現代の軍事技術におけるレアアース材料の応用

の適用レアアース素材現代軍事技術における

新素材の宝庫と呼ばれるレアアースは、他の製品の品質や性能を大きく向上させる特殊機能素材であり、現代産業の「ビタミン」とも呼ばれています。冶金、石油化学工業、ガラスセラミックス、羊毛紡績、皮革、農業などの伝統産業で広く使用されているだけでなく、蛍光、磁気、レーザー、光ファイバー通信などの材料の分野でも不可欠な役割を果たしています。水素貯蔵エネルギー、超電導などの技術は、光学機器、エレクトロニクス、航空宇宙、原子力産業などの新興ハイテク産業の発展の速度とレベルに直接影響を与えます。これらの技術は軍事技術に応用され、社会の発展を大きく促進しています。開発現代の軍事技術。

現代の軍事技術においてレアアース新素材が果たす特別な役割は、各国の政府や専門家の注目を集めており、政府の関連部門によってハイテク産業や軍事技術の発展における重要な要素として挙げられている。米国、日本、その他の国。

レアアースと軍事および国防との関係についての簡単な紹介

厳密に言えば、すべて希土類元素特定の軍事用途もありますが、国防および軍事分野における最も重要な役割は、レーザー測距、レーザー誘導、レーザー通信およびその他の分野への応用であるはずです。

 現代の軍事技術におけるレアアース鋼と球状鋳鉄の応用

 1.1 現代軍事技術におけるレアアース鋼の応用

その機能には、主に脱硫、脱酸、ガス除去を含む精製、改質、合金化が含まれ、低融点の有害な不純物の影響を除去し、結晶粒と組織を微細化し、鋼の相転移点に影響を与え、焼入性と機械的特性を改善します。 。軍事科学技術関係者は、レアアースのこの特性を利用して、兵器に使用するのに適した多くのレアアース素材を開発してきました。

 1.1.1 装甲鋼

 1960 年代初頭から、中国の兵器産業は装甲鋼と銃鋼へのレアアースの応用研究を開始し、601、603、623 などのレアアース装甲鋼を次々に生産し、重要な原材料が使用される新時代の到来を告げました。中国の戦車生産は国内に拠点を置いていた。

 1.1.2 希土類炭素鋼

1960 年代半ば、中国は元の高品質炭素鋼に 0.05% のレアアース元素を添加して、レアアース炭素鋼を製造しました。このレアアース鋼の側面衝撃値は、元の炭素鋼と比較して70%～100%増加し、-40℃での衝撃値は2倍近く増加しました。この鋼材を使用した大口径弾は射撃場での射撃試験により技術的要求を十分に満たしていることが証明されています。現在、中国では最終仕上げが完了し、生産が開始されており、カートリッジ材料の銅を鋼に置き換えるという中国の長年の願いが達成されました。

 1.1.3 レアアース高マンガン鋼及びレアアース鋳鋼

レアアース高マンガン鋼は戦車履帯の製造に使用され、レアアース鋳鋼は尾翼、マズルブレーキ、高速徹甲廃棄サボの砲構造部品の製造に使用され、加工手順を削減できます。鉄鋼の利用率を向上させ、戦術的および技術的指標を達成します。

かつて、中国の前室弾体の材質は、高品質の銑鉄に30～40％のスクラップを加えた半硬質鋳鉄で作られていました。強度が低く、脆性が高く、爆発後の有効破片数が少なく鋭利ではないこと、殺傷力が弱いため、前室弾体の開発はかつて妨げられていました。 1963 年以来、希土類ダクタイル鋳鉄を使用してさまざまな口径の迫撃砲弾が製造されてきました。これにより、機械的特性が 1 ～ 2 倍向上し、有効な破片の数が増加し、破片の鋭さが鋭くなり、殺傷力が大幅に向上しました。中国でこの材料で作られた特定の種類の大砲の砲弾と野砲の砲弾の有効破片数と集中殺傷半径は、鋼鉄砲弾よりわずかに優れています。

