飛機、艦船、坦克、火炮等軍事裝備，通常要求能夠在嚴重的鹽霧潮濕環境和惡劣的氣候下使用，并充分發揮其效能，但在這種服役環境中極易產生腐蝕缺陷問題。腐蝕已成為航空與軍事裝備事故的重要原因之一?？朔颦h境帶來的腐蝕問題，發展先進的防腐材料和技術對于提高軍事裝備的質量和使用可靠性具有重大的現實
意義。

    1  仿生超疏水表面技術在軍事領域的應用進展

    超疏水表面研究是生物、物理、材料等學科交叉的新興仿生研究領域。表面粗糙結構是超疏水性質形成原因。Wenzel 與 Cassie-Baxter 模型分別描述了水滴是否滲入表面微結構時粗糙度對疏水性質的影響。兩類超疏水表面可以具有較大的靜態接觸角卻可以表現出完全不同的性質，不同的是水滴在固體表面如果處于 Wenzel 態則會表面出較大粘附力。而水滴在固體表面如果處于Cassie-Baxter 態則同時具備較小的滾動角。處于 Cassie-Baxter 態的超疏水表面稱之為穩定超疏水表面（荷葉效應），目前對超疏水現象的研究目的是制備具有穩定超疏水性的仿生表面。

    超疏水表面的性能研究

   （一）防水性

    如果固體表面是穩定超疏水表面，則水滴在該表面上的靜態接觸角大于150°，同時滾動角小于 10°，較大的靜態接觸角意味著水滴在固體表面上的接觸面積相對縮小，較小的滾動角意味著只要表面稍微傾斜水滴便會從固體表面上滑落，即使固體表面存在 d : fL、裂縫等間隙，超疏水表面球形水滴葉不會沿著間隙滲入固體內部。縮小的水滴與固體接觸面積以及水滴極易從固體表面上滑落可以有效的隔絕固體表面與水的接觸，因此制備具有超疏水表面的高壓電網可有效減緩冬季覆冰危害。水滴不會沿著間隙滲入固體內部則可解決防銹漆因存在小孔、裂縫等問題引起的腐蝕。因此超疏水表面可以增強防銹漆的防氧化抗腐蝕能力。

    （二）自清潔

    類似荷葉的超疏水表面具有自清潔的特殊性質，這也是荷葉能夠“出淤泥而不染”成為東方文化象征的原因。超疏水表面特殊的微結構使得污染物附著力降低，水滴在超疏水表面較小的滾動角使得雨水極易發生滾動并且帶走污染物。使得表面保持干凈。因此在高層摩天大樓玻璃表面制備超疏水表面可以減少維護清潔的成本。

    （三）減小流體阻力

    Cassie-Baxter 模型中。表面微結構中駐留大量空氣是超疏水表面形成的原因。即水與超疏水表面的實際接觸面是由液一固界面與液一氣界面兩種界面組成的。超疏水表面在流體中發生相對運動時。液一氣界面的摩擦系數遠遠小于液一固界面的摩擦系數，因此超疏水表面在流體中運動的摩擦阻力會減小實現減小流體阻力的目的。制備超疏水表面的水管或者輸油管道，減小流體在管道中運動的摩擦阻力。有望降低遠程流體管道運輸的成本。同時超疏水表面可以降低艦船的流體阻力，節約能源消耗。

    超疏水表面的軍事應用進展

    超疏水表面防水、自清潔、水下減阻等特殊性質對軍事武器裝備未來的功能表面制備提供了新的解決方案，超疏水表面在軍事裝備尤其是在水面艦艇、潛艇、魚雷等海軍裝備表面處理方面潛在應用價值巨大。

    （一）水下減阻

    水面與水下運動航行體受到的阻力遠遠大于相同情況下在空氣中運動的阻力，在功率不變的情況下降低水下阻力可以提高航速，在航速不變的情況下降低水下阻力可以增大航程。雖然航行體受到的水下阻力構成比較復雜，但是表面摩擦阻力占到相當大的比例。尤其是潛艇魚雷等完全浸沒在水中運動的航行體。因此降低摩擦阻力對水下減阻具有重要意義也是水下減阻研究的重要領域之一。處于 Cassie-Baxter 態的超疏水表面駐留大量氣體，航行體與海洋接觸面實際由固一液界面與氣一液界面兩種界面組成。而氣一液界面摩擦系數遠遠低于固一液界面的摩擦系數，超疏水表面實際采用氣一液界面替代固一液界面的方式降低了航行體的水下阻力。超疏水表面駐留的氣體易受到壓力、水流等因素的影響隨時間失去而無法獲得補充，因此超疏水表面有效減阻時間與減阻效率同樣是重要的減阻衡量指標。海洋航行體表面超疏水化處，雖然目前超疏水表面減阻的方式存在速度低、水深淺、時間短等限制條件。但依然是一種簡單高效的水下減阻方式，一旦研究突破這些問題將會得到大規模軍事應用。

    （二）海洋防腐

    海洋環境下金屬很容易發生氧化腐蝕，無論是海軍水面艦艇、潛艇、甚至是沿海或海島上的陸地設施都受到氧化腐蝕的威脅。南海高溫、高濕、高鹽環境更是加劇了氧化腐蝕，對金屬材料海軍裝備構成巨大的威脅。菲律賓非法擱淺在仁愛礁的登陸艦因無法返廠維護保養幾乎已經銹通瀕臨解體。隨著我國海軍活動范圍逐漸增大尤其是南?；顒釉龆?，海洋防腐日益迫切。目前金屬防腐主要采用犧牲陽極或外加電源改變金屬的電勢分布、表面刷防銹漆等手段，成本較高且只能延緩腐蝕。不能根本解決問題。超疏水表面具有防水的性質，可以阻斷水分與金屬材質的接觸從而緩解水面艦艇水線以上部分的氧化腐蝕難題。通過增加表面粗糙度方法制備環氧化合物超疏水表面涂層。既可以利用超疏水表面防水性質阻止水分沿著涂層縫隙進入形成孔蝕，又結合了環氧化合物作為防銹漆的致密隔水性能，達到更好的防氧化抗腐蝕的效果。

    （三）艦艇抗結冰

    低緯度寒區航行的水面艦艇甲板上浪以后很容易結冰，最終在艦艇表面形成覆冰現象。去年長期在溫暖海域活動的韓國海軍驅逐艦崔瑩號赴俄羅斯符拉迪沃斯托克港訪問。在寒區航行形成嚴重的覆冰現象，嚴重覆冰甚至改變了艦艇的重心造成艦艇傾斜面臨傾覆危險。艦艇覆冰是海軍長期存在的問題，但是到目前為止艦艇表面除冰的這種除冰方式消耗大量人力并且效率低下。超疏水表面防水性質可以提升艦艇表面的抗結冰的性質，對低緯度寒區航行的艦艇有重要意義。超疏水表面軍事應用研究在國外已經展開，美國海軍與空軍對超疏水表面進行研發與裝備。美國海軍已經宣布將開始為水面艦艇披上一層由防水材料制成的保護外衣。這種外衣將保護艦上的傳感器、武器系統以及其他暴露在外的裝備以防被鹽霧銹蝕侵害。同時可以節約因遭受腐蝕而進行維護消耗的時間與金錢。目前美國海軍麥克福爾號驅逐艦已經使用了這種防水外衣，并且計劃投資 620 億采購 80 套實現每艦一套。同樣作為美國空軍實驗室管理的小企業技術轉移的一部分。海貝公司計劃開發超疏水涂層，防止飛機腐蝕同時減少機翼表面冰集結的問題。

    超疏水表面的制備方法

    隨著以荷葉效應為代表的自然界超疏水表面發現。人們逐漸認識到低表面能材料與微納表面粗糙結構是超疏水性質形成的主要原因，同時人工制備仿生超疏水表面以實現特定的應用價值成為該領域研究的熱點。目前已知的超疏水表面制備方式很多，根據其自身性質的不同主要可以區分為以下 3 大類。即：模板法、自下而上（Bottom—up）的化學合成法與自上而下（Top—down）的物理刻蝕法。

    （一）模板法

    模板法制備超疏水表面是指先獲得特定微納結構作為母版，再通過壓印剝離的方式獲得母版相反結構的樣品。實現表面微納粗糙結構制備的方法。首先，采用模板法可以直接克隆自然界已經存在的超疏水表面。獲得與自然界完全相同微納表面結構的表面。這是超疏水表面研究的重要制備方法。早期人們采用模板法通過兩次 PDMS 壓印成型的方式獲得了與荷葉表面具有相同微納結構的環氧聚合物超疏水表面。研究了超疏水性質對環氧聚合物作為防腐蝕涂料性能的改善。其次，制備可重復壓印使用的模板可以減少直接微納加工的次數降低表面微結構制備的成本，是一種低成本大規模制備超疏水表面的方法，在未來的實際應用中具有重要意義。通常采用超精加工或微納加工工藝獲得基于傳統堅固材料具備一定微納表面粗糙結構的模板，在其表面旋涂 PDMS 材料固化剝離后獲得柔性超疏水表面，因為通常使用金屬或硅片作為壓印模板，可以多次重復使用降低超疏水表面制備的成本。同時模板也可以使用天然存在的非生物粗糙表面樣品，例如以天然多孔的氧化鋁為模板擠壓獲得超疏水的聚丙烯腈或聚乙烯醇纖維表面。

