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Status de aplicação de materiais metálicos para equipamentos militares
2024-09-07
A indústria de novos materiais é uma indústria estratégica e fundamental, e uma área-chave para uma nova rodada de revolução científica e tecnológica e transformação industrial. Nos últimos dez anos, o valor total da produção da indústria de novos materiais da China cresceu a uma taxa composta de crescimento anual de mais de 20%. Os departamentos nacionais relevantes manterão a orientação por objetivos e por problemas, continuarão a otimizar a ecologia da inovação e do desenvolvimento de novos materiais, coordenarão a promoção de avanços em deficiências e priorizarão os materiais, e acelerarão o desenvolvimento e o crescimento da indústria de novos materiais.
Os materiais militares são a base material para uma nova geração de armas e equipamentos, sendo também tecnologias-chave no campo militar no mundo atual. A tecnologia de novos materiais militares é uma nova tecnologia de materiais utilizada no campo militar. É a chave para armas e equipamentos modernos e sofisticados e uma parte importante da alta tecnologia militar. Países em todo o mundo atribuem grande importância ao desenvolvimento de novas tecnologias de materiais militares. Acelerar o desenvolvimento de novas tecnologias de materiais militares é um pré-requisito importante para manter a liderança militar.
1、Liga de titânio
A liga de titânio é uma liga formada pela adição de outros elementos de liga à base de titânio. A liga de titânio possui boa resistência à corrosão, resistência à fadiga e alta resistência específica, desempenhando um papel insubstituível na redução de peso de equipamentos aeroespaciais, sendo amplamente utilizada em motores de aviação, aeronaves, mísseis e outros campos. Para atender às características de alta velocidade e alta manobrabilidade de aeronaves de caça avançadas, é necessário reduzir o peso o máximo possível, garantindo a resistência estrutural do corpo da aeronave e, ao mesmo tempo, deve ter forte resistência a altas temperaturas. A liga de titânio é o material metálico com a maior resistência específica (Relação Resistência-Peso). Ela pode reduzir significativamente o peso da aeronave e melhorar a eficiência estrutural, ao mesmo tempo em que atende à alta resistência estrutural de aeronaves de caça avançadas.
O titânio possui uma série de excelentes propriedades, como leveza, alta resistência específica, resistência à corrosão, etc. É um excelente material estrutural leve e com alto ponto de fusão, um novo material funcional e um importante material biomédico. É utilizado na aviação, aeroespacial, naval, energia nuclear, indústria química, etc. É amplamente utilizado em petróleo, metalurgia, energia elétrica, indústria leve, assistência médica, esportes, proteção ambiental e no cotidiano das pessoas. As perspectivas de mercado estão se tornando cada vez mais amplas com o progresso da sociedade. O titânio pertence à categoria de metais raros, mas seus recursos são abundantes e podem atender efetivamente às necessidades do desenvolvimento social. China, Estados Unidos, Rússia, Japão e outros países estabeleceram sistemas completos de metalurgia, processamento, aplicação e pesquisa científica de titânio. Países europeus e outros também estabeleceram sistemas avançados de processamento, aplicação e pesquisa científica de titânio e suas ligas, fornecendo a base para a produção de materiais de titânio de alta qualidade. Garantia de confiabilidade, portanto, o titânio é um material que as pessoas estão trabalhando arduamente para pesquisar, desenvolver e aplicar.
Desde o final da década de 1960, a quantidade de titânio usada em aeronaves militares tem aumentado ano a ano. Atualmente, a quantidade de liga de titânio usada em vários caças e bombardeiros avançados projetados pela Europa e pelos Estados Unidos se estabilizou em mais de 20%, e a quantidade de titânio usada no caça americano F-22 chega a 41%. Atualmente, os caças de terceira geração do meu país usam aproximadamente 2,25 toneladas de liga de titânio por aeronave, o que é 12 vezes maior do que os caças de segunda geração (J-8, 0,2 toneladas); os caças de quarta geração usam até aproximadamente 3,6 toneladas de liga de titânio por aeronave. À medida que o valor, o uso planejado e a quantidade de ligas de titânio para caças militares de quarta geração aumentam, espera-se que a demanda do mercado por ligas de titânio de alta qualidade para uso militar continue a aumentar.
