第一篇：新材料在军工方面的研究现状和发展趋势
新材料在军工方面的研究现状及发展趋势
摘要：新材料在军工领域已经得到了广泛的应用，这里综述了军工结构材料以及功能材料的研究现状，最后展望了新材料在军工方面的发展趋势。关键字：新材料, 军工, 研究现状，结构材料，功能材料，发展趋势
The status quo and development trend of new materials in aspects of the military-industrial(Wang Hongwei Material Science and Engineering Institute in North University of China)Abstract: The new materials has been widely used in the military-industrial，here reviewed the status quo of research of Structural materials and functional materials in aspects of the military-industrial.Finally, here prospect the development trend of the new materials in aspects of the military-industrial.Key words: new materials, military-industrial, the status quo of research, structural materials, functional materials, the trends of development
在现代工业、国防和高新技术发展中，新材料已成为一项共性关键技术，并且正在成为当代和下世纪初最重要、发展最快的科学技术之一。国防科技工业常常是新材料技术成果的优先使用者，同时也是一些重要高性能新材料的需求牵引者。新材料技术的研究开发对于国防科技工业和武器装备的发展有着决定性的意义，新材料是指那些新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材科，而军工新材料则是指用于制造各种先进武器装备或用于武器装备改造的新材料[1]。
1.军工新材料的分类
按照物化成的武器装备，军工新材料可分成航空材料、航天材料、兵器材料、舰船材料、核武器及核动力装置材料、动能、定向能武器材料以及军用电子材料等。按照材料的主要用途，军工新材料可分为结构材料和功能材料两大类。其中，结构材料又可分为金属结构材料，陶瓷结构材料、高分子结构材料和复合材料；功能材料则可分为磁性材料、电子和光学材料、防热材料、抗核、抗激光、抗粒 子云侵蚀材料、隐身材料、阻尼材料、推进剂、炸药或高能量密度材料以及新出现的智能材料、功能梯度材料等。近年来，还出现了结构／功能一体化及多功能化的趋势。
2.军工新材料的特点
军工新材料与传统材料相比具有一些新的特点，这些特点对于发展高技术武器装备具有十分重要的意义。
（1）质量轻，强度高，弹性模量大，这为发展小型化、轻量化核武器、导弹、卫星、火箭和具有高机动性能的坦克、飞机等武器装备创造了条件。
（2）具有耐高温、高压、高速、高燃速、高热流、强腐蚀、强振动、强辐射和原子氧辐照等极端恶劣环境的性能，这为发展极端环境下使用导弹、火箭和可重复使用航天器及长寿命的火炮、飞机等武器装备奠定了基础。
（3）具有吸波、消声、降噪、吸能、减少红外特征等隐身功能和抗核、抗激光、抗粒子云侵蚀等防护功能或多种功能兼备的特性，这对提高坦克、飞机、导弹、舰艇和航天器等武器装备的生存能力和突防能力具有重要意义。
（4）具有优异的光、电、磁性能，这些性能是确保武器装备的控制、制导、导航、通信、电子战的准确性和有效性并向智能化方向发展，实现高精度、高效率、高可靠性要求的前提。3.新材料在军工方面的研究现状
军工新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类，广泛应用于航空、航天、兵器和船舰领域中[2]。3.1 军工结构材料
随着现代科学技术的发展，武器装备的技术密集程度越来越高，正在从机械化战争向信息化战争演变，武器装备向精确制导方向发展。因此，对军用材料提出了更高、更新的要求。
3.1.1 超高强度钢和先进高温合金
超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200MPa和1400MPa的钢，它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。超高强度钢大量用于制造火箭发动机外壳，飞机机身骨架、蒙皮和着陆部件以及高压容器和一些常规武器。由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大，钢在飞机上用量有所减少，但 2 是飞机上的关键承力构件仍采用超高强度钢制造。目前，在国际上有代表性的低合金超高强度钢300M，是典型的飞机起落架用钢。此外，低合金超高强度钢D6AC是典型的固体火箭发动机壳体材料。超高强度钢的发展趋势是在保证超高强度的同时，不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。3.1.2 钛合金
钛合金具有轻质高强、耐热性好、并有较高的疲劳寿命和优良的抗腐蚀性能等优点。在军民用飞机上的应用不断增长。钛合金用量占美国第四代战斗机F-22结构重量的41%，占俄罗斯第三代战斗机苏-27结构重量的18%左右。预计到下世纪初，这种趋势将继续保持。钛合金在飞机上起初只用于发动机热影响区的非承力零件。从60年代开始用于承力构件．包括飞机机身的加强框、中央翼盒、进气道框架、发动机支掸梁等．机翼的梁、肋等，起落絮的主、前起支柱等．发动机的压气机盘件、叶片、机匣、鼓筒等。3.1.3 镁合金
镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金，是目前实际应用中最轻的金属结构材料，具有密度小、强度高、阻尼性、切削加工性和铸造性能好的优点，因此镁合金是武器轻量化极为重要的的轻质结构材料[3]。（1）镁合金材料在航空航天工业中的研究现状
航空材料减重带来的经济效益和性能的改善十分显著, 商用飞机与汽车减重相同质量带来的燃油费用节省, 前者是后者的近100 倍。而战斗机的燃油费用节省又是商用飞机的近10 倍, 更重要的是其机动性能改善可以极大提高其战斗力和生存能力。
随着镁合金制备技术的发展,材料的性能如比强度、比刚度、耐热强度、蠕变等性能不断提高,其应用范围也不断扩大。目前其应用领域包括各民用、军用飞机的发动机零部件、螺旋桨、齿轮箱、支架结构以及火箭、导弹、卫星的一些零部件。如用ZM2制造WP7各型发动机的前支撑壳体和壳体盖；用ZM3镁合金制造J6飞机的WP6发动机的前舱铸件和WP11的离心机匣；用ZM4镁合金制造飞机液压恒速装置壳体、战机座舱骨架和镁合金机轮；以稀土金属钕为主要添加元素的ZM6 铸造镁合金已扩大用于直升机WZ6发动机后减速机匣、歼击机翼助等重要零件； 研制的稀土高强镁合金MB25、MB26已代替部分中强铝合金, 在歼击机上获得应 3 用。
（2）镁合金材料在用于现代兵器零部件方面的研究现状
采用镁合金及镁基复合材料替代武器装备的中、低强度要求的铝合金零件和部分黑色金属零件,可进一步实现武器装备轻量化。表1给出了镁合金材料在武器装备零部件中的研究应用情况。
表1 镁合金材料在武器装备零部件中的研究应用情况
装备名称 枪械武器
零部件名称
机匣、弹匣、枪托体、下机匣、提把、前护手、弹托板、瞄准座等 坦克座椅骨架、机长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机滤座、进出水管、装甲车辆 空气分配器座、机油泵壳体、水泵壳体、机油热交换器、机油滤清器壳体、气门室罩、呼吸器等
导弹 导弹舱体、舵机本体、仪表舱体、舵架、飞机翼片
火炮及弹药 供弹箱、牵引器、脚踏板、炮长镜、轮毂、引信体、风帽、火药筒等 光电产品 计算机及通军用计算机、通讯器材箱体、壳体、板类等零件
信器材 镜头壳体、红外成像仪壳体、底座等
此外，镁合金材料还可用于解决零件老化、变形和变色的问题。目前, 轻武器、光电及通讯器材产品、战车仪表盘等采用工程塑料制造。工程塑料尤其是纤维增强塑料的比强度最高, 但弹性模量、比刚度远小于镁合金, 且难以回收, 环境适应性差, 易磨损和老化变形、变色, 还影响武器战术性能。镁合金替代工程塑料能从根本上克服工程塑料的这些缺陷。表2给出了镁合金替代工程塑料在武器装备零部件上的研究应用情况。
表2 镁合金替代工程塑料在武器装备零部件方面的研究应用情况
装备名称 枪械武器 光电产品 军用器材
零部件名称
弹匣、护盖体、附件筒、前护手等 镜头壳体、瞄具壳体、夜视仪壳体等
种类仪表盘、通讯器材箱体、壳体零件、军用头盔等
3.1.4 复合材料
复合材料是指两种以上不同性质或不同结构物质组合而成的材料，通常由基 4 体材料与增强剂组成。先进复合材料比通用复合材料具有更高综合性能，它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等，它在军事工业的发展中起着举足轻重的作用。先进的复合材料具有高强度、高模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点，是国防工业发展中最重要的一类工程材料。3.1.5 结构陶瓷
陶瓷材料是当今世界上发展晟快的高技术村料，它已经由单相陶瓷发展到多相复合陶瓷。结构陶瓷材料因其耐高温、低密度、耐磨损及低的热膨胀系数等诸多优异性能，在军事工业中有着良好的应用前景。3.2 军工功能材料
功能材料是指利用声、光、电、磁、热、化、生化等效应，将能量从一种形式转化为另一种形式的材料。功能材料很多．如光电功能材料、贮氢功能材料、阻尼减震材料、隐身材料等[4]。3.2.1 光电功能材料
光电功能材料是指在光电子技术中使用的材料，它能将光电结合的信息传输与处理，是现代信息科技的重要组成部分。光电功能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、砷化镓主要用于制作飞行器、导弹以及地面武器装备红外探测系统的窗口、头罩、整流罩等。氟化镁具有较高的透过率、较强的抗雨蚀、抗冲刷能力，它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。3.2.2 储氢功能材料
某些过渡簇金属，合金和金属问化合物，由于其特殊的晶格结构的原因，氢原子比较容易透入金属晶格的四面体或八面体间隙位中，形成了金属氢化物，这种材料称为贮氢材料。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 5 过程中具有广阔的应用前景。3.2.3 阻尼减震材料
