新材料技术有什么作用?
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发布时间：2022-04-23 07:28
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时间：2022-06-17 16:40
一、人类文明大厦的基石——材料
材料是人类赖以生存的物质基础。人类社会不断地发展进步，就在于人类能够利用材料制造工具并用来改造世界。恩格斯说：“自然界为劳动提供材料，劳动把材料变为财富。”可以说，材料与人类的生存和进化息息相关，因此它被誉为“人类文明大厦的基石”。
对于材料，人们比较好理解，如普通钢铁、水泥、玻璃等，这些属于传统材料。相对于传统材料而言，新材料，又称先进材料（Advanced Materials），是指最近研究成功的或正在研制中的具有优异特性和功能，能满足高技术需求的新型材料。
人类历史的发展表明，材料是社会发展的物质基础和先导，而新材料则是社会进步的里程碑。材料技术一直是世界各国科技发展规划中一个十分重要的领域，它与信息技术、生物技术、能源技术一起，被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。材料高技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术，也是一个国家国防力量最重要的物质基础。国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者。新材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。
新材料既是科技发展的基础，又是科技进步的先导，这是新材料的两个显著特点。比如，半导体材料的发现和发展极大地推动了计算机技术的进步，使人类进入了信息时代；光纤技术的发展推动了现代通信技术的进步；新型结构材料和烧蚀防热材料的出现推动了航天技术和战略武器的发展。
在美国国防部制订的面向21世纪的国防科技战略规划体系中，把材料与制备工艺技术定为4个优先发展的领域之一，提出优先发展结构与多功能材料技术、能量与动力材料技术、光电子材料技术、有机与合成功能材料技术、生物衍生与生物诱发材料技术等五大重点。德国分析了世界高技术发展态势，提出21世纪的9大重点领域，首选就是新材料，在总共研发的80个课题中，有关新材料的占到24个。
毫无疑问，新材料已成为综合国力竞争的重要领域和国防力量的重要物质基础，是提高军队机械化水平的物质支撑和提高信息化程度的基础条件。因此，许多国家都将开发新材料置于优先发展的重点项目，特别是对军用新材料技术的发展给予了高度重视。
二、形形色色的新材料
当前新材料的发展重点是具有优异性能的结构材料和具有特异功能的功能材料，主要包括先进复合材料、特种金属材料、特殊高分子材料、生物医用材料及*材料等。
1.先进复合材料
先进复合材料是指两种以上不同性质的材料组合形成的一种高级材料。先进复合材料是结构材料的主要发展方向。这种材料的特点是强度大、比重小、具有良好的气动弹性性能，并且能大批量生产。复合材料已经在航空航天工业以及各种武器装备上得到了广泛应用。先进复合材料已成功地应用在F－16、F－18、“幻影”2000等军用飞机，“民兵”、“三叉戟”、“侏儒”等战略导弹，以及M－1、T－72、“豹”－Ⅱ等坦克上，并取得了良好的效果。
例如美国的AV－8B垂直起降机采用这种材料后，重量减轻了27%。F－18战斗机减轻了10%，从而大大地提高了飞机的机动性能。采用复合材料制成的现代舰船，自重大大减轻，航速也有很大的提高，海上机动作战能力更强。20世纪70年代英国人研制出“乔姆”复合装甲，并在新一代坦克上应用。这种装甲共有3层，外层和内层为钢、铝合金或铁合金等金属材料，中间层为塑料、陶瓷、玻璃纤维等非金属材料。其防破甲弹和碎甲弹的能力，明显优于传统的均质装甲。
为进一步推动复合材料在武器装备上的应用，美国正在实施“先进设计复合材料飞机”计划，预计复合材料将占飞机结构质量的68.5%，并使整个结构质量减轻35%。
2.特种金属材料
特种金属材料的代表是钛合金、形状记忆合金和贮氢金属，它们都有自已特殊的本领。
（1）钛合金
这种合金密度低、强度高，并具有优良的抗腐蚀性能和耐高温性能，是一种理想的轻质结构材料。钛合金在航空工业中的应用主要是制作飞机的机身结构件、起落架、支撑梁、发动机压气机盘、叶片和接头等。20世纪70年代以来，钛合金在军用飞机和发动机中的用量迅速增加，从战斗机扩大到军用大型轰炸机和运输机。它在F－14和F－15战斗机上的用量占结构重量的25%，在F－100和F－39战斗机发动机上的用量分别达到25%和33%。80年代以后，钛合金材料和工艺技术进一步发展，一架B－lB飞机需要90402公斤钛合金材料。同时钛合金也越来越受到陆军的青睐。陆军自行火炮、装甲车等重装备的轻量化可以大大提高机动性能。是武器发展的必然趋势。在保证武器机动性能与防护性能的前提下，钛合金在陆军武器上有着广泛的应用。例如155火炮制退器采用钛合金后不仅可以减轻重量，还可以减少火炮身管因重力引起的变形，有效地提高了射击精度；在主战坦克、直升机及反坦克多用途导弹上的一些形状复杂的构件可用钛合金制造，这既能满足产品的性能要求又可减少部件的加工费用。