Com o desenvolvimento da guerra moderna, o exército precisa de sistemas de obuses avançados multifuncionais com alta potência, longo alcance, alta precisão e capacidade de resposta rápida. Uma das principais tecnologias do sistema de obuses avançados é a nova tecnologia de materiais. A redução de peso dos materiais para torres de artilharia autopropulsada, componentes e veículos blindados de metal leve é uma tendência inevitável no desenvolvimento de armas. Com a premissa de garantir dinâmica e proteção, as ligas de titânio são amplamente utilizadas em armas do exército. O uso de liga de titânio no freio de boca de artilharia 155 pode não apenas reduzir o peso, mas também reduzir a deformação do cano de artilharia causada pela gravidade, melhorando efetivamente a precisão do tiro; algumas formas complexas em tanques de batalha principais e mísseis multifuncionais de helicópteros antitanque. Os componentes podem ser feitos de liga de titânio, o que pode não apenas atender aos requisitos de desempenho do produto, mas também reduzir o custo de processamento das peças.
Por muito tempo, a aplicação de ligas de titânio foi bastante limitada devido aos altos custos de fabricação. Nos últimos anos, países ao redor do mundo estão desenvolvendo ativamente ligas de baixo custo.
O titânio é um metal com excelentes propriedades e recursos abundantes, desenvolvido na década de 1950. Com a demanda cada vez mais urgente por materiais de alta resistência e baixa densidade na indústria militar, o processo de industrialização de ligas de titânio acelerou significativamente. No exterior, o peso dos materiais de titânio em aeronaves avançadas atingiu 30 a 35% do peso total da estrutura da aeronave. Durante o período do "Nono Plano Quinquenal" em nosso país, a fim de atender às necessidades da aviação, aeroespacial, construção naval e outros setores, o país considerou as ligas de titânio uma das prioridades para o desenvolvimento de novos materiais. Espera-se que o "10º Plano Quinquenal" seja um período de rápido desenvolvimento de novos materiais de liga de titânio e novos processos em nosso país.
Da perspectiva da estrutura de demanda do mercado global, as ligas de titânio são utilizadas principalmente na indústria da aviação, na indústria de defesa nacional e em outras indústrias. Entre elas, a demanda por aplicações na indústria da aviação é a maior, representando cerca de 50%, sendo utilizadas principalmente na fabricação de aeronaves e motores. No entanto, em comparação com a China, existem diferenças óbvias na estrutura de demanda por produtos de titânio. Na América do Norte e na União Europeia, que desenvolveram as indústrias aeroespacial e de defesa militar, especialmente os Estados Unidos, mais de 50% da demanda por produtos de titânio provém das áreas aeroespacial e de defesa militar. Embora nosso país seja um dos maiores produtores e consumidores mundiais de titânio metálico, a maior parte da demanda por produtos de titânio vem da indústria química. As aplicações são principalmente materiais anticorrosivos com conteúdo técnico relativamente baixo. A demanda de ponta no setor aeroespacial representou mais da metade da demanda nos últimos dois anos. A proporção aumentou, mas ainda representa apenas cerca de 18,4% (10.000 toneladas), o que é muito inferior à média internacional. Os dados acima mostram que os países mais desenvolvidos e os países com maior escala industrial utilizam mais titânio. Quanto mais avançados tecnologicamente, mais materiais de titânio são utilizados na indústria aeroespacial e mais materiais de titânio de alta qualidade são utilizados.
2、Liga de alumínio
A liga de alumínio é um dos materiais metálicos leves. É uma liga à base de alumínio com uma certa quantidade de outros elementos de liga adicionados. Além das características gerais do alumínio, também possui alta resistência, bom desempenho de fundição e processamento de plástico, além de boa condutividade elétrica. Características como condutividade térmica, boa resistência à corrosão e soldabilidade. A liga de alumínio possui baixa densidade, boas propriedades mecânicas, bom desempenho de processamento, não toxicidade, fácil reciclagem, excelente condutividade elétrica, transferência de calor e resistência à corrosão, entre outras, tornando-a amplamente utilizada. Atualmente, é utilizada na indústria naval, química, aeroespacial, embalagens metálicas, transporte e outros setores.
