朱利華

（內(nèi)蒙古航天金峽化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古呼和浩特 010110）

17個(gè)稀土元素鑭、鈰、鐠、釹、钷、釤、銪、釓、鋱、鏑、鈥、鉺、銩、鐿、镥、鈧、釔[1-5]及其化合物和材料具有不可替代的光、電、磁、熱等性能，被稱為“新材料的維生素”，被國家列為戰(zhàn)略資源和發(fā)展高新技術(shù)的關(guān)鍵性元素[6-7]，是當(dāng)今世界各國改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，發(fā)展高新科技和國防尖端技術(shù)不可或缺的戰(zhàn)略資源。它們直接影響著光學(xué)儀器、電子、航空、航天、兵器、船舶、導(dǎo)彈、核工業(yè)等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的速度和水平[6-10]，極大地促進(jìn)了現(xiàn)代軍事技術(shù)的發(fā)展，并成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)取得勝利的決定性因素之一，如海灣戰(zhàn)爭(zhēng)和伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)。美國《國防新聞》也介紹了其在軍事上的用途，又如“戰(zhàn)斧”巡航導(dǎo)彈的導(dǎo)引裝置、MIA2戰(zhàn)車的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、噴氣戰(zhàn)斗機(jī)的耐高熱引擎等都需要稀土[11-14]。

隨著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)模式的發(fā)展，全球的軍事專家更是高度注視著稀土及其化合物在軍事上的應(yīng)用。本文對(duì)稀土新材料在現(xiàn)代軍事技術(shù)上的應(yīng)用進(jìn)行歸納整理。

1 稀土金屬及合金材料的應(yīng)用

稀土對(duì)鋼的作用包括凈化變質(zhì)和合金化兩個(gè)方面，即脫硫、脫氧、除氣，消除低熔點(diǎn)有害雜質(zhì)的影響，細(xì)化晶粒和組織，影響鋼的相變點(diǎn)，從而提高鋼的淬透性和力學(xué)性能等[13]，加入方法有沖入法、喂絲法（包芯線或稀土金屬絲、棒）、吊掛法、噴吹法和電渣重熔法。研究人員已開發(fā)了適于兵器使用的稀土材料，如稀土特種鋼、純稀土金屬、復(fù)合稀土金屬等，稀土鋼在兵器領(lǐng)域的應(yīng)用呈逐年攀升態(tài)勢(shì)。

1.1 兵器稀土鋼

1962年的601、602裝甲鋼，1975年的623鑄造裝甲鋼，以及目前的685 裝甲鋼（30MnCrNiMo），先后應(yīng)用于59、M1A1 等坦克上，使得其抗打擊能力比使用碳鋼提高了近1倍[6，10，13-15]。從701、703無鎳炮鋼[9]到如今的耐超高鏜壓RECrMoV 鋼，新型工藝綜合強(qiáng)度指標(biāo)為同規(guī)格普通鋼管的100 倍以上，不到5 個(gè)國家能獨(dú)立造大口徑坦克炮。0.05%的稀土加入碳素鋼中，制成S20ARE藥筒鋼。這種稀土鋼較原碳素鋼的橫向沖擊值提高了約70%～100%，-40℃時(shí)的沖擊值提高近1 倍。試驗(yàn)證明，滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)藥筒材料鋼替代銅[6]。

另外坦克履帶板、高速脫殼穿甲彈的尾翼、炮口制退器和火炮結(jié)構(gòu)件，采用稀土鋼后減少了加工工序，提高了鋼材的利用率，并滿足戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求[6，10，13]。

1.2 彈頭用稀土金屬

我國自采用稀土球墨鑄鐵（含鈰的稀土硅鐵合金）作為前膛彈彈體材料制造各種口徑的迫擊炮彈，炮彈力學(xué)性能提高1～2倍，有效殺傷破片數(shù)量成倍增加，殺傷力大大提高。迫擊炮彈體材料、加農(nóng)炮炮彈和野戰(zhàn)火箭炮炮彈也采用稀土球墨鑄鐵，有效殺傷破片數(shù)和密集殺傷半徑均比鋼質(zhì)殼體高[15-16]。稀土材料的引入解決了曾一度束縛了前膛彈彈體發(fā)展的瓶頸問題。