（2）形状记忆合金
1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金的开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，却广为世人瞩目，被誉为“神奇的功能材料”。
形状记忆合金可以分为三种：一是单程记忆合金，这种合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。二是双程记忆合金，这种合金在低温时变形，一经加热就会恢复到高温时的形状，一经冷却又能恢复到低温时的形状，这种在加热和降温过程中存在的形状记忆现象称为双程记忆效应。三是全程记忆金属，这种合金在加热时能恢复到高温时的形状，冷却时则变为取向相反形状相同的低温时的形状，这种效应称为全程记忆效应。
形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。由于直升飞机高震动和高噪声使用受到*，其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小偏差。这就需要一种平衡叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器，它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降到最低。
科学家还将记忆合金用于制作空中飞机加油接口，在空中加油机与作战飞机加*道连接好后，再进行电加热改变温度，可使接口处记忆合金变形，从而使接口紧密滴油不漏。
记忆合金在航空航天领域内的应用有很多成功的范例。宇宙空间站上有面积达几百平米的自展天线。这种天线如果不经过“缩小变形”，是不可能通过现有航天器送上太空的。有了记忆合金，问题就迎刃而解了。人类利用记忆合金，先在地面上制成大面积的抛物线形或平面天线，然后折叠成一团，用飞船带到太空，天线受到太阳照射，温度发生变化，折叠的天线因具有“记忆”功能而自然展开，恢复抛物面形状。
（3）贮氢金属
关于氢气的化学常识可能你已经知道了很多，氢能够燃烧，是一种高热值的燃料，燃烧1公斤氢可放出143283200焦耳的热量，常规燃料中还没有哪一种可以与它相比呢！而且在燃烧过程中，氢与氧结合生成水，水对环境不会造成任何污染。所以，可以说氢是最洁净的燃料。
制取氢的方法很多，例如电解水，但是这要消耗大量能源。在一般情况下，用电解水法制取氢作燃料是不合算的。于是科学家又在研究更经济的制氢方法，其中，比较引人注目的一种研制方法叫光分解法。太阳光是一种取之不尽的天然能源，利用太阳光分解海水，这大概是我们寻找无污染能源最有希望的方法。但是，新的问题也随之出现了。
现在一般都用一种钢制的耐高压容器——氢气瓶来贮存氢气。瓶里的氢气即使加到150个大气压，所装氢气的重量也不到气瓶重量的1/100，而且还有爆炸的危险。显然，这种贮存方法对于在工业上和生活上大量使用氢气是不合适的。正当人们为解决氢气的贮存问题而苦苦思索之时，金属材料的最新研究成果给我们带来了希望。
科学家发现，有些金属具有捕捉氢的能力，这类金属叫做“贮氢”金属。它们在一定的温度和比平衡分解压高的压力下能够大量吸收氢气，一个金属原子可以与两三个乃至更多个氢原子结合，形成金属氢化物。当我们把这种金属氢化物加热时，它又会发生分解而放出氢气。从理论上讲，相当于氢气瓶重量1/3的某些金属，就能“吸收”与氢气瓶贮氢容量相当的氢气，而它的体积却不到氢气瓶体积的1/10。具有贮氢能力的金属和合金已经发现不少，其中接近实用化的有钛铁合金镧镍合金和镁镍合金。
贮氢的办法找到了，氢作为燃料的应用也会更加广泛。若用氢代替汽油作燃料，可以在各种内燃机中使用，而且不需要对现在的内燃机作多大改动即可，甚至还能提高效率40%呢！
由于用贮氢金属来供应氢气具备了氢气纯度高，储氢密度高、安全性好和寿命长的特有优势，贮氢金属很快在军事领域受到了青睐。例如，在兵器工业中，坦克车辆使用的铅酸蓄电池因容量低、自放电率高而需经常充电，此时维护和搬运十分不便。放电输出功率容易受电池寿命、充电状态和温度的影响，在寒冷的气候条件下，坦克车辆起动速度会显著减慢，甚至不能起动，这样就会影响坦克的作战能力。贮氢合金蓄电池具有能量密度高、耐过充、抗震、低温性能好、寿命长等优点，在未来主战坦克蓄电池发展过程中将具有广阔的应用前景。如果用贮氢金属来作为作战飞机的燃料时，可以大大提高飞机的有效载荷、航速和航程，而且可以减少噪音，增加作战飞机的隐蔽性。
（4）超导材料
