Aplicação de materiais de terras raras na tecnologia militar moderna

Aplicação deMaterial de terras rarass em tecnologia militar moderna

Como um material funcional especial, as terras raras, conhecidas como "casa do tesouro" de novos materiais, podem melhorar muito a qualidade e o desempenho de outros produtos e são conhecidas como a "vitamina" da indústria moderna. Não é apenas amplamente utilizado em indústrias tradicionais como metalurgia, indústria petroquímica, cerâmica de vidro, fiação de lã, couro e agricultura, mas também desempenha um papel indispensável nas áreas de materiais como fluorescência, magnetismo, laser, comunicação de fibra óptica, energia de armazenamento de hidrogênio, supercondutividade, etc., afeta diretamente a velocidade e o nível de desenvolvimento de indústrias emergentes de alta tecnologia, como instrumentos ópticos, eletrônicos, aeroespacial, indústria nuclear, etc. desenvolvimento de forças armadas modernas tecnologia.

O papel especial desempenhado pelos novos materiais de terras raras na tecnologia militar moderna tem atraído amplamente a atenção de governos e especialistas de vários países, sendo listado como um elemento-chave no desenvolvimento de indústrias de alta tecnologia e tecnologia militar por departamentos relevantes no Estados Unidos, Japão e outros países.

Uma breve introdução às terras raras e sua relação com as forças armadas e a defesa nacional

A rigor, todoselementos de terras rarastêm certos usos militares, mas o papel mais crítico na defesa nacional e nos campos militares deve ser a aplicação de alcance a laser, orientação a laser, comunicação a laser e outros campos.

 Aplicação de aço de terras raras e ferro fundido nodular na tecnologia militar moderna

 1.1 Aplicação de aço de terras raras na tecnologia militar moderna

Suas funções incluem purificação, modificação e liga, incluindo principalmente dessulfuração, desoxidação e remoção de gases, eliminando a influência de impurezas prejudiciais de baixo ponto de fusão, refinando grãos e estrutura, afetando o ponto de transição de fase do aço e melhorando sua temperabilidade e propriedades mecânicas. . O pessoal militar de ciência e tecnologia desenvolveu muitos materiais de terras raras adequados para uso em armas, utilizando esta propriedade das terras raras.

 1.1.1 Armadura de aço

 Já no início da década de 1960, a indústria de armas da China começou a pesquisar a aplicação de terras raras em aço para armaduras e aço para armas, e produziu sucessivamente aço para armaduras de terras raras, como 601, 603 e 623, inaugurando uma nova era onde as principais matérias-primas na produção de tanques da China foram baseadas no mercado interno.

 1.1.2 Aço carbono de terras raras

Em meados da década de 1960, a China adicionou 0,05% de elementos de terras raras ao aço carbono original de alta qualidade para produzir aço carbono de terras raras. O valor do impacto lateral deste aço de terras raras aumentou de 70% a 100% em comparação com o aço carbono original, e o valor do impacto a -40 ℃ aumentou quase duas vezes. O cartucho de grande diâmetro feito deste aço foi comprovado através de testes de tiro no campo de tiro para atender totalmente aos requisitos técnicos. Atualmente, a China foi finalizada e colocada em produção, concretizando o desejo de longa data da China de substituir o cobre pelo aço nos materiais dos cartuchos.

 1.1.3 Aço de terras raras com alto teor de manganês e aço fundido de terras raras

O aço de terras raras com alto teor de manganês é usado para fabricar sapatas de esteiras de tanques, e o aço fundido de terras raras é usado para fabricar asas traseiras, freio de boca e peças estruturais de artilharia de sabots de descarte perfurantes de armadura de alta velocidade, o que pode reduzir os procedimentos de processamento, melhorar a taxa de utilização do aço e alcançar indicadores táticos e técnicos.

No passado, os materiais usados ​​para os corpos dos projéteis da câmara frontal na China eram feitos de ferro fundido semirrígido com ferro-gusa de alta qualidade adicionado com 30% a 40% de sucata de aço. Devido à sua baixa resistência, alta fragilidade, número baixo e não nítido de fragmentos efetivos após a explosão e fraco poder de destruição, o desenvolvimento do corpo do projétil da câmara frontal já foi prejudicado. Desde 1963, vários calibres de projéteis de argamassa foram fabricados usando ferro dúctil de terras raras, o que aumentou suas propriedades mecânicas em 1 a 2 vezes, multiplicou o número de fragmentos efetivos e afiou a nitidez dos fragmentos, aumentando muito seu poder de matar. O número efetivo de fragmentos e o raio de destruição intensivo de um certo tipo de projétil de canhão e projétil de arma de campo feito deste material na China são ligeiramente melhores do que os de projéteis de aço.