    （二）化學合成法

    化學合成法是對采用化學方式直接獲得表面粗糙結構的所有方法的概括，包括溶膠一凝膠法、自組裝法、化學沉積法、交替沉積等制備方法。化學合成法是一種至自下而上的表面微納結構制備方法。其特點是采用特定的工藝設備讓材料本身自發形成特定的仿生粗糙微結構，通?；瘜W合成法制備的粗糙結構需要低表面能有機物的修飾進一步增強疏水效果。溶膠一凝膠法是一種兩步制備的方式。溶膠通常是在溶劑中水解相應的氧化物來制備，在凝膠形成過程中。大量的溶劑會填充在網格中形成果凍狀從而形成粗糙結構，例如在二氧化硅溶膠中加入二氧化硅納米顆粒。自組裝法是利用材料本身的特性形成表面粗糙結構，例如可以利用自組裝的方式將二甲基氯化銨與硅酸鈉的多層薄膜沉積在涂有二氧化硅粒子的基底上。化學沉積法類似于自組裝法，利用化學反應本身的特性形成表面粗糙結構，根據沉積方法的不同分為化學氣相沉積法與電化學沉積法。例如可以利用化學氣相沉積的方法在硅表面沉積氨丙基三甲氧基硅烷形成氨基功能化表面，再以不同鏈長的脂肪酸修飾甚至可以調節表面濕潤性。交替沉積法采用酸或電解等方式處理性質不同多層膜獲得粗糙結構，例如交替沉積的聚烯丙基氨鹽（聚陽離子）與聚烯丙酸（聚陰離子）多層膜在酸處理后會自然產生蜂窩多孔粗糙結構。化學合成法種類繁多，通常采用先獲得粗糙結構再低表面能物質修飾的方法，這是一種針對性很強的方法。

   （三）物理刻蝕法

    物理刻蝕法采用物理方式對固體表面進行微加工實現特定的表面微結構。是一種自上而下的超疏水表面制備方法。物理刻蝕的方法工藝簡單成熟，起步很早，早期物理刻蝕法主要是采用干法或濕法刻蝕硅片獲得周期性陣列的方式及超疏水結構，但是成本高效率低的缺點限制了該方法的發展，近期物理刻蝕法發展迅速甚至獲得金屬超疏水表面以及將完全親水材料表面超疏水化的重大成果。首先是激光刻蝕的方法進一步發展。通過超短飛秒激光脈沖轟擊銅或鈦金屬，這些超高能激光脈沖會在金屬表面刻蝕出大量細紋。在這些紋路上密集分布且高低不平的納米結構改變了金屬表面的濕潤性質。其實是進一步改進了周期性陣列疏水表面單元結構，采用 T字型甚至是蘑菇型的異性結構設計，通過 MEMS 工藝制備的超疏水表面使得完全親水的有機液滴呈現大于 150°的靜態接觸角。物理刻蝕的方法不同于上面提到的化學合成法依賴于表面材料涂層，物理刻蝕方法徹底改變了固體表面的性質。這種粗糙結構因為結合力問題隨著時間脫落。

    未來趨勢

    超疏水表面研究領域是典型的多學科交叉領域。雖然疏水理論很早就已經獲得。但是直到 20 世紀末荷葉表面微結構的發現才開始被關注。超疏水表面研究目前是一個發展快速的研究領域，每年發表的相關文獻數目在快速增長，超疏水表面理論、性質、制備、應用等得到了廣泛而深入的研究。目前超疏水表面理論依然有待完善，制備工藝有待進一步提高并降低成本，制備表面的耐磨損性質也同樣有待提高。一旦超疏水表面制備與耐磨損性質獲得研究突破，有望在未來軍事裝備與國民經濟上廣泛應用。

    2  防霉技術在軍用電子裝備中的應用

    軍用電子裝備在整個壽命期內的貯存、運輸和使用各個階段均會遭受各種惡劣環境條件的作用。在經受長時間惡劣環境條件的作用后，組成電子裝備的材料和結構必然會受到腐蝕和破壞，嚴重影響電子裝備的使用壽命和作戰效能。在各種惡劣環境條件中，作為生物環境條件的霉菌是引起軍用電子裝備腐蝕和破壞的一個重要因素。

    我國東南沿海、嶺南地區、長江中下游地區、重慶、四川等地終年大部分時間溫暖潮濕，霉菌極易在電子裝備的面板、儀器儀表，絕緣材料、有機涂料、通信器材、印制板、非金屬元器件、光學器材等各種材料和結構表面生長，進而產生霉變和腐蝕，造成它們性能劣化 ,元器件失效、結構破壞，部件失靈、功能喪失、光學器材無法使用等嚴重后果，有的甚至誘發嚴重事故，造成巨大的經濟損失和軍事損失。

    隨著塑料、橡膠、涂料、密封材料、紡織纖維等材料在軍事電子裝備上的應用越來越多，霉菌對電子裝備的腐蝕和破壞也將顯得越來越突出。防霉技術越來越受到人們關注。本文就如何提高軍用電子裝備的防霉抗霉能力，防止或減少霉菌對它們的腐蝕和破壞談談自己的看法。

    產品長霉的條件

    產品長霉的前提是產品能為霉菌生長提供營養物質。產品為霉菌生長提供營養物質的途徑主要有兩種：一種是產品直接為霉菌生長提供營養物質，另一種是產品制造、運輸、貯存和使用過程中，表面積聚的灰塵、污染的油污、汗跡和其他污穢作為霉菌生長的營養物質。霉菌的生長不僅需要營養物質，而且與溫度、濕度、氧氣等因素密切相關。溫度在 25 ～ 35℃，相對濕度在90% ～ 100% 的條件最適宜霉菌的生長，相對濕度降至 80% ～ 86%，霉菌生長變得緩慢甚至停滯。當產品處于溫暖潮濕的生長環境中，附著在產的表面的霉菌孢子開始萌發，發育成菌絲，菌絲利用營養物質進行生長，滋生的霉菌最終對產品造成不同程度的危害。消除或控制與霉菌生長密切相關的任何一個因素，霉菌生長就會受到極大的抑制產品也就不會受到霉菌侵蝕和破壞。

    防霉結構設計

    防霉結構設計是產品總體設計的組成部分。合理的結構設計能有效消除或減弱霉菌賴以生存的環境條件，抑制霉菌生長，從而提高軍用產品的防霉抗霉能力，防霉結構設計應圍繞著消除或隔離霉菌生長所需的營養條件和環境條件展開，包括消除和隔離可能附著在產品表面的營養源、控制或降低溫度濕度條件，斷絕霉菌生長條件。

    產品的結構設計的完整、簡潔、流暢。所有的構件尤其是暴露在外的構件能避免積水藏灰，焊縫連接的位置不宜在頂部、且焊縫盡量連續；設計中應注重弧度的運用，零部件間的銜接可采用足夠的圓弧過度，棱角和邊緣可設計成圓角，這樣既能避免應力腐蝕，同時又可便于產品的工藝防護處理，提高產品的鍍涂覆工藝質量；對大容積的結構件，設計時應充分考慮設備的通風，強化空氣流通功能，保持設備內空氣干燥，防止產品或器件受潮或積水。

    密封設計是一種較為理想的防霉結構設計，只要需要和可能盡量采用密封設計。進行氣密密封設計時，容器應采用永久性熔焊氣密結構，局部采用的密封圈應選用永久變形小的硅橡膠“O”型圈，不允許密封圈有接縫，不能采用橡膠板、墊密封。為保證密封效果，往往還在密封殼體內充入惰性氣體。軍用產品中的高壓期器件或部件、變壓器、阻流圈、接插件、電路板以及有特殊要求的元器件往往還采用灌封處理，既能提高其防霉防腐性能，又提高了可靠性。

    選擇抗霉材料

    如上所述，霉菌生長必需要營養物質。缺乏可利用的營養物質，霉菌也就無法生存。霉菌對軍用電子裝備的影響最主要的是通過對組成裝備的材料直接侵蝕和破壞來實現的。對于不抗霉材料，霉菌可直接把材料中某些組分作為營養物質，侵蝕和破壞材料。對于抗霉材料，如金屬材料和某些有機材料，霉菌無法從材料中獲取營養物質，缺乏可利用的營養物質霉菌也無法生長。因此，為了提高軍用產品的防霉抗菌能力，在產品設計時，在不改變產品性能和功能的前提下，應盡可能的選擇抗霉材料，當不得不使用不抗霉菌材料時，則應對其進行適當的防霉處理，提高其抗霉能力。

    印制線路板及組件、電纜高頻插座頭、電子產品的元件、部件及電子設備的密封常用硅橡膠、環氧樹脂作為密封材料進行灌封；高壓器件或部件、變壓器、阻流圈、小電機定子等常用環氧樹脂進行灌封來達到密封目的；夾層、鉚接縫隙及其它結構的縫內或表面、密封防漏，以及使用密封墊圈密封，常用彈性橡膠和聚氨酯等作為密封材料。但環氧樹脂，聚氨酯和彈性橡膠大多為不抗霉材料，使用前往往通過添加防霉劑來提高其抗霉能力。表 1 列出了對霉菌敏感性不同的材料，其中Ⅰ類屬于不能為霉菌生長提供營養物質的材料，是抗菌材料：Ⅱ類屬于不抗霉材料，選用時需要通過霉菌試驗確定其抗霉程度后在一定防霉內使用：Ⅲ類為霉菌易感材料，不推薦使用。

