Застосування рідкоземельних матеріалів у сучасній військовій техніці

ЗастосуванняРідкоземельний матеріалз сучасної військової техніки

Як особливий функціональний матеріал, рідкоземельний матеріал, відомий як «скарбниця» нових матеріалів, може значно покращити якість і продуктивність інших продуктів, і відомий як «вітамін» сучасної промисловості. Він не тільки широко використовується в традиційних галузях, таких як металургія, нафтохімічна промисловість, склокераміка, прядіння вовни, шкіра та сільське господарство, але також відіграє незамінну роль у таких сферах матеріалів, як флуоресценція, магнетизм, лазер, волоконно-оптичний зв’язок, енергія зберігання водню, надпровідність тощо. Це безпосередньо впливає на швидкість і рівень розвитку нових високотехнологічних галузей, таких як Оптичне приладобудування, електроніка, аерокосмічна промисловість, атомна промисловість тощо. Ці технології успішно застосовуються у військовій техніці, значною мірою сприяючи розвитку сучасних військових технологій.

Особлива роль, яку відіграють нові рідкоземельні матеріали в сучасній військовій техніці, привернула увагу урядів та експертів з різних країн, наприклад, відповідні департаменти внесли їх до списку ключових елементів у розвитку високотехнологічних галузей промисловості та військових технологій. США, Японії та інших країн.

Короткий вступ до рідкісноземельних елементів та їхнього зв’язку з військовими та національною обороною

Власне кажучи, всерідкоземельні елементимають певне військове використання, але найважливішу роль у національній обороні та у військовій сфері має мати застосування лазерної дальності, лазерного наведення, лазерного зв’язку та інших сферах.

 Застосування рідкоземельних сталей і чавуну з шаровидним шаром у сучасній військовій техніці

 1.1 Застосування рідкоземельних сталей у сучасній військовій техніці

Його функції включають очищення, модифікацію та легування, в основному включаючи десульфуризацію, розкислення та видалення газу, усунення впливу шкідливих домішок з низькою температурою плавлення, очищення зерна та структури, вплив на точку фазового переходу сталі та покращення її загартуваності та механічних властивостей . Військовий науково-технічний персонал розробив багато рідкоземельних матеріалів, придатних для використання у зброї, використовуючи цю властивість рідкоземельних елементів.

 1.1.1 Броньована сталь

 Ще на початку 1960-х років збройова промисловість Китаю розпочала дослідження щодо застосування рідкоземельних елементів у броньовій та збройовій сталі та послідовно виробляла рідкоземельну броньову сталь, таку як 601, 603 та 623, відкривши нову еру, коли ключові сировинні матеріали У Китаї виробництво танків базувалося всередині країни.

 1.1.2 Рідкісноземельна вуглецева сталь

У середині 1960-х років Китай додав 0,05% рідкоземельних елементів до оригінальної високоякісної вуглецевої сталі для виробництва рідкоземельної вуглецевої сталі. Стійкість до бокового удару цієї рідкоземельної сталі зросла на 70% до 100% порівняно з вихідною вуглецевою сталлю, а величина удару за -40 ℃ зросла майже вдвічі. Виготовлений з цієї сталі патрон великого діаметру повністю відповідає технічним вимогам під час стрільбових випробувань у тирі. Наразі Китай завершено та запущено у виробництво, досягнувши давнього бажання Китаю замінити мідь сталлю в матеріалах картриджів.

 1.1.3 Рідкоземельна сталь з високим вмістом марганцю та рідкоземельна лита сталь

Рідкоземельна сталь з високим вмістом марганцю використовується для виготовлення башмаків гусениці танка, а рідкоземельна лита сталь використовується для виготовлення хвостових крил, дульного гальма та артилерійських структурних частин високошвидкісних бронебійних сабот, що може скоротити процедури обробки, підвищити коефіцієнт використання сталі, досягти тактико-технічних показників.