Aplicação de ligas de terras raras não ferrosas, como magnésio e alumínio, na tecnologia militar moderna

 Terra raratem alta atividade química e grande raio atômico. Quando é adicionado a metais não ferrosos e suas ligas, pode refinar grãos, evitar segregação, desgaseificação, remoção e purificação de impurezas e melhorar a estrutura metalográfica, de modo a atingir o objetivo abrangente de melhorar as propriedades mecânicas, propriedades físicas e propriedades de processamento . Trabalhadores de materiais no país e no exterior desenvolveram novas ligas de terras raras de magnésio, ligas de alumínio, ligas de titânio e superligas usando esta propriedade das terras raras. Esses produtos têm sido amplamente utilizados em tecnologias militares modernas, como aviões de combate, aviões de assalto, helicópteros, veículos aéreos não tripulados e satélites de mísseis.

2.1 Liga de magnésio de terras raras

Ligas de magnésio de terras rarastêm alta resistência específica, podem reduzir o peso da aeronave, melhorar o desempenho tático e ter amplas perspectivas de aplicação. As ligas de magnésio de terras raras desenvolvidas pela China Aviation Industry Corporation (doravante denominada AVIC) incluem aproximadamente 10 tipos de ligas de magnésio fundido e ligas de magnésio deformadas, muitas das quais foram utilizadas na produção e têm qualidade estável. Por exemplo, a liga de magnésio fundido ZM 6 com metal de terras raras neodímio como aditivo principal foi expandida para ser usada em peças importantes, como carcaças de redução traseira de helicópteros, nervuras de asas de caça e placas de pressão de chumbo de rotor para geradores de 30 kW. A liga de magnésio de alta resistência e terras raras BM 25 desenvolvida em conjunto pela AVIC Corporation e Nonferrous Metals Corporation substituiu algumas ligas de alumínio de média resistência e tem sido aplicada em aeronaves de impacto.

2.2 Liga de titânio de terras raras

No início da década de 1970, o Instituto de Materiais Aeronáuticos de Pequim (referido como Instituto de Materiais Aeronáuticos) substituiu parte do alumínio e do silício pelo metal de terras raras cério (Ce) em ligas de titânio Ti-A1-Mo, limitando a precipitação de fases frágeis e melhorando a resistência ao calor da liga e ao mesmo tempo melhorando sua estabilidade térmica. Com base nisso, foi desenvolvida uma liga de titânio fundido de alta temperatura e alto desempenho ZT3 contendo cério. Comparado com ligas internacionais semelhantes, apresenta certas vantagens em termos de resistência ao calor e desempenho do processo. A carcaça do compressor fabricada com ele é utilizada para o motor W PI3 II, com redução de peso de 39 kg por aeronave e aumento na relação empuxo / peso de 1,5%. Além disso, a redução das etapas de processamento em cerca de 30% alcançou benefícios técnicos e econômicos significativos, preenchendo a lacuna no uso de carcaças de titânio fundido para motores de aviação na China a 500 ℃. A pesquisa mostrou que existem pequenas partículas de óxido de cério na microestrutura da liga ZT3 contendo cério. O cério combina uma porção de oxigênio na liga para formar um refratário e de alta durezaóxido de terras rarasmaterial, Ce2O3. Essas partículas dificultam o movimento das discordâncias durante o processo de deformação da liga, melhorando o desempenho da liga em altas temperaturas. O cério captura uma porção de impurezas gasosas (especialmente nos limites dos grãos), o que pode fortalecer a liga enquanto mantém uma boa estabilidade térmica. Esta é a primeira tentativa de aplicar a teoria do difícil reforço do ponto de soluto em ligas fundidas de titânio. Além disso, o Instituto de Materiais Aeronáuticos desenvolveu materiais estáveis ​​e baratosÓxido de ítrio (III)areia e pó através de anos de pesquisa e tecnologia especial de tratamento de mineralização no processo de fundição de precisão em solução de liga de titânio. Atingiu um melhor nível em termos de gravidade específica, dureza e estabilidade ao líquido de titânio, e mostrou maiores vantagens no ajuste e controle do desempenho da pasta de casca. A grande vantagem de usarÓxido de ítrio (III)casca para fabricar peças fundidas de titânio é que, sob a condição de que a qualidade da fundição e o nível do processo sejam equivalentes ao processo de revestimento de tungstênio, peças fundidas de liga de titânio mais finas do que o processo de revestimento de tungstênio podem ser fabricadas. Atualmente, esse processo tem sido amplamente utilizado na fabricação de diversas aeronaves, motores e peças fundidas civis.