    工藝防護

    工藝防護是提高軍用電子裝備環境適應性的有效措施。對軍用電子設備中使用的金屬和非金屬材料表面鍍覆金屬層，或在基體材料表面的金屬和非金屬材料表面鍍覆有機涂層，能顯著提高軍用電子設備耐受各種惡劣環境條件的適應能力，延長使用壽命。在表面處理工藝方法中，采用最普遍、最經濟、最有效的涂覆有機層。

    涂料是一種以樹脂或油脂制成的有機高分子為主體的膠體聚合物溶液涂覆于金屬或非金屬表面，形成堅韌、附著牢固并具有一定功能膜層的材料。涂料中增塑劑、纖維素、潤滑油、穩定劑和著色劑以及某些樹脂能為霉菌提供可利用的營養物質，在溫暖潮濕的環境下，霉菌很容易在涂層表面生長，腐蝕和破壞涂層，使涂層失去防護或絕緣作用，從而降低電子設備的使用壽命，影響其性能。因此，使用涂層的軍用電子設備，其抗霉能力強弱，主要取決于是否選用了防霉涂料。軍用電子設備常用的防霉涂料見表 2。

    值得注意的是，涂料應當配套使用。底漆是涂層系統的最重要基礎，用以涂料作為底漆應用在不同基材上則涂覆效果很不一樣，與基材的附著力也不一樣。涂料的配套使用要求底漆與基材材料之間以及底漆與面漆之間具有良好的結合力相互之間不產生不良反應。

    使用防霉劑

    使用防霉劑是防止材料和涂料霉變十分有效的方法。由于防霉劑抗菌譜比較寬，霉菌不容易對其產生抗性，因此被廣泛使用。當軍用電子裝備因特殊需要必須選用不耐霉材料或涂料時，可通過使用防霉劑來提高他們的防霉抗菌性能。防霉劑的種類繁多，它們的性能和防霉效果各異。理想的防霉劑應當具有如下特點：

    （1）高效，廣譜、長效；

    （2）低毒，對于人體無毒，無刺激，不產生過敏等作用，不污染周圍環境；
 
    （3）具有良好的耐熱性和耐候性；
   
    （4）物理化學穩定性好，難溶于水，適用較寬的 pH 值和溫度范圍；

    （5）溶解性，分散性優良，不影響材料或產品的基本性能和顏色；
 
    （6）使用方便，價格低廉。

    目前還不存在沒有缺點的防腐劑。實踐證明，多組分防霉劑混合使用其防霉效果比單組好，將防霉劑直接添加對到材料中是簡單易行的方法，添加量也很容易控制，防霉時效也長，因此大多采用這種方法，但由于受材料、防霉劑的相容性及加工工藝的限制，防霉劑在材料或涂料中的分散性能稍差，其抗霉防霉性能受到一些影響。表 3 是目前防霉效果好、性能穩定、低毒、應用廣泛的防霉劑。

    除此之外，采用通風排濕，使用干燥劑吸潮，密閉圍封，降溫以及化學藥劑熏蒸等方法也能收到較好的防霉效果。

    結語

    防霉是軍用電子設備的三防技術的重要組成部分。防霉結構設計和抗霉材料的優選是提高軍用電子設備防霉性能的關鍵，必須納入產品的總體設計當中并從設計階段開始時考慮。工藝防護能有效提高軍用電子設備環境適應能力，恰當地運用鍍涂覆等表面處理工藝是提高電子設備結構和材料抗霉性能的重要手段。為了提高鍍涂覆工藝質量，提高防護性能，必須對工藝技術的全過程進行嚴密的科學的控制和管理。在材料和涂料中添加防霉劑，一方面能抑制或殺死霉菌，另一方面又能改變或降低材料和涂料的性能，利弊兼有。為了更好地提高軍用電子設備的防霉抗霉能力，應不斷研究和開發新型抗霉材料，不斷發展新工藝新技術，不斷開發相容性好，性能更加穩定的高效無毒防霉劑。同時，在產品壽命期內惡劣環境條件，定期維護，抑制霉菌生長。

    3  美軍武器裝備材料自修復技術探秘

    在經典科幻電影《終結者》系列中，T-1000 型、T-X 型等反派機械殺手，以其冷酷無情的刺殺技能、無與倫比的技術裝備、令人驚嘆的變形特技給影迷朋友們留下了極其深刻的印象，特別是前所未見的自我修復能力至今仍使廣大軍迷們擊節贊賞。電影往往映射著現實。隨著高新科技的發展，美國軍方所希望研制的智能武器是一種能夠模仿生命系統、感知環境變化、實時作出反應，從而可與變化后的戰場環境高度適應的復雜武器系統，而在這些智能武器的實際試用中，軍方要求它們必須具備的一項重要功能就是自修復。雖然美軍武器裝備的自修復技術目前仍屬于深度探索與初步應用階段，與T-1000、T-X這些“終結者”相比仍然是“小巫見大巫”，但這并不影響其對該項技術的熱衷與追求。

世界上第一種自修復新型塑料，能夠像《終結者2》中液態金屬機器人一樣，
實驗顯示97%測試樣本在兩個小時內自動愈合

美軍研發可自修復的生化防護服，并使用機器人進行測試

    生化防護服自修復

    顧名思義，自修復即物體在受損時能夠進行自我修理、恢復原有屬性，從而保持自身功能完整的一項新型技術。2015 年 11 月 19 日，美國陸軍網站透露，美陸軍納蒂克士兵研究開發與工程中心、馬薩諸塞大學洛厄爾分校與粹通系統公司（Triton）三家機構正在合作研發用于生化防護服的自修復技術。

    眾所周知，穿上一套生化防護服的士兵能夠與外界及神經毒氣、病毒、細菌等諸多有害物質隔離；當士兵執行任務時，其生化防護服若被灌木、荊棘、樹叢、石頭或針狀金屬刺透，則會產生針孔大小的破損，雖然肉眼不易覺察，但如果真是在沾染地區活動，遭到像VX 等殺傷力極高的毒氣，士兵很可能還沒反應過來就會喪命。對于人體而言，劃傷能使皮膚表面出現裂口、出血，但我們的身體有能力使其止血、結痂并愈合；為此，美國陸軍引入同樣的理念用于自修復面料或涂層，這種面料或涂層中含有微型膠囊修復流體，當面料或涂層因外力出現切口或破損時，就可以進行自我修復。根據防護服類型，自修復涂層可以是噴覆涂層或連續涂層。防護服自修復技術采用自修復微型膠囊進行間隙填補的創新方法，當微型膠囊被撕破時，它將被激活來修復切口、刺孔或破損處；當切口、刺孔或破損處被修復如初時，自修復涂層中含有的反應劑會解除因破損所帶來的潛在危險或威脅。這種自修復技術有助于對致命的化學品、細菌和病毒建立物理屏障，從而為參戰士兵提供及時、不間斷的生化防護。

    自修復技術將使軍服面料上的切口、裂口、破洞、刺孔能夠快速自修復。這意味著軍服的防護質量不再受破洞、刺孔等的影響。該技術將被應用到三軍輕便一體化服裝技術項目和三軍飛行員防護套裝項目中。其中，前者是基于一種攜帶活性碳球的無紡布料，特點是穿著舒適，透氣干爽，但是不易于內嵌微型膠囊，為此必須在其表面噴涂微型膠囊和發泡劑。后者的防護機理是基于一種選擇性滲透膜，當微型膠囊被嵌入到選擇性滲透膜中或一個輔助性的反應式選擇性滲透膜層內時，輔助性的反應式選擇性滲透膜將充當自我修復的輔助性阻隔材料。戰斗中，當薄膜破裂時，這些微型膠囊將自動打開，在大約 60 秒時間內修復破裂口，并借助于間隙填補技術進行裂口修補，從而有能力阻止化學制劑等有害物質。選擇性滲透膜結構表現得像一種制劑屏障，但是允許汗液等溫 / 熱性水、氣體排出，即濕氣能夠從人體被輸送到防護服之外。

    軍用車輛防銹自修復

    我們知道，美軍武器裝備大多是以金屬制品為主，而金屬銹蝕會給武器裝備造成極大的危害。它會破壞武器裝備的外表光澤與表面結構；若是機械配合件，銹蝕后會導致螺絲、螺母等配合件松動或者銹死；銹蝕中含有水、空氣、電解質等，會加速武器氧化，進而造成損壞。據概略統計，美軍每年因金屬銹蝕而報廢的軍事設備與材料占總裝備的5% 以上，而且金屬銹蝕還會造成武器裝備維修與保護費用的巨額增加。據美國國防部披露，美海軍部門每年因銹蝕問題造成約 70 億美元的巨大損失，其中有 5 億美元用于修復銹蝕的海軍陸戰隊地面車輛。為此，美國海軍率先為軍用車輛研發自修復防銹涂料添加劑。