У минулому матеріали, використовувані для корпусів снарядів передньої камери в Китаї, виготовлялися з напівтвердого чавуну з високоякісним чавуном, доданим від 30% до 40% сталевого брухту. Через низьку міцність, високу крихкість, низьку і нерізку кількість ефективних осколків після вибуху та слабку забійну силу розробка корпусу передньої камери снаряда свого часу була перешкоджана. З 1963 року почали виготовляти мінометні снаряди різних калібрів з рідкоземельного ковкого чавуну, що дозволило в 1-2 рази підвищити їх механічні властивості, збільшити кількість ефективних осколків і гостроту осколків, що значно підвищило їх забійну силу. Ефективна кількість осколків і інтенсивний радіус ураження певного типу снарядів для гармат і польових гармат, виготовлених із цього матеріалу в Китаї, трохи кращі, ніж у сталевих снарядів.

Застосування рідкоземельних сплавів кольорових металів, таких як магній і алюміній, у сучасній військовій техніці

 Рідкісноземельнімає високу хімічну активність і великий атомний радіус. Коли він додається до кольорових металів та їх сплавів, він може очищати зерна, запобігати сегрегації, дегазації, видаленню та очищенню домішок, а також покращувати металографічну структуру, щоб досягти комплексної мети покращення механічних властивостей, фізичних властивостей та характеристик обробки . Використовуючи цю властивість рідкісноземельних матеріалів, працівники відділу матеріалів у країні та за кордоном розробили нові рідкоземельні магнієві сплави, алюмінієві сплави, титанові сплави та суперсплави. Ці продукти широко використовуються в сучасних військових технологіях, таких як винищувачі, штурмові літаки, гелікоптери, безпілотні літальні апарати та ракетні супутники.

2.1 Рідкоземельний магнієвий сплав

Рідкоземельні магнієві сплавимають високу питому міцність, можуть зменшити масу літака, підвищити тактичні характеристики та мають широкі перспективи застосування. Рідкоземельні магнієві сплави, розроблені Китайською авіаційною промисловою корпорацією (надалі AVIC), включають приблизно 10 сортів литих магнієвих сплавів і деформованих магнієвих сплавів, багато з яких використовувалися у виробництві та мають стабільну якість. Наприклад, литий магнієвий сплав ZM 6 із рідкоземельним металом неодимом як основною добавкою був розширений для використання у важливих частинах, таких як задні редукторні корпуси вертольотів, ребра крила винищувача та свинцеві натискні пластини ротора для генераторів 30 кВт. Рідкоземельний високоміцний магнієвий сплав BM 25, розроблений спільно AVIC Corporation і Nonferrous Metals Corporation, замінив деякі алюмінієві сплави середньої міцності та застосовувався в ударних літаках.

2.2 Рідкоземельний титановий сплав

На початку 1970-х років Пекінський інститут аеронавігаційних матеріалів (відомий як Інститут аеронавігаційних матеріалів) замінив частину алюмінію та кремнію на рідкоземельний метал церій (Ce) у титанових сплавах Ti-A1-Mo, обмежуючи виділення крихких фаз і покращуючи термостійкість сплаву, а також покращуючи його термічну стабільність. На цій основі розроблено високоефективний литий жароміцний титановий сплав ZT3, що містить церій. У порівнянні з аналогічними міжнародними сплавами він має певні переваги з точки зору термостійкості та продуктивності процесу. Корпус компресора, виготовлений з ним, використовується для двигуна W PI3 II, зі зменшенням ваги на 39 кг на літак і збільшенням тяги до ваги на 1,5%. Крім того, скорочення етапів обробки приблизно на 30% дозволило досягти значних технічних та економічних переваг, заповнивши прогалину у використанні литих титанових корпусів для авіаційних двигунів у Китаї при 500 ℃. Дослідження показали, що в мікроструктурі сплаву ZT3, що містить церій, є маленькі частинки оксиду церію. Церій поєднує частину кисню в сплаві, утворюючи тугоплавкий і високотвердий сплаврідкоземельний оксидматеріал Ce2O3. Ці частинки перешкоджають руху дислокацій під час процесу деформації сплаву, покращуючи високотемпературні характеристики сплаву. Церій захоплює частину газових домішок (особливо на границях зерен), що може зміцнити сплав, зберігаючи хорошу термічну стабільність. Це перша спроба застосувати теорію важкорозчинного точкового зміцнення в литих титанових сплавах. Крім того, Інститут аеронавігаційних матеріалів розробив стабільні та дешевіІтрій(ІІІ) оксидпісок і порошок завдяки рокам досліджень і спеціальної технології обробки мінералізації в процесі точного лиття розчину титанового сплаву. Він досяг кращого рівня з точки зору питомої ваги, твердості та стабільності до титанової рідини, а також показав більші переваги в регулюванні та контролі продуктивності оболонкового розчину. Визначна перевага використанняІтрій(ІІІ) оксидОснова виробництва титанових відливок полягає в тому, що за умови, що якість лиття та рівень процесу еквівалентні процесу нанесення вольфрамового покриття, можна виготовляти виливки з титанового сплаву, тонші за процес нанесення вольфрамового покриття. В даний час цей процес широко використовується у виробництві різних літальних апаратів, двигунів і цивільних відливок.

