国防领域6大前沿新材料和关键技术,3D打印在其中!

21世纪是军事的世纪。在未来战争中,人类将在空间展开一场前所未有的、以开发利用空间丰富资源和争夺制天、制地、制海权为主要内容的大竞争,军用武器装备将会得到迅速发展。

本文汇总了最前沿的军事装备、材料、技术等。其中, 汇总了3D打印技术在军事领域的典型应用,包括美国、韩国、俄罗斯和中国等国家在战机、无人机和后勤保障等方面的应用。文章指出,3D打印技术已经成为军事领域中的重要技术之一,能够快速、高效地制造出高质量的零部件和装备,提高作战效率和降低后勤保障成本。

Valley航空技术© 3D科学谷白皮书

block 01 碳纤维:军事强国必争之材

现代信息化战争既是高技术装备之战,也是高性能材料之战。碳纤维性能优异,外柔内刚,兼具电学、热学和力学等综合特性。它强度高、韧性好,可大幅提升现代武器装备系统作战性能。有着低密度、高强度、高模量、耐高温、耐严寒、耐摩擦、耐腐蚀、导电、抗冲击、电磁屏蔽效果好等一系列优越的性能,除了在民用工业(例如汽车制造、机械配件、体育用品、高铁零件等)有广泛的使用,也是极其重要的军事战略材料。

military_1“黑色黄金”碳纤维

碳纤维起源可追溯至1860年,由英国人瑟夫·斯旺在制作电灯灯丝中发明并获得专利。它是一种纤维状碳材料,呈黑色,质坚硬,是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温,又能像铜那样导电,具有电学、热学和力学等综合优异性能的新型材料,因其制造技术难度大、实用价值高,被业界誉为“黑色黄金”。

碳纤维“外柔内刚”,不仅具有碳材料的本质特性,又兼备纺织纤维的柔软和可加工性,是新一代高性能增强纤维。比头发丝还细几倍的碳纤维与树脂、碳、陶瓷、金属等基体经过特殊复合成型工艺制造,即可获得性能优异的碳纤维复合材料,能够广泛应用于航空、航天、能源、交通、军用装备等众多领域,是国防军工和民用生产生活的重要材料。

l 难上难:制造工艺复杂精细

20世纪50年代,为了解决导弹喷管和弹头耐高温、耐腐蚀等关键技术难题,美国率先研制出粘胶基碳纤维。1959年,日本近藤昭男发明了聚丙烯腈基碳纤维。由于碳纤维在军事领域凸显出提升武器装备性能的优异表现,引起了军事强国的高度重视。随后一些国家重点投入,不断研制出更高性能、更多品种的碳纤维。日本先后突破高强、高模性兼备等一系列关键技术难题,使所研制的碳纤维复合材料独具优异的抗疲劳性能和环境适应能力,其整体水平一路领先。

l 强中强:国防装备脱胎换骨

据外媒报道,傲视群雄的F-35战斗机首飞时间一推再推,其中一个很重要原因,就是超重。为破解这一难题,洛克希德·马丁公司采取了很多办法,最终采用多达35%的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。所以从某种意义上说,是碳纤维复合材料成就了F-35战机。

如今,碳纤维复合材料不仅成为实现高隐身性能不可或缺的基础性材料,更成为衡量武器装备系统先进性能的重要标志。比如,由于X-47B、全球鹰、全球观察者、西风等飞行器应用碳纤维复合材料比例更高,使得其有效载荷、续航能力和生存能力均实现了新突破。

l 优中优:事关国家安全利益

外军认为,现代信息化战争既是高技术装备之战,更是高性能材料之战。现代武器装备发展,隐身化、低能耗、高机动性、大载荷等趋势凸显,对碳纤维及复合材料性能要求越来越高。因此研制更高强度、更高模量的碳纤维和与之相匹配的高性能作战系统,已成为军事强国比拼尖端实力的重头戏。目前,发达国家正在碳纤维、先进树脂和制造技术三个方向上重点突进。

