Применение редкоземельных материалов в современной военной технике

ПрименениеРедкоземельный материалв области современных военных технологий

Как особый функциональный материал, редкоземельный элемент, известный как «сокровищница» новых материалов, может значительно улучшить качество и производительность других продуктов и известен как «витамин» современной промышленности. Он не только широко используется в традиционных отраслях, таких как металлургия, нефтехимическая промышленность, стеклокерамика, прядение шерсти, кожа и сельское хозяйство, но также играет незаменимую роль в таких областях материалов, как флуоресценция, магнетизм, лазер, волоконно-оптическая связь, энергия хранения водорода, сверхпроводимость и т. д. Это напрямую влияет на скорость и уровень развития новых высокотехнологичных отраслей, таких как оптическое приборостроение, электроника, аэрокосмическая, атомная промышленность и т. д. Эти технологии успешно применяются в военных технологиях, что значительно способствует развитию развитие современной военной техники.

Особая роль, которую играют новые редкоземельные материалы в современных военных технологиях, широко привлекла внимание правительств и экспертов из разных стран, например, они были перечислены соответствующими ведомствами в качестве ключевого элемента в развитии высокотехнологичных отраслей и военных технологий. США, Япония и другие страны.

Краткое введение в редкоземельные элементы и их связь с военной и национальной обороной

Строго говоря, всередкоземельные элементыимеют определенное военное применение, но наиболее важную роль в национальной обороне и военной сфере должно играть применение лазерной локации, лазерного наведения, лазерной связи и других областей.

 Применение редкоземельной стали и чугуна с шаровидным графитом в современной военной технике

 1.1 Применение редкоземельной стали в современной военной технике

В его функции входит очистка, модификация и легирование, в основном включая десульфурацию, раскисление и газоочистку, устранение влияния вредных примесей с низкой температурой плавления, измельчение зерна и структуры, влияние на точку фазового перехода стали, улучшение ее прокаливаемости и механических свойств. . Сотрудники военной науки и техники разработали множество редкоземельных материалов, пригодных для использования в оружии, используя это свойство редкоземельных элементов.

 1.1.1 Броневая сталь

 Еще в начале 1960-х годов оружейная промышленность Китая начала исследования по применению редкоземельных металлов в броневой и оружейной стали и последовательно производила редкоземельные броневые стали, такие как 601, 603 и 623, открывая новую эру, когда ключевые сырьевые материалы В Китае производство танков базировалось внутри страны.

 1.1.2 Редкоземельная углеродистая сталь

В середине 1960-х годов Китай добавил 0,05% редкоземельных элементов к исходной высококачественной углеродистой стали для производства редкоземельной углеродистой стали. Значение бокового удара этой редкоземельной стали увеличилось на 70–100% по сравнению с исходной углеродистой сталью, а значение удара при -40 ℃ увеличилось почти в два раза. Патрон большого диаметра, изготовленный из этой стали, в ходе стрелковых испытаний в тире доказал свое полное соответствие техническим требованиям. В настоящее время Китай доработан и запущен в производство, что соответствует давнему желанию Китая заменить медь сталью в материалах картриджей.

 1.1.3 Редкоземельная высокомарганцевая сталь и редкоземельная литая сталь

Редкоземельная высокомарганцевая сталь используется для изготовления башмаков танковых гусениц, а литая редкоземельная сталь используется для изготовления хвостового крыла, дульного тормоза и артиллерийских конструктивных частей высокоскоростных бронебойных подкалиберных снарядов, что позволяет сократить процедуры обработки, повысить коэффициент использования стали, добиться тактико-технических показателей.

Раньше материалы, используемые для изготовления корпусов снарядов передней камеры в Китае, изготавливались из полужесткого чугуна с добавлением высококачественного чугуна с добавлением от 30% до 40% стального лома. Из-за малой прочности, высокой хрупкости, малого и нерезкого количества эффективных осколков после взрыва, слабой поражающей силы разработка корпуса снаряда с передней камерой в свое время была затруднена. С 1963 года минометные снаряды различных калибров изготавливаются с использованием редкоземельного ковкого чугуна, что повысило их механические свойства в 1-2 раза, увеличило число эффективных осколков и повысило остроту осколков, значительно повысив их поражающую силу. Эффективное количество осколков и интенсивный радиус поражения определенного типа снарядов пушек и полевых орудий, изготовленных из этого материала в Китае, немного лучше, чем у стальных снарядов.