阻尼是指一个自由振动的固体即使与外界完全隔离，它的机械性能也会转变为热能的现象。采用高阻尼功能材料的目的是减震降嗓。因此阻尼减震材料在军事工业中具有十分重要的意义。3.2.4 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实际。采用隐身技术，使敌方的探测、制导、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，己成为现代武器防护的重要发展方向。
现代隐形技术，除了外型设计上采用先进的方法，进行热红外线和自身电磁隐形外，主要是使用新型吸收波材料，即在飞机表面涂抹能大量吸收雷达波的新型介质材料，将雷达电磁波吸收，使雷达无法发现。为应付不同雷达的不同工作方式，现在的隐形飞机已经开始有选择地使用吸收材料。目前，美、英等国正进行主动抵消技术的研究，即利用吸收材料，先吸收大部分的雷达波，剩下少量的反射波再利用主动抵消技术将其全部抵消，雷达就会完全失去作用。
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、手性材料、导电高分子材料等逐步应用到雷达波和红外隐身材料，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，发达国家均把纳米材料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上世纪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，预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等。目前，世界上正在研制的第四代超音速歼击机，其机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层，使其真正具有了隐身功能，而电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已开始在隐身飞机上涂装；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。
综上所述，对于国防兵器工业来说，对材料的基本要求是提高武器威力，减 6 轻重量、延长寿命、降低成本。因此，新型材料的发展与否、先进与否直接影响到我国的国防建设。我公司在军用新材料研制方面取得了长足的发展，先后成功研制了14MnNi、58SiMn等一系列新钢号，特别是某军品用材料，国内现有材料的强度已无法满足其正常工作。公司科技人员与钢厂共同研制了低合金超高强度钢管，保证了产品对原材料高强度、高韧性和抗应力腐蚀能力。4.军工新材料的发展趋势
从今后军工企业发展趋势来看，用于军事工业的新材料要求具有较高的技术含量，世界范围内的军用新材料正向高功能化、超高功能化、复合轻量和智能化的方向发展。
随着军事工业对高强度、低密度材料需求的日益迫切，钛合金的产业化进程显著加快。在国外，先进飞机上钛材重量已达到飞机结构总重的30％-35％。军事高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料．在这种条件下。军用复合材料应运而生。2l世纪复合材料的发展方向是低成本、高性能、多功能和智能化。
纳米技术是现代科学和技术相结合的产物，它不仅涉及到现有的一切基础性科学技术领域，而且在军事工业中有着广泛的应用前景[5]。随着未来战争突发性的急剧增大，各种探测手段越来越先进。为适应现代战争的需要，隐身技术在军事领域占有十分重要的地位。纳米材料对雷达波的吸收率较高，从而为兵器隐身技术的发展提供了物质基础。
参考文献
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第二篇：新材料在军工方面的研究现状和发展趋势
新材料在军工方面的研究现状和发展趋势
摘要：随着现代军事科技的不断发展，促使各国对武器装备的性能提出了更高的要求。由于军用新材料能够满足武器材料强韧化、轻量化、多功能化和高效化的发展要求，促使军工新材料的研究十分繁荣。本文主要综述了国内外军用结构新材料和功能新材料的研究进展，并对未来军用新材料的研究趋势进行了总结。关键词：军用新材料，钛合金，高强度钢，纳米隐身材料，磁性材料 前 沿
新材料是指那些新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材料。新材料的研制、开发与应用不仅构成对高技术发展的推动力，而且也成为衡量一个国家科技水品的高低的重要标志。因此，新材料是技术革命与创新的基石，是社会现代化的先导。现代高新技术对新材料的依赖越来越多，这使得发达国家和发展中国家都争相将新材料列为高新技术优先发展的领域和关键技术，各国都采取各种措施，力争抢占新材料技术的“制高点”[1]。
新材料的出现一方面对经济有着巨大的促进作用，自从20世纪80年代以来，新材料在整个世界贸易中所占的比例逐年递增，而且还促进了与新材料相关产业的飞速发展。因为有了新材料做基础，信息、生物工程、新能源、激光、海洋开发和空间技术作为促进生产、振兴经济、增强综合国力的高技术群和高知识密集型产业能够繁荣发展[1]。由此可见，新材料是未来经济发展的支柱性力量。另一方面，新材料的出现和应用又为国防安全提供了保证。国防科一直都是高、精、尖技术的集合，新材料是高技术的先导和基础。纳米材料出现使微型武器出现在战场，先进高分子材料出现使洲际导弹的出现成为可能，新型锂离子电池材料的出现让“无人机”出现在人们的视野，而非晶软磁合金材料大大提高了一些精密武器的工作环境。由此可见，新材料也是军事工业发展的重要促进力量，是新型武器装备的物质基础, 也是当今世界军事领域的关键技术。所以，对新材料在军工方面的研究现状总结和发展趋势的展望，对促进我国军事工业的发展有重大意义。军用结构材料
军用新材料按材料性能和用途可分为结构材料和功能材料两大类, 主要应用于航空工业、航天工业、兵器工业和船舰工业中。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀和抗辐射等性能要求, 目前在军事领域应用的结构材料主要有以下几类。2.1 先进金属结构材料
2.1.1 变形镁合金
变形镁合金有很高的比强度、比刚度和塑性，是航空航天领域中最有前途的金属结构材料之一，座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、蒙皮、直升机上机闸等大都采用镁理合金制件。有研究表明采用镁合金部件代替铝合金，可以解决铝合金机翼的疲劳问题。目前，对于镁合金的研究和开发已基本成熟，多个品牌的变形镁合金已经开发出来。例如：耐热镁合金、耐蚀镁合金、阻燃镁合金、高强韧镁合金以及超轻变形Mg-Li合金。其中，镁锂合金的研究十分活跃，美国、日本、俄罗斯在理论和应用开发方面都做了不少研究，我国也有一些单位进行前期研究，如东北大学和哈尔滨工业大学。目前主要应用在歼击机和枪械方面。如喷气式歼击机“洛克希德F-80”以及“B-36”轰炸机都应用这类镁合金。耐热镁合金目前主要在往稀土镁合金方向研究，如美国开发的QE22和 WE44镁合金具有相当高的高温强度，以运用到直径1m的“维热尔”火箭壳体的制作上，提高了其飞行性能。阻燃镁合金目前的研究也是向稀土化方向发展。这方面上海交通大学轻合金精密成型国家工程研究中心研究成果丰硕，他们开发出的加入铍和稀土元素的镁合金已成功的应用到了轿车变速箱壳盖的工业试验，相信在武器要求强量化背景下，这种镁合金在军事工业上会有很大的应用前景[2]。2.1.2 先进钛合金
钛是20世纪80 年代走向工业化生产的一种重要金属。也是一种对经济和国防具有重要意义的新型金属。钛合金与镁合金相似，它密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀性好等优点，在航空航天和军事领域中获得了广泛应用，包括军用、民用飞机、航空发动机、导弹。舰艇、核反应堆以及轻型火炮等。为了扩大钛合金在军事方面的用途，主要进行了以下几个方面的研究[3]。（1）高强韧性，美国开发的Ti1023钛合金抗拉强度高、断裂韧性高、耐疲劳性好、锻造性能优良，已应用在B777飞机起落架系统和火箭发动机推进剂储箱和导管等部件。另外美国钛金属公司Timet分部研制的一种新型抗氧化、超高强钛合金β21S在690℃具有良好的抗氧化性能，可在540℃下长期工作。冷、热加工性能优良，可制成0.064mm的箔材。已被美国国家宇航局确定用作硅/钛复合材料的基体材料，并将用于美国航天飞机的机身和机翼壁板。（2）耐高温性，这项工作开始于20世纪50年代初期，英国、美国和俄罗斯在这方面具有先进水平，英国的IMI829、IMI834钛合金，美国的Ti100、俄罗斯的BT18Y、BT36、BT37已经用在了军用飞机发动机上。（3）阻燃性，20世纪80年代美国的两 2 家公司研制出对持续燃烧不敏感的钛合金Alloy C（Ti-1270），它具有较高的室温强度，并具有良好的室温和高温塑性、蠕变和疲劳性能，已用于F119发动机。我国研制的Ti-40阻燃性能与美国的Ti-1270相当，也用于我国新型的战斗机发动机上。我国的600℃高温钛合金TI60还处于研制阶段。2.1.3超高强度钢
超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200 Mpa 和1400 Mpa的钢, 它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。Aermetl00是美国Carpenter技术公司研制的高合金超高强度钢。已披用于F-
22、F-18E/F等先进飞机的起落架。美国近期又开发出一种后继钢，称Aermet 310，比Aermet100强度高10％，KIc达70MPa。SFGHITEN、NANOHITEN、ERW和HISTORY是日本JFE公司最近开发出的几种高强度钢。其中SFGHITEN为含Nb系列高强度IF钢板，主要应用对象是汽车车身外板, NANOHITEN是强度级别为780MPa的热轧钢板,其特点是塑性好、扩孔率高，具有优良的翻边成形性能和稳定的力学性能。可应用于各类加强件、臂类与梁类零件。ERW和HISTORY是JFE针对飞机悬架系零部件开发的高强度钢管，强度级别也是780 MPa。该材料具有良好的液压成形性能。已开始应用于飞机悬架系统的臂类零件。Stelco公司最近开发出了一种代号为SteIR MM的高强度微合金，具有良好的断裂韧性，经试验其断裂韧性比普通钢高22%左右，并已投放市场。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主开发出适应某型号飞机发动机的刚强度钢[4]。2.1.4 金属间化合物
金属间化合物材料技术仍处在探索发展阶段，美国GE公司将Ti-48Al-2Nb-2Crγ型合金精铸成CF6—80CZ发动机涡轮叶片．地面试车取得成功。惠普公司也拟根据Caesar计划在F119发动机上试车。对镍铝化台物也在进行广泛的研究工作，俄罗斯近年开发成功了BKHA-1B和BKHA-2M．前者以Nl3Al为基、后者以N3Al+NaAl为基。已分别用于发动机静子叶片和导向叶片涂层材料。国外在铌基体中加入Si，形成Nb3Si或Nb 3Si2金属间化合物。作为增强体，形成Nb-Si复合材料，其耐温能力比单晶合金提高
