嚴格講，所有的稀土元素都有一定的軍事用途，但在國防和軍事領域發揮最關鍵作用的應該是激光測距、激光制導、激光通訊等領域的應用。

（以下內容根據李中華, 張衛平, 劉甲祥的在《湖南冶金》發表的文章整理，湖南稀土金屬材料研究院, 湖南長沙410014)）

被稱爲新材料“寶庫”的稀土, 作爲一種特殊功能材料, 能夠大幅度地提高其它產品的質量和性能, 號稱現代工業的“維生素”, 不僅廣泛用於冶金、石油化工、玻璃陶瓷、毛紡、皮革和農業等傳統產業, 而且在熒光、磁性、激光、光纖通訊、貯氫能源、超導等材料領域有着不可缺少的作用, 直接影響着光學儀器、電子、航空航天、核工業等新興高技術產業發展的速度和水平。這些技術成功應用於軍事技術, 極大地促進了現代軍事技術的發展。

稀土新材料在現代軍事技術中所發揮的特殊作用, 廣泛引起各國政府和專家的高度關注, 如被美國、日本等國家有關部門列爲發展高技術產業和軍事技術的關鍵元素。

1 稀土鋼、稀土球墨鑄鐵在現代軍事技術上的應用

1.1 稀土鋼在現代軍事技術上的應用

作用包括淨化變質和合金化兩個方面, 即主要是脫硫、脫氧和去除氣體, 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, 軍工科技人員利用稀土的這一性質, 研製了不少適於兵器使用的稀土材料。

1.1.1 裝甲鋼

早在60 年代初期, 我國兵器工業就開始了稀土在裝甲鋼和炮鋼上的應用研究, 先後生產了601、603、623 等稀土裝甲鋼, 開創了我國坦克生產中的關鍵原材料立足於國內的新紀元。

1.1.2 稀土碳素鋼

60 年代中期, 我國又在原某種優質碳素鋼中加入0.05% 的稀土, 製成了稀土碳素鋼。這種稀土鋼較原碳素鋼的橫向衝擊值提高了70% ～100% , - 40 ℃時的衝擊值提高近1 倍。採用該鋼製造的大口徑藥筒經靶場射擊試驗證明, 完全能滿足技術要求, 目前我國已定型投產, 實現了我國在藥筒材料方面以鋼代銅的多年宿願。

1.1.3 稀土高錳鋼和稀土鑄鋼

稀土高錳鋼用於製造坦克履帶板, 稀土鑄鋼用於製造高速脫殼穿甲彈的尾翼、炮口制退器和火炮結構件, 可減少加工工序, 提高鋼材的利用率, 並能達到戰術技術指標。

1.2 稀土球墨鑄鐵在現代軍事技術的應用

過去, 我國前膛彈彈體材料均採用以優質生鐵加入30% ~ 40% 的廢鋼而製成的半鋼性鑄鐵, 由於其強度低、脆性大、爆炸後的有效殺傷破片數量少且不鋒利以及殺傷威力弱等原因,一度束縛了前膛彈彈體的發展。自1963 年後,採用稀土球墨鑄鐵製造各種口徑的迫擊彈, 使其力學性能提高1 ~ 2 倍, 有效殺傷破片數量成倍增加, 破片刃口鋒利, 大大提高了殺傷威力。我國用這種材料製造的某型加農炮炮彈和野戰炮炮彈戰鬥殼體, 其有效殺傷破片數和密集殺傷半徑比鋼質殼體略勝一籌。

2 鎂、鋁等有色稀土合金在現代軍事技術上的應用

稀土具有很高的化學活性和較大的原子半徑, 加入到有色金屬及其合金中, 可細化晶粒、防止偏析、除氣、除雜和淨化以及改善金相組織等作用, 從而達到改善機械性能、物理性能和加工性能等綜合目的。國內外材料工作者利用稀土的這一性質, 研製出了新型稀土鎂合金、鋁合金、鈦合金、高溫合金, 這些產品在殲擊機、強擊機、直升機、無人駕駛機、以及導彈衛星等現代軍事技術上獲得了廣泛的應用。

2.1 稀土鎂合金

稀土鎂合金比強度較高, 能減輕飛機重量,提高戰術性能, 具有廣泛的應用前景。中國航空工業總公司(以下簡稱中航總) 研製的稀土鎂合金包括鑄造鎂合金及變形鎂合金約有10 個牌號, 很多牌號已用於生產, 質量穩定。例如:以稀土金屬釹爲主要添加元素的ZM 6 鑄造鎂合金已擴大用於直升機後減速機匣、殲擊機翼肋及30 kW 發電機的轉子引線壓板等重要零件。中航總與有色金屬總公司聯合研製的稀土高強鎂合金BM 25 已代替部分中強鋁合金, 在強擊機上獲得應用。

