稀土新材料在軍工領域的應用探討

朱利華

（內蒙古航天金峽化工有限責任公司，內蒙古呼和浩特 010110）

17個稀土元素鑭、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”，被國家列為戰略資源和發展高新技術的關鍵性元素[6-7]，是當今世界各國改造傳統產業，發展高新科技和國防尖端技術不可或缺的戰略資源。它們直接影響著光學儀器、電子、航空、航天、兵器、船舶、導彈、核工業等高技術產業發展的速度和水平[6-10]，極大地促進了現代軍事技術的發展，并成為現代戰爭取得勝利的決定性因素之一，如海灣戰爭和伊拉克戰爭。美國《國防新聞》也介紹了其在軍事上的用途，又如“戰斧”巡航導彈的導引裝置、MIA2戰車的瞄準系統、噴氣戰斗機的耐高熱引擎等都需要稀土[11-14]。

隨著信息化戰爭模式的發展，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用。本文對稀土新材料在現代軍事技術上的應用進行歸納整理。

1 稀土金屬及合金材料的應用

稀土對鋼的作用包括凈化變質和合金化兩個方面，即脫硫、脫氧、除氣，消除低熔點有害雜質的影響，細化晶粒和組織，影響鋼的相變點，從而提高鋼的淬透性和力學性能等[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。研究人員已開發了適于兵器使用的稀土材料，如稀土特種鋼、純稀土金屬、復合稀土金屬等，稀土鋼在兵器領域的應用呈逐年攀升態勢。

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，新型工藝綜合強度指標為同規格普通鋼管的100 倍以上，不到5 個國家能獨立造大口徑坦克炮。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℃時的沖擊值提高近1 倍。試驗證明，滿足戰術技術要求，實現藥筒材料鋼替代銅[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構件，采用稀土鋼后減少了加工工序，提高了鋼材的利用率，并滿足戰術技術要求[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，炮彈力學性能提高1～2倍，有效殺傷破片數量成倍增加，殺傷力大大提高。迫擊炮彈體材料、加農炮炮彈和野戰火箭炮炮彈也采用稀土球墨鑄鐵，有效殺傷破片數和密集殺傷半徑均比鋼質殼體高[15-16]。稀土材料的引入解決了曾一度束縛了前膛彈彈體發展的瓶頸問題。

鑭、鈰、鐠、釹、釤和釔等發火點很低，鈰：160℃，鐠：290℃，釹：270℃，并在燃燒時釋放出大量的熱，如鈰燃燒熱僅7.2 MJ/g，但單位體積燃燒熱卻高達39～54 kJ/cm3。美國馬克-82 型227 kg 航彈采用稀土金屬內襯，除了爆炸殺傷效應外，還產生縱火效應，空對地“阻尼人”火箭彈頭內裝108 個稀土金屬方棒作內襯，取代部分預制破片，靜爆破試驗證明，其點燃航空油料的能力比無內襯的高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廉的復合稀土金屬。復合稀土金屬燃燒劑經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1 715℃～2 000℃，其熾熱持續時間長于5 min，重量為100 g的稀土燃燒合金可形成200～3 000 個火種，覆蓋面積大，與穿甲彈、破甲彈的殺傷半徑相當[10，14]。

另外還有航空輕質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、強擊機、直升機、無人駕駛機、導彈、衛星等材料，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，比二十世紀70 年代磁鋼的磁性能高100 多倍。SmCo5和Sm2Co17永磁材料相對釹鐵硼永磁材料具有更好的熱穩定性[18-20]。

稀土永磁材料可實現電力電子元器件和整機高性能、小型輕量化，已開發出直流力矩電動機、直流發電機、變速恒頻啟動發動機、勵磁整流子電動機、高頻大電機、伺服電機、微型電機、同步電動機等多種型號電機，這些產品已成為現代軍事中的重要部件，其應用如表1。

表1 稀土永磁電機軍工領域應用表［21］

2 航空航天用稀土永磁材料

另外稀土永磁電機還用在航天衛星方面的行波管、環行器、衛星天線伺服跟蹤、展開機構、太陽能帆板驅動、姿態控制、溫控閥調節驅動、航天器交會對接機構中。在運載火箭、導彈、飛機、戰機、野戰車、雷達等控制部件也有應用：火箭燃料閥的控制、電子束聚焦、導航系統、制動器、擻波器件、粒子加速器、靜音電機、微波管、精密測量儀表、自動導航定向陀螺儀等[22]。

3 稀土超磁致伸縮材料的應用

稀土超磁致伸縮材料目前已制造出換能器、制動器、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重要部件，與錘擊震源相比，具有重復性好，便于多組信號采集的優勢。低頻（頻率低至2 kHz），大功率（約220 dB）的聲吶用或水聲對抗用發射水聲換能器，目前已用于裝備海軍，可打破敵艦艇的隱身技術，探測更遠距離目標，同時由于體積小，重量輕，還提升了海軍艦艇的作戰能力[13，24-26]。

3.2 精密定位馬達用稀土電機換能器

依靠電能-動能轉換制造的小型受控動作器件，精度可以達到nm級，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；100 kg輸出力，1 m/s極限速度，主動降噪減震，2 000 次/s 動作的高速、強力稀土伺服管道、閥、泵、燃料注入系統等，被廣泛用于車、航天器、機器人、精密機床精密儀器、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中產生應變或受力可引起磁場及線圈輸出信號相應變化的原理，制造出袖珍測磁儀，探測位移，力、加速度的傳感器以及表面聲波器件[13，26]。

4 軍用稀土光學材料

稀土光學材料在軍工系統中應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

夜視系統以La 替代Nb2O5實現技術突破。海灣戰爭中，多國部隊利用夜視鏡觀測打擊伊軍目標，小代價換取到大勝利[4，15，27]。

4.2 用于坦克激光測距機和激光制導系統

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

Nd·YGA激光器用于GBV-15、DF滑翔炸彈的終端制導系統，光纖通信光源用于宇宙通信、雷達遙感遙測、導航及電子對抗[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于ZnS 透過率提升2%，努普硬度提高128%，熱導率降低1/10，抗雨蝕能力也得到提高[10，29]。

5 稀土超導材料

稀土氧化物與其他元素氧化物經混勻、壓制及燒結或激光照射而制成超導陶瓷材料，已開發出釹系、釔系稀土超導材料，產品應用于：①磁浮列車、電機、電磁炮；②無摩擦陀螺儀和軸承；③輻射探測器、微波發生器、邏輯元件等；④戰斗系統倍增器中超導集成電路和衛星系統的遙感技術[30-32]。

6 其他稀土材料的應用

稀土高分子材料的熱中子屏蔽效果優于無稀土高分子材料5～6倍。其中，釤、銪、釓、釔等元素用作反應堆的控制材料和屏蔽材料，釔和鈰作為反應堆固體減緩劑，高熔點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中主要應用于核輻射屏蔽、坦克熱輻射屏蔽[1，12-16]等。

7 結束語

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

（2）軍工領域已成為稀土產業下游應用的一個重要領域，筆者所在公司從事稀土分離[5，33]多年，已開發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、固體推進劑用高能添加劑等產品，依托稀土行業技術資源優勢發展民參軍產業，既提升稀土產品附加值，也利于提升國家防務能力。