2.3 Рідкоземельний алюмінієвий сплав

Жаростійкий литий алюмінієвий сплав HZL206, розроблений AVIC, має чудові механічні властивості при високій температурі та кімнатній температурі порівняно з іноземними сплавами, що містять нікель, і досяг передового рівня аналогічних сплавів за кордоном. Зараз він використовується як стійкий до тиску клапан для вертольотів і винищувачів з робочою температурою 300 ℃, замінюючи сталь і титанові сплави. Вага конструкції була зменшена та запущена в масове виробництво. Міцність на розрив рідкоземельного алюмінієвого кремнієвого заевтектичного сплаву ZL117 при 200-300 ℃ перевищує міцність західнонімецьких поршневих сплавів KS280 і KS282. Його зносостійкість в 4-5 разів вище, ніж у зазвичай використовуваних поршневих сплавів ZL108, з малим коефіцієнтом лінійного розширення і хорошою стабільністю розмірів. Він використовувався в авіаційних аксесуарах повітряних компресорів KY-5, KY-7 і поршнях двигунів авіаційних моделей. Додавання рідкоземельних елементів до алюмінієвих сплавів значно покращує мікроструктуру та механічні властивості. Механізм дії рідкоземельних елементів в алюмінієвих сплавах: утворення дисперсного розподілу, причому в зміцненні другої фази значну роль відіграють невеликі сполуки алюмінію; Додавання рідкоземельних елементів відіграє дегазаційну роль Катарсису, тим самим зменшуючи кількість пор у сплаві та покращуючи характеристики сплаву; Рідкоземельні сполуки алюмінію служать гетерогенними зародками для очищення зерен і евтектичних фаз, а також є модифікатором; Рідкоземельні елементи сприяють утворенню та очищення багатих залізом фаз, зменшуючи їх шкідливий вплив. α— Кількість твердого розчину заліза в A1 зменшується зі збільшенням додавання рідкоземельних елементів, що також є корисним для підвищення міцності та пластичності.

Застосування рідкоземельних горючих матеріалів у сучасній військовій техніці

3.1 Чисті рідкоземельні метали

Чисті рідкоземельні метали завдяки своїм активним хімічним властивостям схильні до реакції з киснем, сіркою та азотом з утворенням стійких сполук. Під час сильного тертя та удару іскри можуть запалити легкозаймисті речовини. Тому вже в 1908 році її почали виготовляти з кременю. Було встановлено, що серед 17 рідкоземельних елементів шість елементів, включаючи церій, лантан, неодим, празеодим, самарій та ітрій, мають особливо хорошу ефективність підпалу. На основі підпалювальних властивостей рідкоземельних металів люди виготовляли різноманітну запалювальну зброю. Наприклад, в американській ракеті "Марк 82" вагою 227 кг використовуються вкладиші з рідкоземельних металів, які створюють не тільки вбивчу дію вибуху, але й ефект підпалу. Боєголовка американської ракети класу «повітря-земля» типу «амортизуюча людина» оснащена 108 квадратними стрижнями з рідкоземельних металів як вкладишами, які замінюють деякі попередньо виготовлені фрагменти. Статичні вибухові випробування показали, що його здатність запалювати авіапаливо на 44% вище, ніж у безфутерного.

