表面積可達(dá)1000m2以上[18]。竹炭的吸附能力是木炭的10倍以上。木炭的PH值隨著炭化溫度的增加從酸到堿性變化，但是竹炭的PH值不管炭化溫度怎么變化都能保持堿性，并且竹炭的灰份和鉀含量好象和PH值有關(guān)。在吸濕解析的高溫區(qū)域，竹炭的調(diào)濕能力比木炭強。

竹炭片炭含水率5%～8%，顆粒炭含水率14%～18%；固定碳含量85%～88%；灰分含量（鉀、鈣）2%～4%；比表面積300～600m-1；揮發(fā)分6%～8%；干碳熱值30000～33000kJ/kg；PH值8～9；氣干密度0.800～1.320g/cm3[19]。5.竹炭用途

(1)燃料:由于竹炭系各種竹材炭化而成，安全性受到信賴，作為燒烤，野炊的燃料，清潔而有情趣，加上目前對其他薪炭材的砍伐限制，作為燃料的竹炭前景看好。

(2)竹活性炭:竹炭經(jīng)水蒸氣法活化處理后具有均勻的細(xì)孔狀結(jié)構(gòu)，比表面積從50om2/g增加到90om2/g，其竹活性炭的得率為68%，具有和椰子殼活性炭同等以上的比表面積和吸附率。

(3)住宅環(huán)境材料:大理石，花崗巖，磁磚類建材，表面容易結(jié)露，而三夾板類又容易霉?fàn)€蟲蛀。用竹炭裝填地面和墻壁，由于竹炭對空氣中水分的吸濕和解吸調(diào)節(jié)，加上竹炭的負(fù)離子作用，能保持住宅內(nèi)部環(huán)境舒適宜人，心神安定。也茶館以此來吸引顧客。

(4)水質(zhì)處理:不僅用來處理自來水，還用來處理污水，河道，漁場，是竹炭浴和摻有用自然物治理環(huán)境的極好例子[20]。

(5)健康和美容上的應(yīng)用:用竹炭制作枕頭，有利于睡眠竹炭的美容霜具有特殊的皮膚護理功效[21]。6.慎食竹炭食品

在一些超市、賣場中，一系列用竹炭加工出來的食品進入了人們的視線，有竹炭花生、竹炭金納豆、竹炭面條、竹炭面包、竹炭酒等，由于商家標(biāo)榜該類食品具有吸附人體內(nèi)有害物質(zhì)，凈化血液中毒素的功效，引起了不少消費者的興趣。

有關(guān)專家認(rèn)為，炭可以吸附微小顆粒，在中醫(yī)上從古至今有很多的應(yīng)用，但是竹炭在中醫(yī)領(lǐng)域卻鮮用于臨床。根據(jù)竹炭食品的宣傳，竹炭可以吸附人體內(nèi)有害物質(zhì)，凈化血液中的毒素，還有助于人體消化排泄，清潔腸道，具有排毒養(yǎng)顏之功效。其在理論上是成立的，但在實踐中將竹炭粉添加進食品中就具備種種保健功效，并沒有相關(guān)的科學(xué)實驗作為依據(jù)。有關(guān)資料顯示：目前尚沒有任何關(guān)于食用竹炭粉對人體有益的報告（包括動物實驗的報告），活性炭多用于空氣和水的凈化，其食用功能尚未明確。

竹子雖然是天然的植物，竹筍也是中國料理的重要佳肴，但竹材在高溫炭化過程中會發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生許多復(fù)雜化合物，其中焦油就是一種致癌物，必須再精制后才能將焦油除去，若將不當(dāng)加工后的竹炭或竹醋液直接拿來食用是非常危險的行為。另外，竹炭在加熱分解時所產(chǎn)生的甲醇亦有毒性。食用竹炭后，細(xì)微顆粒很可能吸入肺里，吸附在肺葉上，而且它吸附性極強，吃下去后很難排出體外，容易形成“塵肺”。有鑒于此，專家認(rèn)為不要輕信所謂竹炭食品的神奇療效，選用食品，要看其本質(zhì)，不要被表象迷惑，對于食用竹炭食品應(yīng)采用謹(jǐn)慎的態(tài)度[22]。

7.竹炭的發(fā)展趨勢及建議

日本京都大學(xué)的野村隆哉進行過竹炭燒制的前處理研究。他對炭材進行煙熏前處理后發(fā)現(xiàn) ,經(jīng)過煙熏前處理的炭材燒制的竹炭質(zhì)量好；根據(jù)竹炭的不同功用，可以通過控制炭化溫度來實現(xiàn)目的；對炭化的工藝和設(shè)備的研究方面，主要集中于土窯、簡易爐和連續(xù)式干餾爐；研究竹炭的機能性及利用竹炭機能性開發(fā)新型材料，比如開發(fā)凈水和空氣凈化炭以及制作內(nèi)含竹炭粉的枕頭、帽子、墊子等生活用品和農(nóng)林業(yè)的應(yīng)用研究；目前，竹炭研究還存在不少薄弱方面，比如：竹炭屏蔽電磁波的能力；燒制溫度與竹炭的比表面積及電阻率之間的變化規(guī)律；竹炭產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外線的能力及其遠(yuǎn)紅外線的波長；竹炭凈化空氣和調(diào)節(jié)空氣濕度的機理和規(guī)律等。為了使竹炭及其制品能走進千家萬戶，建議：