200～300℃[5]。
2.2 复合材料
材料科学的发展造就了高强度、高模量、低比重的碳纤维，从而掀开了先进复合材料的时代。日本于1955年首先发明了聚丙烯腈（PAN）基碳纤维，并于60年代初进入工业化生产，70年代中期诞生了以碳纤维为增强相的先进复合材料。碳基 3 增强具有无可比拟的高比强度及高比刚度性质及耐腐蚀、耐疲劳特性，非常适用于航空飞机和航天飞机。PAN 碳基纤维较早时候是T300级别的用于武器装备上，20世纪60年代末，美国开发出了硼纤维增强的环氧树脂复合材料，1971年成功应用于F-14战斗机尾翼上，此后又有F-
15、F-
16、米格-
29、幻影2000、F/A-18等复合材料尾翼问世。此时一般一架军用飞机的垂尾、平尾全采用复合材料，可占总重的5%左右。经过以后的发展，目前的飞机上复合材料用量到20%～50%不等，如美国的B-2战斗机大约占50%左右，机身大部分为复合材料[5]。
复合材料除了在军用飞机上有突出贡献，在导弹弹头上也大量应用，复合材料最早应用在导弹弹头的是层压玻璃/酚醛复合材料，后来发现不足，产生了模压高硅氧/酚醛。目前，科学家开发出了更好的碳/碳复合材料, 碳/碳复合材料具有低密度(<2.0g/cm3)、高比强、高比模量、高导热性、低膨胀系数，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，是目前在1650℃以上应用的唯一备选材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是最有发展前途的高温材料。近期研制的导弹头帽几乎都采用了碳/碳复合材料。目前为了提高导弹的打击能力，由开发出碳/酚醛复合材料用作导弹弹头的防热层。另外在固体火箭发动机的喷管上，复合材料也不短改进，从最早的金属到后来的金属/非金属，现在一开始使用碳/碳复合材料，使导弹的性能得到很大的提高[6]。
陶瓷及陶瓷基复合材料具有高耐热性、低密度、良好的高温抗氧化性、抗腐蚀性和耐磨性等优点，对提高航空发动机的涡轮前温度，进而提高发动机的推重比和降低燃料消耗具有重要作用。因此，高温结构陶瓷及其陶瓷基复合材料(CMC)的研究成为高推重比航空发动机的关键技术之一。美国早在1995年就用陶瓷基复合材料制造出了发动机燃烧室浮璧，并成功应用于XTC-65核心机中；法国在大量研究工作的基础上，将陶瓷基复合材料技术用于Rafale飞机的M88燃气涡轮发动机喷嘴阀；英国罗罗公司对陶瓷基复合材料的第一步目标是发展能在1200℃工作的陶瓷基复合材料，使现在的遄达发动机减重10％左右。目前，陶瓷基复合材料一直在改性研究上，碳纤维改性是最近研究的热点，用日本碳素公司生产的Hi-Nicalon纤维及道康宁公司开发的Sytramic纤维改性获得了较好结果[7][8]。军用功能材料
3.1 纳米隐身材料
美、俄、法等军事强国都把纳米隐身材料作为新一代的隐身材料进行探索和研究, 并对纳米材料的微波电磁谱理论、材料系列、制备方法、性能表征等进行了系统 研究, 研制出了多种不同结构的纳米隐身材料, 取得了实质性进展。
1995年, 日本采用纳米碳管与磁性吸收剂复合, 设计了纳米材料吸波涂层, 吸波性能有一定的提高, 在此基础上, 具有更明显的形状、磁晶、应力各向异性的二维纳米结构磁性金属薄膜逐渐引起了人们的重视。
20世纪末, 美国研制出的“超黑粉”纳米隐身材料, 对雷达波吸收率达到99%, 这种“超黑粉”纳米隐身材料实际上是用纳米石墨做吸收剂制成的石墨热塑性复合材料和石墨环氧树脂复合材料, 不仅吸收率大, 而且在低温下仍保持良好的韧性。
2000年俄罗斯成功利用了纳米晶体膜的高磁损耗和高磁导率特性, 制备了20nm 的超薄型多层膜毫米波吸波材料 , 具有良好的隐身效果。
法国研制的一种磁性多层膜宽频带纳米隐身材料, 它是由粘结剂和纳米级微屑填充材料构成, 能够吸收超高频的电磁波, 纳米级由超薄不定型磁性薄层及绝缘层构成, 非晶态磁性材料层为具有高磁导率的铁磁性材料, 层厚度为3nm,绝缘层为碳或者无机材料, 厚度为5nm,在50MHz～50GHz频率范围内具有良好的吸波性能[9][10]。
国内从20世纪80年代末也一直关注纳米材料用于雷达波隐身的可能性, 在纳米隐身机理的理论研究和实验研究方面均有所进展。成都电子科技大学研制的纳米针形磁性金属粉多层纳米膜复合吸波材料, 通过改变纳米针形磁性金属粉成分, 可以有效地控制其频率特性, 有利于展宽吸收频带。南京大学、华中科技大学在纳米物性研究的基础上, 理论上论证了采用纳米磁性多层膜提高隐身材料吸波效果的可行性, 并采用磁控溅射技术试制了纳米晶薄膜, 在4GHz～6GHz, 磁导率μ"可达到 40左右, 比磁性微米吸收剂提高了10倍[10]。
3.2 磁性材料
磁性材料作为新材料的一种，也是发展非常迅速的基础功能材料，其功能、结构、用途也是十分广泛的。而其在军事领域中的广泛应用更是成为各国强化军事优势的重要手段。
美国作为军事大国，其科技十分发达，在微波领域尤其如此。美国军方2003年与IBM等公司合作研究用于雷达报警系统、全球定位系统、舰载防御导弹、PAC-3导弹等的磁性材料，取得可喜进展。2004年IBM微电子公司发布了两条标准IC生产线，包括功率放大器和电压控制振荡器。2006年8月，美国东北大学研制出一种磁性材料。这种磁性陶制薄膜材料具有一种自发磁矩，可以有效降低雷达对磁体的需求。美国新近成立的VIDA产品公司集中研究高Q、宽调谐滤波器、振荡器和频率合成器的军事和商业应用。在新武器电磁炮方面，美国也已经取得了成果。
在日本，对磁性材料的研究也十分活跃。大同特殊钢公司近年开发出挠性电磁波吸收体“DPR”系列，其主要特点是高温环境下抗电磁干扰，可满足电子机器、光纤通信多方面需求。日立金属公司生产的“Finemet”纳米晶磁性材料，主要用于电子机器防干扰共态扼流圈。户佃工业公司与明治大学共同研制成由Co、Ni和氧化铁组成的只有30～40nm的纳米磁粉，可获得239～542kA/m(3000～6800 Oe)的矫顽力，并可以在50℃保持1 000h的热稳性。川崎钢铁公司新近开发出电磁线材，可用于倒相电路中的变压器或扼流圈，满足了电磁器件小型化、异型化需求。
印度从2003年1月起实施“萨姆尤科塔”电子战计划。计划中用的重要设施一拉简德拉相控阵雷达，由印度巴拉特电子有限公司生产。该技术的有效使用寿命将持续到2020年。印度陆军官员称，首批26辆电子战车辆已交付陆军并投入使用。韩国也在加紧研发。目前磁性材料的领域主要有软磁铁氧体、永磁铁氧体、磁介质、非晶磁芯等方面。俄罗斯SPA Ferrite公司研制的磁性材料已用于毫米波器件，大功率器件，铁氧体移相器上，SRPC“ISTOK”公司研制的材料在嵌入式微带和带线环行器和隔离器，同轴环行器，毫米波波导环行器和隔离器，高功率毫米波和厘米波环行器上广泛应用。
在欧洲，欧盟研究了微波真空器件用碳纳米管，微波与先进CMOS（补充型金属氧化物）技术集成，微电机系统集成相阵天线等。英国Belfast大学高频电子研究小组的典型研究项目包括毫米波前端和集成自追踪天线用的灵敏结构，其中关键技术是研制具有低反射损耗的空间移相器。英国Loughborough大学的无线通信研究小组主要研究天线与无线系统，包括在移动和卫星通信系统、微波和毫米波工程中的应用[11][12]。
3.3 电子信息材料
2006年8月, 美国乔治亚州技术学院研制出一种新型液晶聚合体材料(LCP), 并正在实验测试。这种超薄、像塑胶一样的材料具有轻质和柔软的特性, 比传统材料的性能更优异, 可应用于电路板、相控阵天线等各种领域。
2006年10月, 美国利弗莫尔·伯克利国家实验室研制出一种能够提高太阳能电池板功率的新型半导体材料。应用该材料能比传统材料获取更多频谱的太阳能, 利用率可达45%, 而传统的单晶半导体材料是25%, 传统的多晶半导体材料为39%, 有望替代在卫星上应用的昂贵的锌锰碲合金材料。
美国IBM公司和乔治亚州技术学院联合研制出一种新型硅-锗半导体材料。采用此材料制造成的晶体管运行频率超过500GHz。经过实验测试, 材料性能在超低温度 6 下仍然达到预定的期望值。该材料制成的超高频率硅-锗半导体材料电路可应用于通信、防务、航天、遥感等诸多潜在的应用领域[13]。研究展望
新材料的研究发展水平与一个国家的高技术以及国防建设的发展有着密切关系。而新材料在军工的研究任然十分活跃，目前的国内外研究水平已经取得了不少的成果，但是，在要求武器装备轻量化、性能高效化、智能化的现在，新材料还应该向以下趋势发展。
（1）在金属结构材料方面，主要发展高纯度、高强度、高韧性和耐高温以及低密度的金属结构材料，积极开发低成本合金。
（2）超高强度钢的发展趋势是在保证超高强度的同时, 不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。
（3）对于金属间化合物应该致力于研究合金化和复合化研究，用以解决其低温脆性和高温强度偏低的缺陷。
（4）目前陶瓷结构材料存在的主要问题是脆性高、成本高和加工困难, 发展方向是采用CVI 技术和纳米技术制造高性能陶瓷。
（5）复合材料方面，应该加大新型复合材料的开发，提高材料的环保性能，可靠性能，智能性。
（6）军用功能材料的未来发展趋势是功能复合型材料，因此，各种功能材料在复合功能材料的研究是很有必要的。
总的来说，军用新材料的发展趋势是种类增多, 成本降低, 性能提高。材料通用化和标准化以及新型的加工工艺手段可以提高产品的使用寿命并且可以简化维修，也是未来军用材料研究的重点[14]。
参考文献
[1] 郑子樵.新材料概论[M].长沙：中南大学出版社，2009 [2] 张治民.变形镁合金应用研究与发展[A].中国有色金属工业协会镁业分会第十三届年会论文集[C], 银川, 2010.[3] 黄德民.新材料在现代鱼雷技术中的应用于发展[J].鱼雷技术，2004.12（2）[4] 彭艳萍.军用新材料的应用现状及发展趋势（待续）[J].材料导报，2000.14（1）[5] 李晓红.浅谈航空新材料与飞机、发动机的发展[J].中国军转民，2008.10 [6] 张卫东.装甲材料的发展历程[J].国外坦克，2006.10 [7] 陈统.新材料在兵器中的应用[J].现代兵器，1990 [8] 刘薇，杨军.装甲防护材料的研究现状及发展趋势[J].热加工工艺，2011.40（2）
[9] 于海涛，庄海燕，等.纳米隐身材料的研究进展及发展趋势[J].材料开发与应用，2011.26（1）[10] 赖高惠.军用纳米技术[J].化工新材料，2006.34（3）
[11] 杨仁富，马昌贵.国外军事领域磁性材料研究动态[J].新材料产业，2005.4 [12] 翁兴园，张继松，王燕明.非晶软磁合金材料的市场前景和发展方向[J].材料导报，2003.5 [13] 王家胜.2006年世界航天新材料发展综述[J].中国航天，2007,03 [14] 李汉海，唐振宇，梁龙喜.野战工事新材料技术应用的发展[A] 中国±木工程学会防护工程分会第九次学术年会论文集[C]，北京，2004.