聯合輕型戰術車輛的外表涂料將具有類似于人體
肌膚的自愈合功能，從而防止車輛銹蝕

    2014 年 3 月 20 日，美國海軍技術網報道稱：美國海軍研究局和約翰霍普金斯大學應用物理實驗室聯合開發了一種新的涂料添加劑，可以使海軍陸戰隊“聯合輕型戰術車輛”等軍用車輛的涂料具有類似于人體肌膚的自愈合功能，從而防止車輛銹蝕。

    這種粉末狀添加劑稱為“聚成纖維原細胞”，可以添加到現有的商用底漆中，它由填滿油狀液體的聚合物微球組成，一旦劃傷，破損包膜處的樹脂便會在外露的鋼材外形成蠟狀防水涂層，防止車輛表面銹蝕，這種技術特別適合在惡劣環境下使用的軍用車輛。該項目開始于 2008 年，經過海軍研究局三任項目經理的不懈努力，最終在該領域獲得突破，通過了實驗測試，并將技術轉移至海軍陸戰隊地面系統項目。此項目的研發是基于美國海軍陸戰隊在《海軍陸戰隊 2025 年遠景與戰略》中的承諾，即實現“裝備后勤現代化，從而擴大遠程作戰能力，維持海上作戰能力”。

    軍用車輛腐蝕的主要原因是在艦艇上運輸或儲存過程中，受到了海洋鹽霧環境的影響。為此，美軍技術人員在實驗室測試中將表面涂有涂層的鋼材置于充滿鹽霧的房間內，結果表明：涂有聚成纖維原細胞涂層的鋼材能夠保持 6 周時間內不生銹。與其他的自我修復涂料相比，聚成纖維原細胞底漆能夠防止軍用車輛在各種環境下被腐蝕。該項目的首席科學家本克斯科介紹說：“我們不關心它對車輛是否美觀，我們只關心如何防止腐蝕。”美國海軍研究局遠征機動作戰與反恐作戰部后勤研究項目負責人弗蘭克弗曼也表示：“軍用車輛防銹自修復技術能夠降低維修費用，而更重要的是，它能夠延長海軍陸戰隊車輛在戰場上的運用時間。”

    軍用電子線路自修復

    物競天擇。自修復屬于生物界在長期進化過程中所獲取的一種自我防御能力。與此相類似，在一定人為干預的條件下，以金屬芯為主的電子線路也會出現一種自我修復的能力，具有“生命”特征與“再生”機能。美軍試圖揭開電子線路自我修復的神秘面紗，因為這種能力一旦被軍方所掌握，便可能派生出許多嶄新功能，從而應用在軍用電子線路的研制、生產、維修等諸多方面。

    對于武器裝備中電子線路的自我修復能力，美軍嘗試通過人工干預來尋找最有效的金屬材料。2013 年初，美科研人員就發現了一種使用液態金屬和特殊聚合物來制造野戰被覆線的方法，他們將銦和鎵的液態合金以微型膠囊的形式放置于同樣具有可延展功能的聚合物之中，當金屬芯因外界壓力破損時，該力同樣會碾破若干個載有修復材料的微型膠囊，釋放出的液態金屬能及時填充在破損導致的間隙之中，從而使得電流或電信號重新恢復聯通。

    實驗結果表明，這種盛裝液態金屬的微型膠囊能“治愈”大部分測試電子線路，用時只需 1 微秒，幾乎是瞬間即可讓電壓恢復到正常值。該自修復技術的重要意義有三：一是可以研制出壽命更長的可充電電池。眼下的可充電電池在多次重復使用后會因設備內部的損害中斷電流而引發故障，一旦這個問題被解決，軍用充電電池的壽命將大幅度延長，維護成本也將明顯減少。二是可以將裝甲目標受損部位迅速修復。美國五角大樓曾試驗一項可自我修復的新材料，這種材料由鎂、鋁等金屬與其他特殊元素混合構制，其內部呈泡沫結構，熔點相對較低。若用在坦克、步兵戰斗車的外層表面，一旦遭到火箭彈等重型武器攻擊，這種材料中的泡沫便會破裂，裂縫會被氣流攜帶的金屬液體迅速填補愈合，凝固后就能使“創口”愈合，恢復如初，仿佛《終結者》中的T-1000再現。三是這種液態金屬電線可以供便攜式無線設備使用。因為包裹在特殊材料中的液態電線，不僅可自我修復，還具備可根據其接收的無線電波來自我調整的能力。如果將這樣的液態電線與小型錄音設備相連，嵌置于重要戰術工事之內，電線會隨著壓力變化而伸收，這樣工事結構的安全性便可以被實時監測。

美國科研人員研制出具備自我修復能力的液態金屬電線

防護裝備自修復功能對美軍一線士兵意義重大

    防御工事自修復

    防御作戰中，為減少傷亡、阻敵進攻而在有利地形上構筑的筑城工事，我們稱為防御工事，包括射擊工事、交通工事和掩蔽工事。其中，射擊工事有掩體、塹壕、火器座等；交通工事有暗壕、塹壕交通壕等；掩蔽工事有掩壕、掩蔽部、貓耳洞等。這些工事以鋼筋混凝土材料建造時最為堅固。然而，戰斗中，即使最堅固的防御工事也會遭到進攻方的猛烈轟炸，出現破損、裂紋等現象在所難免。為此，以美軍為代表的西方軍隊開始研制自修復混凝土技術，相繼出現了水泥基導電復合材料、水泥基磁性復合材料、損傷自診斷水泥基復合材料、自動調節環境溫度 / 濕度的水泥基復合材料等。

    自修復混凝土是一種具有感應與修復性能的混凝土，是智能混凝土的初級階段，但卻是混凝土材料發展的高級階段。由這種材料構建的混凝土結構出現裂紋或損傷后，可以進行及時而有效的修復與愈合。研究混凝土裂紋的自修復最早可以追溯到 1925 年，科技人員發現混凝上試件在抗拉強度測試開裂后，將其放在戶外 8 年，裂紋竟然愈合了，而且強度比先前提高了 2 倍。后來挪威一名學者的研究也表明，混凝土在凍融循環損傷后，將其放置在水中 203 個月，混凝土的抗壓強度有了 5% 的恢復。美國科研人員受生物界的啟示，模仿動物的骨組織結構和受創傷后的再生、恢復機理，采用粘接材料和基材相復合的方法，使材料損傷破壞后具有自行修復和再生功能。

    目前，美國軍方對鋼筋混凝土裂縫實施修復進行了深入研究，并取得了一定實驗性成果：他們在 100×100×200 毫米混凝土試件上預制裂紋，可以是表面裂紋也可以是穿透裂紋，然后將帶有預制裂紋的試件浸泡在氯化鎂溶液中，施加直流電源；在通電的前兩個星期內，裂紋閉合速度最快，4 ～ 8 個星期后，裂縫幾乎完全閉合。早在 20 世紀末，美軍科研人員就將縮醛高分子溶液作為膠粘劑注入到玻璃空心纖維或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中，當混凝土結構在使用過程中出現裂紋時，短管內的修復劑流出滲入裂縫，通過化學作用而使修復膠粘劑固結，從而抑制開裂，修復裂縫。

    飛行控制自修復

    飛行控制系統是航空器在飛行過程中，利用自動控制系統，能夠對飛行器的構形、飛行姿態和運動參數實施控制的系統。現代航空技術發展異常迅速，航空器的設計變得既精密又復雜，直接關乎操作可靠性、運行安全性的飛行控制系統也成為航空器當仁不讓的核心技術。甚至可以說，操作面損傷、卡死或浮松等硬故障可能成為航空器飛行控制系統的致命問題。為此，飛行控制自修復作為發展智能飛行控制技術的重要組成部分，成為能夠進行自主維修診斷、故障重構和主動實時告警的自動控制系統。

    20 世紀 80 年代，美國空軍對在越南戰爭中的戰斗機進行了統計分析后得出結論：若當時具有自修復技術，則會對提高戰斗機的安全性、可靠性和生存能力具有重要意義。隨后飛行控制自修復技術引起了世界范圍內的廣泛關注，美國空軍遂將“自修復飛行控制系統設計”作為研究重點之一，爾后美國國家航空航天局首次提出自修復控制概念。1984 年之后，美國空軍飛行動力學實驗室開始實施自修復飛行控制系統（RESTORE）計劃，洛克希德 ? 馬丁公司將“自設計飛行控制器”用于RESTORE 計劃，并在 F-16 飛機上試飛成功。目前，以美國為代表的航空技術先進國家已經對飛行自修復關鍵技術開展了大量研究和試飛驗證，特別是基于在線神經網絡和動態逆的自修復控制系統也由波音公司在 RESTORE 項目中進行研制，并以X-36飛機為載機成功試飛。2002 年，美軍又明確提出研制具有故障自愈調控功能的無故障、少故障或免維修、少維修的新一代軍用航空器自修復飛行控制系統，標志著飛行控制自修復技術已發展到更高的水平。由此可見，飛行控制自修復技術必將成為信息化時代戰斗機與無人機系統的核心技術之一，并將備受美國、俄羅斯、英國等軍事強國的高度重視。