2.2 稀土鈦合金

70 年代初, 北京航空材料研究院(簡稱:航材院) 在Ti— A1— M o 系鈦合金中用稀土金屬鈰(Ce) 取代部分鋁、硅, 限制了脆性相的析出, 使合金在提高耐熱強度的同時, 也改善了熱穩定性能。以此基礎上, 又研製出了性能良好的含鈰的鑄造高溫鈦合金ZT3。它與國際同類合金相比, 在耐熱強度及工藝性能方面均具有一定的優勢。用它製造的壓氣機匣用於W PI3Ⅱ發動機, 每架飛機減重達39 kg, 提高推重比1.5% , 此外減少加工工序約30% , 取得了明顯的技術經濟效益, 填補了我國航空發動機在500 ℃條件下使用鑄鈦機匣的空白。研究表明,含鈰的ZT3 合金組織中存在着細小的氧化鈰質點。鈰化合了合金中的一部分氧, 形成了難熔的、高硬度的稀土氧化物質點Ce2O3。這些質點在合金形變過程中阻礙了位錯運動, 提高了合

金高溫性能, 鈰奪取了一部分氣體雜質(尤其是在晶界上的), 就有可能在使合金強化的同時, 保持良好的熱穩定性能。這是在鑄造鈦合金中應用難溶質點強化理論的首次嘗試。此外航材院在鈦合金溶模精密鑄造工藝中,經多年研究, 採用了特殊的礦化處理技術, 研製出了穩定廉價的氧化釔砂料與粉料, 它在比重、硬度和對鈦液的穩定性上, 都達到了較好的水平, 而在調節控制殼料漿性能上, 表現出更大的優越性。用氧化釔型殼製造鈦鑄件的突出優點是: 在鑄件質量和工藝水平與鎢面層工藝相當的條件下, 能製造比鎢面層工藝更薄的鈦合金鑄件。目前, 該工藝已廣泛用於製造各種飛機、發動機及民品鑄件。

2.3 稀土鋁合金

中航總研製的含稀土耐熱鑄造鋁合金HZL206, 與國外含鎳的合金比較, 具有優越的高溫和常溫力學性能, 並已達到國外同類合金的先進水平。現已用於直升機和殲擊機工作溫度達300 ℃的耐壓閥門, 取代了鋼和鈦合金。減輕了結構重量,已投入批量生產。稀土鋁硅過共晶ZL117 合金在200～300℃下的拉伸強度

超過西德活塞合金KS280 和KS282, 耐磨性能比常用活塞合金ZL108 提高4～5 倍, 線膨脹係數小, 尺寸穩定性好, 已用於航空附件KY — 5,KY — 7 空壓機和航模發動機活塞。稀土元素加入鋁合金中, 明顯改善顯微組織和機械性能。稀土元素在鋁合金中的作用機制爲: 形成分散分佈, 細小的鋁化合物起着顯著的第二相強化作用;稀土元素的加入起到了除氣淨化作用,從而減少合金中氣孔的數量, 提高合金的性能;稀土鋁化合物作爲異質晶核細化晶粒和共晶相,也是一種變質劑; 稀土元素促進了富鐵相的形成和細化, 減少了富鐵相的有害作用。α— A1中鐵的固溶量隨稀土加入量的增加而減少, 也對提高強度和塑性有利。

3 稀土燃燒材料在現代軍事技術上的應用

3.1 純稀土金屬

純稀土金屬因其化學性質活潑, 極易同氧、硫、氮作用生成穩定的化合物, 當受到劇烈摩擦與衝擊發生火花時, 可引燃易燃物。因此,早在1908 年它就被製成打火石。現已查明, 17種稀土元素中有鈰、鑭、釹、鐠、釤和釔等六種元素具有特別良好的縱火性能。人們將稀土金屬的縱火性製成了各式燃燒武器, 例如美國“馬克— 82 型”227 kg 航彈採用稀土金屬內襯,除了產生爆炸殺傷效應處, 還產生縱火效應。美國空對地“阻尼人”火箭戰鬥部內裝108 個稀土金屬方棒作內襯, 取代部分預製破片, 靜爆破試驗證明, 其點燃航空油料的能力比無內襯的高44% 。

