舰船用高技术新材料的发展.pdf
综述舰船用高技术新材料的发展朱孝信(洛阳船舶材料研究所洛阳471039)摘要 现代科学技术的发展使舰船装备的面貌产生深刻的变化,而高技术新材料又是舰船装备现代化的物质基础,因而在舰船材料的研究与开发中占有很重要的位置。本文综合评述舰船用新型结构材料(新金属结构材料、先进树脂基复合材料、结构陶瓷材料和高温结构材料)和先进功能材料(隐身材料、减振与消声材料、水声换能材料、超导材料、贮氢材料和永磁材料)的发展和应用趋势,并对我国舰船新材料的发展提出意见和建议。关键词 船用材料结构材料功能材料Development of Hi-tech and New Materials for ShipbuildingZhu X iaoxin(Luoyang Ship M aterial Research Institute,Luoyang,471039)AbstractProfound changes have taken place in naval equipments due to the development of modern science and tech-nology.Hi-tech and new materials are the foundation of modernization of naval equipments,and therefore take an importantposition in research and development of shipbuilding materials.T his paper reviews the development and application tenden-cies of new structural materials and advanced functional materials for shipbuilding,and gives some comments and sugges-tions on the development of new shipbuilding materials in China.KeywordsShipbuilding materialStructureal materialFunctional material现代高新技术的发展使海军装备的面貌产生深刻的变化。舰艇上采用的高新技术成为其战斗力的主要标志。面向21世纪,世界各国海军都在总结近代海战的经验教训,制定新世纪的海军装备发展战略。当前,舰船高新技术的发展主要集中在新武器的开发、舰艇隐身化、新动力系统的采用和新船型的研究几个方面。上述舰船高新技术的发展对舰船材料提出许多新的要求,这就是舰船用高技术新材料发展的强大推动力,而高技术新材料又是舰船上高新技术实现的物质基础。就用量而言,传统结构材料在未来的舰艇建造中仍占绝对的多数;但就发挥的收稿日期:1998-11-22功能而言,高技术新材料则占有更重要的位置。1新型结构材料一般而言,船用结构材料不象航空材料那样刻意追求高比强度,但对于某些特殊的结构(如表面效应船、混合式水翼船、深潜器、大深度鱼雷等的壳体结构)则要求使用高比强度的材料,以减轻壳体的重量,提供合理的有效载荷。在这些情况下,传统的结构材料是不能胜任的,而必须使用新金属结构材料、先进树脂基复合材料、结构陶瓷材料等新型结构材料。新型结构材料在舰船上还可应用于高温领域,例如用结构陶瓷材料、金属间化合物等材料代替传统的高温合金制造发动机热部第14卷第1期材料开发与应用1999年2月件,可以提高发动机的工作温度,免除水冷,从而大幅度地提高其效率。1.1新金属结构材料Al-Li 合金是新金属结构材料的典型代表。因为 Li 的化学性质相当活泼,故 Al-Li 合金的熔铸非常困难,必须采用特殊的熔铸技术,或用粉末冶金法或机械合金化法生产。Al-Li 合金最显著的特点是密度低,弹性模量高。