第三篇：新材料在军工方面的研究现状和发展趋势
新材料在军工方面的研究现状和发展趋势
摘要：随着现代军事科技的不断发展，促使各国对武器装备的性能提出了更高的要求。由于军用新材料能够满足武器材料强韧化、轻量化、多功能化和高效化的发展要求，促使军工新材料的研究十分繁荣。本文主要综述了国内外军用结构新材料和功能新材料的研究进展，并对未来军用新材料的研究趋势进行了总结。关键词：军用新材料，钛合金，高强度钢，纳米隐身材料，磁性材料 前 沿
新材料是指那些新出现或正在发展中的具有传统材料所不具备的优异性能的材料。新材料的研制、开发与应用不仅构成对高技术发展的推动力，而且也成为衡量一个国家科技水品的高低的重要标志。因此，新材料是技术革命与创新的基石，是社会现代化的先导。现代高新技术对新材料的依赖越来越多，这使得发达国家和发展中国家都争相将新材料列为高新技术优先发展的领域和关键技术，各国都采取各种措施，力争抢占新材料技术的“制高点”[1]。
新材料的出现和应用又为国防安全提供了保证。国防科一直都是高、精、尖技术的集合，新材料是高技术的先导和基础。纳米材料出现使微型武器出现在战场，先进高分子材料出现使洲际导弹的出现成为可能，新型锂离子电池材料的出现让“无人机”出现在人们的视野，而非晶软磁合金材料大大提高了一些精密武器的工作环境。由此可见，新材料也是军事工业发展的重要促进力量，是新型武器装备的物质基础, 也是当今世界军事领域的关键技术。所以，对新材料在军工方面的研究现状总结和发展趋势的展望，对促进我国军事工业的发展有重大意义。军用结构材料
军用新材料按材料性能和用途可分为结构材料和功能材料两大类, 主要应用于航空工业、航天工业、兵器工业和船舰工业中。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能，以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀和抗辐射等性能要求, 目前在军事领域应用的结构材料主要有以下几类。
2.1 先进金属结构材料
2.1.1 变形镁合金
变形镁合金有很高的比强度、比刚度和塑性，是航空航天领域中最有前途的金属结构材料之一，座舱架、吸气管、导弹舱段、壁板、蒙皮、直升机上机闸等大都采用镁理合金制件。有研究表明采用镁合金部件代替铝合金，可以解决铝合金机翼 的疲劳问题。目前，对于镁合金的研究和开发已基本成熟，多个品牌的变形镁合金已经开发出来。例如：耐热镁合金、耐蚀镁合金、阻燃镁合金、高强韧镁合金以及超轻变形Mg-Li合金。其中，镁锂合金的研究十分活跃，美国、日本、俄罗斯在理论和应用开发方面都做了不少研究，我国也有一些单位进行前期研究，如东北大学和哈尔滨工业大学。目前主要应用在歼击机和枪械方面。如喷气式歼击机“洛克希德F-80”以及“B-36”轰炸机都应用这类镁合金。耐热镁合金目前主要在往稀土镁合金方向研究，如美国开发的QE22和 WE44镁合金具有相当高的高温强度，以运用到直径1m的“维热尔”火箭壳体的制作上，提高了其飞行性能。阻燃镁合金目前的研究也是向稀土化方向发展。2.1.2 先进钛合金
钛是20世纪80 年代走向工业化生产的一种重要金属。也是一种对经济和国防具有重要意义的新型金属。钛合金与镁合金相似，它密度小、强度高、耐高温和抗腐蚀性好等优点，在航空航天和军事领域中获得了广泛应用，包括军用、民用飞机、航空发动机、导弹。舰艇、核反应堆以及轻型火炮等。为了扩大钛合金在军事方面的用途，主要进行了以下几个方面的研究。（1）高强韧性，美国开发的Ti1023钛合金抗拉强度高、断裂韧性高、耐疲劳性好、锻造性能优良，已应用在B777飞机起落架系统和火箭发动机推进剂储箱和导管等部件。（2）耐高温性，这项工作开始于20世纪50年代初期，英国、美国和俄罗斯在这方面具有先进水平，英国的IMI829、IMI834钛合金，美国的Ti100、俄罗斯的BT18Y、BT36、BT37已经用在了军用飞机发动机上。（3）阻燃性，20世纪80年代美国的两家公司研制出对持续燃烧不敏感的钛合金Alloy C（Ti-1270），它具有较高的室温强度，并具有良好的室温和高温塑性、蠕变和疲劳性能，已用于F119发动机。我国研制的Ti-40阻燃性能与美国的Ti-1270相当，也用于我国新型的战斗机发动机上。2.1.3超高强度钢
超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200 Mpa 和1400 Mpa的钢, 它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。Aermetl00是美国Carpenter技术公司研制的高合金超高强度钢。已披用于F-
22、F-18E/F等先进飞机的起落架。美国近期又开发出一种后继钢，称Aermet 310，比Aermet100强度高10％，,其特点是塑性好、扩孔率高，具有优良的翻边成形性能和稳定的力学性能。可应用于各类加强件、臂类与梁类零件。ERW和HISTORY是JFE针对飞机悬架系零部件开发的高强度钢管，强度级别也是780 MPa。该材料具有良好的液压成形性能。已 2 开始应用于飞机悬架系统的臂类零件。国内发动机、直升机传动材料技术十分落后，北京航空材料研究院已自主开发出适应某型号飞机发动机的刚强度钢。2.1.4 金属间化合物
金属间化合物材料技术仍处在探索发展阶段，美国GE公司将Ti-48Al-2Nb-2Crγ型合金精铸成CF6—80CZ发动机涡轮叶片．地面试车取得成功。惠普公司也拟根据Caesar计划在F119发动机上试车。对镍铝化台物也在进行广泛的研究工作，俄罗斯近年开发成功了BKHA-1B和BKHA-2M．前者以Nl3Al为基、后者以N3Al+NaAl为基。已分别用于发动机静子叶片和导向叶片涂层材料。国外在铌基体中加入Si，形成Nb3Si或Nb 3Si2金属间化合物。作为增强体，形成Nb-Si复合材料，其耐温能力比单晶合金提高
200～300℃。
2.2 复合材料
材料科学的发展造就了高强度、高模量、低比重的碳纤维，从而掀开了先进复合材料的时代。碳基增强具有无可比拟的高比强度及高比刚度性质及耐腐蚀、耐疲劳特性，非常适用于航空飞机和航天飞机。PAN 碳基纤维较早时候是T300级别的用于武器装备上，20世纪60年代末，美国开发出了硼纤维增强的环氧树脂复合材料，1971年成功应用于F-14战斗机尾翼上，此后又有F-
15、F-
16、米格-
29、幻影2000、F/A-18等复合材料尾翼问世。此时一般一架军用飞机的垂尾、平尾全采用复合材料，可占总重的5%左右。经过以后的发展，目前的飞机上复合材料用量到20%～50%不等，如美国的B-2战斗机大约占50%左右，机身大部分为复合材料。
复合材料除了在军用飞机上有突出贡献，在导弹弹头上也大量应用，复合材料最早应用在导弹弹头的是层压玻璃/酚醛复合材料，后来发现不足，产生了模压高硅氧/酚醛。目前，科学家开发出了更好的碳/碳复合材料, 碳/碳复合材料具有低密度(<2.0g/cm3)、高比强、高比模量、高导热性、低膨胀系数，以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高等优点，是目前在1650℃以上应用的唯一备选材料，最高理论温度更高达2600℃，因此被认为是最有发展前途的高温材料。近期研制的导弹头帽几乎都采用了碳/碳复合材料。目前为了提高导弹的打击能力，由开发出碳/酚醛复合材料用作导弹弹头的防热层。另外在固体火箭发动机的喷管上，复合材料也不短改进，从最早的金属到后来的金属/非金属，现在一开始使用碳/碳复合材料，使导弹的性能得到很大的提高。
陶瓷及陶瓷基复合材料具有高耐热性、低密度、良好的高温抗氧化性、抗腐蚀性和耐磨性等优点，对提高航空发动机的涡轮前温度，进而提高发动机的推重比和 3 降低燃料消耗具有重要作用。因此，高温结构陶瓷及其陶瓷基复合材料(CMC)的研究成为高推重比航空发动机的关键技术之一。美国早在1995年就用陶瓷基复合材料制造出了发动机燃烧室浮璧，并成功应用于XTC-65核心机中；法国在大量研究工作的基础上，将陶瓷基复合材料技术用于Rafale飞机的M88燃气涡轮发动机喷嘴阀；英国罗罗公司对陶瓷基复合材料的第一步目标是发展能在1200℃工作的陶瓷基复合材料，使现在的遄达发动机减重10％左右。目前，陶瓷基复合材料一直在改性研究上，碳纤维改性是最近研究的热点，用日本碳素公司生产的Hi-Nicalon纤维及道康宁公司开发的Sytramic纤维改性获得了较好结果。军用功能材料
3.1 纳米隐身材料
美、俄、法等军事强国都把纳米隐身材料作为新一代的隐身材料进行探索和研究, 并对纳米材料的微波电磁谱理论、材料系列、制备方法、性能表征等进行了系统研究, 研制出了多种不同结构的纳米隐身材料, 取得了实质性进展。
1995年, 日本采用纳米碳管与磁性吸收剂复合, 设计了纳米材料吸波涂层, 吸波性能有一定的提高, 在此基础上, 具有更明显的形状、磁晶、应力各向异性的二维纳米结构磁性金属薄膜逐渐引起了人们的重视。