Применение цветных редкоземельных сплавов, таких как магний и алюминий, в современной военной технике.

 Редкая земляимеет высокую химическую активность и большой атомный радиус. Когда он добавляется к цветным металлам и их сплавам, он может измельчать зерна, предотвращать сегрегацию, дегазацию, удаление и очистку примесей, а также улучшать металлографическую структуру, чтобы достичь комплексной цели улучшения механических свойств, физических свойств и свойств обработки. . Специалисты по материалам в стране и за рубежом разработали новые редкоземельные магниевые сплавы, алюминиевые сплавы, титановые сплавы и суперсплавы, используя это свойство редкоземельных металлов. Эти продукты широко используются в современных военных технологиях, таких как истребители, штурмовые самолеты, вертолеты, беспилотные летательные аппараты и ракетные спутники.

2.1 Редкоземельный магниевый сплав

Редкоземельные магниевые сплавыобладают высокой удельной прочностью, позволяют снизить вес самолета, улучшить тактические характеристики и имеют широкие перспективы применения. Редкоземельные магниевые сплавы, разработанные Китайской корпорацией авиационной промышленности (далее AVIC), включают около 10 марок литых магниевых сплавов и деформированных магниевых сплавов, многие из которых использовались в производстве и имеют стабильное качество. Например, литой магниевый сплав ZM 6 с редкоземельным металлом неодимом в качестве основной добавки был расширен для использования в таких важных деталях, как кожухи заднего редуктора вертолетов, нервюры крыла истребителя и ведущие нажимные пластины несущего винта для генераторов мощностью 30 кВт. Редкоземельный высокопрочный магниевый сплав ВМ 25, разработанный совместно AVIC Corporation и Nonferrous Metals Corporation, заменил некоторые алюминиевые сплавы средней прочности и нашел применение в ударной авиации.

2.2 Редкоземельный титановый сплав

В начале 1970-х годов Пекинский институт авиационных материалов (именуемый Институтом авиационных материалов) заменил часть алюминия и кремния на редкоземельный металл церий (Ce) в титановых сплавах Ti-A1-Mo, ограничив выделение хрупких фаз и улучшение жаростойкости сплава, а также улучшение его термической стабильности. На этой основе разработан высокопроизводительный литой жаропрочный титановый сплав ZT3, содержащий церий. По сравнению с аналогичными международными сплавами он имеет определенные преимущества с точки зрения жаростойкости и технологических характеристик. Изготовленный с его помощью корпус компрессора используется для двигателя W PI3 II со снижением массы самолета на 39 кг и увеличением тяговооруженности на 1,5%. Кроме того, сокращение этапов обработки примерно на 30% позволило добиться значительных технико-экономических выгод, восполнив пробел в использовании литых титановых корпусов для авиационных двигателей в Китае при температуре 500 ℃. Исследования показали, что в микроструктуре сплава ZT3, содержащего церий, присутствуют мелкие частицы оксида церия. Церий объединяет часть кислорода в сплаве, образуя тугоплавкий материал и высокую твердость.оксид редкоземельных металловматериал Ce2O3. Эти частицы препятствуют движению дислокаций в процессе деформации сплава, улучшая высокотемпературные характеристики сплава. Церий захватывает часть газовых примесей (особенно на границах зерен), что позволяет укрепить сплав, сохраняя при этом хорошую термическую стабильность. Это первая попытка применить теорию точечного упрочнения сложных растворов в литых титановых сплавах. Кроме того, Институт авиационных материалов разработал стабильные и дешевыеОксид иттрия(III)песок и порошок благодаря многолетним исследованиям и специальной технологии обработки минерализации в процессе прецизионного литья из раствора титанового сплава. Он достиг лучшего уровня с точки зрения удельного веса, твердости и стабильности по отношению к титановой жидкости и показал большие преимущества в регулировании и контроле производительности суспензии оболочки. Выдающееся преимущество использованияОксид иттрия(III)Для изготовления титановых отливок заключается в том, что при условии, что качество литья и уровень процесса эквивалентны процессу вольфрамового покрытия, можно изготовить отливки из титанового сплава тоньше, чем процесс вольфрамового покрытия. В настоящее время этот процесс широко используется при производстве различных отливок самолетов, двигателей и гражданского назначения.