マグネシウムやアルミニウムなどの非鉄希土類合金の現代軍事技術への応用

 希土類化学活性が高く、原子半径が大きい。非鉄金属およびその合金に添加すると、結晶粒の微細化、偏析の防止、脱ガス、不純物の除去と浄化、金属組織の改善が可能となり、機械的性質、物理的性質、加工特性の改善という総合的な目的を達成できます。 。国内外の材料専門家は、レアアースのこの特性を利用して、新しいレアアースマグネシウム合金、アルミニウム合金、チタン合金、超合金を開発してきました。これらの製品は、戦闘機、強襲機、ヘリコプター、無人航空機、ミサイル衛星などの現代の軍事技術で広く使用されています。

2.1 希土類マグネシウム合金

希土類マグネシウム合金比強度が高く、航空機の重量を軽減し、戦術的性能を向上させることができ、幅広い用途の見通しを持っています。中国航空工業公司（以下、AVIC）が開発した希土類マグネシウム合金には、鋳造マグネシウム合金と異形マグネシウム合金の約10グレードがあり、その多くは生産に使用されており、品質が安定しています。例えば、希土類金属ネオジムを主添加剤とした ZM 6 鋳造マグネシウム合金は、ヘリコプターの後部減速ケーシング、戦闘機翼リブ、30 kW 発電機のローターリードプレッシャープレートなどの重要部品に使用されるように拡大されました。 AVIC Corporation と非鉄金属 Corporation が共同開発した希土類高強度マグネシウム合金 BM 25 は、一部の中強度アルミニウム合金に取って代わり、衝撃航空機に適用されています。

2.2 希土類チタン合金

1970 年代初頭、北京航空材料研究所 (航空材料研究所と呼ばれる) は、Ti-A1-Mo チタン合金のアルミニウムとシリコンの一部を希土類金属セリウム (Ce) に置き換え、脆性相と脆性相の析出を制限しました。合金の耐熱性を向上させると同時に、熱安定性も向上させます。これに基づいて、セリウムを含む高性能鋳造高温チタン合金 ZT3 が開発されました。同様の国際合金と比較して、耐熱強度とプロセス性能の点で一定の利点があります。これにより製造されたコンプレッサーケーシングは、W PI3 II エンジンに使用され、1 機あたり 39 kg の重量が削減され、推力重量比が 1.5% 増加しました。さらに、加工工程が約 30% 削減されたことで、技術的および経済的に大きな利点が得られ、中国における 500 ℃ での航空エンジン用鋳造チタンケーシングの使用のギャップが埋められました。研究によると、セリウムを含む ZT3 合金の微細構造には小さな酸化セリウム粒子が存在します。セリウムは合金内の酸素の一部を結合して耐火性と高硬度を形成します。希土類酸化物材質はCe2O3。これらの粒子は合金の変形プロセス中の転位の移動を妨げ、合金の高温性能を向上させます。セリウムはガス不純物の一部（特に粒界）を捕捉し、良好な熱安定性を維持しながら合金を強化する可能性があります。これは、鋳造チタン合金に困難な固溶点強化の理論を適用する最初の試みです。また、航空材料研究所は安定かつ安価な材料を開発しました。酸化イットリウム(III)チタン合金溶液精密鋳造プロセスにおける長年の研究と特殊な鉱化処理技術による砂と粉末。比重、硬度、チタン液体に対する安定性の点でより優れたレベルに達し、シェルスラリーの性能の調整と制御において大きな利点を示しました。使用する際の優れたメリット酸化イットリウム(III)チタン鋳物を製造するシェルの特徴は、タングステンコーティング法と同等の鋳物品質とプロセスレベルの条件で、タングステンコーティング法よりも薄いチタン合金鋳物を製造できることです。現在、このプロセスはさまざまな航空機、エンジン、民間鋳物の製造に広く使用されています。

2.3 希土類アルミニウム合金

AVICが開発した耐熱鋳造アルミニウム合金HZL206は、海外のニッケル含有合金と比較して高温および室温での機械的特性に優れており、海外の同種合金の先進レベルに達しています。現在では作動温度300℃のヘリコプタや戦闘機の耐圧弁として鋼やチタン合金に代わって使用されています。構造重量が軽減され、量産化されています。希土類アルミニウムシリコン過共晶 ZL117 合金の 200 ～ 300 ℃での引張強さは、西ドイツ製ピストン合金 KS280 および KS282 の引張強さを超えます。一般的に使用されているピストン合金 ZL108 に比べて耐摩耗性が 4 ～ 5 倍高く、線膨張係数が小さく、寸法安定性に優れています。航空付属品のKY-5、KY-7エアコンプレッサー、航空模型のエンジンピストンなどに使用されています。アルミニウム合金に希土類元素を添加すると、微細構造と機械的特性が大幅に向上します。アルミニウム合金における希土類元素の作用メカニズムは次のとおりです。小さなアルミニウム化合物が第 2 相の強化に重要な役割を果たし、分散分布を形成します。希土類元素の添加は脱ガスカタルシスの役割を果たし、それによって合金内の細孔の数が減少し、合金の性能が向上します。希土類アルミニウム化合物は、結晶粒と共晶相を微細化するための不均一核として機能し、また改質剤としても機能します。希土類元素は、鉄が豊富な相の形成と精製を促進し、その有害な影響を軽減します。 α—A1 中の鉄の固溶量は、希土類の添加量の増加とともに減少します。これは、強度と塑性の向上にも役立ちます。