3.2 Змішані рідкоземельні метали

Через високу ціну чистрідкоземельний металs, недорогі композитні рідкоземельні метали широко використовуються в зброї горіння в різних країнах. Композитний рідкоземельний металевий горючий агент завантажується в металеву оболонку під високим тиском, з щільністю горючого агента (1,9~2,1) × 103 кг/м3, швидкістю горіння 1,3-1,5 м/с, діаметром полум’я близько 500 мм, і температура полум'я до 1715-2000 ℃. Після згоряння розжарене тіло залишається гарячим більше 5 хвилин. Під час вторгнення до В'єтнаму американські військові використовували пускові установки для запуску 40-міліметрової підпалювальної гранати, яка була наповнена запальною футеровкою зі суміші рідкоземельних металів. Після розриву снаряда кожен осколок із запальною накладкою може запалити ціль. У той час місячне виробництво бомби досягало 200 000 снарядів, максимум 260 000 снарядів.

3.3 Рідкоземельні сплави горіння

Рідкоземельний горючий сплав вагою 100 г може утворювати 200~3000 запалів, охоплюючи велику площу, що еквівалентно радіусу вбивства бронебійних боєприпасів і бронебійного снаряда. Тому розробка багатофункціональних боєприпасів із потужністю згоряння стала одним із основних напрямів розвитку боєприпасів у країні та за кордоном. Для бронебійних боєприпасів і бронебійних снарядів їх тактичні характеристики вимагають, щоб після пробиття броні ворожого танка вони могли підпалити паливо і боєприпаси для повного знищення танка. Для гранат необхідно запалювати військові припаси та стратегічні об’єкти в межах їхньої зони ураження. Повідомляється, що пластиковий запальний пристрій із рідкоземельних металів, виготовлений у США, виготовлено з армованого скловолокном нейлону з патроном зі змішаного рідкоземельного сплаву всередині, який має кращий ефект проти авіаційного палива та подібних цілей.

Застосування рідкоземельних матеріалів у військовому захисті та ядерних технологіях

4.1 Застосування у техніці військового захисту

Рідкоземельні елементи мають радіаційно-стійкі властивості. Національний центр нейтронного перерізу Сполучених Штатів виготовив два типи пластин товщиною 10 мм, використовуючи полімерні матеріали як базовий матеріал, з додаванням або без додавання рідкоземельних елементів, для випробувань радіаційного захисту. Результати показують, що ефект захисту від теплових нейтронів рідкоземельних полімерних матеріалів у 5-6 разів кращий, ніж у рідкоземельних полімерних матеріалів. Серед них рідкоземельні матеріали з Sm, Eu, Gd, Dy та іншими елементами мають найбільший поперечний переріз поглинання нейтронів і хороший ефект захоплення нейтронів. В даний час основні застосування рідкоземельних радіаційних матеріалів у військовій техніці включають наступні аспекти.

4.1.1 Захист від ядерної радіації

Сполучені Штати використовують 1% бору та 5% рідкоземельних елементівгадоліній, самарійілантандля виготовлення радіаційно-непроникного бетону товщиною 600 мм для захисту джерела нейтронів поділу реактора басейну. Франція розробила рідкісноземельний матеріал для захисту від випромінювання, додавши борид, рідкоземельну сполуку або рідкоземельний сплав до графіту як основного матеріалу. Наповнювач цього композиційного захисного матеріалу потрібно рівномірно розподілити та зробити його збірними частинами, які розміщують навколо каналу реактора відповідно до різних вимог екрануючої зони.

4.1.2 Екранування бака від теплового випромінювання

Складається з чотирьох шарів шпону, загальною товщиною 5-20 см. Перший шар виготовлено з пластику, армованого скловолокном, з неорганічним порошком, доданим 2% рідкоземельних сполук як наповнювач для блокування швидких нейтронів і поглинання повільних нейтронів; Другий і третій шари додають борграфіт, полістирол і рідкоземельні елементи, що становить 10% від загального наповнювача в першому, для блокування нейтронів проміжної енергії та поглинання теплових нейтронів; Четвертий шар використовує графіт замість скловолокна та додає 25% рідкоземельних сполук для поглинання теплових нейтронів.

4.1.3 Інші

Нанесення рідкоземельних радіаційно-стійких покриттів на танки, кораблі, укриття та інше військове обладнання може мати радіаційно-стійкий ефект.

