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胡燕萍等 | 2020年度國(guó)外軍工材料技術(shù)重大發(fā)展動(dòng)向

2021-02-09 13:08:35 作者：胡燕萍來(lái)源：發(fā)展中心分享至：

2020年是極不平凡的一年，新冠疫情肆虐全球，導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)、科技發(fā)展均經(jīng)受了前所未有的挑戰(zhàn)，全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)明顯放緩。雖然如此，軍工材料技術(shù)依然保持快速發(fā)展的態(tài)勢(shì)，為武器裝備的發(fā)展提供源源不斷的創(chuàng)新動(dòng)力。過(guò)去兩年，我們連續(xù)推出了“國(guó)外軍工材料技術(shù)重大發(fā)展動(dòng)向”，通過(guò)回顧年度軍工材料領(lǐng)域的十個(gè)重大事件，觀察行業(yè)發(fā)展動(dòng)向，研判未來(lái)軍工材料的發(fā)展趨勢(shì)，啟發(fā)廣大讀者和科研工作者，提供探討平臺(tái)。兩年以來(lái)，這項(xiàng)工作取得了不錯(cuò)的反響。

2020年，復(fù)合材料、金屬等結(jié)構(gòu)材料及防彈、密封等功能材料在裝備應(yīng)用及前沿探索兩個(gè)層面均有上乘表現(xiàn)；電子信息功能材料和制造技術(shù)不斷發(fā)展；計(jì)算材料學(xué)和人工智能技術(shù)形成合力，使高熵合金、新型超硬合金等新材料發(fā)現(xiàn)進(jìn)程加快。2021年1月19日，中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心在北京組織專家開(kāi)展了“2020年度國(guó)外軍工材料重大動(dòng)向”評(píng)選工作，本著重大性、先進(jìn)性、引領(lǐng)性、基礎(chǔ)性四大原則，從高性能金屬材料、先進(jìn)復(fù)合材料、特種功能材料、電子信息功能材料、關(guān)鍵原材料等五大領(lǐng)域共計(jì)80條發(fā)展動(dòng)向中，遴選出以下10條重大技術(shù)動(dòng)向，供決策機(jī)構(gòu)、科研單位和廣大讀者參考。

一、3D打印技術(shù)成為復(fù)合材料低成本化的重要途徑

纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料性能優(yōu)異，但制造工藝繁雜且成本高昂。3D打印可以減少人力和加工成本，以更節(jié)能、更快速、更可靠的方式制造復(fù)合材料，同時(shí)減少結(jié)構(gòu)缺陷。此外，3D打印不再需要特殊工具或模具，能夠直接制造任何形狀的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，因此可取代更復(fù)雜、耗時(shí)且昂貴的傳統(tǒng)制造技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷成熟，3D打印技術(shù)正推動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的性能和成本的最優(yōu)組合。

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圖1 荷蘭Brightlands材料中心開(kāi)發(fā)了具有自感知功能的3D打印復(fù)合材料試驗(yàn)件（圖片來(lái)源：Brightlands）

3D打印技術(shù)推動(dòng)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的制造。2020年4月，荷蘭Brightlands材料中心利用3D打印技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件，利用結(jié)構(gòu)形變產(chǎn)生測(cè)量電阻變化這一特性實(shí)現(xiàn)了材料的“自感知”功能，這為實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)（SHM）能力創(chuàng)造了條件。3D打印技術(shù)可以非常精確地定位和定向連續(xù)碳纖維，因此，將纖維嵌入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)內(nèi)部的選定方向和位置，使其在沿特定載荷路徑提供所需強(qiáng)度和剛度的同時(shí)，還可發(fā)揮結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)“傳感器”的作用，多條纖維可在整個(gè)零部件中形成一系列不同類(lèi)型的傳感器。這些纖維“傳感器”在測(cè)試過(guò)程中監(jiān)控和收集結(jié)構(gòu)載荷變化情況，將信息實(shí)時(shí)反饋，便于3D打印結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化。研究成果對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)意義重大，同時(shí)還有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的降低和飛行效率的提升。

圖2 特拉華大學(xué)研究人員設(shè)計(jì)的新型3D打印方法示意圖。其中加熱裝置接觸并沿著碳纖維移動(dòng)，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)溫度梯度，觸發(fā)分配液體聚合物在碳纖維結(jié)構(gòu)中注入并固化。（圖片來(lái)源：特拉華大學(xué)）

連續(xù)碳纖維3D打印技術(shù)取得突破。熱塑性復(fù)合材料和不連續(xù)短切纖維復(fù)合材料近年來(lái)已成功地實(shí)現(xiàn)3D打印，但受限于結(jié)構(gòu)組成，得到的3D打印復(fù)合材料通常力學(xué)性能較差、使用溫度較低。3D打印連續(xù)碳纖維與熱固性聚合物構(gòu)成的復(fù)合材料，能夠提供更加優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性，過(guò)去受限于技術(shù)一直未能實(shí)現(xiàn)。2020年9月，美國(guó)特拉華大學(xué)開(kāi)發(fā)了全新的局部平面熱輔助3D打印技術(shù)，首次實(shí)現(xiàn)了連續(xù)碳纖維3D打印，可與熱固性聚合物結(jié)合低成本、靈活地制造復(fù)合材料。局部平面熱輔助3D打印技術(shù)通過(guò)精確掌握碳纖維溫度，控制固化成所需形狀液態(tài)聚合物的厚度和固化程度，無(wú)需后固化。與需要數(shù)十小時(shí)后固化的傳統(tǒng)復(fù)合材料工藝相比，節(jié)省大量時(shí)間、成本和能耗。除此之外，研究團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了機(jī)器人系統(tǒng)，包括獨(dú)特接頭和自動(dòng)機(jī)械臂，可滿足不同形狀結(jié)構(gòu)的制造需求。局部平面熱輔助3D打印可以為許多行業(yè)提供快速、節(jié)能的制造方法。