近年来,为适应我国国防建设发展需要,碳纤维及其复合材料已被列为国家重点支持的项目。专家认为,着眼未来建设完整自主的高水平产业链,努力把事关国家安全利益的核心技术真正掌握在自己手中,乃是实现兴国强军中国梦的必由之路。

valley 碳纤维© 3D科学谷白皮书

block 02 超材料:军工领域革命性影响

超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计,突破某些表观自然规律的限制,获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域,将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。

valley 多材料© 3D科学谷白皮书

l 新型材料:颠覆传统理论

尽管超材料的概念出现在2000年前后,但其源头可以追溯到更早。1967年,苏联科学家维克托·韦谢拉戈提出,如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率,电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”,而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界,使光波看起来如同倒流一般,并且在许多方面表现出有违常理的行为,例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出,就被科学界认为是“天方夜谭”。随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露,显著提高材料综合性能的难度越来越大,材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高,发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路,成为新材料研发的重要任务。

2000年,首个关于负折射率材料的报告问世;2001年,美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料;2002年,美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性;2003年,由于超材料的研究在世界范围内取得了多项研究成果,被美国Science杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。此后,超材料研究在世界范围内取得了多项成果,维克托·韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。

l 神奇功能改变未来作战

超材料因其独特的物理性能而一直备受人们的青睐,在军事领域具有重大的应用前景。近年来,超材料在隐身、电子对抗、雷达等领域的应用成果不断涌现,展现出巨大应用潜力和发展空间。

隐身是近年来出镜率最高的超材料应用,也是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向。如美国的F-35战斗机与DDG1000大型驱逐舰均应用了超材料隐身技术。未来,超材料在电磁隐身、光隐身和声隐身等方面具有巨大应用潜力,在各类飞机、导弹、卫星、舰艇和地面车辆等方面将得到广泛应用,使军事隐身技术发生革命性变革。超材料实现隐身与传统隐身技术的区别是,超材料使入射的电磁波、可见光或声波绕过被隐藏的物体,在技术上实现真正意义上的隐身。

在电磁隐身方面,2006年,美国杜克大学与英国帝国学院合作提出了一种微波频段的电磁隐身设计方案,这种设计方案由10个同心圆筒组成,采用矩形开口环谐振器单元结构,实验结果证实负折射率材料用于物体的隐身是可行的。2012年,美国东北大学采用掺杂钪的M型钡铁氧薄片和铜线组合,设计和试验了可在33~44 GHz电磁波段实现可调的负折射率材料。美国雷神公司开发了“透波率可控人工复合蒙皮材料”,该材料采用嵌入了可变电容的金属微结构频率选择表面,通过控制加载在可变电容上的偏置电压,可以改变频率选择表面的电磁参数,从而实现材料透波特性的人工控制,可应用于各种先进雷达系统和下一代隐身战机的智能隐身蒙皮。

在光学隐身方面,2012年,加拿大超隐形生物公司发明了一种名为“量子隐身”的神奇材料。它能使周围光线折射而发生弯曲,从而使其覆盖的物体或人完全隐身,不仅能“骗”过人的肉眼,在军用夜视镜、红外探测器的探测下也能成功隐身。这种材料不仅能帮助特种部队在白天完成突袭行动,而且有望在下一代隐形战机、舰艇和坦克上应用。2014年,美国佛罗里达大学的研究团队研制出一种可实现可见光隐身的超材料,实现这一技术突破的关键是利用纳米转移印刷技术制造出一种多层三维超材料。纳米转移印刷技术可改变这种超材料的周围折射率,使光从其周围绕过而实现隐身。

在声隐身方面,2011年,美国杜克大学卡默尔教授的团队开发出一种二维声学斗篷,能使10厘米大小的木块不被声波探测到。2014年3月,杜克大学制造出世界上首个三维声学斗篷,它是一种利用声隐身超材料制成的声隐身装置,能使入射声波沿斗篷表面传播,不反射也不透射,实现对探测声波的隐身。三维声学斗篷由一些具有重复排列小孔的塑料板组成,能在3 kHz的声波下表现出完美的隐身效果,验证了声学斗篷应用于主动声呐对抗的可行性。此外,美海军自主开发一种名为“金属水”的潜艇声隐身技术,制造一种六角形晶胞结构的铝材料,并将其纳入潜艇艇壳外覆盖的静音材料内,实现对声波引导,达到隐身目的。声隐身超材料技术的发展将对潜艇等水下装备的隐身产生变革性影响,有可能改变未来水下战场的“游戏”规则。