3.2 混合稀土金屬

由於純稀土金屬的價格較爲昂貴, 各國在燃燒武器中廣泛採用價廉的複合稀土金屬。複合稀土金屬燃燒劑經高壓裝填於金屬殼體中,燃燒劑密度爲(1.9 ~ 2.1)×103 ㎏ /m 3, 燃燒速度1.3 ～1.5 m m /s, 火焰直徑約500 m m , 火焰溫度高達1 715～2 000 ℃。其燃燒後熾熱體熾熱持續時間長於5m in。美軍在侵越戰爭中,用發射器發射的一種40 m m 縱火榴彈, 其內裝填的引燃內襯就用混合稀土金屬製成的。當彈體爆炸後, 每一片帶有引燃內襯的破片都可引燃目標。當時該彈的月產量達20 萬發, 最高達26 萬發。

3.3 稀土燃燒合金

重量爲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。爲此, 發展燃燒威力的多功能彈藥成爲目前中外彈藥發展的主攻方向之一。對於穿甲彈和破甲彈, 其戰術性能要求在擊穿敵坦克裝甲之後, 還能將其油料、彈藥引燃,以徹底摧毀坦克。對於榴彈則要求在其殺傷範圍內引燃軍需物資和戰略設施等。據悉, 美國製造的一種塑料稀土金屬燃燒彈, 其彈體由玻璃纖維增強的尼龍製成, 內裝混合稀土合金彈芯, 用於對付裝有航空燃料及類似的目標具有較佳效果。

4 稀土材料在軍事防護與核技術上的應用

4.1 在軍事防護技術上的應用

稀土元素具有防輻射特性。美國國家中子截面中心採用高分子材料爲基材,添加或不添加稀土元素製成了兩種厚度爲10 m m 的板材進行防輻射試驗。結果表明, 稀土高分子材料的熱中子屏蔽效果優於無稀土高分子材料5 ~ 6倍。其中添加釤、銪、釓、鏑等元素的稀土材料的中子吸收截面最大, 具有良好的俘獲中子的作用。目前, 稀土防輻射材料在軍事技術中的主要應用包括以下幾個方面。

4.1.1 核輻射屏蔽

美國採用1% 硼和5% 的稀土元素釓、釤和鑭, 製成厚度爲600m m 的防輻射混凝土, 用於屏蔽游泳池式反應堆裂變中子源。法國採用石墨爲基材添加硼化物、稀土化合物或稀土合金,研製成一種稀土防輻射材料。這種複合屏蔽材料的填料要求分佈均勻並製成預製件, 根據屏蔽部位的不同要求, 分別置於反應堆通道的四周。

4.1.2 坦克熱輻射屏蔽

它由四層單板組成, 總厚度爲5 ~ 20 cm 。第一層用玻璃纖維增強塑料製成,採用無機粉末添加2% 的稀土化合物爲填料, 以阻滯快中子、吸收慢中子; 第二層和第三層, 是在前者之中再加入硼石墨和聚苯及佔填料總量10% 的稀土元素, 以阻滯中能中子和吸收熱中子; 第四層採用石墨代替玻璃纖維, 加入含25% 稀土化合物, 吸收熱中子。

4.1.3 其它

將稀土防輻射塗料塗在坦克、艦艇、掩蔽部和其它軍事裝備上, 可以起到防輻射的作用。

4.2 在覈技術上的應用

稀土氧化釔可用作沸水反應堆(BW R) 中鈾燃料的可燃吸收體。在所有元素中, 釓吸收中子的能力最強,

每個原子約4 600 靶, 每個自然釓原子在失效前平均吸收4 箇中子。當與可裂變的鈾混合時,釓可促進燃燒, 降低鈾的消耗並提高能量輸出。氧化釓不象碳化硼那樣產生有害的副產品氘,在覈反應時既能與鈾燃料又能與它的包覆材料相配。用釓代替硼的好處是釓能與鈾直接混合,以防止核燃料棒膨脹。據統計, 目前全世界計劃興建的核反應堆149 座, 其中115 座壓水堆應用稀土氧化釓。稀土釤、銪和鏑已用作中子增殖反應堆的中子吸收劑。稀土釔在中子中俘獲截面小, 可用作熔鹽反應堆的管材。添加稀土釓和鏑的薄箔可用作航天、核工業工程中中子探場儀, 少量的稀土銩和鉺用作密封管中子發生器的靶材料, 稀土氧化銪—鐵金屬陶瓷用於製作改進型反應堆控制支承板。稀土釓還可以用作防中子彈輻射的塗料添加劑, 塗有含氧化釓的特殊塗料的裝甲車可防中子輻射。稀土鐿被用於測量地下核爆炸所引起的地應力的設備中。當稀土鐿受力時, 電阻加大,電阻的變化可用來計算所受的壓力。把氣相沉積、交錯塗敷的稀土釓箔和一個應力敏感元件相聯,可用於測量很高的核應力。