在强度相当的条件下,Al-Li 合金的密度比常规的2024、7075铝合金低约10%,而弹性模量则要高10%。目前,成熟的Al-Li 合金有2090、8090、8091、8092等牌号,抗拉强度在500 MPa 上下,主要应用于飞机结构。新近研制的 AA5091合金的密度为2.57 g/cm3,抗拉强度为412 MPa,弹性模量为79.2103MPa,耐蚀性优良。美国海军正资助用 AA5091合金锻件制造重型鱼雷的燃料舱分段 1。与其它新型结构材料相比,Al-Li 合金作为轻质高强度材料的显著优势是,成本较低,可以利用传统设备生产,可直接取代常规铝合金投入应用。除熔铸外,Al-Li 合金的挤压、轧制、锻造和热处理均可利用现有的设备和工艺进行,无特殊要求。1.2先进树脂基复合材料先进树脂基复合材料是指用碳纤维、陶瓷纤维、芳纶纤维等增强的聚合物复合材料。先进树脂基复合材料具有比传统结构材料优越得多的力学性能。例如分别用碳纤维、芳纶纤维和碳化硅纤维增强的环氧树脂复合材料的密度为1.42.0g/cm3,拉伸强度为1.51.8 GPa。这些复合材料的拉伸强度略高于普通钢材,而比强度则为普通钢材的46倍,比模量为普通钢材的23倍。先进树脂基复合材料除具有优越的力学性能外,往往还兼有耐腐蚀、振动阻尼和吸收电磁波等功能,但其价格昂贵,只能用在舰船上关键性的部位,如大型核潜艇的声纳导流罩、大深度鱼雷的壳体、深海潜水器壳体以及高性能艇的艇体结构、水面舰艇的重要甲板构件等处。美国“洛杉矶”级核潜艇的声纳导流罩长7.6m,最大直径8.1 m,是目前世界上最大的先进树脂基复合材料制品。美国的“佩里”号驱逐舰上首次用芳纶纤维增强塑料制作装甲。瑞典新设计的 YS2000高速驱潜快艇长70m,排水量约600 t,航速35 kn。考虑到对此艇重量、强度和抗冲击性的要求,拟采用碳纤维增强复合材料制造艇体结构。有关部门对材料进行初步分析后认为,采用昂贵的纤维材料来减轻艇体的重量是值得的。用有限元分析技术和计算机程序对艇体结构进行的力学分析表明,用高强碳纤维增强复合材料制造 YS2000高速艇的艇体可符合挪威船级社的规范要求 2。俄罗斯中央结构材料研究院开发出一种用碳纤维增强的减摩复合材料,可用于制造船上活塞、轴承等部件,其工作速度可达15 m/s,工作压力可达60 MPa。该材料耐环境性极好,在水中不发软,在-200150的温度范围内性能无明显变化,而且与金属粘接的相容性很好。德国 AIR 加工技术公司开发出一种碳纤维环氧复合材料螺旋桨。这种螺旋桨的桨叶由碳纤维和环氧树脂模制而成,据称桨叶具有很高的强度,可在恶劣的海况下工作。用4叶、5叶和6叶桨进行的试验表明,桨叶厚度的减小,可使推进效率提高3%10%。这种桨比金属桨轻25%35%,故桨的惯性小,有利于高速艇的加速。新型桨的另一项优点是浆叶材料的阻尼性能好,可使噪声等级相对于金属桨下降5 dB,甚至在桨叶损坏的情况下,振动等级仍在可接受的范围之内 3。美国海军用石墨纤维增强环氧树脂材料成功地制造出自动无人深潜探海艇 AUSSMOD2的耐压壳体。该艇的下潜深度为6096 m,按照设计,其耐压壳体的重量/排水量比率不能超过0.5。在诸多候选材料中只有玻璃、陶瓷和先进树脂基复合材料有可能满足上述要求。在以往模型试验的基础上,美海军决定用湿缠绕法制造耐压壳体的圆柱体分段。制成的分段尺寸 为654 mm(内径)781 mm(外径)1651 mm(长度),分段两端连接钛制卡环并进而与半球形钛制封头相连。整个耐压壳体组件的重量/排水量比率为0.58,可提供431 kg 的正浮力,而圆柱体分段部分的重量/排水量比率只有0.477。计划今后要用石墨纤维增强复合材料来代替钛制造封头,以便使整个耐压壳体组件的重量/排水量比率降到0.5以下 4。1.3结构陶瓷材料陶瓷的强度和弹性模量很高,而且具有耐腐25第14卷第1期朱孝信:舰船用高技术新材料的发展蚀、耐磨损、耐高温的优点,密度又比一般金属材料低,是很有发展潜力的高比强度材料。但陶瓷固有的脆性使其应用范围受到很大的限制。