上游克通大￥ SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 《材料美学》课程综述报告 SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 1日▣G 论文题目：简述复合材料在军事上的运用 学生姓名： 郭睿琦 学生学号： 5090109196 专 业： 船舶与海洋工程 指导教师： 赵斌元 学院（系)： 材料学院
SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY 《材料美学》课程综述报告 论文题目： 简述复合材料在军事上的运用 学生姓名: 郭睿琦 学生学号: 5090109196 专 业: 船舶与海洋工程 指导教师: 赵斌元 学院 (系): 材料学院
摘要 军用新材料是军用高科技的基础，因此世界各国都把军用新材料的研发放 在特殊的地位。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殊功 能的功能材料，而先进的复合材料正能很好地适应这些要求，在军事领域具有极 高的发展前景。 关键词：复合材料军事装备发展现代化武器 一、复合材料的基本意义与背景介绍 复合材料是指由异质、异性、异形的有机聚合物、无机非金属、金属等材料 作为基体或增强体，通过复合工艺组合而成的材料。除具备原材料的性能外，同 时能产生新的性能。与其他单质材料相比，复合材料具有高比强度、高比模量、 耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优良性能，提升空间巨大。目前军用复合材料正向高 功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展，在各类现代化武器中大放光 彩。 二、复合材料在当前军事上的应用状况 2.1.复合材料在战机上的应用 上世纪70年代末，以美国为首的西方国家开始将大量的人力物力财力投入 新型战机的研制中（这和当时里根政府推行的对苏联强硬路线有着密切联系，在 此不多赘述)，当时一大批新出现的复合材料大有用武之地。复合材料在战机上 应用几乎是划时代的一一它们结构坚固，重量轻，耐久性好，有的还具有相当优 越的隐身能力。而将这些成果集于一身的，就是我们要介绍的第一个具体的武器 角色，当前新一代战斗机（包括在研的）王者一一F22战斗机
摘要 军用新材料是军用高科技的基础，因此世界各国都把军用新材料的研发放 在特殊的地位。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殊功 能的功能材料，而先进的复合材料正能很好地适应这些要求，在军事领域具有极 高的发展前景。 关键词：复合材料 军事装备发展 现代化武器 一、复合材料的基本意义与背景介绍 复合材料是指由异质、异性、异形的有机聚合物、无机非金属、金属等材料 作为基体或增强体，通过复合工艺组合而成的材料。除具备原材料的性能外，同 时能产生新的性能。与其他单质材料相比，复合材料具有高比强度、高比模量、 耐高温、耐腐蚀、抗疲劳等优良性能，提升空间巨大。目前军用复合材料正向高 功能化、超高能化、复合轻量和智能化的方向发展，在各类现代化武器中大放光 彩。二、复合材料在当前军事上的应用状况 2.1.复合材料在战机上的应用 上世纪 70 年代末，以美国为首的西方国家开始将大量的人力物力财力投入 新型战机的研制中（这和当时里根政府推行的对苏联强硬路线有着密切联系，在 此不多赘述），当时一大批新出现的复合材料大有用武之地。复合材料在战机上 应用几乎是划时代的——它们结构坚固，重量轻，耐久性好，有的还具有相当优 越的隐身能力。而将这些成果集于一身的，就是我们要介绍的第一个具体的武器 角色，当前新一代战斗机（包括在研的）王者——F22 战斗机