2.3 Редкоземельный алюминиевый сплав

Жаростойкий литой алюминиевый сплав HZL206, разработанный AVIC, обладает превосходными механическими свойствами при высоких и комнатных температурах по сравнению с зарубежными сплавами, содержащими никель, и достиг передового уровня аналогичных сплавов за рубежом. В настоящее время он используется в качестве устойчивого к давлению клапана для вертолетов и истребителей с рабочей температурой 300 ℃, заменяя стальные и титановые сплавы. Вес конструкции был уменьшен и запущен в серийное производство. Прочность на разрыв редкоземельного алюминиево-кремниевого заэвтектического сплава ZL117 при 200-300 ℃ превышает прочность западногерманских поршневых сплавов KS280 и KS282. Его износостойкость в 4-5 раз выше, чем у обычно используемых поршневых сплавов ZL108, с небольшим коэффициентом линейного расширения и хорошей стабильностью размеров. Он использовался в авиационных аксессуарах, воздушных компрессорах KY-5, KY-7 и поршнях авиационных моделей двигателей. Добавление редкоземельных элементов в алюминиевые сплавы существенно улучшает микроструктуру и механические свойства. Механизм действия редкоземельных элементов в алюминиевых сплавах заключается в: формировании дисперсного распределения, при этом малые соединения алюминия играют значительную роль в упрочнении второй фазы; Добавление редкоземельных элементов играет дегазирующую роль катарсиса, тем самым уменьшая количество пор в сплаве и улучшая эксплуатационные характеристики сплава; Соединения редкоземельного алюминия служат гетерогенными зародышами для измельчения зерен и эвтектических фаз, а также являются модификатором; Редкоземельные элементы способствуют образованию и очистке богатых железом фаз, снижая их вредное воздействие. α — Количество железа в твердом растворе в А1 уменьшается с увеличением добавки редкоземельных элементов, что также полезно для улучшения прочности и пластичности.

Применение редкоземельных горючих материалов в современной военной технике

3.1 Чистые редкоземельные металлы

Чистые редкоземельные металлы из-за своих активных химических свойств склонны вступать в реакцию с кислородом, серой и азотом с образованием стабильных соединений. При сильном трении и ударах искры могут воспламенить легковоспламеняющиеся вещества. Поэтому еще в 1908 году из него сделали кремень. Было обнаружено, что среди 17 редкоземельных элементов шесть элементов, включая церий, лантан, неодим, празеодим, самарий и иттрий, обладают особенно хорошими характеристиками при поджоге. На основе поджигающих свойств редкоземельных металлов люди изготавливали различное зажигательное оружие. Например, в американской ракете «Марк 82» массой 227 кг используются гильзы из редкоземельных металлов, которые производят не только взрывоопасное, но и поджигающее действие. Боевая часть американской ракеты «демпфирующий человек» класса «воздух-земля» оснащена 108 квадратными стержнями из редкоземельных металлов в качестве вкладышей, заменяющими некоторые сборные фрагменты. Испытания на статический взрыв показали, что его способность воспламенять авиационное топливо на 44% выше, чем у нефутерованных.