5 稀土永磁材料在現代軍事技術上的應用

被譽爲新一代磁王的稀土永磁材料, 是目前已知的綜合性能最高的一種永磁材料。它比70 年代在軍事裝備中使用的磁鋼的磁性能高100 多倍。目前, 它已成爲現代電子技術通訊中的重要材料, 用在人造地球衛星、雷達等方面的行波管、環行器中, 因此, 在軍事上有其重要的意義。

釤鈷磁體和釹鐵硼磁體在導彈制導系統中用於電子束致聚焦, 磁體是電子束的主要聚焦器件, 它將數據傳遞至導彈的操縱面。在導彈的每一個聚焦制導裝置中約在5~10 磅(2.27 ~4.54 ㎏) 磁體。此外, 稀土磁體還用於驅動電動機, 轉動制導導彈的方向舵, 其優勢在於較原用的鋁鎳鈷磁性強、重量輕。

6 稀土激光材料在現代軍事技術上應用

激光是一種新型光源, 它具有很好的單色性、方向性和相干性, 並且可達很高的亮度。

激光與稀土激光材料是同時誕生的。到目前爲止, 大約90% 的激光材料都涉及到稀土。例如:以釔鋁石榴石晶體是當今普及的一種在室溫下可獲得連續高功率輸出的激光器。固體激光器在現代軍事上的應用包括以下幾個方面。

6.1 激光測距

美、英、法、德等國研製的摻釹釔鋁石榴

石激光測距機可測距離達4 000～20 000 m , 精確5 m 。美國的M I, 德國的“豹”Ⅱ、法國的“勒克萊爾”, 日本的90 式、以色列的“梅卡瓦”, 還有英國最新研製的“挑戰者— 2”坦克等武器系統都採用了這類激光測距機。目前,有些國家正在研製新一代的人眼安全固體激光測距機, 其工作波段爲1.5～2.1μm 。美國、英國的採用摻鈥氟化釔鋰激光器研製出手持式激光測距機, 其工作波段爲2.06μm , 測距達3 000 m 。美國還與國際激光公司聯合採用摻鉺氟化釔鋰激光器, 研製出波長爲1.73 μm 的激光測距機, 並大量裝備部隊。我國的軍用測距機激光波長1.06 μm , 測距200 ～7 000 m 。我國在發射遠程火箭、導彈和試驗通信衛星中均通過激光電視經緯儀在靶場測量中取得重要數據。

6.2 激光制導

激光制導炸彈是用激光進行終端制導。對目標照射激光采用每秒發出幾十個脈衝的Nd·YAG 激光器, 脈衝進行編碼, 光脈衝能自導導彈響應, 從而可防止導彈發射的干擾和敵方設置的障礙。如稱作“靈巧炸彈”的美軍GBV — 15滑翔炸彈。同理, 也可用於製造激光制導炮彈。

6.3 激光通訊

除Nd·YAG 可用作激光通信外, 四磷酸釹鋰晶體(LNP) 的激光輸出有偏振性, 易於調製, 被認爲是最有希望的微型激光材料之一,適於光纖通信的光源, 並可望在集成光學和宇宙通信方面獲得應用。另外, 釔鐵石榴石(Y3Fe5O12) 單晶可用微波集成工藝來作各種靜磁表面波器件, 使器件集成化, 小型化, 在雷達遙控遙測、導航及電子對抗中有特殊用途。

7 稀土超導材料在現代軍事技術上的應用

當某種材料在低於某一溫度時, 出現電阻爲零的現象即超導現象, 該溫度是臨界溫度(Tc)。超導體是一種抗磁體, 低於臨界溫度時,超導體排斥任何試圖施加於它的磁場, 這就是所謂的邁斯納效應。在超導材料中添加稀土元素可以使臨界溫度Tc 大大提高。這就大大推動了超導材料的研製和應用的發展。80 年代, 美、日等發達國家先後在氧化鋇、氧化銅化合物中添加了一定量的鑭、釔、銪、鉺等稀土氧化物, 經混勻、壓制及燒結而成超導陶瓷材料, 使超導技術的廣泛應用特別是在軍事上的應用更爲廣闊。