图1、2F22战斗机 F22“猛禽”是一种由美国洛克希德·马丁、波音和通用动力等公司联合为 美国空军设计的重型隐身战斗机，也是目前唯一现役的第五代战斗机。在设计上 具备超音速巡航（不需使用加力燃烧室）、超视距作战、高机动性、对雷达与红 外线隐身等特性，据估计其作战能力大约为现役的℉15战斗机的二到四倍。支持 F22王者地位的，除了先进的航电系统和强劲的发动机外，最值得注意的应是高 性能的复合材料在该机型上的广泛运用。例如当时(80年代初)新研究开发 的高强度钴-62合金，初问世就用在F-22上。机身除了主起落架使用高强 度钢材（这是从抗屈服的角度考虑，战斗机的起落架由于要经常受到较大 冲击一般设计的比较粗壮)外，武器舱门与起落架舱门采用热塑复合材料， 机身骨架采用高硬度钛合金，蒙皮为复合材料一次加工成型一一F22是美国 战斗机中使用钛合金与复合材料最多的机型，其中钛-64合金约36%、热定 型复合材料约24%、铝合金约16%、热塑复合材料约1%、钛-52222合金约 3%,传统的钢材（包含各类高强度钢、不锈钢）只占6%。此外，F22的座 舱盖也成功运用了复合材料，在使用中座舱盖可以像显示器一样，将战机
图 1、2 F22 战斗机 F22“猛禽”是一种由美国洛克希德·马丁、波音和通用动力等公司联合为 美国空军设计的重型隐身战斗机，也是目前唯一现役的第五代战斗机。在设计上 具备超音速巡航（不需使用加力燃烧室）、超视距作战、高机动性、对雷达与红 外线隐身等特性，据估计其作战能力大约为现役的 F15 战斗机的二到四倍。支持 F22 王者地位的，除了先进的航电系统和强劲的发动机外，最值得注意的应是高 性能的复合材料在该机型上的广泛运用。例如当时（80 年代初）新研究开发 的高强度钴-62 合金，初问世就用在 F-22 上。机身除了主起落架使用高强 度钢材（这是从抗屈服的角度考虑，战斗机的起落架由于要经常受到较大 冲击一般设计的比较粗壮）外，武器舱门与起落架舱门采用热塑复合材料， 机身骨架采用高硬度钛合金，蒙皮为复合材料一次加工成型——F22 是美国 战斗机中使用钛合金与复合材料最多的机型，其中钛-64 合金约 36%、热定 型复合材料约 24%、铝合金约 16%、热塑复合材料约 1%、钛-52222 合金约 3%，传统的钢材（包含各类高强度钢、不锈钢）只占 6%。此外，F22 的座 舱盖也成功运用了复合材料，在使用中座舱盖可以像显示器一样，将战机
诸元，雷达告警，武器制导等一系列信息显示出来。而复合材料及涂层制 成的机身对敌方雷达波具有很好的吸收能力，这使得F22的RCS(雷达反射 面积)只有0.1m2,具有极佳的隐身性能。总之，正是复合材料的优良性能， 造就了F22独领风骚三十年的荣誉。 2.2.隐身材料 隐身材料是几十年来军工复合材料的杰作，也是实现武器隐身的物质 基础。声隐身材料包括消声材料、隔声材料、吸声材料及其复合体，主要 用于新一代潜艇。雷达隐身材料能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射 雷达波，从而达到隐身的目的。红外隐身材料可以使装备和设施的红外辐 射与背景基本达到一致，用红外探测器也很难分辨出来。 此外，由于隐身材料有时存在相容性问题，即对一种探测手段的隐身 性能好不见得对另一种也好，为解决这一问题研制了兼容型隐身材料，如 雷达波、红外兼容隐身材料，红外、激光兼容隐身材料，雷达波、红外、 激光等多种兼容的隐身材料，这是当前隐身材料的发展方向。 2.3.复合材料在战舰上的应用 其实从整体上看，战舰隐身的思路大体和战机类似，这里简要介绍下 典型的隐身战舰。 神秘的海上多面体一一海影号隐身试验舰