20世纪末, 美国研制出的“超黑粉”纳米隐身材料, 对雷达波吸收率达到99%, 这种“超黑粉”纳米隐身材料实际上是用纳米石墨做吸收剂制成的石墨热塑性复合材料和石墨环氧树脂复合材料, 不仅吸收率大, 而且在低温下仍保持良好的韧性。
2000年俄罗斯成功利用了纳米晶体膜的高磁损耗和高磁导率特性, 制备了20nm 的超薄型多层膜毫米波吸波材料 , 具有良好的隐身效果。
法国研制的一种磁性多层膜宽频带纳米隐身材料, 它是由粘结剂和纳米级微屑填充材料构成, 能够吸收超高频的电磁波, 纳米级由超薄不定型磁性薄层及绝缘层构成, 非晶态磁性材料层为具有高磁导率的铁磁性材料, 层厚度为3nm,绝缘层为碳或者无机材料, 厚度为5nm,在50MHz～50GHz频率范围内具有良好的吸波性能
[9][10]。
国内从20世纪80年代末也一直关注纳米材料用于雷达波隐身的可能性, 在纳米隐身机理的理论研究和实验研究方面均有所进展。成都电子科技大学研制的纳米针形磁性金属粉多层纳米膜复合吸波材料, 通过改变纳米针形磁性金属粉成分, 可以有效地控制其频率特性, 有利于展宽吸收频带。南京大学、华中科技大学在纳米物性研究的基础上, 理论上论证了采用纳米磁性多层膜提高隐身材料吸波效果的可行性, 并采用磁控溅射技术试制了纳米晶薄膜, 在4GHz～6GHz, 磁导率μ"可达到 40左 右, 比磁性微米吸收剂提高了10倍。
3.2 磁性材料
磁性材料作为新材料的一种，也是发展非常迅速的基础功能材料，其功能、结构、用途也是十分广泛的。而其在军事领域中的广泛应用更是成为各国强化军事优势的重要手段。
美国作为军事大国，其科技十分发达，在微波领域尤其如此。美国军方2003年与IBM等公司合作研究用于雷达报警系统、全球定位系统、舰载防御导弹、PAC-3导弹等的磁性材料，取得可喜进展。2004年IBM微电子公司发布了两条标准IC生产线，包括功率放大器和电压控制振荡器。2006年8月，美国东北大学研制出一种磁性材料。这种磁性陶制薄膜材料具有一种自发磁矩，可以有效降低雷达对磁体的需求。美国新近成立的VIDA产品公司集中研究高Q、宽调谐滤波器、振荡器和频率合成器的军事和商业应用。在新武器电磁炮方面，美国也已经取得了成果。
在欧洲，欧盟研究了微波真空器件用碳纳米管，微波与先进CMOS（补充型金属氧化物）技术集成，微电机系统集成相阵天线等。英国Belfast大学高频电子研究小组的典型研究项目包括毫米波前端和集成自追踪天线用的灵敏结构，其中关键技术是研制具有低反射损耗的空间移相器。
3.3 电子信息材料
2006年8月, 美国乔治亚州技术学院研制出一种新型液晶聚合体材料(LCP), 并正在实验测试。这种超薄、像塑胶一样的材料具有轻质和柔软的特性, 比传统材料的性能更优异, 可应用于电路板、相控阵天线等各种领域。
2006年10月, 美国利弗莫尔·伯克利国家实验室研制出一种能够提高太阳能电池板功率的新型半导体材料。应用该材料能比传统材料获取更多频谱的太阳能, 利用率可达45%, 而传统的单晶半导体材料是25%, 传统的多晶半导体材料为39%, 有望替代在卫星上应用的昂贵的锌锰碲合金材料。
美国IBM公司和乔治亚州技术学院联合研制出一种新型硅-锗半导体材料。采用此材料制造成的晶体管运行频率超过500GHz。经过实验测试, 材料性能在超低温度下仍然达到预定的期望值。该材料制成的超高频率硅-锗半导体材料电路可应用于通信、防务、航天、遥感等诸多潜在的应用领域。研究展望
新材料的研究发展水平与一个国家的高技术以及国防建设的发展有着密切关系。而新材料在军工的研究任然十分活跃，目前的国内外研究水平已经取得了不少 的成果，但是，在要求武器装备轻量化、性能高效化、智能化的现在，新材料还应该向以下趋势发展。
（1）在金属结构材料方面，主要发展高纯度、高强度、高韧性和耐高温以及低密度的金属结构材料，积极开发低成本合金。
（2）超高强度钢的发展趋势是在保证超高强度的同时, 不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。
（3）对于金属间化合物应该致力于研究合金化和复合化研究，用以解决其低温脆性和高温强度偏低的缺陷。
（4）目前陶瓷结构材料存在的主要问题是脆性高、成本高和加工困难, 发展方向是采用CVI 技术和纳米技术制造高性能陶瓷。
（5）复合材料方面，应该加大新型复合材料的开发，提高材料的环保性能，可靠性能，智能性。
（6）军用功能材料的未来发展趋势是功能复合型材料，因此，各种功能材料在复合功能材料的研究是很有必要的。
总的来说，军用新材料的发展趋势是种类增多, 成本降低, 性能提高。材料通用化和标准化以及新型的加工工艺手段可以提高产品的使用寿命并且可以简化维修，也是未来军用材料研究的重点。
参考文献
[1] 郑子樵.新材料概论[M].长沙：中南大学出版社，2009 [4] 彭艳萍.军用新材料的应用现状及发展趋势（待续）[J].材料导报，2000.14（1）[5] 李晓红.浅谈航空新材料与飞机、发动机的发展[J].中国军转民，2008.10 [6] 张卫东.装甲材料的发展历程[J].国外坦克，2006.10 6
第四篇：新材料在军工用品方面的应用现状和发展趋势
新材料技术在军工方面的应用现状及发展趋势
武晓博
摘 要：军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类，广泛应用于航空、航天、兵器和船舰等领域中。文章对二者进行了综述，并就及其在军工领域的相关应用；并讨论了其今后的发展趋势。
关键词：新材料技术；军工；结构材料；功能材料 引言
国无防不立，民无防不安。作为一个国家、一个民族，最重要的无非两件大事：一个是发展问题，一个是安全问题。国防是人类社会发展与安全需要的产物，它是关系到国家和民族生死存亡的根本大计。
现代国防以军事力量为核心，还包括有关的非军事力量；它重视国家的战争潜力，特别是战时的动员效率；它还是以经济和科技为主的综合实力的竞争。材料技术作为国家科技发展规划中最为关键的领域之一，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全局的高新技术。材料高新技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术，用于军事领域的军用新材料技术是发展高新技术武器的物质基础，也是一个国家国防力最最重要的物质基础。
出于自身利益及世界形势的考量，每个国家都需要且必须建立强大的国防。因而开发具有自主知识产权的现代化尖端武器，对国家安全而言就显得尤为重要。而就目前现有的材料品种、规格、性能及冶炼工艺方式已远远不能满足高新武器发展的需求，有时甚至成为制约武器研究开发的“瓶颈”，在这种背景下，军用材料技术便应运而生。目前，世界范围内的军用新材料技术已有上万种，并以每年5％的速度递增，正向高功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展。2 新材料技术在军工方面的应用
军用新材料按其用途可分为结构材料和功能材料两大类，广泛应用于航空、航天、兵器和船舰等领域中。
2.1 军用结构材料
随着现代科学技术的发展，武器装备的技术密集程度越来越高，正在从机械化战争向信息化战争演变，武器装备向精确制导方向发展。因此，对军用材料提出了更高、更新的要求。2.1.1 镁合金[1] 镁合金作为最轻的工程金属材料，具有比重轻、比强度及比刚度高、阻尼性及导热性好，电磁屏蔽能力强、以及减振性好等一系列独特的性质，极大的满足了航空航天、现代武器装备等军工领域的需求。
镁合金在军工装备上有诸多应用，如坦克座椅骨架、车长镜、炮长镜、变速箱箱体、发动机机滤座、进出水管、空气分配器座、机油泵壳体、水泵壳体、机油热交换器、机油滤清器壳体、气门室罩、呼吸器等车辆零部件；战术防空导弹的支座舱段与副翼蒙皮、壁板、加强框、舵板、隔框等弹箭零部件；歼击机、轰炸机、直升机、运输机、机载雷达、地空导弹、运载火箭、人造卫星等飞船飞行器构件。
镁合金重量轻、比强度和刚度好、减振性能好、电磁干扰、屏蔽能力强等特点能满足军工产品对减重、吸噪、减震、防辐射的要求。在航空航天和国防建设中占有十分重要的地位，是飞行器，卫星，导弹，以及战斗机和战车等武器装备所需的关键结构材料。2.1.2 铝合金
铝合金一直是军事工业中应用最广泛的金属结构材料之一。铝合金材料具有密度低、强度高、加工性能好等特点，作为结构材料，因其加工性能优良，可制成各种截面的型材、管材、高筋板材等，以充分发挥材料的潜力，提高构件刚、强度。所以，铝合金是武器轻量化首选的轻质结构材料。
铝合金的发展趋势是追求高纯、高强、高韧和耐高温，在军事工业中应用的铝合金主要有铝锂合金、铝铜合金和铝锌镁合金。
新型铝锂台金应用于航空工业中，预计飞机重量将下降8%~15%；铝锂合金同样也将成为航天飞行器和薄壁导弹壳体的候选结构材料。随着航空航天业的迅速发展，铝锂合金的研究重点仍然是解决厚度方向的韧性差和降低成本的问题。2.1.3 结构陶瓷