A liga de alumínio sempre foi o material estrutural metálico mais utilizado na indústria militar. Possui características de baixa densidade, alta resistência e bom desempenho de processamento. Como material estrutural, devido ao seu excelente desempenho de processamento, pode ser transformado em perfis, tubos, chapas de alta resistência, etc., com diversas seções transversais, para aproveitar ao máximo o potencial do material e aprimorar seus componentes. Rigidez e resistência. Portanto, a liga de alumínio é o material estrutural leve preferido para armas leves.
Na indústria da aviação, as ligas de alumínio são usadas principalmente na fabricação de revestimentos de aeronaves, divisórias, longarinas e barras de acabamento. Na indústria aeroespacial, as ligas de alumínio são materiais importantes para peças estruturais de veículos de lançamento e espaçonaves. No setor de armamentos, as ligas de alumínio têm sido utilizadas com sucesso. É amplamente utilizado em veículos de combate de infantaria e veículos de transporte blindados. A montagem de obuses, recentemente desenvolvida, também utiliza um grande número de novos materiais de liga de alumínio.
Atualmente, ligas de alumínio de alta qualidade nos setores aeroespacial e naval da China podem ser produzidas de forma independente. No entanto, devido à fraca acumulação de tecnologia e ao controle insuficiente do processo de produção, a uniformidade do desempenho do produto é baixa ou a taxa de qualificação é baixa. Em comparação com os custos estrangeiros, existem lacunas no controle. No entanto, com o acúmulo de experiência e avanços graduais em tecnologias-chave, a cadeia industrial continua a se aprofundar em áreas de alta qualidade. Atualmente, a liga de alumínio é o segundo maior material metálico depois do aço e está se desenvolvendo para aplicações como alta resistência, alta tenacidade, resistência à corrosão, inteligência, precisão e compacidade. Os dados mostram que a produção doméstica de ligas de alumínio do meu país em 2022 será de 12,183 milhões de toneladas, um aumento anual de 14,07%.
3、Liga de magnésio
O magnésio pode formar ligas com alumínio, cobre, zinco, zircônio, tório e outros metais. Comparada ao magnésio puro, essa liga apresenta melhores propriedades mecânicas e é um bom material estrutural. Embora as ligas de magnésio deformadas apresentem boas propriedades gerais, o magnésio possui uma estrutura hexagonal compacta, o que torna o processamento plástico difícil e caro. Portanto, o consumo atual de ligas de magnésio deformadas é muito menor do que o de ligas de magnésio fundido. Existem dezenas de elementos na tabela periódica que podem ser ligados ao magnésio.
Desde o século XX, ligas de magnésio têm sido utilizadas na indústria aeroespacial. Como a liga de magnésio pode melhorar significativamente o desempenho aerodinâmico de aeronaves e reduzir significativamente seu peso estrutural, muitas peças são fabricadas com ela. Geralmente, as ligas de magnésio utilizadas na aviação são principalmente chapas e perfis extrudados, e uma pequena parte são peças fundidas. Os campos de aplicação atuais das ligas de magnésio na aviação incluem peças de aeronaves civis, hélices, caixas de engrenagens, estruturas de suporte e algumas peças de foguetes, mísseis e satélites para diversas aeronaves civis e militares. Com o desenvolvimento da tecnologia de produção de ligas de magnésio, o desempenho continuará a melhorar e o escopo de aplicação continuará a se expandir.