2.3 Liga de alumínio de terras raras

A liga de alumínio fundido resistente ao calor HZL206 desenvolvida pela AVIC possui propriedades mecânicas superiores em alta temperatura e temperatura ambiente em comparação com ligas estrangeiras contendo níquel e atingiu o nível avançado de ligas semelhantes no exterior. Agora é usada como válvula resistente à pressão para helicópteros e caças com temperatura de trabalho de 300 ℃, substituindo ligas de aço e titânio. O peso estrutural foi reduzido e colocado em produção em massa. A resistência à tração da liga hipereutética ZL117 de terras raras, alumínio e silício a 200-300 ℃ excede a das ligas de pistão da Alemanha Ocidental KS280 e KS282. Sua resistência ao desgaste é 4-5 vezes maior do que a das ligas de pistão comumente usadas ZL108, com um pequeno coeficiente de expansão linear e boa estabilidade dimensional. Ele tem sido usado em acessórios de aviação KY-5, compressores de ar KY-7 e pistões de motores de modelos de aviação. A adição de elementos de terras raras às ligas de alumínio melhora significativamente a microestrutura e as propriedades mecânicas. O mecanismo de ação dos elementos de terras raras nas ligas de alumínio é: formação de distribuição dispersa, com pequenos compostos de alumínio desempenhando papel significativo no fortalecimento da segunda fase; A adição de elementos de terras raras desempenha um papel de desgaseificação da catarse, reduzindo assim o número de poros na liga e melhorando o desempenho da liga; Os compostos de terras raras de alumínio servem como núcleos heterogêneos para refinar grãos e fases eutéticas, e também são um modificador; Os elementos de terras raras promovem a formação e o refinamento das fases ricas em ferro, reduzindo os seus efeitos nocivos. α— A quantidade de ferro em solução sólida em A1 diminui com o aumento da adição de terras raras, o que também é benéfico para melhorar a resistência e a plasticidade.

A aplicação de materiais de combustão de terras raras na tecnologia militar moderna

3.1 Metais puros de terras raras

Metais puros de terras raras, devido às suas propriedades químicas ativas, são propensos a reagir com oxigênio, enxofre e nitrogênio para formar compostos estáveis. Quando submetidas a intenso atrito e impacto, as faíscas podem inflamar substâncias inflamáveis. Portanto, já em 1908, foi transformado em pederneira. Verificou-se que entre os 17 elementos de terras raras, seis elementos, incluindo cério, lantânio, neodímio, praseodímio, samário e ítrio, apresentam desempenho particularmente bom em termos de incêndio criminoso. As pessoas fabricaram várias armas incendiárias com base nas propriedades incendiárias de metais de terras raras. Por exemplo, o míssil americano "Mark 82" de 227 kg usa revestimentos de metal de terras raras, que não apenas produzem efeitos explosivos de morte, mas também efeitos de incêndio criminoso. A ogiva de foguete ar-solo "amortecimento" dos EUA está equipada com 108 hastes quadradas de metal de terras raras como forros, substituindo alguns fragmentos pré-fabricados. Testes de explosão estática mostraram que sua capacidade de inflamar combustível de aviação é 44% maior do que a dos não revestidos.