除了传统意义上的隐身,最近超材料在触觉隐形上也有了新的突破。2014年,德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用机械超材料制成触觉隐形斗篷。这是一种全新的隐身技术,可以欺骗人体和探测设备的传感器。这种触觉隐形斗篷由超材料聚合物制成,具有特殊设计的次微米精度的晶体结构。晶体由针尖相接触的针状锥组成,接触点的大小需精确计算,以满足所需的机械性能。利用这种超材料制造的隐形斗篷可以屏蔽仪器或人体的触觉,如用隐形斗篷覆盖住放在桌面上的一个突出物体,虽然可见突出物,但用手抚摸时无法感到物体突出,就像抚摸平整的桌面一样。该技术虽然还在纯粹的基础物理研究阶段,但是将会为近几年的国防应用开辟一条新路。

天线与天线罩是超材料的另一个用武之地。国外众多实验表明,将超材料应用到导弹、雷达、航天器等天线上,可以大大降低天线能耗,提高天线增益,拓展天线工作的带宽,有效增强天线的聚焦性和方向性。

天线方面,雷神公司研发了超材料双频段小型化GPS天线,通过精确的人工微结构设计,可提升天线单元间的隔离度,减少天线原件之间的电磁耦合,从而使天线的带宽得到大幅拓展,其可应用于对天线尺寸要求苛刻的飞机平台与个人便携式战术导航终端。

雷达天线罩方面,在美国海军的支持下,美国公司成功研发出雷达罩用超材料智能结构,并应用于美军新一代的E2“鹰眼”预警机,大幅提高了其雷达探测能力。通过采用超材料的特殊设计,该项目提供了解决传统雷达罩图像畸变的问题,同时这种超材料电磁结构质量轻,方便后期的改装和维护,极大提高了E2“鹰眼”预警机的整体性能。

导弹天线罩方面,美国雷神公司研制了基于超材料的导弹天线罩,可以使穿过导弹天线罩的电磁波不产生有效折射,有效提高导弹打击精度。

用于制作光学透镜的超材料,可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜。其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域;高定向性透镜主要应用于透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域;高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域。2012年,美国密西根大学完成一种新型超材料透镜研究,可用于观察尺寸小于100 nm的物体,且在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内工作性能良好。

超材料的重要意义不仅体现在几类主要的人工材料上,最主要的是它提供了一种全新的思维方法—人们可以在不违背物理学基本规律的前提下,获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。“一代材料,一代装备”,创新材料的诞生及发展必将会催生出新的武器装备与作战样式。诞生不久就受到全世界拥趸的“超级材料”能否成为下一个新材料传奇?不禁令人无限地遐想和期待。

block 03 石墨烯:引领军事科技前沿

石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎完全透明,质轻且具有良好的柔韧性和超强的导电、导热性,在微电子、光电子和新材料等高技术军事领域有巨大的应用潜能。欧美等发达国家投入了大量资金,重点开展石墨烯在超级计算机、高灵敏传感器、便携电子器件和先进防护材料等与国防密切相关领域的战略性开发,以期占据军事前沿技术的制高点。

military_2更细小更节能运算速度更快的石墨烯芯片

石墨烯将提高计算机的存储和运算能力,减小体积,降低能耗

计算机是武器火控系统的核心,其数据处理和存储能力决定着弹道计算和快速打击的精准度。石墨烯器件制成的计算机速度比硅基微处理器高1000倍达太赫兹,在装备设计制造模拟、战场模拟、核爆模拟以及情报分析有重要意义,另外石墨烯器件还具有尺寸小、耗能低、发热量少等特点。为此,美国国防高级研究计划局早已将开发尺寸更小、计算能力更快的石墨烯基微电子装置列入研究计划。

l 石墨烯将提高传感器的灵敏度,促进微型化

石墨烯具有优异的光学性能,经加工还可获得高灵敏度的磁学、热学和力学特性,是制备新型轻薄传感器最有潜质的材料。

欧美等发达国家高度重视军用石墨烯传感器的研发。位于美国麻省理工学院的士兵纳米技术研究所把利用石墨烯技术开发具备高灵敏度、可调光谱选择性和快速响应特性的新一代红外夜视系统列为研究目标。2014年,美国密歇根大学研究者将石墨烯夹入镜片之间,构建了一种能捕捉可见光和红外线的传感器。镜片可做成比手指甲更小,结合于隐形眼镜中,未来这种智能隐形眼镜应用于士兵可获得夜视能力。2015年7月,美国国防高级研究计划局和陆军研究实验室资助美国东北大学制备了一种硼、氮、氧掺杂的石墨烯基二维材料,赋予了石墨烯热敏性和超感光性,有助于开发体积更小、携带灵活的红外热像仪和超灵敏光探测器。2015年8月,瑞士洛桑联邦理工学院的研究者宣称正在开发可拾获一个光子的石墨烯超感光探测器,这种探测器对从近红外到X射线的宽光谱范围都有响应,比常规的硅基光电探测器灵敏度高上千万倍,可用于军用夜视系统、太空望远镜,乃至光量子计算机。