诸元，雷达告警，武器制导等一系列信息显示出来。而复合材料及涂层制 成的机身对敌方雷达波具有很好的吸收能力，这使得 F22 的 RCS（雷达反射 面积）只有 0.1m 2，具有极佳的隐身性能。总之，正是复合材料的优良性能， 造就了 F22 独领风骚三十年的荣誉。 2.2.隐身材料 隐身材料是几十年来军工复合材料的杰作，也是实现武器隐身的物质 基础。声隐身材料包括消声材料、隔声材料、吸声材料及其复合体，主要 用于新一代潜艇。雷达隐身材料能吸收雷达波，使反射波减弱甚至不反射 雷达波，从而达到隐身的目的。红外隐身材料可以使装备和设施的红外辐 射与背景基本达到一致，用红外探测器也很难分辨出来。 此外，由于隐身材料有时存在相容性问题，即对一种探测手段的隐身 性能好不见得对另一种也好，为解决这一问题研制了兼容型隐身材料，如 雷达波、红外兼容隐身材料，红外、激光兼容隐身材料，雷达波、红外、 激光等多种兼容的隐身材料，这是当前隐身材料的发展方向。 2.3.复合材料在战舰上的应用 其实从整体上看，战舰隐身的思路大体和战机类似，这里简要介绍下 典型的隐身战舰。 神秘的海上多面体——海影号隐身试验舰
图3、4海影号隐身试验舰 绝非巧合，海影号的研制时间恰好与上文中的22接近，而且同样出 身于美国。 从外形上看，“海影”被设计成楔形，周身涂满了黑色的吸波材料， 可有效吸收雷达所发出的探测波。此外，船体下部布设水下声波吸收物和 主动声波抵消器，可以有效地抵消声音，达到消音的效果。 2.3.复合材料在装甲上的应用 复合装甲是由两层以上不同性能的防护材料组成的非均质坦克装甲，一般 来说，是由一种或者几种物理性能不同的材料，按照一定的层次比例复合而成， 依靠各个层次之间物理性能的差异来干扰来袭弹丸（射流）的穿透，消耗其能量， 并最终达到阻止弹丸（射流）穿透的目的。 由于复合装甲层数多，而且各层对于不同的破坏损伤各有抵抗能力， 穿甲弹或破甲弹每穿透一层都要消耗一定的能量。由于各层材料硬度不同， 可以使穿甲弹的弹芯或破甲弹的金属射流改变方向，甚至把穿甲弹芯折断。 因此，复合装甲的防穿透能力比均质装甲要高得多。在装甲的单位面积重 量相同时，复合装甲抗破甲弹的能力比均质钢装甲提高两倍。 复合装甲的种类比较多，而且具体构成都是各国的高度机密，这里只 举出一些例子，说明其具体应用
图 3、4 海影号隐身试验舰 绝非巧合，海影号的研制时间恰好与上文中的 F22 接近，而且同样出 身于美国。 从外形上看，“海影”被设计成楔形，周身涂满了黑色的吸波材料， 可有效吸收雷达所发出的探测波。此外，船体下部布设水下声波吸收物和 主动声波抵消器，可以有效地抵消声音，达到消音的效果。 2.3.复合材料在装甲上的应用 复合装甲是由两层以上不同性能的防护材料组成的非均质坦克装甲，一般 来说，是由一种或者几种物理性能不同的材料，按照一定的层次比例复合而成， 依靠各个层次之间物理性能的差异来干扰来袭弹丸（射流）的穿透，消耗其能量， 并最终达到阻止弹丸（射流）穿透的目的。 由于复合装甲层数多，而且各层对于不同的破坏损伤各有抵抗能力， 穿甲弹或破甲弹每穿透一层都要消耗一定的能量。由于各层材料硬度不同， 可以使穿甲弹的弹芯或破甲弹的金属射流改变方向，甚至把穿甲弹芯折断。 因此，复合装甲的防穿透能力比均质装甲要高得多。在装甲的单位面积重 量相同时，复合装甲抗破甲弹的能力比均质钢装甲提高两倍。 复合装甲的种类比较多，而且具体构成都是各国的高度机密，这里只 举出一些例子，说明其具体应用