    4  軍事裝備封存技術一覽

    在和平時期，世界各國都儲備有大量的軍事裝備，以滿足戰爭時期急劇擴大的裝備需求，并為戰時軍事裝備擴大生產贏得時間。這些裝備大都是以封存的方式儲備起來，運用一定的技術手段和庫存場所進行保管，保持裝備處于良好的技術狀態，一旦需要就可以在盡可能短的時間內投入使用。軍事裝備封存對于做好戰爭準備，應對突發事件，威懾潛在對手等都顯得意義重大。

    軍事裝備封存

    軍事裝備封存，是將暫時或長期不用的各式裝備進行科學化包裝和儲存，避免因為與水、空氣、濕氣、臭氧、酸堿等外在環境接觸后，造成銹蝕、損壞與零件不正常損耗，以降低裝備維護成本，延長裝備使用壽命，確保裝備隨時處于戰備可用狀態。尤其是高溫、高濕、高鹽分的環境，對裝備無形的破壞更為嚴重，為延長裝備的壽命、確保戰斗力，必須對暫時不用的裝備進行必要的封存包裝。

    裝備封存的對象主要有兩類：一是較長時間不予動用的裝備。不同任務的部隊對各類裝備平時動用的數量、比例、使用范圍等，都規定有具體標準。在保證平時戰備、執勤等任務的基本需要的前提下，對于較長時間不予動用的裝備，應按要求進行封存。二是雖然因為各種原因退役，但還具有較長剩余壽命期的裝備，如裝備更新換代所導致的老裝備退役，這些裝備同樣具有一定的使用價值，可以在緊急情況下重新使用，這些裝備也是以封存的方式保管。此外，一些較早退役的裝備封存起來，還可以用于為其他在役裝備提供維修所用的零部件。

    裝備是由金屬材料和非金屬材料組成的。所有這些材料的性能能否保持穩定，都受外界環境條件的影響。影響金屬材料性能的主要因素有水分、鹽分、微生物等，影響最大的因素是水分。影響非金屬材料性能的主要因素是氧氣、可見光、霉菌等。幾乎所有裝備發生的質量變化都與儲存環境的溫度、濕度和氧氣濃度有著密切關系。相對濕度較小，金屬的腐蝕速度就越慢，相反，當相對濕度達到臨界濕度時，銹蝕速度明顯增大。儲存環境中的氧氣濃度越小，非金屬件的老化越慢。此外，當水分和氧氣都存在時，溫度越高，金屬和非金屬材料的性能衰變越快。裝備封存的基本要求是通過控制相對濕度、氧氣含量、溫度等，以減緩金屬銹蝕和非金屬件的老化、霉變。

    實踐表明，裝備如果不采取必要的封存措施，很快就會腐蝕、老化，微生物的長期作用，也會造成復雜裝備金屬和非金屬部件的霉變，最終導致整套裝備的失效。尤其是高溫高濕高鹽環境，裝備性能的降低或喪失情況更加嚴重。目前，國內外裝備長期封存中主要控制溫、濕度的范圍是所謂的“三七線”，即溫度不高于 30℃，相對濕度小于 70%。

    各國都重視

    裝備封存對于保存國家軍事潛力、合理利用裝備、提高軍事裝備經濟效益等都有著重大意義。世界各國對此都非常重視。一是為戰爭發生時提供所需裝備。與平時比較，一旦發生戰爭或突發事件，裝備的需求就會急劇增加，遂行作戰任務和各類軍事行動需要及時補充足夠的裝備。其中平時封存的裝備是應急裝備供給的主要來源。為此，世界各國都非常重視裝備封存，強調緊急情況下能夠快速恢復戰備，即裝備封存要有“解封快速有效”、 “不影響裝備效能”、 “及時能用”等特性要求。二是退役裝備封存起來，在需要的時候可以再次啟用，重新發揮作戰效能。1991 年的海灣戰爭中，美國就啟用了二戰后封存起來的“衣阿華”級戰列艦。三是用于軍事訓練和裝備試驗，在提高訓練的逼真性和裝備試驗效果方面發揮作用。美軍曾將F-100超級佩刀式戰斗機改裝成 FQ-100 型無人靶機，將 QF-4“鬼怪”飛機改裝成武裝無人機，用于武器試驗。英國曾把250 架流星飛機改成靶機，用于英國“海標槍”導彈試驗鑒定。四是用于拆件修復。同一類型的裝備經常是分批次退役，但由于技術或裝備換代等原因，這種裝備可能不再生產，原有裝備的零部件生產終止。這樣已退役裝備往往就會成為在役裝備維修用的零部件來源。

    裝備封存技術

    裝備封存是一項復雜的綜合技術，尤其是大型裝備，例如艦艇、飛機、坦克、導彈等，它們不僅有機械設備、電氣設備，還有電子設備和光學儀器等。這些不同類型裝備，對自然環境的適應性有較大差異。因此，對于不同的裝備、在不同的地區封存，應當采取不同的封存技術，才能達到封存的預期目的。對于同一大型裝備，甚至要用綜合運用多種封存技術。歐美先進國家對于裝備封存技術與材料，多年來一直不斷進行研究和改良，以期降低成本，強化其實用性及效率，從一支槍上的小零件，大到戰車、航空裝備或軍艦都是封存技術發展應用的對象，目前已經發展出多種效果十分顯著的裝備封存技術。

    防銹油脂封存技術。有兩種方法，即防銹脂和防銹油封存。防銹脂封存是把潤滑油熱融后，涂覆在裝備的金屬表面，形成 1-3mm 厚的油層，使武器裝備金屬表面與腐蝕介質隔離，從而達到防銹目的。其防銹能力取決于油層的厚度和致密性，采用此技術封存的武器裝備在高溫 （30-400℃ ）、高濕 （ 相對濕度 80%） 條件下，不能起到長期可靠的防銹作用，且封存有效期短，不能快速啟封。防銹油封存是在防銹脂封存基礎上發展起來的新方法。它的防銹效果比防銹脂封存有了明顯的提高。但封存武器表面仍有薄薄的油層，其膜層通常在10-20?m，因此，采用防銹油封存的武器裝備在戰時啟封時，仍需要時間除油，影響了部隊的快速反應能力。

    真空封存技術。這是裝備封存技術的新發展，廣泛應用于封存武器、彈藥、車輛等裝備，可有效改善潮濕環境對裝備儲存的不利影響。其原理是將真空護罩覆蓋于裝備器材上，加入干燥劑并加壓密封保存，阻止水汽進入包裝內，形成的裝備儲存環境相對濕度40%左右。真空封存法所需技術、人員都非常少，裝備解封后40分鐘內可完成作戰準備。但采用真空封存時，如果干燥劑失效，需打開真空袋更換干燥劑，因此增加了工作時間與難度。另外，真空護罩材料通常不具有抗臭氧、紫外線與潤滑的功能，故抽真空后放置于室外時，外罩材料容易因壓力差而導致疲軟、龜裂，而破壞原真空效果。

    除濕封存技術。空氣中的濕度是金屬和非金屬材料腐蝕、霉變的重要條件，也是影響裝備電子部件性能的最大因素。金屬部件銹蝕和非金屬部件霉變、老化的原因都與空氣中的相對濕度、氧氣含量、其它帶有腐蝕性的氣體、雜質和溫度等有直接關系，如果把要封存的裝備同周圍的大氣隔離開來，并人工創造一個比較理想的環境，防止和控制裝備的腐蝕、霉變、老化是完全可能的。除濕封存就是利用干燥劑，干燥空氣、去除或減少封存裝備空間內的水分，使空氣濕度在規定范圍內的封存方法。這種方法廣泛應用于各種裝備的封存保管中，成本較低，工藝簡單。

    氣相封存防銹技術。這是最先由美軍開發出來的一種裝備封存技術。美軍要求軍用物資和車輛裝備的封存包裝，在世界任何地方、任何時候以及面臨各種可能的惡劣環境條件下，解封后應隨時處于可用狀態。依據美軍提出的需求，廠商開發出氣相封存防銹技術。該技術是在密閉的封存空間內，放置一定量的氣相緩蝕劑或涂有氣相緩蝕劑的氣相緩蝕紙和氣相塑料防銹薄膜，緩蝕劑在常溫下不斷緩慢揮發，形成一定的蒸汽壓，充滿整個密閉空間內部，甚至武器裝備的縫隙，在武器裝備的金屬表面形成一層保護膜，能有效地抑制武器裝備金屬部件銹蝕。當封存各種軍事裝備時，可依據封存條件、需求、時限等，放置或添加不同數量的緩蝕劑，并以特制包裝材料包裹，以保護軍事裝備中金屬類、非金屬類及各種合金的零部件，即使包裝破損或處于高潮濕環境中，仍可達到全面的防蝕效果。這種技術的最大優點為干式封存法，不需要使用傳統的重防銹油，解封后不需清理油脂，立即可以恢復戰備，相較其他封存方法操作簡單迅速，節省人力。

    由于封存成本低，效果好，封存方法簡單，解封速度快，適于長期封存和短期封存，該項技術還在以色列、印度、丹麥、馬來西亞、新加坡、菲律賓等十余國軍隊得到應用。甚至國際上知名制造商如波音、通用、勞斯萊斯等多家，也采用這項技術作為維護、封存、保養、延壽裝備或相關零部件方法。意大利也將此技術運用于戰斗機封存作業。該項技術已經成為目前世界各國軍隊普遍看好應用的一種非常有效的防銹封存技術。