military_3美国马里兰大学开发的基于石墨烯传感器的可看穿墙的眼镜

l 石墨烯将提高装备的防护性能和隐身能力

石墨烯具有优越的力学性能,在抗弹防护方面具有广泛的应用前景。2014年,美国莱斯大学在国防威胁降低局的支持下进行了石墨烯抗冲击研究,发现石墨烯受到硅石球高速冲击时能迅速分散冲击力,吸收入射能量的能力比钢强十倍,是凯芙拉纤维的两倍。将石墨烯与其它轻质高强材料复合,有望获得高性能轻型装甲系统。2015年5月,意大利特伦托大学的研究人员发现石墨烯能显著增强蜘蛛丝的强度,复合丝可达天然蛛丝强度的3.5倍,是单兵防弹衣的高性能材料。

鉴于石墨烯的轻质高强特性和热、电性质,石墨烯还可用于隐身防护领域。2013年,美国加州大学制备了石墨烯基红外隐身涂层,通过改变反射光的波长来实现红外隐身。这种材料可大面积涂覆于结构和平台表面,实现军事伪装。另外,欧洲防务局于2015年6月举行专题研讨会,聚焦石墨烯在复合材料防护体系和自适应伪装涂层方面的应用潜力。

military_4石墨烯防弹衣更轻巧防护能力更强

block 04 装甲防护材料:军用装备“防弹衣”

现代战争的对抗程度空前激烈。远程攻击、战场流弹、预置破片等高性能武器爆炸形成的全方位、立体式、高密度的破片袭击造成严重的车辆损坏和人员伤亡。为适应现代战争模式的转变,对军用车辆防护水平要求越来越高,研究军用车辆装甲防护技术,提高军用车辆战场防护水平尤为重要。military_5

装甲防护材料性能及应用国内外装备装甲防护材料主要有防弹玻璃、防弹钢板、防弹陶瓷、防弹高强玻纤、防弹芳纶纤维、防弹PE纤维等。

l 防弹玻璃

目前防弹玻璃主要是由无机玻璃与有机材料复合而成,其主要有以下几种:

(1)浮法玻璃与PVB中间膜的夹层复合

该方法是多层浮法玻璃中间用聚乙烯醇缩丁醛中间膜粘结并经高温高压处理使它们复合在一起而成为一透明整体,形成具有防弹能力的玻璃。这种防弹玻璃的优点是光学性能非常优秀,并表现出良好的抗冲击性能,同时耐环境稳定性好、不易老化、寿命长、成本较低、容易维护;缺点是体积、质量大,适合安装于固定的场所使用。

(2)夹层玻璃与有机透明板叠加或复合

这种防弹玻璃有两种形式,一种是在一层夹层玻璃的后面放置一层有机透明板材,夹层玻璃置于有机透明板之前作为着弹层,这是叠加方式;另一种是玻璃与聚碳酸脂板(PC板)直接复合为防弹玻璃,粘接材料为聚氨脂膜(PU膜),生产工艺方法与PVB夹层法类似。

防弹钢板

金属防弹材料(包括防弹钢、铝合金、钛合金等)从过去到现在一直广泛应用于军用(坦克、装甲车等)和民用防护(运钞车、武警、公安防爆车及防弹轿车)领域,且随着武器弹药对装甲防护材料的抗侵彻能力、抗冲击能力和抗崩落能力的要求的提高,金属防弹材料从普通钢装甲发展到高硬度钢装甲、双硬度钢复合装甲、乃至钛合金装甲,防护能力不断提高。

装甲钢材料主要为Cr2Ni2Mo合金系列装甲钢,其通过调整碳含量来改变装甲钢板的硬度,将装甲钢板以硬度值HRC50分类,24C、28C、30C的硬度小于或等于HRC50,属于高硬度装甲钢;39C和44C的硬度大于HRC50,属于超高硬度装甲钢。

传统金属装甲材料如钢板密度大,大杀伤力及爆炸力强武器要求装甲必须达到一定厚度,而使用过厚、过重的钢板装甲,对于车辆、船舶、飞机来说就必须牺牲其有效载荷。同时过重的装甲材料使其不易操纵、减小灵活性并增加了发动机的故障率。