4.2 Застосування в ядерних технологіях

Рідкоземельний оксид ітрію (III) можна використовувати як горючий поглинач уранового палива в реакторі з киплячою водою (BWR). Серед усіх елементів гадоліній має найсильнішу здатність поглинати нейтрони, приблизно з 4600 мішенями на атом. Кожен природний атом гадолінію поглинає в середньому 4 нейтрони перед поломкою. У суміші з ураном, що розщеплюється, гадоліній може сприяти горінню, зменшити споживання урану та збільшити вихід енергії. На відміну від карбіду бору,Гадоліній(ІІІ) оксидне виробляє дейтерій, шкідливий побічний продукт. Він може збігатися як з урановим паливом, так і з матеріалом його покриття в ядерній реакції. Перевага використання гадолінію замість бору полягає в тому, що гадоліній можна безпосередньо змішувати з ураном, щоб запобігти розширенню ядерного паливного стрижня. Згідно зі статистичними даними, у всьому світі планується будівництво 149 ядерних реакторів, 115 з яких є реакторами з водою під тиском.рідкісна земляh Гадоліній(ІІІ) оксид.Рідкоземельний самарій,європій, і диспрозій використовувалися як поглиначі нейтронів у реакторах-розмножувачах нейтронів. Рідкісноземельніітріймає малий поперечний переріз захоплення нейтронів і може бути використаний як матеріал для труб для реакторів з розплавленої солі. Тонка фольга з додаванням рідкоземельного гадолінію та диспрозію може бути використана як детектор нейтронного поля в аерокосмічній та ядерній промисловості, невелика кількість рідкоземельного тулію та ербію може бути використана як матеріал мішені для герметичної трубки нейтронного генератора та рідкоземельних елементів. Залізокераміка з оксиду європію може бути використана для виготовлення вдосконаленої опорної пластини керування реактором. Рідкоземельний гадоліній також можна використовувати як добавку до покриття для запобігання випромінюванню нейтронної бомби, а броньовані транспортні засоби, покриті спеціальним покриттям, що містить оксид гадолінію, можуть запобігати випромінюванню нейтронів. Рідкоземельний ітербій використовується в обладнанні для вимірювання напруги на землі, викликаної підземними ядерними вибухами. Коли рідкоземельний ітербій піддається силі, опір збільшується, і зміну опору можна використовувати для розрахунку прикладеного тиску. З’єднання фольги рідкоземельного гадолінію, нанесеної та перемежованої з чутливим до напруги елементом, можна використовувати для вимірювання високого ядерного стресу.

Застосування 5 рідкоземельних матеріалів постійного магніту в сучасній військовій техніці

Рідкоземельний постійний магнітний матеріал, відомий як нове покоління magnetic king, наразі є найвищим відомим постійним магнітним матеріалом. Вона має більш ніж у 100 разів вищі магнітні властивості, ніж магнітна сталь, яка використовувалася у військовій техніці 1970-х років. В даний час він став важливим матеріалом у сучасній електронній комунікації. Він використовується в трубках біжучої хвилі та циркуляторах на штучних супутниках Землі, радарах та інших аспектах. Тому він має важливе військове значення.

Для фокусування електронного пучка в системі наведення ракети використовуються магніти SmCo і магніти NdFeB. Магніти є основними пристроями фокусування електронного пучка, які передають дані на керуючу поверхню ракети. У кожному фокусуючому пристрої наведення ракети є приблизно 5-10 фунтів (2,27-4,54 кг) магнітів. Крім того, рідкоземельні магніти також використовуються для приводу двигунів і обертання рулів керованих ракет. Їхніми перевагами є сильніший магнетизм і менша вага, ніж оригінальні магніти Al Ni Co.

Застосування рідкоземельних лазерних матеріалів у сучасній військовій техніці

Лазер — це новий тип джерела світла, який має хорошу монохроматичність, спрямованість і когерентність і може досягати високої яскравості. Лазерні та рідкоземельні лазерні матеріали народилися одночасно. Поки що приблизно 90% лазерних матеріалів містять рідкісні землі. Наприклад, кристал ітрієвого алюмінієвого гранату є широко використовуваним лазером, який може отримувати безперервну високу вихідну потужність за кімнатної температури. Застосування твердотільних лазерів у сучасній армії включає наступні аспекти.