    其他常用的裝備封存方法還有除氧封存、充惰性氣體封存、抽真空封存等。除氧封存是指在封存空間內采用除氧劑和氧濃度指示劑，使氧氣濃度減少到腐蝕、霉變、老化進行極為緩慢以達到封存預期目的的封存方法，特別適用于精密光學鏡頭和精密儀器等。充惰性氣體封存是指在封存空間內充入干燥的氮氣等惰性氣體，以達到防止金屬生銹、減緩非金屬老化和霉變的目的，能夠廣泛應用于各種體積和形狀的裝備。抽真空封存是指用抽空泵抽取封存空間內的空氣的封存方法。主要適用于較小型裝備和無真空膜盒的裝備。

    結語

    隨著聲、光、電、精密機械元器件等在高技術裝備上的廣泛應用，裝備封存技術也有了更高的標準和要求。封存也不再局限于防潮、防霉、防銹、防震等方面，而且還要有防靜電、防電磁干擾等功能。美、日等國家目前都在進行抗電磁封存包裝的研究。進入21世紀后，我軍裝備進入了一個新的發展階段，新技術、新材料、新工藝和新成果在裝備中大量使用，裝備的性能顯著提高。這些都要求封存的方法必須符合裝備的新特點和性能，加強封存技術和封存材料的研究和運用勢在必行。為改變我軍軍品包裝與武器裝備發展不配套的現狀，提高武器裝備及器材封存包裝的技術水平，2005 年我國曾舉辦過一次“武器裝備及器材封存包裝新技術成果交流展示會”，所展示的封存包裝技術涵蓋了軍械、裝甲、軍用光學、雷達備件、彈藥包裝等多個裝備技術領域，涉及到保養集成技術、信息化管理、集裝化運輸以及氣相防銹、防靜電阻隔、改性塑料、收縮拉伸等包裝新技術、新材料和新工藝。這些成果基本滿足了我軍武器裝備及器材對封存包裝技術的多功能防護要求，尤其是在野戰、野外儲存、運輸、使用、管理等條件下防護保障的需求。未來隨著新裝備封存技術的推廣和運用，我軍裝備封存技術將會迎來更好的發展前景。

    5  高端裝備關鍵構件的納米熱噴涂涂層研究進展

    熱噴涂是工業領域中應用非常廣泛的表面層改性技術，早在 20 世紀 50 年代，熱噴涂技術就用于航空發動機上的熱障涂層、封嚴涂層、抗高溫燒蝕涂層、耐磨損涂層。納米熱噴涂涂層技術是納米材料和熱噴涂技術的結合和綜合應用，長期以來都作為一個特殊的應用領域受到美國軍方的重視，這是因為艦船、飛機和陸上裝備都面臨著極端的服役條件。如今，納米熱噴涂技術已成為熱噴涂技術新的發展方向，特別在目前的國際和周邊環境下，發展納米熱噴涂技術更是刻不容緩的強國強軍的需要。

    納米結構耐磨抗蝕陶瓷涂層

    磨損、腐蝕、疲勞是機械零部件的三大主要失效形式。

    80% 的機械零部件廢棄于材料的磨損失效，世界上生產的一次能源有 1/3以上消耗于摩擦磨損。根據《中國腐蝕調查報告》的資料，我國近年來的年腐蝕損失約占國民經濟生產總值的 5%，估計腐蝕造成的直接經濟損失在 1 萬億元以上。

    中國工程院相關統計表明我國因為磨損和腐蝕造成的損失約占 GDP的 9.5%。

    20 世紀末，美國納米集團英佛曼公司采用王鈾教授發明的納米技術制造出具有十分優異的強韌性能、耐磨抗蝕性能、抗熱震性能及良好的可加工性能的納米陶瓷涂層。如所開發出的納米結構AI 2 O 3 /TiO 2 陶瓷涂層具有比目前廣泛使用的商用美科130涂層優異的強韌性能、耐磨抗蝕性能、抗熱震性能及良好的可加工性能。這一在世界上首獲實際應用的熱噴涂納米結構涂層技術被美國海軍稱為一項革命性的先進技術，并已被廣泛應用于軍艦、潛艇、掃雷艇和航空母艦設備中的數百種零部件上（包括潛艇上的進氣和排氣閥件，潛艇艙門支桿，航空母艦用電機和油泵的軸，掃雷艇上的主推進桿，氣體透平機的螺旋泵轉子和燃料泵部件等）。

    2001 年，該技術獲得被美國媒體譽為應用發明諾貝爾獎的世界研究開發百項獎和美國國防部軍民兩用先進技術獎。

    作為一種綠色環保技術，這種納米陶瓷涂層不僅可以替代有污染的電鍍鉻工藝，而且可以大幅度提高材料的表面性能和機械裝備的壽命，大大地降低了能耗，因而用途廣泛。

    這種涂層比普通涂層的結合強度更高，而且可以和所覆蓋的材料一起變形。這一點對在極端環境和戰爭中工作的武器系統來說是很重要的，比如將會受到深水炸彈襲擊的潛水艇。由于應用此技術可降低潛水艇、艦船和航行器的總成本，因此其軍事應用前景良好。

    現在，該技術發明人王鈾已將先進納米陶瓷涂層技術帶回、移植于國內并進一步創新。2006 年 11 月 30 日，中國船舶重工集團公司規劃發展部在西安主持召開了“高性能精細納米陶瓷噴涂材料研究”項目驗收暨技術鑒定會，以著名科學家張立同院士為主任委員的委員會評審認為該項目技術先進，取得了多項創新成果，成功解決了陶瓷涂層韌性低和抗熱震能力差的兩大難題，與處于世界領先水平的美國海軍在用的熱噴涂納米結構陶瓷粉體材料相比，主要性能達到了同等水平。如所開發出的納米結構氧化鋁／氧化鈦陶瓷涂層比目前廣泛使用的商用美科 130 涂層有著高出 3 ～ 10 倍的耐磨性，高出１倍的抗蝕性，高出１倍左右的斷裂韌性，高出1 ～ 2 倍的結合強度和抗熱震性能，高出 5 ～ 10 倍的疲勞抗力。

    研究表明，在常規涂層中，裂紋沿著噴涂沉積材料之間形成的片層邊界擴展。而在納米陶瓷涂層中，裂紋是沿著固化過程中形成的納米材料內部擴展，直到遇到涂層中因部分熔融或未熔融形成的納米結構的微米尺度大顆粒，裂紋才發生偏轉，或中止于大顆粒處。

    施加于納米涂層的應力可以通過正常方式形成的微裂紋予以緩解，當這些裂紋擴展很遠之前或與其他裂紋連接之前就已經被鈍化，從而使得納米陶瓷涂層較常規陶瓷涂層的性能更加優異。

    這種納米結構陶瓷涂層用途廣泛，可以應用的零部件包括（但不局限于）：潛水艇和艦船零部件、汽車和火車零部件、航空器零部件、金屬軋輥、印刷卷輥、造紙用干燥軋輥、紡織機器零件、液壓活塞、水泵、內燃機和汽輪機零部件、閥桿、閥門、活塞環、汽缸體、銷子、傳動軸、支承軸、支撐板、挺桿、工具模具、軸瓦、重載后軸柄、凸輪、凸桿、密封件等。

    無疑，這種高性能納米陶瓷熱噴涂涂層材料可大幅度提升我軍海軍艦船裝備和我國海洋裝備的作戰能力和現代化水平。

    納米結構雙陶瓷熱障涂層

    眾所周知，航空發動機的“心臟病”問題一直是困擾中國航空工業發展的瓶頸。能在高溫、高壓和高速條件下可靠穩定工作是對現代航空發動機性能提出的最基本要求。其中，高性能水平的葉片集先進的材料、成型工藝、冷卻技術、涂層于一體。

    在工業和信息化部 2014 年發布的工業強基專項重點方向中高端裝備基礎能力提升之工業零部件表面強化用高性能稀有金屬涂層材料中共列出 7 個種類的涂層，其中就有 2 個涉及到航空發動機熱障涂層材料，要求高隔熱涂層復相陶瓷材料熔點高于2000k，1200℃（100h）無相變，熱導率低于 1.2W/（mK）。

    作為一種先進的陶瓷涂層材料，熱障涂層被廣泛應用在飛機（包括艦載機）發動機、渦輪機、汽輪機葉片上，保護高溫合金基體免受高溫氧化、腐蝕，起到隔熱、提高發動機進口溫度、發動機的流量比和推重比作用。

    有資料表明，一級渦輪葉片表面涂上陶瓷熱障涂層后，可使冷卻空氣流量減少 50％，比油耗減少１％～２％，葉片壽命提高４倍。2002 年 N.P.Padture在 Science 中撰文寫道：

    熱障涂層在提高發動機、渦輪機、汽輪機熱效率以及服役壽命的所有耐高溫材料中具有無可替代的作用。

    隨著軍用航空發動機的快速發展，渦輪發動機的推重比越來越高，渦輪前進口溫度也越來越高。比如，國外新型軍用航空發動機的渦輪進口溫度已達1538～1871℃，而設計推重比15～20發動機的渦輪前進口溫度將達到2077℃以上。