(1）引進先進技術(shù)，完善我國竹炭生產(chǎn)工藝

竹炭燒制和產(chǎn)品開發(fā)是一個新興產(chǎn)業(yè)，目前已具一定規(guī)模，實現(xiàn)了初步產(chǎn)業(yè)化，但是我國現(xiàn)行的竹炭生產(chǎn)工藝和技術(shù)存在較多的問題，如原料的確定，不同培育方式、不同竹齡的竹材對熱解工藝的影響，窯溫的控制，竹材熱解產(chǎn)品得率等。建議引進國外的先進技術(shù)，可大大增強市場的競爭力。

(2）重視深加工，開發(fā)新產(chǎn)品提高制品附加值

對竹炭進行化學(xué)深加工，并開發(fā)竹炭、竹醋系列新產(chǎn)品。據(jù)報道，日本已生產(chǎn)出500目的竹炭纖維，并將這種竹纖維拉長與化纖、棉線等交織在一起，熱量可增加10%，并具有吸附性能，透氣性好等優(yōu)點。中國臺灣省也準(zhǔn)備投資200萬新臺幣，購置其生產(chǎn)設(shè)備與日本共同生產(chǎn)竹炭纖維。竹炭纖維的問世，使竹子的附加值更進一步得到提升。

(3）加強生產(chǎn)的自動化研究，開發(fā)竹炭生產(chǎn)配套設(shè)備

要提高產(chǎn)量,生產(chǎn)高質(zhì)量的竹炭，需要先進的設(shè)備。日本在設(shè)備制造方面處于世界的領(lǐng)先地位，但是技術(shù)較復(fù)雜，成本高，所以制造商必須在現(xiàn)有的設(shè)備之上，進行改良，使其更適合于我國竹炭企業(yè)，也適合于出口到一些經(jīng)濟不夠發(fā)達(dá)的竹子大國，如印度、非洲、南美等地。

(4）重視環(huán)保建設(shè)，充分利用竹炭加工剩余物

可以用竹材炭化過程中以鼓風(fēng)爐吸引生成的甲烷氣體，先除去氣體中的焦油及粉塵，再送至氣輪發(fā)電機發(fā)電。另外，在竹材炭化及發(fā)電過程中，除了竹炭、竹醋液外，還可由熱交換器將炭化裝置出口的廢熱轉(zhuǎn)換成溫?zé)崴枰曰厥眨怪癫奶炕^程中的材料、水蒸汽、熱等都不浪費。

(5）加強理論研究，開拓竹炭應(yīng)用新領(lǐng)域

由于對竹炭機能性機理的研究目前才剛剛開始,現(xiàn)今開發(fā)的竹炭制品許多特點沒有充分的科學(xué)依據(jù)作支撐，加之對竹炭的宣傳力度不夠，竹炭、竹醋液及其制品在我國目前還沒有市場。因此，開展竹炭的理論和應(yīng)用研究不僅可以使人們從科學(xué)的角度來認(rèn)識和了解竹炭，還必將促進市場的廣泛開發(fā)。

(6）規(guī)范市場機構(gòu)，完善竹炭相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系

目前我國尚未有有關(guān)竹炭的健全的國家標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為了進一步加強竹炭生產(chǎn)和管理，以利于竹炭的推廣應(yīng)用，穩(wěn)定竹炭質(zhì)量，作為指導(dǎo)生產(chǎn)和交貨依據(jù)，制定和完善竹炭的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)勢在必行。同時，國家應(yīng)該成立全國性的竹炭方面的專業(yè)技術(shù)機構(gòu)，規(guī)范竹炭市場，保護國內(nèi)廠商的利益。

(7）普及竹炭科學(xué)，增強竹炭產(chǎn)品推廣力度

我國竹炭年產(chǎn)量中只有1/3銷于內(nèi)地市場，大部分銷往日本、韓國、中國臺灣省等地，內(nèi)地很多消費者不知道有這樣一種產(chǎn)品，相比而言，竹炭在日本、韓國、中國臺灣省等地就極流行，已經(jīng)成為居家的生活用品。應(yīng)該針對目前家具裝修與水污染等誘發(fā)的疾病問題，突出宣傳竹炭凈化水質(zhì)與空氣的功效，慢慢地讓竹炭走進千家萬戶，使竹炭業(yè)盡快發(fā)展壯大起來[3]。8.小結(jié)

綜上所述，竹炭是一種性能良好、有著廣闊發(fā)展空間的多功能材料和環(huán)境保護材料，越來越受到人們的重視。我國竹類資源十分豐富，竹炭具有廣闊的市場前景。近年來，我國竹炭產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展，已成為林區(qū)林業(yè)增效、林農(nóng)增收的新途徑。竹炭可用于農(nóng)業(yè)、環(huán)保、醫(yī)學(xué)、紡織、保健等領(lǐng)域，但我國的竹炭研究剛剛起步，竹炭改性還未產(chǎn)業(yè)化，市場前景廣闊，應(yīng)加大科研投資力度，將其廣泛推廣，造福人類[4]。

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