近年先进陶瓷材料的研究取得很大进展,用高纯度超细粉料经特殊加工工艺而制成的陶瓷材料显微组织精细,性能优良,一些先进陶瓷材料,如碳化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锆等已逐步进入实用领域。陶瓷增韧的研究也取得一定的成果,为结构陶瓷材料的推广应用创造了条件。结构陶瓷材料在舰船上可能的应用主要有两方面:(1)利用其高比强度制造大深度潜水器的耐压壳体;(2)利用其高硬度和高的断裂能制作轻质装甲。美国海军为建造无人深海潜水器而对若干耐压壳体候选材料进行了对比分析。结果表明,对于6096 m 的潜深,氧化铝陶瓷耐压壳体的重量/排水量比率小于0.60,而同样设计深度的钛壳的比率则超过0.85。尽管氧化铝陶瓷在几种陶瓷材料中并不是给出最低重量/排水量比率的材料,但由于它成本较低而且制作工艺比较成熟,故被选中用于制造635 mm 直径的深潜器耐压壳体。在正式制造此壳体之前,先制造了外径305 mm 的缩尺模型,并进行了试验。试验结果表明,此模型壳体满足潜深6096 m 的无人潜水器耐压壳体的设计要求。按材料强度计算,此模型壳体在最大工作压力下的安全系数为1.50;按临界纵弯曲压力计算,安全系数为1.33。循环疲劳试验表明,相对于最大工作压力可加压500次以上 5。在模型制造与试验的基础上,于1993年正式制造出635 mm 直径的氧化铝陶瓷耐压壳体,并进行了试验。此次制造实践证明,在同样排水量(454 kg)的情况下,氧化铝陶瓷壳体比 T i-6Al-4V 壳体的有效载荷高166%;为达到同样的有效载荷,钛壳体的排水量必须增加50%,其重量则增加83%。除此而外,陶瓷壳体还具有耐腐蚀、电绝缘、非磁性、可透过辐射等优点 6。陶瓷装甲的主要优点是质量轻,其质量有效系数(对付已知威胁所需的普通钢装甲的面密度与陶瓷装甲的面密度之比)颇高。陶瓷材料通过其密度效应、吸能效应和磨损效应可发挥很强的防弹能力。目前国外已投产的装甲陶瓷材料主要有氧化铝、碳化硅、碳化硼、二硼化钛等几种。其中以氧化铝应用最为广泛,另几种性能更好,但成本偏高,目前只用于直升机等装备。氧化铝陶瓷装甲既可以对付穿甲弹,也可以对付破甲弹,其质量有效系数约为2.53.5。这种材料已广泛应用于轻型装甲车辆,而对于希望尽量减轻装甲重量的舰船来说,具有很大的吸引力。由于陶瓷材料本身性能的局限性,单独用陶瓷作装甲的效果并不理想。因此在实用中大多采取陶瓷复合装甲的形式。一种形式是外加保护层,即在装甲板外表面上覆盖以玻璃钢或橡胶层,以防止陶瓷装甲因受到意外碰撞而损坏,而且提高陶瓷装甲抵御多次袭击的能力。另一种形式是制成多层复合结构,即装甲板由底板层、陶瓷层、钢板层、空气层和夹芯面板层组成 7。1.4高温结构材料传统的高温金属材料因受到熔点、高温氧化、高温蠕变等因素的制约,其工作温度难以大幅度提高。为进一步提高热机的效率就必须有工作温度更高的新型高温结构材料。就目前的研究与开发状况而言,高温结构陶瓷和金属间化合物最有希望成为未来的热机用高温结构材料。氮化硅、氮化铝、碳化硅、氧化锆等陶瓷具有高温强度高、抗热震性能好、高温蠕变小、密度小、耐磨损、耐腐蚀等优良性能,是很有发展前途的高温结构材料。氮化硅陶瓷电热塞、涡流室镶块、增压器叶轮等发动机部件已在国外商业化生产,陶瓷活塞头、缸套、油咀等热机部件则正在试验中。碳化硅陶瓷可用于制作燃气轮机叶片、涡轮增压器叶片和燃烧器部件。氧化锆则适合于制作内燃机的缸套、活塞头、气门座和凸轮随动件 8。国内外均有用陶瓷材料制造试验性发动机的报道,试验的结果是令人鼓舞的,预计不久的将来陶瓷发动机会达到实用阶段。金属间化合物是介于陶瓷和金属之间的材料,质硬而脆,具有很高的熔点和高温强度,有希望成为新一代的高温结构材料。国内外对此类材料进行了许多研究,主要是解决其脆性和难以加工的问题。在诸多金属间化合物中,T iAl 化合物的研究最为充分。