防弹陶瓷

1918年,人们发现在金属表面覆盖一层薄而硬的搪瓷,便可提高其抗弹性能,故该技术一战期间用于坦克。60年代以后采用Al2O3陶瓷面板装甲与铝或玻璃钢背板粘结制成复合防护装甲,可防高速弹丸的侵彻,后来又陆续出现了B4C、SiC、Si3N4等陶瓷装甲材料。

陶瓷是一种脆性材料,在受到冲击时容易破碎,通常不单独做成防护装甲,而是与金属和其他纤维材料一起做成复合装甲;复合装甲中使用的陶瓷通常被改成陶瓷块,使得当某块陶瓷被弹体击碎时,其它陶瓷块还仍然有效。

陶瓷材料主要应用于以对付中、大口径长杆穿甲弹为首要目标的装甲系统,这些弹药主要采用烧蚀破坏机理,另外也应用于防弹背心,陶瓷与复合背面材料结合使用提供要求的防护能力。

工程应用中,陶瓷复合装甲广泛用在坦克、装甲车等装备的防护装甲上。但陶瓷材料塑性差、断裂强度低、易产生脆性断裂,且不能二次防弹,此外,其成型尺寸较小、生产效率低,且因其具有极高的硬度和脆性,二次成型加工十分困难,特别是成型孔的加工尤其困难,因而制备成本高,使用局限性较大。

目前,用于防弹的三大陶瓷材料是氧化铝、碳化硅和碳化硼。氧化铝因其成本低而在防弹上得到更广泛的应用,但其防弹等级最低、密度也最大;碳化硼防弹性能最好、密度最小,但其价格最为昂贵,20世纪60年代就最先用来作为设计防弹背心的材料;碳化硅陶瓷材料在成本、防弹性能和密度指标方面均介于二者之间。因而最有可能成为氧化铝防弹陶瓷的升级换代产品。

l 防弹高弹玻纤

早在二战期间,美国已开始进行玻璃钢装甲的研究,并成功研制了玻纤/聚酯装甲材料。随着S-2高强玻璃纤维的出现,高性能玻璃纤维复合材料作为较廉价的抗弹装甲材料,成为第一代复合装甲材料。其抗弹能力可达到钢的3倍以上。玻璃钢还被用于武装直升飞机、运输机和通讯联络直升机的复合装甲结构材料。

l 防弹芳纶纤维

美国首先将芳纶复合材料制成防弹头盔和防弹衣,接着又将芳纶纤维层压板与陶瓷或钢板复合,用作坦克装甲,如美国MI主战坦克采用“钢+Kevlar+钢”型的复合装甲,它能防中子弹以及防破甲厚度约700 mm的反坦克导弹,还能减少因被破甲弹击中而在驾驶舱内形成的瞬时压力效应。美国M113装甲人员输送车内部结构的关键部位也装备了Kevlar衬层,可对破甲弹、穿甲弹和杀伤弹的冲击和侵彻提供后效装甲防护。美国的V22Osprey军用机和军用直升飞机使用的防弹复合材料背板与陶瓷面板组成的复合装甲是直升飞机最理想的轻质装甲。

l 防弹PE纤维

超高分子量聚乙烯纤维复合材料(荷兰和美国的商品名分别为Dyneema和 Spectra)是具有优异综合性能的高性能纤维,其特点是高强度、高模量、低伸长以及比水还轻的低密度,具有优良的耐腐蚀性、耐紫外线能力和抗切割、耐磨性,而且吸湿小,不受环境影响,加之其氢原子含量高,因而防中子和防γ射线性能优良。

block 05 隐身涂料技术全解密

隐形涂料是涂料家族的神秘一员。它并不是科幻作品中的“隐身”,而是军事术语中指控制目标的可观测性或控制目标特征信号的技巧和技术的结合。目标特征信号是描述某种武器系统易被探测的一组特征,包括电磁(主要是雷达)、红外、可见光、声、烟雾和尾迹等6种特征信号。因为据统计,空战中飞机损失80%~90%的原因是由于飞机被观测。降低平台特征信号,就降低了被探测、识别、跟踪的概率,因而可以提高生存能力。降低平台特征信号不仅仅是为了对付雷达探测,还包括降低被其他探测装置发现的可能性。隐身是通过增加敌人探测、跟踪、制导、控制和预测平台或武器在空间位置的难度,大幅度降低敌人获取信息的准确性和完整性,降低敌人成功地运用各种武器进行作战的机会和能力,以达到提高己方生存能力而采取的各种措施。