3.2 Смешанные редкоземельные металлы

Из-за высокой цены на чистыйредкоземельный металлНедорогие композитные редкоземельные металлы широко используются в оружии внутреннего сгорания в различных странах. Композитный горючий агент из редкоземельных металлов загружается в металлическую оболочку под высоким давлением, плотность горючего составляет (1,9 ~ 2,1) × 103 кг/м3, скорость горения 1,3-1,5 м/с, диаметр пламени около 500 мм. и температура пламени до 1715-2000 ℃. После сгорания тело накаливания остается горячим более 5 минут. Во время вторжения во Вьетнам американские военные использовали пусковые установки для запуска 40-мм поджоговой гранаты, которая была снаряжена зажигательной гильзой из смеси редкоземельных металлов. После взрыва снаряда каждый осколок с зажигательной подкладкой может поджечь цель. В то время ежемесячный выпуск бомбы достигал 200 000 патронов, максимум - 260 000 патронов.

3.3 Редкоземельные горючие сплавы

Редкоземельный сплав весом 100 г может образовать 200–3000 воспламенений, покрывающих большую площадь, что эквивалентно радиусу поражения бронебойных боеприпасов и бронебойных снарядов. Поэтому разработка многофункциональных боеприпасов с силой сгорания стала одним из основных направлений развития боеприпасов в стране и за рубежом. Что касается бронебойных боеприпасов и бронебойных снарядов, то их тактические характеристики требуют, чтобы после пробития брони вражеского танка они могли воспламенить его топливо и боеприпасы для полного уничтожения танка. Гранаты необходимы для поджигания военных грузов и стратегических объектов в пределах досягаемости. Сообщается, что пластиковое зажигательное устройство из редкоземельных металлов, изготовленное в США, изготовлено из армированного стекловолокном нейлона с патроном из смешанного редкоземельного сплава внутри, что обеспечивает лучшую эффективность против авиационного топлива и аналогичных целей.

Применение редкоземельных материалов в военной защите и ядерных технологиях

4.1 Применение в технологии военной защиты

Редкоземельные элементы обладают радиационно-стойкими свойствами. Национальный центр нейтронных сечений США изготовил два вида пластин толщиной 10 мм, используя в качестве основного материала полимерные материалы с добавлением или без добавления редкоземельных элементов для испытаний на радиационную защиту. Результаты показывают, что эффект защиты от тепловых нейтронов редкоземельных полимерных материалов в 5-6 раз лучше, чем у полимерных материалов, не содержащих редкоземельные элементы. Среди них редкоземельные материалы с Sm, Eu, Gd, Dy и другими элементами имеют наибольшее сечение поглощения нейтронов и хороший эффект захвата нейтронов. В настоящее время основные области применения редкоземельных радиационно-защитных материалов в военной технике включают следующие аспекты.

4.1.1 Защита от ядерного излучения

В США используется 1% бора и 5% редкоземельных элементов.гадолиний, самарийилантанизготовить радиационно-стойкий бетон толщиной 600 мм для защиты источника нейтронов деления реактора плавательного бассейна. Франция разработала радиационно-защитный материал из редкоземельных элементов, добавив к графиту в качестве основного материала борид, редкоземельное соединение или редкоземельный сплав. Наполнитель этого композитного защитного материала необходимо равномерно распределить и превратить в сборные детали, которые размещаются вокруг канала реактора в соответствии с различными требованиями защитной зоны.

4.1.2 Защита резервуара от теплового излучения

Состоит из четырех слоев шпона общей толщиной 5-20 см. Первый слой изготовлен из армированного стекловолокном пластика с добавлением неорганического порошка с 2% редкоземельных соединений в качестве наполнителей для блокирования быстрых нейтронов и поглощения медленных нейтронов; Во второй и третий слои добавлены борграфит, полистирол и редкоземельные элементы, составляющие 10% от общего количества наполнителя в первом, для блокирования нейтронов промежуточной энергии и поглощения тепловых нейтронов; В четвертом слое вместо стекловолокна используется графит и добавляется 25% редкоземельных соединений для поглощения тепловых нейтронов.

4.1.3 Прочее

Нанесение радиационно-стойких покрытий из редкоземельных металлов на танки, корабли, укрытия и другое военное оборудование может оказать радиационно-стойкий эффект.