    7％ ±1％（質量分數）Y 2 0 3 穩定的 ZO 2 （即 8YSZ）材料被用作熱障涂層材料已應用幾十年。盡管研究表明納米8YSZ 涂層效果更佳，但隨著對發動機、渦輪機性能要求的提高，這種體系的熱障涂層已不能適應更高溫度下工作，特別是在 1125℃以上會導致涂層過早失效。為了滿足未來先進航空發動機對TBC 更苛刻的性能要求，各種關于 TBC的新材料和新工藝得到了快速發展。

    由于鋯酸鹽系列材料耐高溫、熱導率低、線膨脹系數大，決定了它在耐高溫熱障涂層的潛在應用。因此，主要的發展趨勢是采用鋯酸鹽系列材料替代現有的8YSZ 材料作熱障涂層，尤其是含鋯酸鹽的雙陶瓷熱障涂層被認為是未來發展長期使用溫度高于 1200℃的最有前景的涂層結構之一。但目前的研究還主要是針對鋯酸鹽陶瓷塊體材料進行，還沒有能用于納米結構熱噴涂涂層的鋯酸鹽粉體。

    為讓我國的飛機擁有健康強勁的心臟，哈工大納米表面工程研究室在納米陶瓷熱障涂層方面潛心研究多年，成功研發出一種能夠解決我國航空發動機發展瓶頸的納米結構雙陶瓷型熱障涂層材料技術，比現行的涂層有更好的高溫性能。研究者首次成功制備出可噴涂的鋯酸鑭 LZ 納米結構團聚體粉末（簡稱ｎ－LZ），并將它們分別與 ZrO 2 － 8％（質量分數）Y 2 O 3 （8YSZ）納米團聚體以雙層方式噴涂成納米結構 n-LZ/8YSZ 雙陶瓷型熱障涂層，并與傳統微米結構的8YSZ 單陶瓷型熱障涂層和納米結構的8YSZ 單陶瓷型熱障涂層進行對比，研究它們的相關高溫性能。研究表明，納米結構的雙陶瓷型熱障涂層的隔熱效果明顯好于其他涂層，與相同厚度的納米結構單陶瓷型 8YSZ 熱障涂層相比，隔熱效果大約提高了 35％，與相同厚度的傳統微米結構單陶瓷型 8YSZ 熱障涂層相比，隔熱效果提高了 70％以上。此外，納米結構的雙陶瓷型熱障涂層具有比其他兩種涂層更好的抗熱震性能和高溫抗氧化性能。

    這一成果的重要性和意義在于將突破目前我國航空發動機熱障涂層材料不能在溫度 1200℃以上使用的限制，為我國發展高端發動機提供了技術支撐。

    納米改性 MCrAIY 合金涂層

    MCrAIY（M=N/Co/Ni+Co）涂層具有抗高溫氧化及熱腐蝕性能好、塑性較好、與基體熱膨脹系數相近、對基體性能影響較小、成分可調等優點，廣泛用于發動機、渦輪機葉片等熱端部件的高溫防護。MCrAIY 系列涂層可作為熱障涂層的結合層，或作為單獨的涂層應用到航空發動機及燃氣機上，也可直接用作1000℃左右環境下的耐高溫熱障工作涂層，及用作抵抗 800 ～ 1100℃條件下的高溫氧化、硫化腐蝕和沖蝕等破壞的高溫防護涂層。這種涂層可以延長超合金部件的使用壽命。

    在工業和信息化部 2014 年發布的工業強基專項重點方向中，高端裝備基礎能力提升之工業零部件表面強化用高性能稀有金屬涂層材料中列出７個種類的涂層，其中就要求多組元 MCrAIY涂 層 材 料：O、N、C、S 總 和 不 高 于500×10 -6 ，結合強度不低于 50MPa，1050℃水淬不低于50次，1050℃（200h）完全抗氧化級。

    研究表明，納米改性可使涂層截面顯微硬度提高，比未改性涂層提高 30％以上。納米改性涂層的結合強度顯著提高，如表 2 所示。

    納 米 改 性 后，NiCrAIY 涂 層 在1000℃時的熱震循環壽命可達 105 次以上，比未改性涂層提高了 23.5％?？梢娂{米改性可以明顯提高 NiCrAIY 涂層的高溫失效抗力。

    通常，稀土的加入可以使增重減少50％以上，即加入稀土可以提高涂層的抗高溫硫化能力１倍以上。

    替代鍍硬鉻的納米改性金屬陶瓷涂層

    WC-Co 基金屬陶瓷熱噴涂涂層是一類重要的高性能涂層，由于具有良好的硬度和韌性，廣泛用于增強基體金屬的耐磨性能及對磨損部件進行修復，如飛機起落架、艦船上的球閥和柱塞、液壓支撐桿等。研究表明，航空發動機零件的工作條件較為惡劣（高溫、高轉速、振動、高負荷），又受到粘著磨損、磨粒磨損、腐蝕磨損和疲勞磨損等幾種類型的磨損，發動機性能和使用壽命受到影響。比如在鈦合金壓氣機葉片的阻尼臺表面上噴涂一層 0.25mm 厚的碳化鎢涂層，葉片壽命可由 100h 延長到上萬小時。

    近年來，隨著國際上環境問題日益突出，開發新的環境友好型涂層技術以替代傳統的電鍍硬鉻成為必然趨勢。由于現有的熱噴涂技術比電鍍硬鉻更加高效、清潔，且其成本基本與之相當，并呈不斷降低趨勢，具有巨大的開發與應用前景。其中，超音速火焰噴涂（HVOF）技術噴涂效率高，而且其噴涂的涂層結合強度高（大于 70MPa）、孔隙率低（小于 1％），成為最主要的替代電鍍硬鉻技術。

    1999 年 6 月起，由美國國防部、加拿大國防部、加拿大工業部等共同啟動開展了“確認 HVOF 噴涂 WC-Co 和WC-Co-Cr 替代飛機起落架上的鍍硬鉻層”的聯合攻關項目。目前，波音和空客飛機的起落架都采用了 HVOF 噴涂Ｗ C-Co 和 WC-Co-Cr 以替代原來使用的鍍硬鉻層。但在國內，還沒有成熟的納米結構 WC-Co 涂層制備技術。

    近年來，研究者對替代鍍硬鉻層的WC-Co 和 WC-Co-Cr 涂層進行了納米改性，收到了較好的效果。研究表明，適量納米的加入使 WC-12Co 涂層的顯微硬度和結合強度顯著提高，并有效抑制了 WC 顆粒的脫碳，使組織細化。當納米改性劑含量在 1.5％（質量分數）時，涂層的硬度提高 42％，磨損體積減少 43％，耐磨性明顯提高。

    最近的研究工作表明，隨著納米改性劑含量的增加，WC-10Cc-4Cr 涂層的硬度和抗摩擦磨損性能顯著提高。

    結語

    通過十幾年的研究開發，可以對納米熱噴涂涂層性能提高做出以下簡要概括：

    （１）采用特殊的納米粉體處理技術，制造出利于熱噴涂的納米結構陶瓷粉體，開發出的納米結構氧化鋁／氧化鈦陶瓷涂層比目前廣泛使用的商用美科130 涂層有著高出 3 ～ 10 倍的耐磨性，高出 1 倍的抗蝕性，高出１倍左右的斷裂韌性，高出 1 ～ 2 倍的結合強度和抗熱震性能，高出 5 ～ 10 倍的疲勞抗力。（２）成功制備出可噴涂的鋯酸鑭LZ 納米結構團聚體粉末（簡稱 n-LZ），并將它們分別與 ZTO 2 -8％（質量分數）Y 2 O 3 （8YSZ）納米團聚體以雙層方式噴涂成納米結構n-LZ/8YSZ雙陶瓷型熱障涂層。與傳統微米結構的 8YSZ 單陶瓷型熱障涂層和納米結構的 8YSZ 單陶瓷型熱障涂層相比，納米結構 n-LZ/8YSZ雙陶瓷型熱障涂層的隔熱效果、熱震性能和高溫抗氧化性能顯著提高，可以長期用于 1200℃以上環境。

    （３）納米改性可使 NiCrAIY 涂層顯微硬度提高，比未改性涂層提高 30％以上。納米改性涂層的結合強度顯著提高，可達到 60MPa 以上。納米改性后，NiCrAIY 涂層在 1000℃時的熱震循環壽命可達 105 次以上，比未改性涂層提高了23.5％。

    （４）對替代鍍硬鉻層的 WC-Co和 WC-Co-Cr 熱噴涂涂層進行了納米改性，發現適量納米的加入使 WC-12Co涂層的顯微硬度和結合強度顯著提高，并有效抑制了 WC 顆粒的脫碳，使組織細化。當納米改性劑含量在 1.5％（質量分數）時，涂層的硬度提高 42％，磨損體積減少 43％。納米改性甚至可使WC-Co-C 涂層的耐磨性提高約 10 倍。