7.1 超導集成電路

近年來, 國外開展了超導技術在電子計算機上的應用研究, 並用超導陶瓷材料研製成超導集成電路, 若用這種集成電路製造超導計算機, 不僅體積小、重量輕、使用方便, 而且運算速度比半導體計算機快10 ~ 100 倍, 每秒浮點運算達3 000 億次到10 000 億次。因而, 美軍方預言: 超導計算機一旦問世, 即成爲部隊C1 系統戰鬥力的“倍增器”。

7.2 超導磁探技術

用超導陶瓷材料製成的磁敏感元件體積小,便於實現集成化、陣列化, 可組成多渠道、多參數的探測系統, 使單位信息容量大大增加,並使磁探儀的探測距離和精度大爲提高。用超導磁探儀不僅可以發現坦克、車輛及潛艇等活動目標, 而且能測定其尺寸, 從而使反坦克和反潛戰等戰術和技術發生重大變化。

據悉, 美國海軍已確定採用這種稀土超導材料研製一種遙感衛星, 用來演示和改進傳統的遙感技術。這種名叫海軍地球圖像觀測儀的衛星在2000 年已經發射。

8 稀土超磁致伸縮材料在現代軍事技術上的應用

稀土超磁致伸縮材料是國外八十年代末新開發的新型功能材料。主要是指稀土—鐵系化合物。這類材料具有比鐵、鎳等大得多的磁致伸縮值, 其磁致伸縮係數比一般磁致伸縮材料高約102 ~ 103 倍, 因此被稱爲大或超磁致伸縮材料。在所有商品材料中, 稀土超磁致伸縮材料是在物理作用下應變值最高、能量最大的材料。特別是鋱鏑鐵磁致伸縮合金(Terfenol—D)的研製成功, 更開闢了磁致伸縮材料的新時代。當Terfenol—D 置於一個磁場中, 其尺寸的變化比一般磁性材料大, 這種變化使一些精密機械運動得以實現。目前廣泛用於多種領域, 從燃料系統、液體閥門控制、微定位到機械致動器太空望遠鏡的調節機構和飛機機翼調節器等領域。Terfenol—D 材料技術的發展使電—機械轉換技術獲得突破性進展。並對尖端技術、軍事技術的發展及傳統產業的現代化產生了重要的作用。稀土磁致伸縮材料在現代軍事上的應用

主要有以下幾個方面。

8.1 聲納

一般的聲納發射頻率都在2 kHz以上, 但是低於此頻率的低頻聲納有其特殊的優越性: 頻率越低、衰減越小、聲波傳得越遠, 同時頻率低受到水下回聲屏蔽的影響就越小, 用Terfenol— D 材料製做的聲納可以滿足大功率、小體積、低頻率的要求, 所以發展得較快。

8.2 電—機換能器

主要用於小型受控動作器件———致動器。包括控制精度達納米級, 以及伺服泵、燃料注入系統、制動器等。用於軍用汽車、軍用飛機航天器、軍用機器人等。

8.3 傳感器和電子器件

如袖珍測磁儀、探測位移、力、加速度的傳感器以及可調諧的表面聲波器件等。後者用於雷、聲納的相位傳感器和計算機的存儲元件。

9 其他材料

其他如稀土發光材料、稀土貯氫材料、稀土巨磁阻材料、稀土磁致冷材料、稀土磁光存儲材料等都在現代軍事上有了成功的應用, 大大地提高了現代武器的戰鬥力。例如稀土發光材料成功應用於夜視設備, 在夜視鏡中, 稀土熒光粉將光子(光能量) 轉化成電子, 電子在通過光纖顯微道平面的幾百萬個小孔被增強,

互相從壁上來回反射, 釋放出更多的電子。在尾端的另一些稀土熒光粉則將電子重新轉化成光子, 於是用目鏡就能看到圖像了。這一過程與電視屏幕很相似,正是稀土熒光粉將某種彩色圖像發射至電視屏幕上。美國工業界通常使用五氧化二鈮, 但是, 要使夜視系統獲得成功, 稀土元素鑭是十分關鍵的成分。海灣戰爭中,多國部隊就是用這種夜視鏡一次又一次地觀測伊軍的目標, 以小小的代價換取大勝利。

10 結語

稀土工業的發展, 有力地推動了現代軍事技術的全面進步, 軍事技術的提高,又帶動了稀土工業的繁榮發展。筆者相信, 隨着世界科學技術的飛速前進, 稀土產品必將以其特殊的功能, 在現代軍事技術的發展中, 發揮更大的作用, 併爲稀土行業本身帶來巨大的經濟效益和突出的社會效益。