4.2 Применение в ядерных технологиях

Оксид редкоземельного элемента иттрия(III) может быть использован в качестве горючего поглотителя уранового топлива в реакторе с кипящей водой (BWR). Среди всех элементов гадолиний обладает наибольшей способностью поглощать нейтроны: примерно 4600 мишеней на атом. Каждый природный атом гадолиния перед разрушением поглощает в среднем 4 нейтрона. При смешивании с делящимся ураном гадолиний может способствовать горению, снижать потребление урана и увеличивать выработку энергии. В отличие от карбида бораОксид гадолиния(III)не производит дейтерий, вредный побочный продукт. В ядерной реакции он может соответствовать как урановому топливу, так и материалу его покрытия. Преимущество использования гадолиния вместо бора заключается в том, что гадолиний можно напрямую смешивать с ураном, чтобы предотвратить расширение ядерного топливного стержня. По статистике, в мире планируется построить 149 ядерных реакторов, из них 115 — водо-водяные.редкое железоh Оксид гадолиния(III).Редкоземельный самарий,европийи диспрозий использовались в качестве поглотителей нейтронов в реакторах-размножителях нейтронов. Редкая земляиттрийимеет небольшое сечение захвата нейтронов и может использоваться в качестве материала труб для реакторов с расплавленными солями. Тонкая фольга с добавлением редкоземельных гадолиния и диспрозия может использоваться в качестве детектора нейтронного поля в аэрокосмической и атомной промышленности, небольшое количество редкоземельного тулия и эрбия можно использовать в качестве целевого материала герметичной трубки генератора нейтронов и редкоземельных элементов. Кермет из оксида европия можно использовать для изготовления улучшенной опорной пластины управления реактором. Редкоземельный гадолиний также можно использовать в качестве добавки к покрытию для предотвращения излучения нейтронной бомбы, а бронетехника, покрытая специальным покрытием, содержащим оксид гадолиния, может предотвратить нейтронное излучение. Редкоземельный иттербий используется в оборудовании для измерения напряжения грунта, вызванного подземными ядерными взрывами. Когда редкоземельный иттербий подвергается воздействию силы, сопротивление увеличивается, и изменение сопротивления можно использовать для расчета приложенного давления. Соединение фольги из редкоземельного гадолиния, осажденной и перемежающейся, с чувствительным к напряжению элементом можно использовать для измерения высокого ядерного напряжения.

Применение 5 редкоземельных материалов с постоянными магнитами в современной военной технике

Редкоземельный материал для постоянных магнитов, известный как магнитный король нового поколения, в настоящее время является самым универсальным из известных материалов для постоянных магнитов. Ее магнитные свойства более чем в 100 раз выше, чем у магнитной стали, использовавшейся в военной технике в 1970-х годах. В настоящее время он стал важным материалом в современных электронных технологиях связи. Он используется в трубках бегущей волны и циркулях на искусственных спутниках Земли, радарах и других устройствах. Поэтому он имеет важное военное значение.

Магниты SmCo и магниты NdFeB используются для фокусировки электронного пучка в системе наведения ракеты. Магниты являются основными фокусирующими устройствами электронного луча, передающими данные на поверхность управления ракеты. В каждом фокусирующем устройстве наведения ракеты имеется примерно 5-10 фунтов (2,27-4,54 кг) магнитов. Кроме того, редкоземельные магниты также используются для привода двигателей и вращения рулей направления управляемых ракет. Их преимуществами являются более сильный магнетизм и меньший вес, чем у оригинальных магнитов Al NiCo.

Применение редкоземельных лазерных материалов в современной военной технике

Лазер — это новый тип источника света, который обладает хорошей монохроматичностью, направленностью и когерентностью и может достигать высокой яркости. Лазерные и редкоземельные лазерные материалы появились одновременно. На сегодняшний день около 90% лазерных материалов содержат редкоземельные элементы. Например, кристалл иттрий-алюминиевого граната представляет собой широко используемый лазер, который может обеспечивать непрерывную выходную мощность высокой мощности при комнатной температуре. Применение твердотельных лазеров в современной армии включает в себя следующие аспекты.