現代の軍事技術におけるレアアース燃焼材料の応用

3.1 純粋な希土類金属

純粋な希土類金属は、その活性な化学的特性により、酸素、硫黄、窒素と反応して安定した化合物を形成する傾向があります。激しい摩擦や衝撃を受けると、火花が可燃性物質に発火する可能性があります。そのため、1908 年にはフリントとして使用されるようになりました。希土類元素 17 種類のうち、セリウム、ランタン、ネオジム、プラセオジム、サマリウム、イットリウムの 6 種類の元素が特に放火性能に優れていることがわかっています。人々は、レアアース金属の放火特性に基づいて、さまざまな焼夷兵器を作成してきました。例えば、重量227kgのアメリカの「マーク82」ミサイルは希土類金属ライナーを使用しており、爆発による殺傷効果だけでなく放火効果も生み出します。米国の空対地「ダンピングマン」ロケット弾頭には、一部のプレハブ破片の代わりにライナーとして108本の希土類金属角棒が装備されている。静的爆発試験では、航空燃料への着火能力がライニングのない燃料よりも 44% 高いことが示されています。

3.2 混合希土類金属

純正価格が高いため、希土類金属低コストの複合希土類金属は、さまざまな国で燃焼兵器に広く使用されています。複合希土類金属燃焼剤を高圧下で主体金具内に充填し、燃焼剤密度（1.9～2.1）×103kg/m3、燃焼速度1.3～1.5m/s、火炎径約500mm、火炎温度は1715～2000℃まで。燃焼後、白熱体は 5 分間以上高温のままです。ベトナム侵攻中、米軍は発射装置を使用して、混合希土類金属製の発火性内張りが充填された40mm放火手榴弾を発射した。発射体が爆発した後、発火性の内張りを備えた各破片がターゲットを発火させることができます。当時の爆弾の月間生産量は20万発、最大26万発に達した。

3.3 希土類燃焼合金

重量 100g の希土類燃焼合金は 200 ～ 3000 個の焚き付けを形成でき、広範囲をカバーします。これは徹甲弾や徹甲弾の殺傷半径に相当します。したがって、燃焼力を備えた多機能弾薬の開発は、国内外の弾薬開発の主要な方向の1つとなっています。徹甲弾と徹甲弾の戦術的性能では、敵戦車の装甲を貫いた後、燃料と弾薬に点火して戦車を完全に破壊できることが求められます。手榴弾の場合、殺傷範囲内の軍事物資や戦略的施設に点火する必要があります。米国製のプラスチック製希土類金属焼夷装置は、内部に混合希土類合金カートリッジを備えたガラス繊維強化ナイロン製で、航空燃料や類似の標的に対してより効果的であると報告されています。

軍事防護および核技術におけるレアアース材料の応用

4.1 軍事保護技術への応用

希土類元素には放射線耐性があります。米国国立中性子断面積センターは、放射線防護試験用に、ポリマー材料を基材として、希土類元素を添加したものと添加しないものを使用し、厚さ10mmの2種類の板を作製した。結果は、希土類ポリマー材料の熱中性子遮蔽効果が、希土類を含まないポリマー材料よりも5〜6倍優れていることを示しています。その中でも、Sm、Eu、Gd、Dyなどの元素を含む希土類材料は、中性子吸収断面積が最も大きく、中性子捕捉効果が優れています。現在、軍事技術におけるレアアース放射線防護材料の主な用途には次のような側面が含まれます。