A liga de magnésio apresenta leveza, usinabilidade, resistência à corrosão, absorção de choque, estabilidade dimensional e resistência ao impacto, sendo muito superior a outros materiais. Essas propriedades permitem que as ligas de magnésio sejam utilizadas em uma ampla gama de áreas, como transporte, indústria eletrônica, área médica, indústria militar, etc. Essa tendência está em constante crescimento. Especialmente nas áreas de produtos 3C (computadores, produtos eletrônicos de consumo, comunicação), ferrovias de alta velocidade, automóveis, bicicletas, aeroespacial, decoração arquitetônica, ferramentas portáteis, equipamentos de reabilitação médica e outras áreas, apresenta boas perspectivas de aplicação e grande potencial. Tornando-se uma das direções de desenvolvimento de novos materiais no futuro. Entre os mais de 400 novos materiais catalogados pelo Ministério da Indústria e Tecnologia da Informação para apoiar o desenvolvimento durante o período do "Décimo Segundo Plano Quinquenal", 12 estão relacionados ao magnésio.
O uso de ligas de magnésio em equipamentos militares pode melhorar a resistência das peças estruturais, reduzir o peso do equipamento e melhorar a taxa de acerto das armas. Ao mesmo tempo, as ligas de magnésio podem atender aos requisitos de absorção de ruído de materiais, absorção de choque e proteção contra radiação em campos de alta tecnologia, como aeroespacial, melhorar significativamente o desempenho aerodinâmico de aeronaves e reduzir o peso estrutural. Portanto, as ligas de magnésio são frequentemente usadas na fabricação de gabinetes, painéis de parede, suportes, cubos de roda para aeronaves e veículos terrestres, bem como blocos de cilindros de motores, cárteres de cilindros, pistões e outras peças. Ao mesmo tempo, as ligas de magnésio também são usadas para fabricar alguns equipamentos militares, como suportes de bunker, bases de morteiros e mísseis, etc. Com o aprofundamento da pesquisa sobre ligas de magnésio e a melhoria das propriedades dos materiais, as ligas de magnésio serão cada vez mais usadas em armas.
4、Liga de alta temperatura
Ligas de alta temperatura geralmente se referem a um tipo de material metálico que utiliza ferro, níquel e cobalto como elementos de matriz e ainda pode apresentar boa resistência mecânica, resistência à fadiga e resistência à fluência sob a ação simultânea de tensão e alta temperatura (acima de 600 °C). Atualmente, as ligas de alta temperatura são usadas principalmente nos quatro componentes de ponta dos motores aeronáuticos: câmaras de combustão, guias, pás e discos de turbina. Elas também são usadas em carcaças, anéis, pós-combustores e bicos de cauda. A ampla gama de aplicações torna as ligas de alta temperatura o material estrutural mais crítico para promover o desenvolvimento de motores aeronáuticos. O progresso tecnológico dos motores aeronáuticos está intimamente relacionado ao desenvolvimento de ligas de alta temperatura.
Ligas de alta temperatura possuem excelentes propriedades e uma ampla gama de aplicações. Ligas de alta temperatura referem-se a um tipo de material metálico à base de ferro, níquel e cobalto que pode trabalhar em altas temperaturas acima de 600 °C e sob determinadas tensões por um longo período. As ligas de alta temperatura apresentam alta resistência a altas temperaturas, boa resistência à oxidação e corrosão, boa resistência à fadiga, tenacidade à fratura e outras propriedades abrangentes, sendo também chamadas de "superligas". Do ponto de vista dos campos de aplicação das ligas de alta temperatura: na indústria civil, elas podem ser utilizadas em turbinas auxiliares de motores a diesel, pás e discos de turbinas de gases de combustão, pastilhas de fornos de aquecimento de aço laminado metalúrgico, assentos de válvulas de escape de motores de combustão interna, etc. Além disso, o escopo de aplicação das ligas de alta temperatura tem se expandido continuamente nos últimos anos, e houve um progresso significativo em aplicações nas indústrias petroquímica, de vidro e fibra de vidro e de fabricação de máquinas. Na indústria militar, as ligas de alta temperatura à base de níquel são atualmente materiais-chave para componentes de alta temperatura em motores aeroespaciais modernos, motores de naves espaciais e foguetes, bem como em navios e turbinas a gás industriais. São também importantes materiais estruturais de alta temperatura, necessários em reatores nucleares, equipamentos químicos, tecnologia de conversão de carvão, etc. Como um material importante nos campos militar e civil, as ligas de alta temperatura têm ampla área de aplicação e grande importância econômica e estratégica.
