第8章 新材料技术(2)

1911年，荷兰物理学家昂尼斯(1853年～1926年)发现，水银的电阻率并不像预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到一定值时，水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象，能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。

超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。一是零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地向千里之外传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中被观察到。二是完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线就不能透入，超导材料内的磁场恒为零。三是约瑟夫森效应：两超导材料之间加一薄薄绝缘层(厚度约1纳米)，形成低电阻，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U，同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波。以上三种特性促使超导材料成为各国投入大量人力、物力进行研究的功能材料，并极力将其用于军事目的。

超导技术在海军舰艇上的应用。美、英、日等国自20世纪70年代以来就开展了超导技术在海军舰艇方面应用的研究，并已初见成效。现在国际上已有3艘超导电磁推进船试验成功。超导电磁力推进装置是按照电磁原理设计的，在舰艇上安装电磁铁，在磁场和电流的相互作用下，海水向后运动。在海水的反作用力下，舰艇将获得向前的推力。超导舰艇既不需要发动机，也不需螺旋桨，能有效地消除噪音、降低红外辐射，从而大大提高海军舰艇的生存能力和快速机动能力和突防能力。

超导技术在作战飞机上的应用。大功率、小体积的发动机是提高作战飞机作战性能的关键因素。随着超导技术的不断突破，为大容量、小型化磁流体发电机的研制提供了条件。一旦超导发电机实用化之后，就可以为空中指挥所和预飞机中的大型雷达、大型计算机、各种通信设备等非常耗电的装备提供高效的动力。

超导技术在军事侦察、通信、电子对抗和指挥等方面的应用。利用超导材料“约瑟夫森效应”制成的仪器设备，具有灵敏度高、噪声低、响应速度快和能耗小等特点，在军事侦察、通信、电子对抗和指挥等方面，都大有用武之地。

军事超导有线电通信，利用超导电线可以实现远距离、大容量通信。研究试验表明，超导电线传输信息的速度，比光纤系统快得多，可以传输几万亿分之一秒的脉冲。科学家们预言，未来高超导的远距离通信的容量将比光缆大几百倍，能够每秒传输相当于1000部大英百科全书的信息量。同时，超导电线因为无损耗，可以省去每3～4千米就要设置的放大器。

军用超导无线电通信，利用超导材料制作无线电发射机和接收机，不仅灵敏度高、带宽宽，而且可减小天线的尺寸和重量，提高系统的生存能力。英国伯明翰大学制成的世界上第一台超导无线电发射机，其发射距离与常规发射机相比增大10倍。超导材料也是制造通信卫星的理想材料，它可以提高信息处理速度，并可使频率响应时间缩短一半。利用超导材料制造卫星天线，其效率可提高90％。

军事指挥自动系统需要高速地处理大量信息。采用具有零电阻特性的超导材料制作计算机，由于功耗减小，电路产生的热量可以忽略不计，运算速度大大提高，而且体积和重量可大幅减小。日本富士通公司研制成功的4位超导微处理机，与采用砷化镓技术的同类处理机相比，速度快10倍，功耗只有后者的1／500。据称，若采用超导材料制作计算机，目前的亿次巨型计算机可制成只有微型个人计算机那么大。这种微型高速计算机的应用，必将大大提高军事指挥效率，同时也可提高武器制导系统的性能。

利用超导技术的探测器件，由于对磁场和电磁辐射极其敏感，其灵敏度比常规探测器件高上千倍，是军事遥感侦察的理想设备。正在研制的主要有天基凝视红外焦面阵列探测器、微波和毫米波探测器、磁探测器等。超导探测器不仅尺寸小、重量轻、作用距离远、探测灵敏度高，而且具备一般可见光和红外探测系统所不具备的全天候以及穿透烟云的探测能力，并能提供对低特征目标的探测能力，可广泛应用于航天器的相控阵天线、反潜武器和水雷探测。

据悉，新一代超导雷达也正在研制之中。其天线、发射机、收信机、稳频源、信号模拟器、滤波器等电子器件全部是采用高超导材料制作而成的，具有低功耗、低噪声、宽频带、高灵敏度、高可靠性以及体积小、重量轻等优点。用于雷达系统的超导电子器件，可使雷达频谱扩展166倍，作用距离提高一个数量级，而且可探测到微弱的信号。

3．特种高分子材料

高分子材料是由相对分子质量较高的化合物构成的材料。我们接触的很多天然材料通常是高分子材料组成的，如天然橡胶、棉花、人体器官等。人工合成的化学纤维、塑料和橡胶等也是如此。

高分子是生命存在的形式。所有的生命体都可以看做是高分子的集合。树枝、兽皮、稻草等天然高分子材料是人类最先使用的材料。在历史的长河中，纸、树胶、丝绸等从天然高分子加工而来的产品，一直同人类文明的发展交织在一起。