1911年，荷兰物理学家昂尼斯（1853年～1926年）发现，水银的电阻率并不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到一定值时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度（或临界温度）。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。
超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。一是零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地向千里之外传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中被观察到。二是完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线就不能透入，超导材料内的磁场恒为零。三是约瑟夫森效应：两超导材料之间加一薄薄绝缘层（厚度约1纳米），形成低电阻，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U，同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波。以上三种特性促使超导材料成为各国投入大量人力、物力进行研究的功能材料，并极力将其用于军事目的。
超导技术在海军舰艇上的应用。美、英、日等国自20世纪70年代以来就开展了超导技术在海军舰艇方面应用的研究，并已初见成效。现在国际上已有3艘超导电磁推进船试验成功。超导电磁力推进装置是按照电磁原理设计的，在舰艇上安装电磁铁，在磁场和电流的相互作用下，海水向后运动。在海水的反作用力下，舰艇将获得向前的推力。超导舰艇既不需要发动机，也不需螺旋桨，能有效地消除噪音、降低红外辐射，从而大大提高海军舰艇的生存能力和快速机动能力和突防能力。
超导技术在作战飞机上的应用。大功率、小体积的发动机是提高作战飞机作战性能的关键因素。随着超导技术的不断突破，为大容量、小型化磁流体发电机的研制提供了条件。一旦超导发电机实用化之后，就可以为空中指挥所和预飞机中的大型雷达、大型计算机、各种通信设备等非常耗电的装备提供高效的动力。
超导技术在军事侦察、通信、电子对抗和指挥等方面的应用。利用超导材料“约瑟夫森效应”制成的仪器设备，具有灵敏度高、噪声低、响应速度快和能耗小等特点，在军事侦察、通信、电子对抗和指挥等方面，都大有用武之地。
军事超导有线电通信，利用超导电线可以实现远距离、大容量通信。研究试验表明，超导电线传输信息的速度，比光纤系统快得多，可以传输几万亿分之一秒的脉冲。科学家们预言，未来高超导的远距离通信的容量将比光缆大几百倍，能够每秒传输相当于1000部大英百科全书的信息量。同时，超导电线因为无损耗，可以省去每3～4千米就要设置的放大器。
军用超导无线电通信，利用超导材料制作无线电发射机和接收机，不仅灵敏度高、带宽宽，而且可减小天线的尺寸和重量，提高系统的生存能力。英国伯明翰大学制成的世界上第一台超导无线电发射机，其发射距离与常规发射机相比增大10倍。超导材料也是制造通信卫星的理想材料，它可以提高信息处理速度，并可使频率响应时间缩短一半。利用超导材料制造卫星天线，其效率可提高90%。
军事指挥自动系统需要高速地处理大量信息。采用具有零电阻特性的超导材料制作计算机，由于功耗减小，电路产生的热量可以忽略不计，运算速度大大提高，而且体积和重量可大幅减小。日本富士通公司研制成功的4位超导微处理机，与采用砷化镓技术的同类处理机相比，速度快10倍，功耗只有后者的1/500。据称，若采用超导材料制作计算机，目前的亿次巨型计算机可制成只有微型个人计算机那么大。这种微型高速计算机的应用，必将大大提高军事指挥效率，同时也可提高武器制导系统的性能。
利用超导技术的探测器件，由于对磁场和电磁辐射极其敏感，其灵敏度比常规探测器件高上千倍，是军事遥感侦察的理想设备。正在研制的主要有天基凝视红外焦面阵列探测器、微波和毫米波探测器、磁探测器等。超导探测器不仅尺寸小、重量轻、作用距离远、探测灵敏度高，而且具备一般可见光和红外探测系统所不具备的全天候以及穿透烟云的探测能力，并能提供对低特征目标的探测能力，可广泛应用于航天器的相控阵天线、反潜武器和水雷探测。
据悉，新一代超导雷达也正在研制之中。其天线、发射机、收信机、稳频源、信号模拟器、滤波器等电子器件全部是采用高超导材料制作而成的，具有低功耗、低噪声、宽频带、高灵敏度、高可靠性以及体积小、重量轻等优点。用于雷达系统的超导电子器件，可使雷达频谱扩展166倍，作用距离提高一个数量级，而且可探测到微弱的信号。
3.特种高分子材料
高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料。我们接触的很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。