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隐形涂料是用于飞机、军舰、坦克等装备外表,做反雷达探测及防止电磁波泄漏或干扰的一种材料,隐身材料与隐身设计有机结合,形成一门新技术,即隐身技术。隐身技术要求隐光、隐电、隐磁、隐声、隐红外,是一门综合技术。现代隐身技术主要分为电磁波隐身技术和声波隐身技术。

隐身涂料分类

隐身涂料按其功能可分为雷达隐身涂料、红外隐身涂料、可见光隐身涂料、激光隐身涂料、声纳隐身涂料和多功能隐身涂料。隐身涂层要求具有较宽温度的化学稳定性;较好的频带特性;面密度小,重量轻;粘结强度高,耐一定的温度和不同环境变化。

(1)雷达隐身涂料

雷达隐身涂料是指能够吸收衰减入射的电磁波,并通过吸收剂的介电振荡、涡流以及磁致伸缩,将电磁能转化成热能而耗散掉或使电磁波因干扰而消失的一类材料。

雷达隐身涂料就要最大限度消除被雷达勘测到的可能性,雷达隐身技术的研究主要集中在结构设计和吸波材料两个方面。目前,应用于飞机吸波涂料比较多,如铁氧体吸波涂料价格低廉;羰基铁吸波涂料吸收能力强,但面密度大;陶瓷吸波涂料密度较低;放射性同位素吸波涂料涂层薄且轻、能承受高速空气动力等优点,是飞机用理想的吸波涂料;导电高分子吸波涂料涂层薄且易维护等。还有成为隐身涂料新亮点的纳米吸波涂料,以覆盖电磁波、微波和红外,并能增强腐蚀防护能力,耐候性好,涂装性能优异。

(2)红外隐身涂料

红外隐身的目的是降低或改变目标的红外辐射特征从而实现目标的低可探测性。通过改进结构设计和应用红外物理原理来衰减、吸收目标的红外辐射能量,可使红外探测设备难以探测到目标。

红外隐身涂料工艺简单,施工方便,坚固耐用,成本低廉,是目前隐身涂料中最重要的品种。它是指用于减弱武器系统红外特征的信号已达到隐身技术要求的特殊功能涂料,其主要针对红外热像仪的侦查,旨在降低飞机在红外波段的亮度,掩饰或变形装备在红外热像仪中的形状,降低其被发现和识别的概率。红外隐身涂料的主体树脂是单组分橡胶树脂,其与过氯乙烯涂料、环氧铁红底漆、聚氨酯涂料具有良好的配套性。

(3)激光隐身涂料

20世纪80年代以来,隐身技术特别是雷达和红外隐身技术的发展已经达到了一个很高的水平。如美国研制开发的低可探测飞机F-117隐身攻击机、B-2隐身轰炸机在雷达隐身和红外隐身方面已经做得非常好了。但是随着激光技术的飞速发展,激光技术在武器装备等方面的应用日益增多。

激光隐身过程与雷达隐身过程相类似,主要是降低目标表面的反射系数,减小激光探测器的回波功率,降低激光探测器的性能,使敌方不能或难以进行激光探测,以达到激光隐身的目的。

实现激光隐身技术的途径主要有外形技术和材料技术,其中外形技术是通过目标的非常规外形设计降低其雷达散射截面(LRCS);而材料技术是采用能吸收激光的材料或在表面上涂覆吸波涂层使其对激光的吸收率大,反射率小,以达到隐身的目的。因为外形设计只能散射30%左右的雷达波,且很难找到LRCS与气动力学俱佳的外形,因此要彻底解决隐身问题,还是要靠隐身材料来实现。

激光隐身材料主要包括激光吸收材料、导光材料、透射材料三大类型。其中透射材料是让激光透过目标表面而无反射。从原理上,透光材料后应有激光光束终止介质,否则仍有反射或散射激光存在。导光材料是使入射到目标表面的激光能够通过某些渠道传输到其他方向去,以减少直接反射回波。这两种隐身功能材料作为激光隐身材料,实现难度较大。因此,探索新技术、新方法、积极开展新的隐身机理和新型多功能隐身材料的研究,特别是新型涂敷行多功能、多频谱兼容的隐身材料是新的研究热点和难点。