常用的结构陶瓷材料主要包括：氧化铝、氧化铅、氮化硅、碳化硅、氮化铝及其复合材料等。由于结构陶瓷材料通常具有高强、高硬、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的特性，因而在国防、军工领域具有广泛的应用。
陶瓷材料是当今世界上发展晟快的高技术村料，它已经南单相陶瓷发展到多相复合陶瓷。结构陶瓷材料因其耐高温、低密度、耐磨损及低的热膨胀系数等诸多优异性能，在军事工业中有着良好的应用前景。
利用结构陶瓷的高硬度、高耐磨性可以制备陶瓷刀具、陶瓷轴承、防弹装甲、各种阀门、耐磨衬里、密封环；利用结构陶瓷的耐高温性能可以制备高温陶瓷热交换器、汽车尾气过滤器、燃气轮机高温过流部件；利用结构陶瓷的透明性可以制备透明灯管、导弹窗口材料等[2]。2.1.4 超高强度钢
超高强度钢是屈服强度和抗拉强度分别超过1200MPa和1400MPa的钢，它是为了满足飞机结构上要求高比强度的材料而研究和开发的。
超高强度钢不仅具有高的抗拉强度，还具有一定塑性和韧性、小的缺口敏感性、高的疲劳强度、一定的抗蚀性、良好的工艺性能、符合资源情况及价格低廉等优点，在航空工业的应用越来越广泛。
超高强度钢大量用于制造火箭发动机外壳，飞机机身骨架、蒙皮和着陆部件以及高压容器和一些常规武器。由于钛合金和复合材料在飞机上应用的扩大，钢在飞机上用量有所减少，但是飞机上的关键承力构件仍采用超高强度钢制造。目前，在国际上有代表性的低合金超高强度钢300M，是典型的飞机起落架用钢。此外，低合金超高强度钢D6AC是典型的固体火箭发动机壳体材料。超高强度钢的发展趋势是在保证超高强度的同时，不断提高韧性和抗应力腐蚀能力。2.1.5 先进高温合金
高温合金在600~1200℃高温下能承受一定应力并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金，具有较高的高温强度，良好的抗氧化和抗腐蚀性能，良好的疲劳性能、断裂韧性等综合性能广泛应用于航空、航天、石油、化工、舰船的一种重要材料。按基体元素来分，高温合金又分为铁基、镍基、钴基等高温合金。铁基高温合金使用温度一般只能达到750~780℃，对于在更高温度下使用的耐热部件，则采用镍基和难熔金属为基的合金。镍基高温合金在整个高温合金领域占有特殊重要的地位，它广泛地用来制造航空喷气发动机、各种工业燃气轮机最热端部件。若以150MPA~100H持久强度为标准，而目前镍合金所能承受的最高温度＞1100℃，而镍合金约为950℃，铁基的合金＜850℃，即镍基合金相应地高出150℃至250℃左右。所以人们称镍合金为发动机的心脏。目前，在先进的发动机上，镍合金已占总重量的一半，不仅涡轮叶片及燃烧室，而且涡轮盘甚至后几级压气机叶片也开始使用镍合金。与铁合金相比，镍合金的优点是：工作温度较高，组织稳定、有害相少及抗氧化搞腐蚀能力大。与钴合金相比，镍合金能在较高温度与应力下工作，尤其是在动叶片场合。2.1.6 复合材料
复合材料是指两种以上不同性质或不同结构物质组合而成的材料，通常由基体材料与增强剂组成。先进复合材料比通用复合材料具有更高综合性能，它包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料等，它在军事工业的发展中起着举足轻重的作用。先进的复合材料具有高强度、高模量、耐烧蚀、抗侵蚀、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隐身、抗高速撞击等一系列优点，是国防工业发展中最重要的一类工程材料。
复合材料正在迅速发展成为航天航空工业的基本结构材料。高性能聚合物基复合材料在航空航天工业的用量占其全部用量的80％。由于碳纤维具有高比强度、比模量、低热膨胀系数和高导热性等独特性能，因而由其增强的复合材料用作航空航天结构材料，减重效果十分显著，显示出无可比拟的巨大应用潜力。例如，碳纤维增强树脂烬复合材料用做航天飞机舱门、机械臂和压力容器等，此外，还将其在火箭与导弹的减重、飞机的主承力结构，在雷达波隐身材料方面，除涂层外，复合材料作为结构隐身材料正日益引起人们的关注，主要为碳纤维增强热固性树脂基复合材料(如C/EP、C/PI或C/BMI)和热塑性树脂基复合材料(C/PEEK，C/PPS)，目前已经得到了某些应用[3]。
2.1.7 金属间化合物
金属间化合物具有长程有序的超点阵结构，保持很强的金属键结合，使它们具有许多特殊的理化性质和力学性能。金属间化合物具有优异的热强性，近年来已成为国内外积极研究的重要的新型高温结构材料。在军事工业中，金属间化合物已被用于制造承受热负荷的零部件上；在兵器工业领域，坦克发动机增压器涡轮材料为K18镍基高温合金，因其比重大、起动惯量大而影响了坦克的加速性 能，应用钛铝金属闻化合物及其由氧化铝、碳化硅纤维增强的复合轻质耐热新材料，可以大大改善坦克的起动性能，提高战场上的生存能力。此外，金属问化合物还可用于多种耐热部件，减轻重量，提高可靠性与战技指标。
2.2 军用功能材料[4] 功能材料是指利用声、光、电、磁、热、化、生化等效应，将能量从一种形式转化为另一种形式的材料。功能材料很多，如光电功能材料、贮氢功能材料、阻尼减震材料、隐身材料等。2.2.1 光电功能材料
光电功能材料是指在光电子技术中使用的材料，它能将光电结合的信息传输与处理，是现代信息科技的重要组成部分。光电功能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、砷化镓主要用于制作飞行器、导弹以及地面武器装备红外探测系统的窗口、头罩、整流罩等。氟化镁具有较高的透过率、较强的抗雨蚀、抗冲刷能力，它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。2.2.2 贮氢功能材料
某些过渡簇金属，合金和金属问化合物，由于其特殊的晶格结构的原因，氢原子比较容易透入金属晶格的四面体或八面体间隙位中，形成了金属氢化物，这种材料称为贮氢材料。
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具有广阔的应 用前景。
2.2.3 阻尼减震材料
阻尼是指一个自由振动的固体即使与外界完全隔离，它的机械性能也会转变为热能的现象。采用高阻尼功能材料的目的是减震降嗓，因此阻尼减震材料在军事工业中具有十分重要的意义。2.2.4 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实际。采用隐身技术，使敌方的探测、制导、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，己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。
隐身材料有毫米波结构吸波材料、毫米波橡胶吸波材料和多功能吸波涂料等，它们不仅能够降低毫米波雷达和毫米波制导系统的发现、跟踪和命中的概率，而且能够兼容可见光、近红外伪装和中远红外热迷彩的效果。
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、手性材料、导电高分子材料等逐步应用到雷达波和红外隐身材料，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，发达国家均把纳米材料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上世纪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，预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等。
目前，世界上正在研制的第四代超音速歼击机，其机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层，使其真正具有了隐身功能，而电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已开始在隐身飞机上涂装；美国和俄罗斯的地对空导弹正在使用质、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。3 军用新材料技术的发展趋势
从今后军工企业发展趋势来看，用于军事工业的新材料要求具有较高的技术含量，世界范围内的军用新材料正向高功能化、超高功能化、复合轻量和智能化的方向发展。军事高技术的发展要求材料不再是单一的结构材料。在这种条件下，军用复合材料应运而生。2l世纪复合材料的发展方向是低成本、高性能、多功能和智能化。
我国军用材料经过多年发展，已取得长足进步，但也存在“多、杂、散”的问题，系列化、通用化较差，影响了军用材料科研的整体效益和对于武器装备研制生产的保障能力，为此需要建立适合我国国情的军用材料体系[5]。