De acordo com dados da Guanyan Tianxia, o tamanho do mercado de ligas de alta temperatura do meu país aumentou de 7,8 bilhões de yuans para 18,7 bilhões de yuans entre 2015 e 2020, um aumento de três vezes em 5 anos. No futuro, com a liberação da enorme demanda endógena por motores aeroespaciais militares, espera-se que o tamanho do mercado da indústria de ligas de alta temperatura do meu país atinja 85,6 bilhões de yuans até 2025, com um CAGR de 35,56%.
5、aço de ultra-alta resistência
Aço de ultra-alta resistência é um tipo de aço-liga usado na fabricação de peças estruturais que podem suportar tensões mais elevadas. Geralmente, aços com limite de escoamento superior a 1180 MPa e resistência à tração superior a 1380 MPa geralmente apresentam tenacidade suficiente, alta resistência específica e relação de escoamento, além de boa soldabilidade e conformabilidade. De acordo com o grau de liga e a microestrutura, podem ser divididos em três categorias: aços de ultra-alta resistência de baixa liga, média liga e alta liga. Em fevereiro de 2018, foi desenvolvida uma nova geração de aços de ultra-alta resistência com base no reforço por nanoprecipitação coerente, que conquistou o título de "Dez Maiores Progressos Científicos da China" do Ministério da Ciência e Tecnologia em 2017.
A China iniciou a produção experimental de aço de ultra-alta resistência na década de 1950. Combinando as condições de recursos nacionais, desenvolvemos com sucesso aços de ultra-alta resistência de baixa liga, como 35Si2Mn2MoVA, 40CrMnSiMoVA e 33Si2MnCrMoVREA. Esses materiais têm sido utilizados na fabricação de componentes importantes, como trens de pouso de aeronaves e carcaças de motores de foguetes sólidos. Após 1980, a tecnologia de fundição a vácuo foi utilizada para melhorar a pureza do aço, e os aços maraging 40CrNi2Si2MoVA, 45CrNiMo1VA e 18Ni foram produzidos com sucesso em testes. Progressos notáveis foram alcançados no desenvolvimento e na aplicação de aços de ultra-alta resistência. Desde a década de 1990, novos avanços foram feitos na pesquisa de novos materiais e novos processos, e novos progressos foram feitos no desenvolvimento e na aplicação de aço de ultra-alta resistência com alta tenacidade à fratura para aviação e aeroespacial.
6. Liga de tungstênio
Entre os metais, o tungstênio possui o ponto de fusão mais alto, boa resistência a altas temperaturas, resistência à fluência, condutividade térmica, condutividade elétrica e propriedades de emissão de elétrons, além de grande densidade. Além de um grande número de aditivos de carboneto cimentado e ligas, o tungstênio e suas ligas são amplamente utilizados nas indústrias eletrônica e de fontes de luz elétrica, além de serem utilizados nos setores aeroespacial, de fundição, de armas e outros setores, como na fabricação de bicos de foguetes, moldes de fundição sob pressão, núcleos perfurantes, contatos, elementos de aquecimento e escudos térmicos, etc.
O tungstênio possui o ponto de fusão mais alto entre os metais. Sua principal vantagem é que seu alto ponto de fusão confere ao material boa resistência a altas temperaturas e à corrosão. Ele demonstrou excelentes características na indústria militar, especialmente na fabricação de armas. Na indústria bélica, é usado principalmente na fabricação de ogivas para diversos projéteis perfurantes. A liga de tungstênio utiliza tecnologia de pré-tratamento de pó e tecnologia de reforço por grande deformação para refinar os grãos do material e alongar a orientação dos grãos, melhorando assim a resistência, a tenacidade e o poder de penetração do material. O material do núcleo de tungstênio do projétil perfurante Tipo 125II desenvolvido por nós é o W-Ni-Fe, que adota um processo de sinterização compacta de densidade variável. Seu desempenho médio atinge uma resistência à tração de 1.200 MPa, um alongamento de mais de 15% e um índice técnico de combate de 2.000 metros. A distância penetra em blindagem de aço homogêneo de 600 mm de espessura. Atualmente, a liga de tungstênio é amplamente utilizada como material principal para projéteis perfurantes de blindagem de grande proporção de tanques de batalha principais, projéteis perfurantes de blindagem antiaérea de pequeno e médio calibre e projéteis perfurantes de blindagem de energia cinética de ultra-alta velocidade, o que faz com que vários projéteis perfurantes tenham maior poder de penetração.