(4)可见光隐身涂料

可见光隐身涂料又称视频隐身技术,弥补了雷达隐身和红外隐身的不足,它针对人的目视、照相、摄像等观测手段而采取的隐身技术,其目的是降低飞机本身的目标特征,较少目标与背景之间的亮度、色度和运动的对比特征,达到对目标视觉信号的控制,以降低可见光探测系统发现目标的概率。

可见光隐身涂料通常采用迷彩的方法使飞机隐身,如保护迷彩、仿造迷彩、变形迷彩。一种可见光隐身是伪装遮障,遮障可模拟背景的电磁波辐射特性,使目标得以遮蔽并与背景相融合,是固定目标和运动目标停留时最主要手段,而迷彩涂料是这种技术应用的重要组成。总而言之,可见光隐身涂料应用广泛,使用方便、经济,是飞机隐身涂料发展中比较成熟的技术。

l 新型隐身涂料探索

(1)多频段吸波材料

由于当前多模复合制导技术的不断发展以及探测手段的日益多样性,战场武器装备可能同时面临雷达、红外、激光以及可见光等探测手段的威胁,因此多波段复合隐身材料的发展很早就受到了专家以及相关研究者的关注和重视。如何使涂层在几个波段彼此兼容,将是今后主要研究方向之一。

(2)纳米涂层材料

近年来,纳米吸波涂料成为隐身涂料新的亮点。它是一种极具发展前景的涂料,其一般由无机纳米材料与有机高分子材料复合,通过精细控制无机纳米粒子均匀分散在高聚物基体中,以制备性能更加优异的新型涂料。其机械性能好,面密度低,是高效的宽频带吸波涂料,可以覆盖电磁波、微波和红外线。它能增强腐蚀防护能力,耐候性好,涂装性能优异。基于以上优点,各国竞相在此领域投入人力、物力开发研制。

(3)手性吸波材料

手性是指一种物质与其镜像不存在几何对称性,且不能通过任何操作使其与镜像重合。手性吸波涂料是近年来开发的新型吸波材料。它与一般吸波涂料相比,具有吸波频率高、吸收频带宽的优点,并可以通过调节旋波参量来改善吸波特性,在提高吸波性能,扩展吸波带方面具有很大潜能。

(4)导电高聚物材料

这种材料是近几年才发展起来的,由于其结构多样化、高度低和独特的物理、化学特性,因而引起科学界的广泛重视。将导电高聚物与无机磁损耗物质或超微粒子复合,可望发展成为一种新型的轻质宽频带微波吸收材料。

(5)等离子隐身技术

等离子体是继固体、液体、气体之后的第四种物质形态,被称为物质第四态。等离子体之所以有隐身功能,是因为它对雷达波具有折射与吸收作用。

等离子体隐身技术与已广泛应用于外形和材料隐身技术,其具有很多优点:吸波频带宽、吸收率高、隐身效果好、使用简便、使用时间长、价格便宜;无须改变飞机的外形设计,不影响飞行器的飞行性能;由于没有吸波材料和涂层,大大降低了维护费用。此外,俄罗斯进行的风洞试验表明,利用等离于体隐身技术还可以减少飞行器飞行阻力30%以上。但是,利用等离子体技术实现兵器隐身也存在着相当的难度和问题。

军事探测和制导技术的发展促使了隐身材料的发展,从最早的可见光隐身材料到现在的激光隐身材料,隐身材料的研究和发展一直没有间断过。无论哪种隐身材料,今后的发展趋势都向着质轻、带宽、高效、耐久的方向发展。而且,随着多模技术的发展,传统具有单一隐身功能的材料已经无法同时躲避多种探测手段的围攻,因此多波段兼容的隐身材料也是未来的发展趋势。

随着科学研究的不断深入,新的隐身涂料将不断问世。由于高度的军事敏感性和技术保密性,使得隐身涂料的发展与应用处于迷雾中,同时,各种反隐身技术和手段正在积极发展之中。隐身和反隐身技术的竞争必将成为新世纪军事斗争的亮点。

block 06 3D打印:国防军工领域“新贵”

当今时代,“3D打印技术”成了科技新闻报道中的高频词汇,甚至被英国《经济学人》杂志预测为“将推动新一轮工业革命的来临”。因其数字化、智能化的先进“复制”能力而备受青睐,这项技术在被民用化的同时,也逐渐成为国防和军工领域备受欢迎的“新贵”。

military_73D打印技术已经应用于造价高昂的战斗机

military_83D打印技术应用于舰载机

3D打印技术已运用于军事和航空航天领域,造价高昂的战斗机、舰载机等也都能通过“打印”出炉了。那么,3D打印在各国军工领域都帮了什么忙呢?