回首过去，国防建设和兵器工业的发展得益于材料科学的发展，展望未来，材料科学的进步将给国防建设提供强有力的保障。
参考文献
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第五篇：竹炭研究现状和发展趋势（模版）
竹炭研究现状和发展趋势
俞 佳 燕
（浙江临安 311300）
摘要：本文主要讲述了竹炭的起源，竹炭在国内外的研究现状，竹炭炭化工艺和物理化学性质，竹炭的用途，同时结合竹炭产品开发的多样性所涉及到食品行业，提出要人们慎食竹炭食品，根据竹炭的发展现状，提出了竹炭的发展趋势和几点建议。
关键词：竹炭、炭化工艺、竹炭用途、发展现状、发展趋势
竹炭（BC）是竹材高温热解的固体产物，空隙发达，比表面积大，具有很强的吸附能力，以及良好的导电性能。作为机能性的环境保护材料，竹炭由于其独特的性质和产品的高附加值，越来越受到人们的重视，成为竹材研究领域的一个新热点［1-2］。在大气污染和水污染的治理方面具有广阔的应用前景。它的出现不仅为竹材产业的可持续发展提供了一个新的研究和应用领域，同时也为环境保护提供了一种新型材料[3]，同时人们也逐渐意识到了竹炭在环境、保健、医药、高技术等领域有着潜在和广泛的应用前景[4]。1.竹炭起源
在中国，炭有着悠久的历史。而使用炭，那更是与生俱来的。大概从雷电点燃原始森林使自然形成的木炭横空出世那一刻起，我们的先民们便开始想用炭带给人们的种种环保和健康的生活。
在两千多年前，中国在炭材料的使用上创造了世界奇迹。马王堆木炭的应用就是中国古代使用木炭杰作之一。中国的先民们就已经知道炭的防腐作用。在1972年3月，湖南长沙东郊，中国考古学家发掘了马王堆一号汉古墓时，墓葬两千多年的软侯夫人的肌肤状态仍如同刚刚死去。考古学家究其原因，是因为墓葬当时人们在棺木中安放了万斤木炭。正是用于这些木炭，软侯夫人的尸体外形完整，全身柔软光滑，皮肤呈淡黄色状，肌肉和皮肤有弹性，各关节可自由弯曲。
无独有偶，在日本的古墓中也发现了使用炭保存遗体的办法，那些遗骨和木乃伊的状态十分理想。虽然津轻承公的完整的木乃伊状态只有死后一千年的历史，但也证实了酷爱研究科技的日本人在墓中放置了大量木炭的成效。2.竹炭发展研究现状
竹炭这种新型环保产品几年前首先在东南亚地区兴起，逐步风靡日本、韩国、台湾、新加坡。竹炭产品在国内是在2003年“非典”以后逐步进入市场的。
目前，国际市场对环保产品需求量较大。中国是竹的故乡。以竹炭为原料制作的产品有100多种。由于竹炭产品的价格较高，其销售处于“墙内开花墙外红”阶段，但随着人们环保意识的普遍提高，竹炭这一新型环保产品进入寻常百姓家是指日可待。
我们对竹炭的功效还有些陌生，但在日本、韩国等地城市居民将竹炭用于日常生活已经有十来年的历史了。目前世界上竹炭的消费主要在日本、韩国、新加坡、台湾等国家和地区，这些市场对竹炭的需求基本稳定。在那里，人们已经很习惯将竹炭列为生活日用品之一，他们特别认可竹炭的环保和保健功能，所以，竹炭店到处都是，颇受大家的欢迎。
我国竹炭的生产主要集中在浙江、福建和江西等地，目前的生产厂家有几十家，但大都是近2-3年发展起来的，一般是采用采购原炭，自己生产各种制品。只有20-30%的厂家是10多年前生产木炭的企业改变产品而来，他们大都具有自己的炭窑，其中一小部分厂家具有竹炭纤维的技术。2.1竹炭在日韩国家
竹炭制品的研究在国外主要是日本和韩国，主要研究关于竹材炭化过程、竹炭、竹醋液和竹活性炭的制造和利用。
日本竹炭和竹醋协会名誉会长、京都大学木质科学研究所科学家野村隆哉是这方面的专家。他认为，由于工业文明对生态系统的破坏等全球性环境问题日益突出，天然素材在炭化后所产生的碳结构的物理和化学功能正在受到高度重视。如竹炭的固体表面的物理性质、竹炭的固有振动产生的微弱电磁波与人体的共鸣现象、竹炭的半导体功能和屏蔽电磁波功能及负离子效应等，竹醋对过敏性皮炎和糖尿病等疾病的疗效、促进毛发生长作用、对植物的生理活性功能等。野村隆哉主张对这些物理和化学机理进行研究，并且积极地为它们开拓用途。
日本中村和善提出可用低温干馏炭作脱臭、调湿的功能材料以及用竹炭粉作电磁波屏蔽的材料。浦银治认为竹炭对CO:的吸附性能高，不腐烂、保水、透水、保肥性好，可作土壤改良剂使用。佐久间对竹炭的热水冷却试验，发现加了竹炭的热水不容易变凉，认为如果把竹炭加在洗澡水中，即使是自来水，也可获得类似温泉那样的满足感。
千叶大学的研究成果表明，竹醋的主要成分是醋酸，从中可分离出10种酚衍生物，对于如白粉病等某些植物病害也有抵抗作用。由日本农山渔村文化协会出版的《竹炭和竹醋液的制造方法与用途》一书全面地论述了日本目前关于竹炭和竹醋的研究和应用情况。作者池岛庸元说，竹炭和竹醋今后在环境保护、农业和医疗等方面可望发挥新的作用[6]。
在韩国国内，有人在做饭时，将竹炭包在纱布内放入饭中，煮出的饭味儿更[5]香；泡澡的水里放上一点竹炭，全身倍感融融暖意。韩国许多工厂生产的健康枕头，用的就是竹炭。多孔性竹炭不仅可以蓄留植物根部所需水分，还可以改善土壤的透气性和排水性，为植物的微生物提供良好的生存空间。因此在园林绿化中，盆栽土里掺进豆粒大小的竹炭，能为植物提供健康的生长环境。对庭院树木，则增强了抗病虫害的能力。一些装饰性竹炭，犹如吸水石，放于相宜的盆里，本色、自然，且有着雷劈刀削的天然痕迹.竹炭则营造出更为特殊的情趣，春秋笔法赫然在焉。这样的装饰可去臭去湿，放在电视机或其它家电用品周围，还可起到防电磁波作用。2.2竹炭在其他国家
竹炭作为一种全新的健康环保时尚产品，不仅在新加坡的军工、医药等行业得到广泛应用，更多的是在生活消费领域的应用，它以其独特的健康保健作用被大多数消费者所接受，成为一种健康消费时尚。目前在新加坡市场上有 12 大系列 100 多个品种。如床上用品系列、汽车坐垫系列、鞋垫系列、美肤品系列、厨用品系列、工艺品系列、炭布系列、竹醋液等。
哥伦比亚对于竹炭速干布料的研制，已成功生产出竹碳内衣。它的保暖，是因为使用的材料是纳米级的远红外线纤维，能吸收外界与人体的体温，达到蓄热保温的功能，工研院检测发现，竹炭纱的调节温度效果为一般棉制品的一倍。竹炭内衣中竹炭纱还能有促进血液循环，塑身保健减肥，纺织研究所研究发现，竹炭服饰可以提高人体浅层微血管内的血液流量约30%，有效降低疾病的风险。而血液循环好，又有助于皮下多于脂肪的代谢，避免脂肪囤积或血管阻塞[7]。2.3竹炭在中国
关于竹炭和竹醋液的研究是近几年刚刚兴起的新的研究领域，由于竹子的分布特性所决定，使对竹炭的研究具有很强的区域性。国内对竹炭的生产和研究主要集中在浙江、江西、福建一带。
在竹炭的机能性机理的研究方面，张齐生院士领导的研究小组对竹炭的构造、机能以及对饮用水的净化做了比较详细的研究[8-9]。另外，许多科研单位的研究人员对竹炭的生产和应用方面做了大量的研究。叶良明教授等主要针对竹炭的烧制进行研究 [10-11]；还有其它学者对竹炭的含水率、挥发成分、竹醋液的成分等指标进行了检测[12]。
此外，还可利用竹炭开发医药保健品。如将竹炭粉与助剂混合装入衣服、织物、枕头、帽子、垫子和宠物用具等物品制成保健品，它具有清净空气作用、按摩作用、除臭作用、红外线作用、调温调湿作用、抗菌和杀虫的作用。在医药上利用竹醋液作防菌杀菌剂和治疗皮肤病等医药原料，提取甲醇和醋酸等作化工原料，其他还有染料媒染剂、动物除臭剂、农药添加剂、发根促进剂、土壤改良剂、动物营养剂等。2.3.1竹炭在浙江
中国的竹炭产业发展前景宽阔。生产企业生产主要集中在江浙沿海一带，仅浙江省为例。在五、六年时间内，浙江的竹炭生产产业发展迅猛，比较有名的企业主要集中在遂昌、衢江、安吉、宁波和庆元等地，年产量达3000t以上，产值达3000-4000万元，竹炭品种开发也不断深入，目前已开发出建筑、环保、保健、工艺、化妆等6大类100多个品种的竹炭产品，浙江省已成为竹炭产业发展的重要生产与贸易基地，并且成为山区林业产业经济发展的新亮点[13]。3.竹炭的炭化工艺 3.1备料
炭用材一般选用4年以上竹龄和竹材加工剩余物。因竹材从基部到梢部，其密度、腔壁结构、组成物质都有一定的差异，同时竹材的材性又受竹龄、立地条件、气候环境的影响。竹材中含大量糖类等营养物质，易发生霉蛀。因此，要选择竹龄、大小、立地条件相近的竹材一起装窑，注意竹材的保管、窑中竹材的松紧度等问题。3.2热解
热解工艺条件决定了竹炭的品质，可结合窑体的实际情况，准确控制窑温，尤其是精炼温度，它是竹炭品质的重要指标，不同的用途采用不同的烧制工艺曲线。
竹材的热分解是在温度稍高于100℃时开始的，在150℃以下，竹材受热分解速度很慢，随着温度的升高，竹材受热分解速度显著加快；温度上升到约270℃以上时，分解反应剧烈进行。温度达500℃时，分解反应基本结束。与木材一样，竹材的热分解过程，包括四个阶段：
1.水分蒸发或干燥阶段
加热温度为100--150℃之间，竹材分解的速度缓慢，主要是竹材组织中的吸着水受热蒸发逸散，但竹材的化学组成，没有明显变化；但随着加热时间的延长，竹材中的戊聚糖含量是可能降低，竹材的物理力学性质有所改变。