鑭、鈰、鐠、釹、釤和釔等發(fā)火點(diǎn)很低，鈰：160℃，鐠：290℃，釹：270℃，并在燃燒時(shí)釋放出大量的熱，如鈰燃燒熱僅7.2 MJ/g，但單位體積燃燒熱卻高達(dá)39～54 kJ/cm3。美國馬克-82 型227 kg 航彈采用稀土金屬內(nèi)襯，除了爆炸殺傷效應(yīng)外，還產(chǎn)生縱火效應(yīng)，空對(duì)地“阻尼人”火箭彈頭內(nèi)裝108 個(gè)稀土金屬方棒作內(nèi)襯，取代部分預(yù)制破片，靜爆破試驗(yàn)證明，其點(diǎn)燃航空油料的能力比無內(nèi)襯的高44%[6，14]。

純稀土金屬的成本高，各國在燃燒武器中廣泛采用價(jià)廉的復(fù)合稀土金屬。復(fù)合稀土金屬燃燒劑經(jīng)高壓裝填于金屬殼體中，燃燒劑密度為1.9～2.1 g/cm3，燃燒速度1.3～1.5 mm/s，火焰溫度高達(dá)1 715℃～2 000℃，其熾熱持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)于5 min，重量為100 g的稀土燃燒合金可形成200～3 000 個(gè)火種，覆蓋面積大，與穿甲彈、破甲彈的殺傷半徑相當(dāng)[10，14]。

另外還有航空輕質(zhì)化材料如稀土鎂合金（YMgZn、CeMgAl）、稀土鋁合金（AJ14、ZL117）、稀土鈦合金（La，Ce，Er，Y，Gd 和Nd 等）用于殲擊機(jī)、強(qiáng)擊機(jī)、直升機(jī)、無人駕駛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等材料，稀土塑料合金用于燃燒彈。稀土合金已成為研究裝甲、彈體、多功能彈藥的主要材料[15-17]。

稀土永磁體包括稀土鈷（Sm-Co 系）、釹鐵硼（Nd-Fe-B 系）兩大類，稱為“高性能永磁材料”，具有剩磁（Br）、矯頑力（Hc）和最大磁能積[（BH）max]“三高”的特點(diǎn)，比二十世紀(jì)70 年代磁鋼的磁性能高100 多倍。SmCo5和Sm2Co17永磁材料相對(duì)釹鐵硼永磁材料具有更好的熱穩(wěn)定性[18-20]。

稀土永磁材料可實(shí)現(xiàn)電力電子元器件和整機(jī)高性能、小型輕量化，已開發(fā)出直流力矩電動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)、變速恒頻啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)、勵(lì)磁整流子電動(dòng)機(jī)、高頻大電機(jī)、伺服電機(jī)、微型電機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)等多種型號(hào)電機(jī)，這些產(chǎn)品已成為現(xiàn)代軍事中的重要部件，其應(yīng)用如表1。

表1 稀土永磁電機(jī)軍工領(lǐng)域應(yīng)用表［21］

2 航空航天用稀土永磁材料

另外稀土永磁電機(jī)還用在航天衛(wèi)星方面的行波管、環(huán)行器、衛(wèi)星天線伺服跟蹤、展開機(jī)構(gòu)、太陽能帆板驅(qū)動(dòng)、姿態(tài)控制、溫控閥調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)、航天器交會(huì)對(duì)接機(jī)構(gòu)中。在運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、戰(zhàn)機(jī)、野戰(zhàn)車、雷達(dá)等控制部件也有應(yīng)用：火箭燃料閥的控制、電子束聚焦、導(dǎo)航系統(tǒng)、制動(dòng)器、擻波器件、粒子加速器、靜音電機(jī)、微波管、精密測(cè)量?jī)x表、自動(dòng)導(dǎo)航定向陀螺儀等[22]。

3 稀土超磁致伸縮材料的應(yīng)用

稀土超磁致伸縮材料目前已制造出換能器、制動(dòng)器、傳感器等。

3.1 海軍艦艇聲吶用稀土電聲換能器

超磁致伸縮換能器是聲吶系統(tǒng)重要部件，與錘擊震源相比，具有重復(fù)性好，便于多組信號(hào)采集的優(yōu)勢(shì)。低頻（頻率低至2 kHz），大功率（約220 dB）的聲吶用或水聲對(duì)抗用發(fā)射水聲換能器，目前已用于裝備海軍，可打破敵艦艇的隱身技術(shù)，探測(cè)更遠(yuǎn)距離目標(biāo)，同時(shí)由于體積小，重量輕，還提升了海軍艦艇的作戰(zhàn)能力[13，24-26]。