3.2 Metais de terras raras mistos

Devido ao alto preço do purometal de terras rarass, metais de terras raras compostos de baixo custo são amplamente utilizados em armas de combustão em vários países. O agente de combustão composto de metal de terras raras é carregado no invólucro de metal sob alta pressão, com uma densidade de agente de combustão de (1,9 ~ 2,1) × 103 kg/m3, velocidade de combustão 1,3-1,5 m/s, diâmetro de chama de cerca de 500 mm, e temperatura de chama de até 1715-2000 ℃. Após a combustão, o corpo incandescente permanece quente por mais de 5 minutos. Durante a invasão do Vietnã, os militares dos EUA usaram lançadores para lançar uma granada incendiária de 40 mm, que foi preenchida com um revestimento inflamável feito de uma mistura de metais de terras raras. Depois que o projétil explode, cada fragmento com revestimento inflamável pode incendiar o alvo. Naquela época, a produção mensal da bomba chegava a 200.000 tiros, com no máximo 260.000 tiros.

3.3 Ligas de combustão de terras raras

A liga de combustão de terras raras com peso de 100g pode formar 200 ~ 3.000 gravetos, cobrindo uma grande área, o que é equivalente ao raio de destruição de munições perfurantes e projéteis perfurantes. Portanto, o desenvolvimento de munições multifuncionais com poder de combustão tornou-se uma das principais direções do desenvolvimento de munições no país e no exterior. Para munições perfurantes e projéteis perfurantes, seu desempenho tático exige que, após perfurar a blindagem do tanque inimigo, eles possam acender seu combustível e munição para destruir completamente o tanque. Para granadas, é necessário acender suprimentos militares e instalações estratégicas dentro do seu alcance de destruição. É relatado que um dispositivo incendiário de plástico de metal de terras raras fabricado nos EUA é feito de náilon reforçado com fibra de vidro com um cartucho de liga mista de terras raras em seu interior, que tem melhor efeito contra combustível de aviação e alvos semelhantes.

Aplicação de materiais de terras raras em proteção militar e tecnologia nuclear

4.1 Aplicação em Tecnologia de Proteção Militar

Os elementos de terras raras têm propriedades resistentes à radiação. O Centro Nacional de Seção Transversal de Nêutrons dos Estados Unidos fabricou dois tipos de placas com espessura de 10 mm utilizando materiais poliméricos como material de base, com ou sem adição de elementos de terras raras, para testes de proteção radiológica. Os resultados mostram que o efeito de blindagem térmica de nêutrons de materiais poliméricos de terras raras é 5-6 vezes melhor do que o de materiais poliméricos livres de terras raras. Entre eles, os materiais de terras raras com Sm, Eu, Gd, Dy e outros elementos têm a maior seção transversal de absorção de nêutrons e bom efeito de captura de nêutrons. Atualmente, as principais aplicações de materiais de proteção contra radiações de terras raras na tecnologia militar incluem os seguintes aspectos.

4.1.1 Blindagem contra radiação nuclear

Os Estados Unidos usam 1% de boro e 5% de elementos de terras rarasgadolínio, samárioelantâniopara fazer um concreto à prova de radiação com 600 mm de espessura para proteger a fonte de nêutrons de fissão do reator da piscina. A França desenvolveu um material de proteção contra radiação de terras raras adicionando Boride, composto de terras raras ou liga de terras raras à grafite como material de base. O enchimento deste material de blindagem compósito deve ser distribuído uniformemente e transformado em peças pré-fabricadas, que são colocadas ao redor do canal do reator de acordo com os diferentes requisitos da área de blindagem.

4.1.2 Blindagem térmica do tanque contra radiação

É composto por quatro camadas de folheado, com espessura total de 5 a 20 cm. A primeira camada é feita de plástico reforçado com fibra de vidro, com pó inorgânico adicionado de 2% de compostos de terras raras como enchimento para bloquear nêutrons rápidos e absorver nêutrons lentos; A segunda e terceira camadas adicionam grafite de boro, poliestireno e elementos de terras raras, representando 10% do enchimento total da primeira para bloquear nêutrons de energia intermediária e absorver nêutrons térmicos; A quarta camada usa grafite em vez de fibra de vidro e adiciona 25% de compostos de terras raras para absorver nêutrons térmicos.

4.1.3 Outros

A aplicação de revestimentos resistentes à radiação de terras raras em tanques, navios, abrigos e outros equipamentos militares pode ter um efeito resistente à radiação.