2.预炭化阶段
加热温度为150--270℃，竹材受热分解速度加快，其中的化学组成发生明显的分解反应，比较不稳定的组份如半纤维素受热分解生成CO2、CO、H2O和少量的乙酸等物质。上述两个热分解阶段，需要外界供给热量，亦即竹材的吸热分解阶段。
3.炭化阶段
加热温度升高至270-450℃，竹材热分解反应剧烈，伴随产生大量的热分解产物，生成的气体中，CO2和CO的量逐渐减少，而碳氢化合物如甲烷、乙烯、烯烃类及各种活性高能的氢自由基和羟基，则逐渐增多；生成的液体主要有乙酸、甲醇、丙酮和木焦油。
这一阶段放出大量的反应热，称为放热反应阶段；而放热反应温度随加热速度而异。
4.煅烧阶段
温度继续升高到450℃以上时，生成的液体产物已经很少，这个阶段借助外部的热量，除去残留在木炭中的挥发物质，及木炭的煅烧。
以上四个阶段，没有明显的界限，甚至同一试件的外表和内部，都可能同时处于不同的热分解阶段。3.3存放
经冷却出窑的竹炭，因竹炭的吸水性强，如果储存环境潮湿，空气混浊，竹炭大量吸水、吸味，这无疑会影响产品的功效。所以应选择空气干燥清洁的仓库，并根据出窑日期、精炼度的不同分类堆放。3.4加工
根据质量要求依次分批进行加工，在加工前应先抽检其精炼度，然后根据精炼度的不同分类加工成片炭、筒炭。规格尺寸应严格按照客户的要求加工，片炭、筒炭不应有裂缝、缺角等，并把粉尘擦干净。作为颗粒炭和粉炭除按客户规定的规格加工外，应特别注意杂质（泥沙等）问题，否则将严重影响产品信誉[14]。4.竹炭的理化性质
竹炭同竹材外观上相比，纤维素束外鞘变得致密，纤维素细胞腔中一些挥发物质减少。竹炭主要是由碳、氢、氧等元素组成，呈六角形，质地坚硬，细密多孔。炭化后的竹材仍然基本上保持密实状态[15]，外表面仍然保留着竹材表皮粗糙不平的颗粒状态，继承了竹材的多孔状和各向异性构造特征，但是竹材基本组织细胞的细胞壁间隙消失，细胞壁变薄[16]。竹炭组织中的矿物是木炭的5倍[17]，1cm3竹炭的表面积可达350m2，是木炭的2.5～3倍，若进一步活化成竹活性炭，则其比表面积可达1000m2以上[18]。竹炭的吸附能力是木炭的10倍以上。木炭的PH值随着炭化温度的增加从酸到碱性变化，但是竹炭的PH值不管炭化温度怎么变化都能保持碱性，并且竹炭的灰份和钾含量好象和PH值有关。在吸湿解析的高温区域，竹炭的调湿能力比木炭强。
竹炭片炭含水率5%～8%，颗粒炭含水率14%～18%；固定碳含量85%～88%；灰分含量（钾、钙）2%～4%；比表面积300～600m-1；挥发分6%～8%；干碳热值30000～33000kJ/kg；PH值8～9；气干密度0.800～1.320g/cm3[19]。5.竹炭用途
(1)燃料:由于竹炭系各种竹材炭化而成，安全性受到信赖，作为烧烤，野炊的燃料，清洁而有情趣，加上目前对其他薪炭材的砍伐限制，作为燃料的竹炭前景看好。
(2)竹活性炭:竹炭经水蒸气法活化处理后具有均匀的细孔状结构，比表面积从50om2/g增加到90om2/g，其竹活性炭的得率为68%，具有和椰子壳活性炭同等以上的比表面积和吸附率。
(3)住宅环境材料:大理石，花岗岩，磁砖类建材，表面容易结露，而三夹板类又容易霉烂虫蛀。用竹炭装填地面和墙壁，由于竹炭对空气中水分的吸湿和解吸调节，加上竹炭的负离子作用，能保持住宅内部环境舒适宜人，心神安定。也茶馆以此来吸引顾客。
(4)水质处理:不仅用来处理自来水，还用来处理污水，河道，渔场，是竹炭浴和掺有用自然物治理环境的极好例子[20]。
(5)健康和美容上的应用:用竹炭制作枕头，有利于睡眠竹炭的美容霜具有特殊的皮肤护理功效[21]。6.慎食竹炭食品
在一些超市、卖场中，一系列用竹炭加工出来的食品进入了人们的视线，有竹炭花生、竹炭金纳豆、竹炭面条、竹炭面包、竹炭酒等，由于商家标榜该类食品具有吸附人体内有害物质，净化血液中毒素的功效，引起了不少消费者的兴趣。
有关专家认为，炭可以吸附微小颗粒，在中医上从古至今有很多的应用，但是竹炭在中医领域却鲜用于临床。根据竹炭食品的宣传，竹炭可以吸附人体内有害物质，净化血液中的毒素，还有助于人体消化排泄，清洁肠道，具有排毒养颜之功效。其在理论上是成立的，但在实践中将竹炭粉添加进食品中就具备种种保健功效，并没有相关的科学实验作为依据。有关资料显示：目前尚没有任何关于食用竹炭粉对人体有益的报告（包括动物实验的报告），活性炭多用于空气和水的净化，其食用功能尚未明确。
竹子虽然是天然的植物，竹笋也是中国料理的重要佳肴，但竹材在高温炭化过程中会发生复杂的化学反应，产生许多复杂化合物，其中焦油就是一种致癌物，必须再精制后才能将焦油除去，若将不当加工后的竹炭或竹醋液直接拿来食用是非常危险的行为。另外，竹炭在加热分解时所产生的甲醇亦有毒性。食用竹炭后，细微颗粒很可能吸入肺里，吸附在肺叶上，而且它吸附性极强，吃下去后很难排出体外，容易形成“尘肺”。有鉴于此，专家认为不要轻信所谓竹炭食品的神奇疗效，选用食品，要看其本质，不要被表象迷惑，对于食用竹炭食品应采用谨慎的态度[22]。
7.竹炭的发展趋势及建议
日本京都大学的野村隆哉进行过竹炭烧制的前处理研究。他对炭材进行烟熏前处理后发现 ,经过烟熏前处理的炭材烧制的竹炭质量好；根据竹炭的不同功用，可以通过控制炭化温度来实现目的；对炭化的工艺和设备的研究方面，主要集中于土窑、简易炉和连续式干馏炉；研究竹炭的机能性及利用竹炭机能性开发新型材料，比如开发净水和空气净化炭以及制作内含竹炭粉的枕头、帽子、垫子等生活用品和农林业的应用研究；目前，竹炭研究还存在不少薄弱方面，比如：竹炭屏蔽电磁波的能力；烧制温度与竹炭的比表面积及电阻率之间的变化规律；竹炭产生远红外线的能力及其远红外线的波长；竹炭净化空气和调节空气湿度的机理和规律等。为了使竹炭及其制品能走进千家万户，建议：
(1）引进先进技术，完善我国竹炭生产工艺
竹炭烧制和产品开发是一个新兴产业，目前已具一定规模，实现了初步产业化，但是我国现行的竹炭生产工艺和技术存在较多的问题，如原料的确定，不同培育方式、不同竹龄的竹材对热解工艺的影响，窑温的控制，竹材热解产品得率等。建议引进国外的先进技术，可大大增强市场的竞争力。
(2）重视深加工，开发新产品提高制品附加值
对竹炭进行化学深加工，并开发竹炭、竹醋系列新产品。据报道，日本已生产出500目的竹炭纤维，并将这种竹纤维拉长与化纤、棉线等交织在一起，热量可增加10%，并具有吸附性能，透气性好等优点。中国台湾省也准备投资200万新台币，购置其生产设备与日本共同生产竹炭纤维。竹炭纤维的问世，使竹子的附加值更进一步得到提升。
(3）加强生产的自动化研究，开发竹炭生产配套设备
要提高产量,生产高质量的竹炭，需要先进的设备。日本在设备制造方面处于世界的领先地位，但是技术较复杂，成本高，所以制造商必须在现有的设备之上，进行改良，使其更适合于我国竹炭企业，也适合于出口到一些经济不够发达的竹子大国，如印度、非洲、南美等地。
(4）重视环保建设，充分利用竹炭加工剩余物
可以用竹材炭化过程中以鼓风炉吸引生成的甲烷气体，先除去气体中的焦油及粉尘，再送至气轮发电机发电。另外，在竹材炭化及发电过程中，除了竹炭、竹醋液外，还可由热交换器将炭化装置出口的废热转换成温热水予以回收，使竹材炭化过程中的材料、水蒸汽、热等都不浪费。
(5）加强理论研究，开拓竹炭应用新领域
由于对竹炭机能性机理的研究目前才刚刚开始,现今开发的竹炭制品许多特点没有充分的科学依据作支撑，加之对竹炭的宣传力度不够，竹炭、竹醋液及其制品在我国目前还没有市场。因此，开展竹炭的理论和应用研究不仅可以使人们从科学的角度来认识和了解竹炭，还必将促进市场的广泛开发。
(6）规范市场机构，完善竹炭相关标准体系
目前我国尚未有有关竹炭的健全的国家标准和企业标准，为了进一步加强竹炭生产和管理，以利于竹炭的推广应用，稳定竹炭质量，作为指导生产和交货依据，制定和完善竹炭的相关标准势在必行。同时，国家应该成立全国性的竹炭方面的专业技术机构，规范竹炭市场，保护国内厂商的利益。
(7）普及竹炭科学，增强竹炭产品推广力度
我国竹炭年产量中只有1/3销于内地市场，大部分销往日本、韩国、中国台湾省等地，内地很多消费者不知道有这样一种产品，相比而言，竹炭在日本、韩国、中国台湾省等地就极流行，已经成为居家的生活用品。应该针对目前家具装修与水污染等诱发的疾病问题，突出宣传竹炭净化水质与空气的功效，慢慢地让竹炭走进千家万户，使竹炭业尽快发展壮大起来[3]。8.小结
综上所述，竹炭是一种性能良好、有着广阔发展空间的多功能材料和环境保护材料，越来越受到人们的重视。我国竹类资源十分丰富，竹炭具有广阔的市场前景。近年来，我国竹炭产业迅猛发展，已成为林区林业增效、林农增收的新途径。竹炭可用于农业、环保、医学、纺织、保健等领域，但我国的竹炭研究刚刚起步，竹炭改性还未产业化，市场前景广阔，应加大科研投资力度，将其广泛推广，造福人类[4]。
参考文献：
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