3.2 精密定位馬達(dá)用稀土電機(jī)換能器

依靠電能-動(dòng)能轉(zhuǎn)換制造的小型受控動(dòng)作器件，精度可以達(dá)到nm級(jí)，承受載荷能力（60 kg/mm2）為壓電器件20倍的稀土精密定位馬達(dá)；100 kg輸出力，1 m/s極限速度，主動(dòng)降噪減震，2 000 次/s 動(dòng)作的高速、強(qiáng)力稀土伺服管道、閥、泵、燃料注入系統(tǒng)等，被廣泛用于車、航天器、機(jī)器人、精密機(jī)床精密儀器、光通訊及印刷等方面[24-26]。

3.3 傳感器和電子器件

利用稀土超磁致伸縮材料在磁場(chǎng)中產(chǎn)生應(yīng)變或受力可引起磁場(chǎng)及線圈輸出信號(hào)相應(yīng)變化的原理，制造出袖珍測(cè)磁儀，探測(cè)位移，力、加速度的傳感器以及表面聲波器件[13，26]。

4 軍用稀土光學(xué)材料

稀土光學(xué)材料在軍工系統(tǒng)中應(yīng)用最為突出的是具有鑭玻璃夜視儀、激光器、紅外整流罩。

4.1 稀土夜視鏡

夜視系統(tǒng)以La 替代Nb2O5實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，多國部隊(duì)利用夜視鏡觀測(cè)打擊伊軍目標(biāo)，小代價(jià)換取到大勝利[4，15，27]。

4.2 用于坦克激光測(cè)距機(jī)和激光制導(dǎo)系統(tǒng)

美、英、法、德等國研制的摻釹釔鋁石榴石制造激光測(cè)距機(jī)可測(cè)4～20 km，精度±5 m，SMILE和LH-83兩種手持式測(cè)距4～9 km，我國開發(fā)了最長(zhǎng)測(cè)距7 km 技術(shù)。MI、“豹”II、“勒克萊爾”、90 式、“梅卡瓦”、“挑戰(zhàn)者—2”等坦克都采用稀土激光測(cè)距儀。

Nd·YGA激光器用于GBV-15、DF滑翔炸彈的終端制導(dǎo)系統(tǒng)，光纖通信光源用于宇宙通信、雷達(dá)遙感遙測(cè)、導(dǎo)航及電子對(duì)抗[7，28]。

4.3 整流罩用紅外材料

能透過13～14 μm紅外光的CaLa2S4稀土摻雜化合物作為紅外增透膜相對(duì)于ZnS 透過率提升2%，努普硬度提高128%，熱導(dǎo)率降低1/10，抗雨蝕能力也得到提高[10，29]。

5 稀土超導(dǎo)材料

稀土氧化物與其他元素氧化物經(jīng)混勻、壓制及燒結(jié)或激光照射而制成超導(dǎo)陶瓷材料，已開發(fā)出釹系、釔系稀土超導(dǎo)材料，產(chǎn)品應(yīng)用于：①磁浮列車、電機(jī)、電磁炮；②無摩擦陀螺儀和軸承；③輻射探測(cè)器、微波發(fā)生器、邏輯元件等；④戰(zhàn)斗系統(tǒng)倍增器中超導(dǎo)集成電路和衛(wèi)星系統(tǒng)的遙感技術(shù)[30-32]。

6 其他稀土材料的應(yīng)用

稀土高分子材料的熱中子屏蔽效果優(yōu)于無稀土高分子材料5～6倍。其中，釤、銪、釓、釔等元素用作反應(yīng)堆的控制材料和屏蔽材料，釔和鈰作為反應(yīng)堆固體減緩劑，高熔點(diǎn)的稀土金屬作為陶瓷核原料的稀釋劑。目前，稀土防輻射材料在軍事技術(shù)中主要應(yīng)用于核輻射屏蔽、坦克熱輻射屏蔽[1，12-16]等。

7 結(jié)束語

（1）17 個(gè)稀土元素形成的稀土金屬、合金、永磁材料、超磁致伸縮材料、光學(xué)材料、超導(dǎo)材料等已應(yīng)用于兵器稀土鋼、武器彈頭、航空航天部件、艦船聲吶、坦克和激光器、電磁炮、戰(zhàn)斗系統(tǒng)、核屏蔽材料等，具有重要戰(zhàn)略意義。

（2）軍工領(lǐng)域已成為稀土產(chǎn)業(yè)下游應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域，筆者所在公司從事稀土分離[5，33]多年，已開發(fā)出用于制造稀土硅鐵合金的鈰熔渣、冶煉稀土金屬棒的單一稀土化合物、固體推進(jìn)劑用高能添加劑等產(chǎn)品，依托稀土行業(yè)技術(shù)資源優(yōu)勢(shì)發(fā)展民參軍產(chǎn)業(yè)，既提升稀土產(chǎn)品附加值，也利于提升國家防務(wù)能力。