l 3D打印用于美国战机老化部件的改进

美国俄克拉荷马州的Tinker空军基地是Oklahoma市空军后勤中心(OC-ALC)的所在地,同时也是美国空军装备司令部(AFMC)的飞机、发动机、导弹、软件和航空电子设备的管理和维护中心。它的职责是管理美国各个军事舰队的飞机和技术的开发,包括各种配套组件、开发作战飞机程序、测试设备和工业自动化软件等,简单来说,任何军事飞机或者与军事飞机相关的东西,空军后勤中心都有责任确保它继续飞行或者安全。

military_9美国:3D打印助力作战后勤保障

military_10美国B-52战机外观图

为维护飞机和提高飞机的战斗力,如今美国空军和OC-ALC正在开发一项战略计划:将把3D打印技术纳入其当前的空中力量,维持任务的每一方面。OC-ALC将利用3D打印技术优化工作流程,包括增材制造飞机发动机零部件和3D打印由第76软件维护组设计的现代电子元器件。

military_113D打印用于美国B-52战机部分老化部件的改进

l 韩国3D打印在军机部件上的应用

说起韩国,这个在军事上几乎不被人重视的国家,在3D打印方面也是有所作为的。2015年6月,韩国空军使用的F-15K战机发动机遭到损坏,其发动机上的钛合金的涡轮护罩与钴合金的空气密封件需要修复,他们想要找到一种既耐久又可靠的方法使部件升级的同时,又不牺牲任何质量。这次维修,韩国空军选择使用3D打印技术,为此他们找到了德国3D打印机制造商利用专门的DMT技术很快就完成了对发动机护罩和密封件的修复工作。DMT技术的工作原理主要是用高功率激光熔化金属粉末,被认为是最新和最具前景的3D打印技术之一,几乎能够立即修复好韩国军机的部件。

military_12韩国空军使用的F-15K战机

military_13DMT技术修复F-15K战机零部件

military_14DMT技术的工作原理主要是用高功率激光熔化金属粉末

l 俄罗斯3D打印无人机“水鸭”

说起俄罗斯的军事实力,几乎妇孺皆知,由于继承了前苏联的70%的军事实力,其3D打印技术实力也是不容忽视的。

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2015年6月,《透视俄罗斯》曾报道,国营企业俄罗斯技术集团公司以3D打印技术制造出一架无人机样机,重3.8公斤,翼展2.4米,飞行时速可达100公里,续航能力1~1.5小时。该公司用两个半月的时间实现了从概念到原型机的飞跃,实际生产耗时仅为31小时,制造成本不到20万卢布。这款无人机的独特之处在于,无需任何特殊起降场地,可在任意表面起降,不论雪地还是排水沟。在6000米高度飞行时的操控范围可达2500公里,有效载荷300公斤,可搭乘2~3名乘客或行李或者携带检测、监控设备。这款无人机的气垫可在飞行模式下进行回收,可用于向难以抵达的灾区运送物质,也可用于军事行动,例如搭载小型制导导弹、高精度炸弹等进攻性武器,还可执行侦查任务。

中国3D打印“大飞机”零部件

3D打印技术对于国防、航空等重点领域高端复杂精细结构关键零部件的制造起到了很大作用,为其提供了应用的支撑平台。我国在一些高精尖的军工领域处于领先地位。其中,2015年9月3日纪念抗战胜利70周年的大阅兵上展示的国产战机中,就有一部分飞机的零部件采用了3D打印技术。

l 3D打印在战争中的应用

众所周知,后勤补给是战场上最易受到攻击的薄弱环节。在阿富汗战争期间,美军曾经动用了大量作战力量以确保补给畅通和保障人员安全,美军认为,如果当时使用了3D打印机与战场网络、无人驾驶运输直升机或者汽车相结合的话,就可以彻底解决这一问题,通过3D打印技术现场制造出能够满足实际所需的食品、药品和装备,从而实现其后勤保障的革命性变化。

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可见,只要技术足够成熟,未来战场上需要的一切,3D打印几乎都能满足,有了这种“克隆”后勤物资的“移动兵工厂”,战时可快速补充作战消耗。

来源 l 机械工程材料

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