    如今，利用先進的熱噴涂技術能夠制備出各種性能優異的涂層，隨著納米相關技術不斷取得突破，可以用納米材料制備出常規材料無法獲得的全新的高性能涂層，可以滿足飛機、艦船等各種高端裝備關鍵構件所需的強韌、耐磨、抗腐、熱障等性能需求。面對目前的國際和周邊環境，一定要清醒地認識到：必須走自主創新的科技強軍之路。否則，落后就要挨打！所以發展納米熱噴涂技術正是刻不容緩的強國強軍的需要！

     6  如何讓航母在強腐蝕海水中駛得更遠？

    航空母艦 （ 航母 ）——作為海上大型軍艦、路上機場航站、空中飛機的集合體，?？樟α康娜诤象w，發展至今，航空母艦已是現代海軍不可或缺的武器，也是海戰最重要的艦艇之一。

    航空技術發展在很大程度上依賴于材料進步，“一代材料、一帶裝備”是材料推動航空技術進步的真實寫照。

    航母是一項復雜的巨系統工程，包括船體、動力設備、管路及附件設施、甲板、電力設備、船艙以及艦艇、戰斗機等裝備。因此，所使用的材料種類繁多，工作環境復雜，腐蝕破壞因素急劇增加。

    航母服役環境極其苛刻

    腐蝕環境特點如下：

    （1）風高浪大，海況險惡；

    （2）海洋環境溫差大、高濕、干濕交替、高鹽霧等加速了材料老化、腐蝕進程；

    （3）海水、泥沙、油氣、酸、堿、輻射等腐蝕介質種類多，水、液、氣、海生物共同作用；

    （4）遭受波浪碰擊、沖擊、振動、熱偏移、船貨漂移、飛機起落、武器反沖擊以及機械設備運轉載荷等多種載荷共同作用。

    腐蝕是影響材料長期性能的最重要因素。一個系統的腐蝕失效故障有可能影響全艦功能的發揮。然而，對于航母來說，腐蝕控制是一個復雜的系統工程。

    航母材料腐蝕防護及控制特點

   （1）腐蝕環境多樣，防護要求高，防腐設計難度大

   （2）材料選擇系統組成復雜，設備數量多，腐蝕故障影響大
   
   （3）艙室結構復雜，防腐施工空間小，修理難度大材料是推動航母技術發展的基礎。

    材料的性能水平高低很大程度上影響各個系統的功能，進而決定了航母的性能水平。因此要求航母用材料必須具有高強度、高韌性，抗海水腐蝕，防磁耐高溫和耐沖擊能力，抗微生物腐蝕，高止裂性能等。

    目前，一系列高性能先進材料在航母關鍵部件中廣泛應用，推動著航母工程的發展，包括：

    1、特種合金鋼

    2、先進鈦及鈦合金

    3、單晶高溫合金

    4、先進復合材料（鈦合金復合材料、樹脂基復合材料、陶瓷基復合材料、陶瓷及納米熱障涂層等 ）

    5、甲板防滑、防腐涂料等。

    美國航母用特種鋼

   （1）HY 系列鎳 - 鉻 - 鈦合金鋼，耐蝕性、強度、焊接性、成型性與機加工性優異，如 HY-80、HY-100 鋼，是制造航母、核潛艇最佳鋼材。

   （2）HSLA 系列高強度、高韌性結構鋼。HY-80 鋼用于建造大型水面艦艇，如驅逐艦、巡洋艦和航空母艦等，尼龍茲級核動力航母主要結構材料之一。

   （3）HSLA-100、HSLA-115 鋼，HSLA-100 是一種低碳、銅沉淀強化尖端低合金鋼。已應用于美國新建航母殼體和核潛艇，核動力航母“斯坦尼斯”

    號 （CVN-74），以及航母 CVN-78 的飛行甲板。

    俄羅斯 AK 系列鎳鉻加鈦合金鋼，堪稱世界上屈服強度最高的材料，可達1000MPa，可用來制造航母和深潛核潛艇。

    航母用特殊材料

    航母用鈦及鈦合金

   （1）其高強度、可焊性和耐腐蝕性廣泛應用于核潛艇、深潛器等艦艇結構設備 ;

   （2）抗空泡剝蝕和耐疲勞性能優異，如Ti75合金等，廣泛應用于螺旋槳、往復式鹽水泵 、舷側雙座雙球閥閥桿材料；

   （3）比其他合金更優異的耐海水蝕性能，高比強度、低密度，廣泛應用于傳熱管、冷卻管 ;

   （4）抗海水、Cl - 及高溫下應力腐蝕。如 Ti31 鈦合金等，廣泛應用于冷卻器、換熱器、管路等，鈦換熱器污堵系數僅為 0.95 ～ 0.99。

    單晶高溫合金

    單晶高溫合金憑借其蠕變強度、熱疲勞強度、抗氧化性能和抗腐蝕特性，廣泛應用于渦輪葉片、渦輪盤等結構材料中。

    碳纖維復合材料

    碳 / 碳復合材料具有質量輕、模具高、比強度大、熱膨脹系數低、耐高溫、耐熱沖擊和耐腐蝕等優異性能，是世界戰斗機發動機先進國家為未來戰斗機發動機熱端部件研究和發展的新型高溫結構材料。美國已經將碳 / 碳復合材料應用于 F100 發動機的加力燃燒室噴嘴，還計劃將其應用于 F119 發動機的排氣噴管 ; 法國已經將它應用于 M53 發動機加力燃燒室的噴油桿、隔熱屏和調節片。目前，人們正在研究和解決其高溫抗氧化性能差的問題。

    陶瓷熱障涂層

    陶瓷基復合材料具有低密度、耐高溫、耐腐蝕和耐燒蝕等優點，耐溫高達1370 ～ 1480℃，是戰斗機發動機燃燒室/ 加力燃燒室火焰筒、渦輪轉子 / 靜子葉片、加力燃燒室火焰穩定器、排氣噴管調節片等部件的極好候選材料。目前，金屬纖維增強的陶瓷基復合材料、碳纖維增強的陶瓷基復合材料和陶瓷基復合材料已經開始應用于 M53 和 M88 發動機上。

    第 4 代陶瓷熱障涂層以及第 5 代納米熱障涂層也逐步替代等離子噴涂涂層成功應用在戰斗機發動機渦輪葉片等高溫部件上，實現內外超級熱障性能，如JT9D 戰斗機。

    航母甲板防滑防腐涂料

    飛行甲板涂料不但要承受艦載機尾鉤的沖擊和阻攔索的研磨，飛機、車輛和人員的碾壓，還要遭受潮濕鹽霧的海洋大氣環境侵蝕，以及甲板清潔劑與油污的腐蝕。

    近年來，國外開展了非晶態金屬基涂料、高耐久性防滑涂料、單層快干防滑涂料等多種新型防滑涂料的研究工作，以期進一步提高防滑涂料的耐腐蝕、抗高溫等性能，減少使用維護工作量。

    DARPA 開發出耐高溫抗沖擊防滑涂料可解決 MV-22“魚鷹”運輸機和未來F-35B 聯合攻擊機在兩棲艦飛行甲板起降時艦載機高溫尾流噴射帶來的甲板變形問題；海軍研究實驗室 （NRL） 正致力于開發出更長壽命、耐高溫的下一代非環氧類防滑涂料；美國奧斯汀公司新推出一種利用玻璃纖維加強“抓牢”防滑復合材料，含有韌化劑，不含易揮發的有機化合物，也不含毒劑和致癌化合物，主要用于起降落區。“抓牢”涂層可承受 15000 次阻攔著艦。

    石墨烯防腐涂料

    隨著石墨烯的火熱，石墨烯防腐涂料也逐漸出現在了人們面前。雖然還沒應用到航母這種超大型軍事裝備上，但目前已大規模應用于海船、海上風電塔筒等海上設備的防腐。這種新型防腐涂料填補了國內外將石墨烯運用于防腐領域的空白。石墨烯作為人類已知最硬、最薄的納米新材料，相信在不久后，其防腐涂料就能大規模應用到航母等大型軍事裝備的防腐領域。

    案例：艦載機腐蝕防護

    米格 29-K 艦載機采用高防腐蝕性的海軍 RD33K 發動機，采用無煙燃燒室和一種新型抗腐蝕蒙皮，并增加可折疊的空中受油裝置。

    美國著名的F-14“雄貓”艦載戰斗機、FA-18 機身均采用高抗腐蝕涂層。美國也用了多種材料防止飛機腐蝕，其中例如采用鋁皮包減少腐蝕趨向，改善涂層附著力。使用卓越彈性和耐久性的聚氨酯面漆。聚硫化物密封劑和鉻酸鹽底漆被用于連接表面和鏈條密封，以減少水侵入。

    如何讓航母行得更遠 ?

    （1）加大新材料的研發力度，提高結構材料、管路材料的防腐性能 ;

    （2）加強海水系統腐蝕、污損規律及控制技術研究 ;
 
    （3）研發長效防腐防污涂料、高性能飛行甲板涂料 ;
 
    （4）提高材料腐蝕、老化機制評價手段，從總體設計、施工控制、仿真、實驗、檢測與評估等方面全方位開展航母腐蝕控制技術方案研究 ;

    （5）編制航母及艦載設備腐蝕控制設計、建造、維護修理指南。