高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看做是高分子的集合。树枝、兽皮、稻草等天然高分子材料是人类最先使用的材料。在历史的长河中，纸、树胶、丝绸等从天然高分子加工而来的产品，一直同人类文明的发展交织在一起。
从19世纪开始，人类开始使用改造过的天然高分子材料。火化橡胶和硝化纤维塑料（赛璐珞）是两个典型的例子。进入20世纪之后，高分子材料进入了大发展阶段。20世纪20年代末，聚氯乙烯开始大规模使用。20世纪30年代初，聚苯乙烯开始大规模生产。20世纪30年代末，尼龙开始生产。在经历了20世纪的大发展之后高分子材料对整个世界的面貌产生了重要的影响。《时代》杂志认为塑料是20世纪人类最重要的发明。高分子材料在文化领域和人类的生活方式方面也产生了重要的影响。按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂。
除了在人们日常生活中发挥重要作用外，高分子材料还在军事上有着广泛的应用，其在军事装备中的用量仅次于钢铁材料。在单兵防护装备方面，最典型的应用方式是以纤维形态应用于军人平时和战时使用的各种纤维制品（如军服、帐篷），以橡胶和塑料形态应用于鞋靴、防水抗冲结构层、救生浮力材料、承载件、连接件等方面。重型武器装备方面，能够代替高强度合金用于制造军用飞机、坦克等重装备，大大减轻武器的重量。具有强大黏合功能的高分子材料还可以广泛应用于黏结兵器部件，尤其是非金属比例较大的火箭导弹部件。
4.生物医用材料
生物医用材料是用于修补或替换人体有病器官，以恢复人体机能而发展起来的一类材料。生物医用材料是研究人工器官和医疗器械的基础，已成为材料学科的重要分支。尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物材料已成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘。不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，可以预见在未来的战场上，被弹片炸伤的众多士兵，能够通过生物医用材料很快恢复健康，迅速重新加入战斗。
5.隐身材料
现代攻击武器的发展，特别是精确打击武器的出现，使武器装备的生存力受到了极大的威胁，单纯依靠加强武器的防护能力已不切实际。采用隐身技术，使敌方的探测、侦察系统失去功效，从而尽可能地隐蔽自己，掌握战场的主动权，抢先发现并消灭敌人，已成为现代武器防护的重要发展方向。隐身技术的最有效手段是采用隐身材料。国外隐身技术与材料的研究始于第二次世界大战期间的德国，在美国得到发展并扩展到英、法、俄罗斯等国家。目前，美国在隐身技术和材料研究方面处于领先水平。在航空领域，许多国家都已成功地将隐身技术应用于飞机的隐身；在常规兵器方面，美国对坦克、导弹的隐身也已开展了不少工作，并陆续用于装备。如美国MlAl坦克上采用了雷达波和红外波隐身材料，前苏联T一80坦克也涂敷了隐身材料。
近年来，国外在提高与改进传统隐身材料的同时，正致力于多种新材料的探索。晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、导电高分子材料等逐步应用于雷达波和红外波隐身，使涂层更加薄型化、轻量化。纳米材料因其具有极好的吸波特性，同时具备了宽频带、兼容性好、厚度薄等特点，发达国家均将其作为新一代隐身材料加以研究和开发。国内毫米波隐身材料的研究起步于80年代中期，研究单位主要集中在兵器系统。经过多年的努力，科研工作取得了较大进展，该项技术可用于各类地面武器系统的伪装和隐身，如主战坦克、155毫米先进加榴炮系统及水陆两用坦克。
目前，电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已在隐身飞机上涂装；美国和俄罗斯的地对空导弹正在使用轻质、宽频带吸收、热稳定性好的隐身材料。可以预见，隐身技术的研究和应用已成为世界各国国防技术中最重要的课题之一。
6.光电材料
光电材料是指在光电子技术中使用的材料，是现代信息科技的重要组成部分。光电材料在军事工业中有着广泛的应用。碲镉汞、锑化铟是红外探测器的重要材料；硫化锌、硒化锌、砷化镓则主要用于制作飞行器、导弹等红外探测系统的窗口、头罩等。氟化镁具有较高的透过率、较强的抗雨蚀、抗冲刷能力，是较好的红外透射材料。激光晶体和激光玻璃是高功率和高能量固体激光器的材料，典型的激光材料有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石、半导体激光材料等，它们是激光武器必不可少的重要材料。
新材料是满足军事装备生产的支柱性技术，对提高武器装备性能和军队战斗力有着重要作用。新材料技术在军事上的用途十分广泛，用于武器装备可使其升级换代，性能大大提高。随着新材料技术的深入发展，未来的武器装备的面貌还会发生日新月异的变化。