该材料已初步具备了作为高温26材料开发与应用1999年2月结构材料的条件,很可能率先投入实用,开辟高温材料的一个新时代。2先进功能材料现代舰船是高新技术高度密集的综合系统,所用功能材料的种类很多,但其中大多数并不是舰船专用材料。在舰船上有一定独特应用的功能材料主要有电磁力推进用超导材料、吸收雷达波材料、舰船隐蔽用消声与减振材料、水声换能材料、燃料电池用贮氢材料、永磁电机用永磁材料等,其中有些还兼作结构材料,属功能型结构材料。2.1吸收雷达波材料对水面舰艇而言,隐身的目的主要是减小其雷达反射截面,从而减小遭受反舰导弹攻击的危险性。因此,吸收雷达波材料(以下简称为吸波材料)是水面舰艇上最主要的隐身材料。潜艇虽然在水下航行,但其指挥室围壳、潜望镜等部位经常露出水面,也需要使用吸波材料。据预测,21世纪的舰船上会普遍使用隐身技术和吸波材料。对于舰艇吸波材料,要求吸波的频带宽,即使电磁波衰减-10 dB 对应的频率范围尽可能地宽。在发挥同样功能的前提下,材料厚度越小越好。此外要求材料能耐磨损、耐海洋环境的作用且价格低廉。舰用吸波材料有吸波涂料和结构吸波材料两种类型。吸波涂料可以施用在具有复杂形状的结构上,主要应用于舰船的桅杆、机库壁、舱门以及上层建筑等处。吸波涂料大多以软磁性铁氧体作为吸波剂。在高频环境下,涂料中的铁氧体将电磁波能量转化为热能而消耗掉,从而达到吸收雷达波的目的。吸波涂料比一般涂料价格贵,涂覆工艺要求高,所以一般只施用于舰上的强反射区域。但俄罗斯舰艇的上层建筑外表面基本上全面涂覆吸波涂料,且涂层较厚。提高涂料吸波性能的途径有:(1)采用由铁氧体粉末、羰基铁粉、铁粉、镍粉、碳黑、石墨、碳化硅等组成的复合吸波剂;(2)提高吸波剂的细度,采用超微细粉末配制吸波涂料;(3)对吸波涂层进行计算机辅助设计。结构吸波材料既用于制作舰船上的构件,又具有吸收雷达波的功能。结构吸波材料多数为复合材料,具有质轻、高强的优点,首先在飞机和导弹上获得应用,近年也用于制造小型舰船和舰上的某些甲板构件。结构吸波材料有下列几种结构形式:(1)叠层结构:由透波层、阻抗匹配层和反射背衬等组成;(2)复合结构:先分别制成复合材料和吸波体,然后再粘合而成;(3)夹层结构:有蜂窝夹芯、波纹夹芯和框架夹芯等结构形式。2.2减振与消声材料为了减轻船舶的振动和噪声,一方面要进行阻尼、隔振、吸声、隔声的系统设计和结构设计,另一方面要采用减振与消声材料。减振与消声材料的品种很多,大体上可分为阻尼金属材料、粘弹性材料、复合材料等类,在舰船上可作为结构材料使用,也可作为粘贴、涂敷材料发挥减振和消声效果,其中潜艇外壳敷设的消声瓦和消声涂层特别引人注目。目前已开发的减振用金属结构材料按其阻尼机理可分为复相型、铁磁型、位错型和孪晶型4类。复相型通过第二相的粘性流变而产生阻尼作用,如片墨铸铁、78Zn-22Al 合金即属此类。复相型合金减振性能较差,强度较低,而且不能在高温下工作。铁磁型通过磁畴壁的不可逆移动而产生磁机械滞后。某些 Fe-Cr-Al 系、Fe-Al-Si 系合金属此。铁磁型合金减振性能较好,强度较高,工作温度范围宽,而且相对而言价格较低廉。位错型通过位错脱离钉扎点而产生滞后,减振 Mg 合金为其代表。位错型合金减振性能最好,但强度低,价格偏高。孪晶型通过热弹性马氏体相变的孪晶界的移动而产生滞后,减振用 Cu-Mn 系合金均属此类。孪晶型合金工作温度较低,价格却偏高。作为舰船用减振结构材料,要求有较高的强度,良好的焊接施工性能和较宽的工作温度范围。上述减振金属材料未必都适合在船上使用,应根据实际使用环境慎重选择。减振用复合结构材料有约束型和非约束型两类。约束型是由两块金属板中间夹入树脂而制成的夹层材料,其减振性能取决于树脂的剪切变形导致的振动衰减。树脂的振动衰减能力在从玻璃态转变为橡胶态的温度范围(粘弹性范围)内达到27第14卷第1期朱孝信:舰船用高技术新材料的发展最大,因此要根据使用温度范围选用合适的材料。非约束型是在金属板表面粘贴树脂等而制成,其减振性能由树脂的伸长变形提供。