2.3.1.复合装甲组合件 亦称模块装甲，它是复合装甲的一种应用形式。将复合装甲制成组合 件的主要优点是能降低炮塔和车体的制作成本，可采用螺栓或铁筐盛装的 办法将其固定在车体或炮塔的相应部件上，同时可根据敌方武器破甲威力 的发展，随时增加或减少复合装甲组合件的挂装数量、另外在非战时可将 其卸下（总重量一般为2吨以上）以降低油料的消耗。【 2.3.2.滑动式装甲 该装甲由6层组成，外面两层为钢板，中间两层为先进的陶瓷板，内 面两层为钢板。当坦克被穿甲弹击中时，外面两层钢板先使弹芯速度减慢， 待弹芯碰到中问两层陶瓷板时，这两层陶瓷板同时左右来回滑动，使弹芯 运动方向发生改变，甚至可把弹芯剪成3段受到损伤的弹芯动能急剧减小， 残存的功能很快就被内面两层钢装甲板吸收。这种装甲可以防御贫铀弹攻 击。 2.3.3.无炸药反作用装甲 美国FMC公司发明了一种无炸药作用的被动式箱形反作用装甲单元， 其特点是：在一个单元中设置若干飞板层，它们由许多独立的飞板（嵌入反 作用装甲单元的小钢块)构成。穿甲弹或破甲弹射入该单元时，飞板破碎或 烧蚀，从而干扰和破坏射弹的侵彻能力。这种箱形反作用装甲单元重量轻， 体积小，用于保护装甲车辆的车体部分，效果较好。 三、展望与思考 除以上介绍的各种类型复合材料外，当前军用复合材料还在向功能型复合材 料快速发展。功能复合材料指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括化学和 生物性能的复合材料。功能复合材料设计自由度大，可按功能-多功能-机敏-智 能的形式逐步升级。功能复合材料将具有电、声、光、热、磁特性的材料，按不 同的应用进行组合匹配，得到不仅保持有原有特性，还产生一些新特性的材料。 而未来的智能武器、隐形武器、电子战武器、激光武器以及新概念软杀伤武器的 设防、跟踪，功能材料也是当仁不让的核心关键技术。 无论是什么材料，什么装备，什么先进的设计，最终还是要取决于国家的综 合实力和研发能力，不应该过度超越当时的实际能力，更不能为追求某些方面的 优越性而剑走偏锋。这并不是保守，而是历史的经验教训。冷战期间苏联在材料
2.3.1.复合装甲组合件 亦称模块装甲，它是复合装甲的一种应用形式。将复合装甲制成组合 件的主要优点是能降低炮塔和车体的制作成本，可采用螺栓或铁筐盛装的 办法将其固定在车体或炮塔的相应部件上，同时可根据敌方武器破甲威力 的发展，随时增加或减少复合装甲组合件的挂装数量、另外在非战时可将 其卸下(总重量一般为 2 吨以上)以降低油料的消耗。 [ 2.3.2.滑动式装甲 该装甲由 6 层组成，外面两层为钢板，中间两层为先进的陶瓷板，内 面两层为钢板。当坦克被穿甲弹击中时，外面两层钢板先使弹芯速度减慢， 待弹芯碰到中问两层陶瓷板时，这两层陶瓷板同时左右来回滑动，使弹芯 运动方向发生改变，甚至可把弹芯剪成 3 段受到损伤的弹芯动能急剧减小， 残存的功能很快就被内面两层钢装甲板吸收。这种装甲可以防御贫铀弹攻 击。 2.3.3.无炸药反作用装甲 美国 FMC 公司发明了一种无炸药作用的被动式箱形反作用装甲单元， 其特点是：在一个单元中设置若干飞板层，它们由许多独立的飞板(嵌入反 作用装甲单元的小钢块)构成。穿甲弹或破甲弹射入该单元时，飞板破碎或 烧蚀，从而干扰和破坏射弹的侵彻能力。