4.1.1 核放射線の遮蔽

米国では 1% のホウ素と 5% の希土類元素が使用されていますガドリニウム, サマリウムそしてランタン水泳プール原子炉の核分裂中性子源を遮蔽するための厚さ 600 mm の耐​​放射線コンクリートを作成します。フランスは、黒鉛を基材としてホウ化物、希土類化合物、あるいは希土類合金を添加した希土類放射線防護材料を開発した。この複合遮蔽材の充填材は均一に分散され、遮蔽領域のさまざまな要件に従って反応器チャネルの周囲に配置されるプレハブ部品として作成される必要があります。

4.1.2 タンクの熱放射シールド

4層のベニヤで構成されており、合計の厚さは5〜20 cmです。最初の層はガラス繊維強化プラスチックでできており、高速中性子をブロックし、低速中性子を吸収する充填剤として 2% の希土類化合物を含む無機粉末が添加されています。第 2 層と第 3 層には、中間エネルギー中性子をブロックし、熱中性子を吸収するために、前者の全フィラーの 10% を占めるホウ素グラファイト、ポリスチレン、希土類元素が添加されています。 4 番目の層はガラス繊維の代わりにグラファイトを使用し、熱中性子を吸収するために 25% の希土類化合物を追加します。

4.1.3 その他

戦車、船舶、シェルター、その他の軍事装備にレアアース耐放射線性コーティングを適用すると、耐放射線性効果が得られます。

4.2 原子力技術への応用

希土類酸化イットリウム(III)は、沸騰水型原子炉(BWR)のウラン燃料の可燃性吸収剤として使用できます。すべての元素の中で、ガドリニウムは中性子を吸収する能力が最も強く、原子あたり約 4600 個のターゲットがあります。天然のガドリニウム原子はそれぞれ、破損する前に平均 4 個の中性子を吸収します。ガドリニウムは核分裂性ウランと混合すると燃焼を促進し、ウランの消費量を減らし、エネルギー出力を増加させることができます。炭化ホウ素とは異なり、酸化ガドリニウム(III)有害な副産物である重水素を生成しません。核反応におけるウラン燃料とそのコーティング材料の両方に適合します。ホウ素の代わりにガドリニウムを使用する利点は、ガドリニウムをウランと直接混合して核燃料棒の膨張を防ぐことができることです。統計によると、世界中で 149 基の原子炉の建設が計画されており、そのうち 115 基が加圧水型原子炉です。レアアースh 酸化ガドリニウム(III)。レアアースサマリウム、ユーロピウム、およびジスプロシウムは、中性子増殖炉の中性子吸収剤として使用されてきました。希土類イットリウム中性子の捕獲断面積が小さく、溶融塩炉のパイプ材として使用できます。希土類ガドリニウムとジスプロシウムを添加した薄い箔は、航空宇宙および原子力産業工学における中性子場検出器として使用でき、少量の希土類ツリウムとエルビウムは密閉管中性子発生器のターゲット材料として使用でき、希土類は酸化ユウロピウム鉄サーメットを使用して、改良された反応器制御支持プレートを製造することができる。希土類ガドリニウムは、中性子爆弾の放射線を防ぐためのコーティング添加剤としても使用でき、酸化ガドリニウムを含む特殊なコーティングでコーティングされた装甲車両は中性子放射線を防ぐことができます。希土類イッテルビウムは、地下核爆発によって引き起こされる地面応力を測定する装置に使用されます。希土類イッテルビウムに力が加わると抵抗が増加し、抵抗の変化を利用して加えられる圧力を計算できます。希土類ガドリニウム箔を堆積し、応力感知要素と挟み込むことにより、高い核応力を測定することができます。

5種類のレアアース永久磁石材料の現代軍事技術への応用

新世代の磁気の王様として知られる希土類永久磁石材料は、現在知られている中で最も総合的な性能が高い永久磁石材料です。 1970年代に軍事装備に使用されていた磁性鋼よりも100倍以上高い磁気特性を持っています。現在、それは現代の電子技術コミュニケーションにおいて重要な素材となっています。人工地球衛星の進行波管やサーキュレータ、レーダーなどに使用されています。したがって、軍事的に重要な意味を持っています。