因减振复合材料中含有树脂,故使用温度难以超出0150 的范围。另外,在要求造船材料不燃和不产生有害气体的情况下,减振复合材料的使用也受到一定的限制。但在合适的条件下,减振复合材料的阻尼性能一般要优于减振合金。国外大型攻击型核潜艇和弹道导弹核潜艇为减小水下声辐射,大多在艇体表面粘贴消声瓦或涂敷消声涂层。由于近年来声纳性能的改进,迫使一些柴/电推进的常规潜艇也采用这种消声措施。消声瓦和消声涂层从以下两方面减小潜艇的特征信号:减小潜艇向海洋辐射的自噪声量级和减小潜艇反射声纳波的能量。潜艇表面的消声瓦和消声涂层主要有以下4种类型:(1)通过粘弹性损耗过程和局部应变吸收主动声纳波的吸声型;(2)把入射声能反射到远离声源的方向,并隔离艇内产生的噪声使之不进入周围海水的隔声型;(3)吸收机械振动的阻尼型;(4)降低流体水动力噪声的降流噪型。选择消声材料时,首先要明确材料能有效地发挥消声作用的频率范围以及该材料在此频率范围内的性能,然后在理想的材料与厚度、重量、体积、费用等因素之间进行平衡。艇体上的消声材料厚度通常为3050 mm,厚度在很大程度上取决于频率要求。大型潜艇的消声层面积达1000 m2以上,重量可达150 kg/m2。传统的消声瓦是由橡胶或氯丁橡胶注塑而成,其中含有许多注满空气的小泡。要成功地把消声瓦粘贴于潜艇的表面,选择合适的胶粘剂是非常重要的。胶粘剂在化学性能上应与消声瓦和基体金属(或涂于基体金属上的防腐漆)相容,应能在合理的温度下和时间内固化并呈现出优良的环境稳定性。使用环氧胶粘剂不但可把消声瓦粘贴到钢基体上,也可粘贴到其它基体(如玻璃钢)上。这种材料可在水下施用,而不必让潜艇进坞。虽然在施工技术方面不断有所改进,但由于在瓦与艇体之间存在气泡或由于艇体在剧烈的运动中发生弯曲,消声瓦仍时有脱落。目前英国消声瓦的脱落率小于0.1%。考虑到一艘大型核潜艇需要数万片瓦来覆盖其表面,可见消声瓦的生产和施工仍然是高价的和劳动密集型的工作。2.3水声换能材料水声换能器是舰船声纳的核心部件,其功能是把声信号转换为电信号,或相反把电信号转换为声信号。水声换能器的转换元件通常用压电材料或压磁材料制成,它们统称为水声换能材料。舰船上使用的传统水声换能材料为锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷。当今美国海军的声纳换能器几乎全部使用 PZT 陶瓷。然而,在 PZT 换能器的设计中,声压的释放往往需要屏蔽来自 PZT 元件的响应。这种情况加上换能器设计的复杂性,意味着设备尺寸和重量的增大以及成本的提高。此外,潜艇水下航速的提高和下潜深度的增大意味着艇上声纳基阵中水听器的性能会受到流噪的制约。为克服流噪的影响,需要使用大面积的水听器,以便非相干性地消除流噪场,同时检测到外来的长波声信号。这样就要求换能材料能以大面积柔性板的形式提供使用,且要求其灵敏度远高于传统的 PZT陶瓷。美国海军的“海狼”级攻击型核潜艇上的大孔径声纳基阵使用了密度较大的 PZT 压电材料。新一代的“百人队长”级攻击型核潜艇的排水量较小,不宜采用上述材料。美国海军为“百人队长”级的声纳基阵选材而进行的调查表明,日本 NGK公司研制的压电橡胶和法国研制的聚偏二氟乙烯(PVDF)是理想的候选材料。其中,压电橡胶的独特优点是既能作为消声材料,又可用来制造水听器,因而成为该级潜艇的首选用材。PVDF 不但受到美国海军的重视,挪威海军已将它试用于舰艇,法国海军也计划把这种材料用于新型弹道导弹核潜艇。压磁材料可分为铁磁性金属材料和铁氧体材料两大类。对水声换能器用的压磁材料有两项基本的要求:一是要有大的饱和磁致伸缩应变,二是要有小的饱和磁化场强。稀土金属压磁材料是当前开发研究的重点。用此类材料制成的水声换能器具有发生信号强、器件体积小、工作频率可低于1 kHz等优点,很适用于水面舰艇和潜艇的主动28材料开发与应用1999年2月声纳系统。2.4超导材料超导材料在舰船上有很独特的应用。超导电磁力推进、超导雷达和超导扫雷的实现会使相应的舰船装备的面貌产生革命性的变化。