6.1 Лазерная локация

Алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом, разработанный в США, Великобритании, Франции, Германии и других странах, может измерять расстояние 4000–20 000 м с точностью до 5 м. Такие системы вооружения, как американский MI, немецкий Leopard II, французский Lecler, японский Type 90, израильский Mekava и новейший британский танк Challenger 2, используют этот тип лазерного дальномера. В настоящее время некоторые страны разрабатывают новое поколение твердотельных лазерных дальномеров для безопасности глаз человека с рабочими длинами волн в диапазоне от 1,5 до 2,1 мкм. Лазер на фториде лития-иттрия имеет рабочую полосу 2,06 мкм, дальность действия до 3000 мкм. Соединенные Штаты и Международная лазерная компания также совместно использовали лазер на фториде лития, легированный эрбием, и разработали лазерный дальномер с длиной волны 1,73 мкм и хорошо оснащенные войска. Длина волны лазера военных дальномеров Китая составляет 1,06 мкм и находится в диапазоне от 200 до 7000 м. Запуская ракеты большой дальности, ракеты и испытательные спутники связи, Китай получил важные данные по измерению дальности с помощью лазерного телевизионного теодолита.

6.2 Лазерное наведение

Бомбы с лазерным наведением используют лазеры для конечного наведения. Мишень облучается Nd · YAG-лазером, излучающим десятки импульсов в секунду. Импульсы кодируются, и световые импульсы могут направлять ответную реакцию ракеты, тем самым предотвращая помехи от запуска ракет и препятствия, создаваемые противником. Например, американскую военную бомбу GBV-15 Glide называют «умной бомбой». Точно так же его можно использовать для изготовления снарядов с лазерным наведением.

6.3 Лазерная связь

В дополнение к Nd · YAG можно использовать для лазерной связи, лазерный выход кристалла фосфата лития-тетра-неодима (III) (LNP) поляризован и легко модулируется. Он считается одним из наиболее перспективных микролазерных материалов, пригодных в качестве источника света для оптоволоконной связи, и, как ожидается, будет применяться в интегральной оптике и космической связи. Кроме того, монокристалл иттриевого железного граната (Y3Fe5O12) может использоваться в качестве различных магнитостатических устройств на поверхностных волнах с помощью процесса микроволновой интеграции, что делает устройства интегрированными и миниатюрными и имеет специальные применения в радиолокационном дистанционном управлении и телеметрии, навигации и электронном противодействии.

Применение семи редкоземельных сверхпроводящих материалов в современной военной технике

Когда температура материала ниже определенной температуры, возникает явление, при котором сопротивление равно нулю, то есть сверхпроводимость. Температура является критической температурой (Tc). Сверхпроводники являются антимагнитами. Когда температура ниже критической, сверхпроводники отталкивают любое магнитное поле, которое пытается к ним приложиться. Это так называемый эффект Мейснера. Добавление редкоземельных элементов в сверхпроводящие материалы может значительно повысить критическую температуру Tc. Это во многом способствовало развитию и применению сверхпроводящих материалов. В 1980-х годах США, Япония и другие развитые страны последовательно добавляли определенное количество оксидов лантана, иттрия, европия, эрбия и других редкоземельных элементов к соединениям оксида бария и оксида меди(II), которые смешивались, прессовались и спекались для получения образуют сверхпроводящие керамические материалы, что делает широкое применение сверхпроводниковых технологий, особенно в военных целях, более обширным.

7.1 Сверхпроводящие интегральные схемы

В последние годы в зарубежных странах проводятся исследования по применению сверхпроводниковых технологий в электронных вычислительных машинах, разрабатываются сверхпроводниковые интегральные схемы с использованием сверхпроводящих керамических материалов. Если эта интегральная схема используется для производства сверхпроводниковых компьютеров, она не только имеет небольшой размер, легкий вес и удобна в использовании, но также имеет скорость вычислений в 10–100 раз быстрее, чем полупроводниковые компьютеры.