从19世纪开始，人类开始使用改造过的天然高分子材料。火化橡胶和硝化纤维塑料(赛璐珞)是两个典型的例子。进入20世纪之后，高分子材料进入了大发展阶段。20世纪20年代末，聚氯乙烯开始大规模使用。20世纪30年代初，聚苯乙烯开始大规模生产。20世纪30年代末，尼龙开始生产。在经历了20世纪的大发展之后高分子材料对整个世界的面貌产生了重要的影响。《时代》杂志认为塑料是20世纪人类最重要的发明。高分子材料在文化领域和人类的生活方式方面也产生了重要的影响。按用途一般将通用高分子材料分为五类，即塑料、橡胶、纤维、涂料和黏合剂。

除了在人们日常生活中发挥重要作用外，高分子材料还在军事上有着广泛的应用，其在军事装备中的用量仅次于钢铁材料。在单兵防护装备方面，最典型的应用方式是以纤维形态应用于军人平时和战时使用的各种纤维制品(如军服、帐篷)，以橡胶和塑料形态应用于鞋靴、防水抗冲结构层、救生浮力材料、承载件、连接件等方面。重型武器装备方面，能够代替高强度合金用于制造军用飞机、坦克等重装备，大大减轻武器的重量。具有强大黏合功能的高分子材料还可以广泛应用于黏结兵器部件，尤其是非金属比例较大的火箭导弹部件。

4．生物医用材料

生物医用材料是用于修补或替换人体有病器官，以恢复人体机能而发展起来的一类材料。生物医用材料是研究人工器官和医疗器械的基础，已成为材料学科的重要分支。尤其是随着生物技术的蓬勃发展和重大突破，生物材料已成为各国科学家竞相进行研究和开发的热点。当代生物材料已处于实现重大突破的边缘。不远的将来，科学家有可能借助于生物材料设计和制造整个人体器官，可以预见在未来的战场上，被弹片炸伤的众多士兵，能够通过生物医用材料很快恢复健康，迅速重新加入战斗。

5．隐身材料

现代攻击武器的发展，特别是精确打击武器的出现，使武器装备的生存力受到了极大的威胁，单纯依靠加强武器的防护能力已不切实际。采用隐身技术，使敌方的探测、侦察系统失去功效，从而尽可能地隐蔽自己，掌握战场的主动权，抢先发现并消灭敌人，已成为现代武器防护的重要发展方向。隐身技术的最有效手段是采用隐身材料。国外隐身技术与材料的研究始于第二次世界大战期间的德国，在美国得到发展并扩展到英、法、俄罗斯等国家。目前，美国在隐身技术和材料研究方面处于领先水平。在航空领域，许多国家都已成功地将隐身技术应用于飞机的隐身；在常规兵器方面，美国对坦克、导弹的隐身也已开展了不少工作，并陆续用于装备。如美国MlAl坦克上采用了雷达波和红外波隐身材料，前苏联T一80坦克也涂敷了隐身材料。

近年来，国外在提高与改进传统隐身材料的同时，正致力于多种新材料的探索。晶须材料、纳米材料、陶瓷材料、导电高分子材料等逐步应用于雷达波和红外波隐身，使涂层更加薄型化、轻量化。纳米材料因其具有极好的吸波特性，同时具备了宽频带、兼容性好、厚度薄等特点，发达国家均将其作为新一代隐身材料加以研究和开发。国内毫米波隐身材料的研究起步于80年代中期，研究单位主要集中在兵器系统。经过多年的努力，科研工作取得了较大进展，该项技术可用于各类地面武器系统的伪装和隐身，如主战坦克、155毫米先进加榴炮系统及水陆两用坦克。

目前，电磁波吸收型涂料、电磁屏蔽型涂料已在隐身飞机上涂装；美国和俄罗斯的地对空导弹正在使用轻质、宽频带吸收、热稳定性好的隐身材料。可以预见，隐身技术的研究和应用已成为世界各国国防技术中最重要的课题之一。

6．光电材料

光电材料是指在光电子技术中使用的材料，是现代信息科技的重要组成部分。光电材料在军事工业中有着广泛的应用。碲镉汞、锑化铟是红外探测器的重要材料；硫化锌、硒化锌、砷化镓则主要用于制作飞行器、导弹等红外探测系统的窗口、头罩等。氟化镁具有较高的透过率、较强的抗雨蚀、抗冲刷能力，是较好的红外透射材料。激光晶体和激光玻璃是高功率和高能量固体激光器的材料，典型的激光材料有红宝石晶体、掺钕钇铝石榴石、半导体激光材料等，它们是激光武器必不可少的重要材料。

新材料是满足军事装备生产的支柱性技术，对提高武器装备性能和军队战斗力有着重要作用。新材料技术在军事上的用途十分广泛，用于武器装备可使其升级换代，性能大大提高。随着新材料技术的深入发展，未来的武器装备的面貌还会发生日新月异的变化。