自1986年中外科学家发现氧化物高温超导体起,对超导的研究迅速升温。在这十几年中,超导材料在舰船上的应用取得重大的进展。日本已建成世界上第一艘超导推进实验船“大和1号”。英国制成了世界上第一台用液氮冷却的高温超导雷达天线。我国的超导扫雷具研制也取得一定的结果。这些成就为超导材料在舰船上的应用奠定了必要的基础。但是纵观十几年来的发展,总起来说,超导材料的大规模推广应用还存在着目前难以克服的困难,超导时代的到来也许比前几年预想的要迟得多。尽管如此,超导材料作为未来的高技术新材料仍具有极大的魅力,值得科学家们去追求、探索。2.5贮氢材料近十几年来,国内外一直在研究常规潜艇使用的不依赖于空气的水下推进系统(AIP 系统),以延长水下潜航的时间,提高潜艇的隐蔽性。燃料电池是 AIP 水下动力源之一,受到各国海军的高度重视。燃料电池可以把化学能直接转变为电能,从而免去电池充电和放电时的损耗,效率可达70%以上。以氢和氧为燃料和助燃剂的燃料电池十分适用于潜艇。氢与氧可在低温下发生反应,不产生任何噪声。化学反应生成的水可在艇内积蓄起来,使艇的重量不产生任何变化,也不向艇外排放任何废弃物 9。在潜艇用燃料电池的研究与应用方面,目前德国居领先地位,西门子公司于1984年研制成陆上试验用燃料电池,1989年在旧的U1号潜艇上安装了燃料电池,并完成了试验,1995年完成了 U212号新潜艇用燃料电池样机 的研制 10,11。日本、加拿大和美国在燃料电池的研究方面也有雄厚的实力,预计他们今后将加快潜艇用燃料电池的开发。贮氢材料是制作燃料电池的关键材料之一。贮氢材料按成分可分为稀土系、钛系、锆系和镁系4大类。作为实用性的贮氢材料应满足以下条件:(1)贮氢容量大;(2)吸放氢速度快,特别是放氢速度快;(3)放氢温度最好在室温左右,放氢压力大于10个大气压;(4)性能稳定,可反复多次使用,对杂质敏感性小;以及(5)原材料来源丰富,价格便 宜。符合 以 上条 件 的贮 氢 材 料有 Mg2Ni、MgH2、T iNi、TiFe、TiFe0.9Mn0.1、LaNi5、ZrMn2等 12。其中 LaNi5易引发氢化物反应,有良好的贮氢性能,但价格昂贵。美、日等国正在研究用廉价的稀土金属混合物代替其中的 La。TiFe 贮氢量大,可在室温和常压下放氢,使用寿命长,价格便宜,其最大的缺点是活化困难。目前正在努力改善T iFe 的活化性能。MgH2重量轻,含氢量高,但其放氢温度高(0.1 MPa 下287),反应速度低。ZrMn2经活化后可在室温下氢化,但放氢温度较高(0.1 MPa 下210)。贮氢材料在吸放氢过程中会发生膨胀和粉化现象,同时伴有放热和吸热,造成材料的破坏和吸放氢能力的降低。这是贮氢材料实用中的主要技术障碍。为此,国内外学者作了许多改进的尝试,发现用铝纤维增强制成复合材料是解决上述问题的有效方法 12。国内南开大学、浙江大学、北京有色金属研究总院等单位在贮氢材料的研究中取得许多可喜的成果,南开大学等单位开发的 AA 型镍/氢电池已投入批量生产 13。这为我国潜艇用燃料电池的开发创造了良好的条件。2.6永磁材料永磁电机是用永磁材料提供磁场而制成的电机。与一般的电机相比,永磁电机具有下述特点:(1)省去励磁系统及其控制设备,可实现同步电机无刷化;(2)体积小,重量轻,结构简单,运行安全可靠,维护方便;(3)效率高,温升小,噪声小,电磁干扰弱。一般而言,采用永磁电机可使电机的体积和重量减小30%40%,效率提高5%15%。这些特点使之非常适合于舰船上使用。美国海军海上系统司令部已计划不久将对外发包两项关于舰用永磁电机的研究合同。美国的一些公司已在这方面作过一些预研工作。Newport News 公司从80年代末就开始研究潜艇的全电力推进方案,并试制了小型的永磁电机,于1995年由海军进行了试验。此外,永磁电机还可用于民船,如客船、渡船、破冰船、油船等 14。29第14卷第1期朱孝信:舰船用高技术新材料的发展永磁材料是永磁电机的技术关键。