SmCo 磁石と NdFeB 磁石は、ミサイル誘導システムの電子ビーム集束に使用されます。磁石は電子ビームの主な集束装置であり、ミサイルの制御面にデータを送信します。ミサイルの各集束誘導装置には約 5 ～ 10 ポンド (2.27 ～ 4.54 kg) の磁石が搭載されています。さらに、希土類磁石はモーターの駆動や誘導ミサイルの舵#航空機の舵の回転にも使用されます。利点は、元の Al Ni Co 磁石よりも強力な磁力と軽量であることです。

レアアースレーザー材料の現代軍事技術への応用

レーザーは単色性、指向性、干渉性に優れ、高輝度が得られる新しいタイプの光源です。レーザー材料と希土類レーザー材料は同時に誕生しました。これまでのところ、レーザー材料の約 90% にはレアアースが含まれています。たとえば、イットリウム アルミニウム ガーネット結晶は、室温で継続的に高出力を得ることができる広く使用されているレーザーです。現代の軍事における固体レーザーの応用には、次のような側面が含まれます。

6.1 レーザー測距

米国、英国、フランス、ドイツなどで開発されたネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネットは、5mの精度で4000～20000mの距離を測定できます。米国の MI、ドイツのレオパルト II、フランスのルクレール、日本の 90 式戦車、イスラエルのメカバ、および最新の英国のチャレンジャー 2 戦車などの兵器システムはすべて、このタイプのレーザー距離計を使用しています。現在、一部の国では人間の目の安全を考慮して、動作波長範囲が 1.5 ～ 2.1 μM の新世代の固体レーザー距離計を開発しています。フッ化イットリウムリチウムレーザーの動作帯域は 2.06 μM、最長 3000 m です。米国とインターナショナル・レーザー・カンパニーはまた、エルビウムをドープしたイットリウム・リチウム・フッ化物レーザーを共同で使用し、波長1.73μMのレーザー距離計と重装備の軍隊を開発した。中国の軍用距離計のレーザー波長は 1.06 μM で、範囲は 200 ～ 7000 m です。長距離ロケット、ミサイル、試験通信衛星の打ち上げにおいて、中国はレーザーTVセオドライトを通じて距離測定における重要なデータを入手した。

6.2 レーザー誘導

レーザー誘導爆弾は端末誘導にレーザーを使用します。 1秒間に数十パルスのNd・YAGレーザーをターゲットに照射します。パルスは暗号化されており、光パルスがミサイルの反応を誘導することで、ミサイルの発射や敵が設置した障害物による干渉を防ぐことができる。例えば、「スマートボム」と呼ばれる米軍のGBV-15グライド爆弾。同様に、レーザー誘導シェルの製造にも使用できます。

6.3 レーザー通信

レーザー通信に使用できるNd・YAGに加えて、リチウムテトラネオジム(III)リン酸塩結晶(LNP)のレーザー出力は偏光されており、変調が容易です。光ファイバー通信の光源として最も有望なマイクロレーザー材料の一つと考えられており、集積光学や宇宙通信への応用が期待されています。さらに、イットリウム鉄ガーネット（Y3Fe5O12）単結晶は、マイクロ波集積プロセスによってさまざまな静磁表面波デバイスとして使用でき、デバイスの集積化と小型化が可能であり、レーダーの遠隔制御やテレメトリー、ナビゲーション、電子対策などの特別な用途に使用できます。

7種類のレアアース超電導材料の現代軍事技術への応用

物質がある温度以下になると抵抗がゼロになる現象、すなわち超電導が起こります。この温度は臨界温度 (Tc) です。超伝導体は反磁性体です。温度が臨界温度より低い場合、超電導体は、それに加えられようとする磁場を反発します。これがいわゆるマイスナー効果です。超伝導材料に希土類元素を添加すると、臨界温度 Tc を大幅に上昇させることができます。これにより、超電導材料の開発と応用が大きく前進しました。 1980年代、米国、日本などの先進国は酸化バリウムや酸化銅(II)化合物にランタン、イットリウム、ユウロピウム、エルビウムなどの希土類酸化物を一定量添加し、混合、プレス、焼結して製品化した。超電導セラミック材料を形成することで、超電導技術の広範な応用、特に軍事用途がさらに広がります。

7.1 超電導集積回路

近年、諸外国では電子計算機への超電導技術の応用研究が進められており、超電導セラミックス材料を用いた超電導集積回路が開発されている。この集積回路を超電導コンピュータの製造に使用すると、小型・軽量で使いやすいだけでなく、半導体コンピュータに比べて10～100倍の演算速度が得られます。