Com o avanço do desenvolvimento científico, os materiais de liga de tungstênio se tornaram as matérias-primas para a fabricação de produtos militares hoje, como balas, blindados e projéteis de artilharia, ogivas de estilhaços, granadas, espingardas, ogivas de bala, veículos à prova de balas, tanques blindados, aviação militar, peças de artilharia, armas, etc. Projéteis perfurantes feitos de liga de tungstênio podem penetrar blindagens e blindagens compostas em grandes ângulos e são as principais armas antitanque.
7、compósitos de matriz metálica
Materiais compósitos de matriz metálica apresentam alta resistência específica, alto módulo específico, bom desempenho em altas temperaturas, baixo coeficiente de expansão térmica, boa estabilidade dimensional e excelente condutividade elétrica e térmica, sendo amplamente utilizados na indústria militar. Alumínio, magnésio e titânio são as principais matrizes de compósitos de matriz metálica. Os materiais de reforço podem geralmente ser divididos em três categorias: fibras, partículas e fibras. Entre eles, os compósitos de matriz de alumínio reforçados com partículas entraram na verificação de modelos, como os usados em jatos de caça F-16. A aleta ventral substitui a liga de alumínio e sua rigidez e vida útil são significativamente melhoradas. Os materiais compósitos à base de alumínio e magnésio reforçados com fibra de carbono não só apresentam alta resistência específica, mas também têm um coeficiente de expansão térmica próximo de zero e boa estabilidade dimensional. Eles têm sido usados com sucesso para fazer suportes de satélites artificiais, antenas planas de banda L, telescópios espaciais e satélites artificiais. Antenas parabólicas, etc.; Materiais compósitos de matriz de alumínio reforçados com partículas de carboneto de silício apresentam bom desempenho em altas temperaturas e características antidesgaste, podendo ser utilizados na fabricação de componentes de foguetes e mísseis, componentes de sistemas de orientação por infravermelho e laser, dispositivos aviônicos de precisão, etc.; Materiais compósitos de matriz de titânio reforçados com fibras de carboneto de silício apresentam boa resistência a altas temperaturas e à oxidação, sendo materiais estruturais ideais para motores com alta relação empuxo-peso. Eles já entraram na fase de testes de motores avançados. Na indústria bélica, materiais compósitos de matriz metálica podem ser utilizados em sabots perfurantes com estabilização de cauda de grande calibre, carcaças de motores sólidos de mísseis multifuncionais anti-helicópteros/antitanque e outros componentes para reduzir o peso da ogiva e aprimorar a capacidade de combate.
Já se passaram mais de 40 anos desde o advento dos materiais compósitos com matriz metálica. Devido às suas excelentes propriedades físicas e mecânicas, como alta resistência específica, módulo específico, alta resistência à temperatura, resistência ao desgaste, baixo coeficiente de expansão térmica e boa estabilidade dimensional, eles superaram os desafios dos materiais à base de resina. As deficiências dos materiais compósitos utilizados na indústria aeroespacial levaram a um desenvolvimento notável e se tornaram uma importante área de pesquisa e desenvolvimento de alta tecnologia em vários países. Devido à tecnologia de processamento imperfeita e ao alto custo dos materiais compósitos com matriz metálica, a produção em massa em larga escala ainda não foi estabelecida, por isso ainda é um ponto importante na pesquisa e desenvolvimento atuais.