目前可应用于电机的永磁材料有3类:铁氧体、AlNiCo 和稀土永磁材料。前两种材料因价格较低,已大量应用于民用的中小型电机。稀土永磁材料是后起之秀,已经历过3次重大的突破。第一代是1967年开发成功的 SmCo5,具有很高的永磁特性,最大磁能积超 过 24 MGs Oe。第 二 代 是 1973年 推 出 的Sm2Co17,其剩余磁密比 SmCo5的高,矫顽磁力比SmCo5的低,最大磁能积高达33 MGsOe。1983年开发成功的 NdFeB 属第三代,其剩余磁密、矫顽磁力和最大磁能积(38 MGsOe)均超过了第一、二代的水平 15。NdFeB 永磁材料的退磁曲线为直线,磁性能除热稳定性稍差外是目前永磁材料中最好的,而且力学性能好,原材料丰富,价格适宜,故成为永磁电机的首选永磁材料。该材料存在的主要问题是居里温度低(310),温度系数大,这影响其在高温下的使用。世界各国磁学界正在逐步克服这方面的缺点。我国在永磁材料的研究与开发方面有良好的基础和雄厚的实力。国内研制的永磁材料已达国际先进水平。美国于1998年发射的星际飞船上所载 A磁谱仪(AMS)中的永磁体就是中国科学家研制的。该磁体用 NdFeB 永磁材料制成,对磁性和加工精度要求极为苛刻,确实代表了世界的顶尖水平。目前我国的 NdFeB 永磁材料已批量生产,产品大部分出口;我国在永磁电机的开发方面也取得可喜的成绩,如北京重型电机厂研制成功NdFeB永磁250 kW 同步电机。这些为研制舰船用永磁电机提供了良好的基础。3结束语我国舰船材料的研究始于60年代初期,经过30多年的艰苦努力,我国的舰船材料已基本上形成系列,大体上可以满足各型舰船建造的需要。但我国舰船材料的研究与开发主要集中于传统材料领域,重点是传统结构材料,而在高技术新材料方面起步较晚,进展不大。这样的格局难以适应未来船舶工业和海军装备现代化的需求。因此我们要重视高技术新材料的研究和开发,要充分利用材料科学技术的新成就,提高舰船材料研究的水平和档次。当然,强调高技术新材料并不是要丢弃传统材料,传统材料虽已形成系列,但这样的系列还存在若干不完善、不合理之处,需要加以改进,传统材料的生产工艺水平和质量水平有待进一步提高。在传统材料领域,近年也出现不少新思想、新观念,值得我们加以重视。例如在钢材加工工艺方面,国外正大力开发控轧(CP)、热机械控轧(TM-CP)和相变诱发塑性控轧(T RIP)等新工艺。在强化机制方面突破了固溶强化、马氏体相变强化等传统观念,引进了沉淀强化、细化晶粒强化等新型强化机制。在铝合金方面,新开发的快速凝固粉末冶金(RS-P/M)工艺可全面提高铝合金的性能。这些新思想、新观念正在推动舰船用传统材料的更新换代。参考文献1Last H R,et al.P/M in Aerospace,Defenseand Demanding Applications,San Diego,CA,USA,1993.2512束淼磊译.国外舰船工程,1997(5):483Mar Propul Int,1994(12):74Stachiw J D,et al.AD-A2704385,19885Stachiw J D,et al.AD-A273036,19936Stachiw J D,et al.Sea Tech,1993(12):357相文.现代兵器,1997(5):338庄汉锐,等.高技术新材料要览.北京:中国科学技术出版社,1993.2432539李严译.国外舰船工程,1996(5):3410张春甫.船电技术,1989(4):4211Maritime Defence,1995,20(4)12陈军,等.高技术通讯,1995(10):5513巴俊州,等.舰船防化,1994(4):1614Sea Power,1996(5):2015陈恒峰.船电技术,1992(4):26朱孝信:1938年生,研究员,主要从事科技信息研究,曾获全国科技信息优秀成果二等奖。30材料开发与应用1999年2月