6.1 Лазерна локація

Ітрій-алюмінієвий гранат, легований неодимом, розроблений у Сполучених Штатах, Великобританії, Франції, Німеччині та інших країнах, може вимірювати відстань 4000~20000 м з точністю до 5 м. Такі системи озброєнь, як американський MI, німецький Leopard II, французький Lecler, японський Type 90, ізраїльський Mekava та останній британський танк Challenger 2, використовують цей тип лазерного далекоміра. Наразі деякі країни розробляють нове покоління твердотільних лазерних далекомірів для безпеки людського ока з робочою довжиною хвилі від 1,5 до 2,1 мкм. Ручний лазерний далекомір, розроблений Сполученими Штатами та Сполученим Королівством з використанням легованого гольмієм Ітрієвий літієво-фторидний лазер має робочу смугу 2,06 мкМ і діапазон до 3000 м. Сполучені Штати та Міжнародна лазерна компанія також спільно використовували легований ербієм ітрієвий літієво-фторидний лазер і розробили лазерний далекомір з довжиною хвилі 1,73 мкМ і важке оснащення військ. Довжина лазерної хвилі китайських військових далекомірів становить 1,06 мкм, діапазон від 200 до 7000 м. Під час запуску ракет великої дальності, ракет і випробувальних супутників зв’язку Китай отримав важливі дані щодо вимірювання дальності за допомогою лазерного телевізійного теодоліта.

6.2 Лазерне наведення

Бомби з лазерним наведенням використовують лазери для кінцевого наведення. Ціль опромінюється лазером Nd · YAG, який випромінює десятки імпульсів за секунду. Імпульси закодовані, і світлові імпульси можуть направляти відповідь ракети, тим самим запобігаючи перешкодам від запуску ракет і перешкод, встановлених противником. Наприклад, американську військову бомбу GBV-15 Glide називають «розумною бомбою». Так само його можна використовувати для виготовлення снарядів з лазерним наведенням.

6.3 Лазерний зв'язок

На додаток до Nd · YAG можна використовувати для лазерного зв’язку, лазерний вихід літієвого тетра-неодимового (III) фосфатного кристала (LNP) поляризований і легко модулюється. Він вважається одним із найперспективніших мікролазерних матеріалів, придатних для джерела світла волоконно-оптичних комунікацій, і, як очікується, буде застосовуватися в інтегрованій оптиці та космічному зв’язку. Крім того, монокристал ітрієвого залізного гранату (Y3Fe5O12) можна використовувати як різні магнітостатичні пристрої поверхневої хвилі за допомогою процесу мікрохвильової інтеграції, що робить пристрої інтегрованими та мініатюрними, а також має спеціальні застосування в радіолокаційному дистанційному керуванні та телеметрії, навігації та електронних засобах протидії.

Застосування 7 рідкоземельних надпровідних матеріалів у сучасній військовій техніці

Коли температура матеріалу нижча за певну, виникає явище, коли опір дорівнює нулю, тобто надпровідність. Температура є критичною температурою (Тс). Надпровідники є антимагнетиками. Коли температура нижча за критичну температуру, надпровідники відштовхують будь-яке магнітне поле, яке намагається застосувати до них. Це так званий ефект Мейснера. Додавання рідкоземельних елементів до надпровідних матеріалів може значно збільшити критичну температуру Tc. Це значно сприяло розробці та застосуванню надпровідних матеріалів. У 1980-х роках Сполучені Штати, Японія та інші розвинені країни послідовно додавали певну кількість оксидів лантану, ітрію, європію, ербію та інших рідкоземельних сполук до сполук оксиду барію та оксиду міді(II), які змішували, пресували та спікали, щоб отримати формують надпровідні керамічні матеріали, що робить широке застосування надпровідних технологій, особливо у військових цілях, більш широким.

7.1 Надпровідні інтегральні схеми

В останні роки в зарубіжних країнах проводяться дослідження із застосування надпровідних технологій в електронно-обчислювальних машинах, розроблені надпровідні інтегральні схеми з використанням надпровідних керамічних матеріалів. Якщо ця інтегральна схема використовується для виробництва надпровідних комп’ютерів, вона не тільки має невеликі розміри, легку вагу та зручна у використанні, але також має швидкість обчислення в 10-100 разів швидше, ніж напівпровідникові комп’ютери.