4.2 Aplicação em Tecnologia Nuclear

O óxido de ítrio (III) de terras raras pode ser usado como um absorvente combustível de combustível de urânio no reator de água fervente (BWR). Entre todos os elementos, o gadolínio tem a maior capacidade de absorver nêutrons, com aproximadamente 4.600 alvos por átomo. Cada átomo natural de gadolínio absorve uma média de 4 nêutrons antes da falha. Quando misturado com urânio físsil, o gadolínio pode promover a combustão, reduzir o consumo de urânio e aumentar a produção de energia. Ao contrário do carboneto de boro,Óxido de gadolínio (III)não produz deutério, um subproduto prejudicial. Pode combinar tanto com o combustível de urânio quanto com seu material de revestimento na reação nuclear. A vantagem de usar gadolínio em vez de boro é que o gadolínio pode ser misturado diretamente com o urânio para evitar a expansão das barras de combustível nuclear. Segundo as estatísticas, existem 149 reatores nucleares planejados para serem construídos em todo o mundo, 115 dos quais são reatores de água pressurizada usandoterra rarah Óxido de gadolínio(III).Samário de terras raras,európioe o disprósio têm sido usados ​​como absorvedores de nêutrons em reatores reprodutores de nêutrons. Terra raraítriotem uma pequena seção transversal de captura em nêutrons e pode ser usado como material de tubulação para reatores de sal fundido. A folha fina adicionada com gadolínio e disprósio de terras raras pode ser usada como um detector de campo de nêutrons na engenharia da indústria aeroespacial e nuclear, uma pequena quantidade de túlio e érbio de terras raras pode ser usada como material alvo do gerador de nêutrons de tubo selado e terras raras cermet de ferro de óxido de európio pode ser usado para fazer uma placa de suporte de controle de reator aprimorada. O gadolínio de terras raras também pode ser usado como aditivo de revestimento para prevenir a radiação da bomba de nêutrons, e veículos blindados revestidos com um revestimento especial contendo óxido de gadolínio podem prevenir a radiação de nêutrons. O itérbio de terras raras é usado em equipamentos para medir tensões no solo causadas por explosões nucleares subterrâneas. Quando o itérbio de terras raras é submetido à força, a resistência aumenta e a mudança na resistência pode ser usada para calcular a pressão aplicada. A ligação de uma folha de gadolínio de terras raras depositada e intercalada com um elemento sensível ao estresse pode ser usada para medir o estresse nuclear elevado.

Aplicação de 5 materiais magnéticos permanentes de terras raras na tecnologia militar moderna

O material magnético permanente de terras raras, conhecido como a nova geração de rei magnético, é atualmente o material magnético permanente de maior desempenho abrangente conhecido. Possui propriedades magnéticas mais de 100 vezes superiores às do aço magnético usado em equipamentos militares na década de 1970. Atualmente, tornou-se um material importante na comunicação de tecnologia eletrônica moderna. É usado em tubos de ondas viajantes e circuladores em satélites terrestres artificiais, radares e outros aspectos. Portanto, tem um significado militar importante.

Ímãs SmCo e ímãs NdFeB são usados ​​para foco de feixe de elétrons no sistema de orientação de mísseis. Os ímãs são os principais dispositivos de foco do feixe de elétrons, que transmitem dados para a superfície de controle do míssil. Existem aproximadamente 5 a 10 libras (2,27 a 4,54 kg) de ímãs em cada dispositivo de orientação de foco do míssil. Além disso, ímãs de terras raras também são usados ​​para acionar motores e girar os lemes de mísseis guiados. Suas vantagens são um magnetismo mais forte e um peso mais leve do que os ímãs originais de Al Ni Co.

Aplicação de materiais laser de terras raras na tecnologia militar moderna

O laser é um novo tipo de fonte de luz que possui boa monocromaticidade, direcionalidade e coerência e pode atingir alto brilho. Os materiais laser e laser de terras raras nasceram simultaneamente. Até agora, aproximadamente 90% dos materiais laser envolvem terras raras. Por exemplo, o cristal de granada de ítrio e alumínio é um laser amplamente utilizado que pode obter alta potência contínua em temperatura ambiente. A aplicação de lasers de estado sólido nas forças armadas modernas inclui os seguintes aspectos.