这种箱形反作用装甲单元重量轻， 体积小，用于保护装甲车辆的车体部分，效果较好。 三、展望与思考 除以上介绍的各种类型复合材料外，当前军用复合材料还在向功能型复合材 料快速发展。功能复合材料指除力学性能以外还提供其他物理性能并包括化学和 生物性能的复合材料。功能复合材料设计自由度大，可按功能-多功能-机敏-智 能的形式逐步升级。功能复合材料将具有电、声、光、热、磁特性的材料，按不 同的应用进行组合匹配，得到不仅保持有原有特性，还产生一些新特性的材料。 而未来的智能武器、隐形武器、电子战武器、激光武器以及新概念软杀伤武器的 设防、跟踪，功能材料也是当仁不让的核心关键技术。 无论是什么材料，什么装备，什么先进的设计，最终还是要取决于国家的综 合实力和研发能力，不应该过度超越当时的实际能力，更不能为追求某些方面的 优越性而剑走偏锋。这并不是保守，而是历史的经验教训。冷战期间苏联在材料
科学的方面落后于西方，为了拦截当时（七十年代初）美国新出现的SR71高超 音速侦察机（该机93%的材料是钛合金，马赫数超过3.0且升限大于两万米)等 超音速目标，苏联人剑走偏锋设计出了米格25战斗机（其实该叫截击机），速度 同样高达2.5马赫。可是由于苏联在飞机材料加工技术上落后于西方，米格25 只得使用不锈钢作为机身（铝合金在这样的高速和巨大的空气摩擦产生的高温下 会软得像面条，苏联当时没有加工大型钛合金构件的能力)，而且发动机喷口无 法调整，速度很快但机动性极差。当80年代美国的F22、B2等大量采用先进复 合材料的隐形飞机出现后，米格25迅速失去了风采，并随着创造它的红色帝国 一起走下了历史舞台。我们在大力更新现代化装备的同时，更应加强对各类基础 科学的投入。材料问题已经困扰我们的装备业太久了，提升材料科学产业是一条 艰辛而漫长的道路，也没有捷径可找，只能踏踏实实一步一步地追赶。虽然国家 早已认识到这个问题，但是要看到成效还需要相当长的一段时间，不必气馁，也 绝不能急躁，漫长的道路尽头总会有明亮的未来。 参考资料 《复合材料在军事领域的应用》 《新型装甲的发展》四川兵工学报2004年3期第6-7,10页 《米格-25“狐蝠”》中国科普博览中国科学院计算机网络信息中心 百度百科相关内容
科学的方面落后于西方，为了拦截当时（七十年代初）美国新出现的 SR71 高超 音速侦察机（该机 93%的材料是钛合金，马赫数超过 3.0 且升限大于两万米）等 超音速目标，苏联人剑走偏锋设计出了米格 25 战斗机（其实该叫截击机），速度 同样高达 2.5 马赫。可是由于苏联在飞机材料加工技术上落后于西方，米格 25 只得使用不锈钢作为机身（铝合金在这样的高速和巨大的空气摩擦产生的高温下 会软得像面条，苏联当时没有加工大型钛合金构件的能力），而且发动机喷口无 法调整，速度很快但机动性极差。当 80 年代美国的 F22、B2 等大量采用先进复 合材料的隐形飞机出现后，米格 25 迅速失去了风采，并随着创造它的红色帝国 一起走下了历史舞台。我们在大力更新现代化装备的同时，更应加强对各类基础 科学的投入。材料问题已经困扰我们的装备业太久了，提升材料科学产业是一条 艰辛而漫长的道路，也没有捷径可找，只能踏踏实实一步一步地追赶。虽然国家 早已认识到这个问题，但是要看到成效还需要相当长的一段时间，不必气馁，也 绝不能急躁，漫长的道路尽头总会有明亮的未来。 参考资料 《复合材料在军事领域的应用》 《新型装甲的发展》 四川兵工学报[J]2004 年 3 期第 6-7,10 页 《米格-25“狐蝠”》 中国科普博览 中国科学院计算机网络信息中心 百度百科相关内容