6.1 Alcance do laser

A granada de ítrio-alumínio dopada com neodímio desenvolvida nos Estados Unidos, Grã-Bretanha, França, Alemanha e outros países pode medir uma distância de 4.000 ~ 20.000 m com uma precisão de 5 m. Os sistemas de armas como o MI dos EUA, o Leopard II da Alemanha, o Lecler da França, o Type 90 do Japão, o Mekava de Israel e o mais recente tanque britânico Challenger 2 usam este tipo de telêmetro a laser. Atualmente, alguns países estão desenvolvendo uma nova geração de telêmetros a laser de estado sólido para a segurança do olho humano, com comprimentos de onda operacionais variando de 1,5 a 2,1 μM. O telêmetro a laser portátil desenvolvido pelos Estados Unidos e pelo Reino Unido usando o dopado com hólmio O laser de fluoreto de ítrio e lítio possui uma banda de trabalho de 2,06 μM, variando até 3.000 m. Os Estados Unidos e a International Laser Company também usaram em conjunto o laser de fluoreto de ítrio e lítio dopado com érbio e desenvolveram um telêmetro a laser de 1,73 μM de comprimento de onda e tropas fortemente equipadas. O comprimento de onda do laser dos telêmetros militares da China é de 1,06 μM, variando de 200 a 7.000 m. Ao lançar foguetes de longo alcance, mísseis e testar satélites de comunicação, a China obteve dados importantes na medição de alcance através do Teodolito de TV a Laser.

6.2 Orientação a Laser

Bombas guiadas a laser usam lasers para orientação terminal. O alvo é irradiado com um laser Nd·YAG que emite dezenas de pulsos por segundo. Os pulsos são codificados e os pulsos de luz podem guiar a resposta do míssil, evitando assim a interferência do lançamento do míssil e dos obstáculos colocados pelo inimigo. Por exemplo, a bomba militar GBV-15 Glide dos EUA é chamada de "bomba inteligente". Da mesma forma, também pode ser usado para fabricar projéteis guiados por laser.

6.3 Comunicação a laser

Além de Nd · YAG poder ser usado para comunicação a laser, a saída do laser do cristal de fosfato de tetra neodímio (III) de lítio (LNP) é polarizada e fácil de modular. É considerado um dos materiais de micro laser mais promissores, adequado para fonte de luz de comunicação por fibra óptica, e espera-se que seja aplicado em óptica integrada e comunicação espacial. Além disso, o cristal único de granada de ferro ítrio (Y3Fe5O12) pode ser usado como vários dispositivos de ondas de superfície magnetostáticas pelo processo de integração de microondas, o que torna os dispositivos integrados e miniaturizados, e tem aplicações especiais em controle remoto de radar e telemetria, navegação e contramedidas eletrônicas.

A aplicação de 7 materiais supercondutores de terras raras na tecnologia militar moderna

Quando um material está abaixo de uma determinada temperatura, ocorre o fenômeno de a resistência ser zero, ou seja, Supercondutividade. A temperatura é a temperatura crítica (Tc). Supercondutores são antiímãs. Quando a temperatura é inferior à temperatura crítica, os supercondutores repelem qualquer campo magnético que tente aplicar-se a eles. Este é o chamado efeito Meissner. Adicionar elementos de terras raras a materiais supercondutores pode aumentar muito a temperatura crítica Tc. Isto promoveu enormemente o desenvolvimento e aplicação de materiais supercondutores. Na década de 1980, os Estados Unidos, o Japão e outros países desenvolvidos adicionaram sucessivamente uma certa quantidade de lantânio, ítrio, európio, érbio e outros óxidos de terras raras aos compostos de óxido de bário e óxido de cobre (II), que foram misturados, prensados ​​e sinterizados para formam materiais cerâmicos supercondutores, tornando mais extensa a aplicação extensiva da tecnologia supercondutora, especialmente em aplicações militares.

7.1 Circuitos integrados supercondutores

Nos últimos anos, países estrangeiros realizaram pesquisas sobre a aplicação da tecnologia supercondutora em computadores eletrônicos e desenvolveram circuitos integrados supercondutores utilizando materiais cerâmicos supercondutores. Se este circuito integrado for usado para fabricar computadores supercondutores, ele não apenas terá tamanho pequeno, peso leve e será conveniente de usar, mas também terá uma velocidade de computação 10 a 100 vezes mais rápida que os computadores semicondutores.