二、多材料增材制造技術(shù)將推動(dòng)金屬多功能化發(fā)展

增材制造技術(shù)已在金屬領(lǐng)域產(chǎn)生多項(xiàng)實(shí)際用例，并證明其顯著優(yōu)勢(shì)。例如GE公司為L(zhǎng)EAP系列航空發(fā)動(dòng)機(jī)打造的燃油噴嘴，將原本需要20個(gè)金屬零件組裝而成的組件集成為一個(gè)增材制造部件，不僅減輕了25%的結(jié)構(gòu)重量，還實(shí)現(xiàn)了耐用性的提升。傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)包含多種工藝，如粉末床熔融、定向能量沉積、冷噴涂等。但不同的工藝受限于原材料和設(shè)備等因素：如必須使用某種特定材料才能實(shí)現(xiàn)，且得到的零部件的尺寸和外形也受到限制，制造成本往往高居不下。

圖3 MULTI-FUN項(xiàng)目將聚焦新材料和新設(shè)備的開(kāi)發(fā)，帶來(lái)具有多功能性的設(shè)計(jì)

2020年7月，為推進(jìn)多材料、多工藝金屬增材制造的融合發(fā)展，來(lái)自8個(gè)歐洲國(guó)家的21個(gè)工業(yè)制造和科學(xué)研究領(lǐng)域機(jī)構(gòu)聯(lián)合啟動(dòng)了一項(xiàng)名為MULTI-FUN的項(xiàng)目。該項(xiàng)目為期3年，由歐盟地平線2020創(chuàng)新計(jì)劃資助，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)金屬增材制造領(lǐng)域2個(gè)重要戰(zhàn)略目標(biāo)：一是通過(guò)使用集成多種功能特性的新型活性材料，顯著提高金屬增材制造產(chǎn)品的制造效率和綜合性能；二是通過(guò)開(kāi)發(fā)和使用具有創(chuàng)新性、高效性、經(jīng)濟(jì)性的增材制造技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多材料、大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的協(xié)同制造。該項(xiàng)目設(shè)置了四個(gè)具體目標(biāo)：

目標(biāo)一：開(kāi)發(fā)5種專門(mén)用于增材制造的新材料，其中3種將使用納米技術(shù)。這些材料應(yīng)具有顯著的熱、電和耐磨性能。該工作將帶來(lái)優(yōu)質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料（鋁合金、低合金鋼等）與相應(yīng)活性材料結(jié)合的解決方案，結(jié)合納米技術(shù)使所得新產(chǎn)品的效率、質(zhì)量和可靠性提高至少40％，實(shí)現(xiàn)金屬的多功能化。

目標(biāo)二：開(kāi)發(fā)一套增材制造設(shè)備與增材制造軟件。利用目標(biāo)一中開(kāi)發(fā)的5種新材料，通過(guò)5項(xiàng)新技術(shù)，創(chuàng)造至少10種新的多材料組合。再通過(guò)軟硬件結(jié)合的方式，利用集成多種增材制造技術(shù)的設(shè)備，制造出至少7種面向不同應(yīng)用場(chǎng)景的演示驗(yàn)證零件。該工作的核心成果是創(chuàng)造出集成多種增材制造技術(shù)且能夠并行工作的設(shè)備。

目標(biāo)三：制造和評(píng)估7個(gè)具有多材料設(shè)計(jì)且集成多種功能的演示驗(yàn)證零件。7種零件涵蓋結(jié)構(gòu)零件、模具和測(cè)試設(shè)備，涉及汽車(chē)、航空、航天和其他制造生產(chǎn)行業(yè)等4大領(lǐng)域。核心成果是利用基于多材料集成多功能，創(chuàng)造出提高質(zhì)量和效率的新零件和新技術(shù)。

目標(biāo)四：評(píng)估全壽命周期，降低增材制造技術(shù)的成本和環(huán)境影響。通過(guò)對(duì)增材制造過(guò)程中涉及的材料、硬件設(shè)備、工藝策略、零件設(shè)計(jì)和制造等所有環(huán)節(jié)的評(píng)估，改進(jìn)對(duì)原材料和資源的利用，減少對(duì)環(huán)境的影響，并將成本降低35％。該工作將加深對(duì)增材制造技術(shù)的研究和認(rèn)識(shí)，輔助制訂適用于多材料增材制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并推動(dòng)建立監(jiān)管機(jī)構(gòu)。

三、新型超輕不銹鋼較傳統(tǒng)不銹鋼減重約20%

鋼是全球工業(yè)化進(jìn)程中的核心材料，其年產(chǎn)量超過(guò)18億噸。但鋼制結(jié)構(gòu)的腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過(guò)2.5萬(wàn)億美元。為了滿足以化工為代表的重點(diǎn)行業(yè)對(duì)于材料機(jī)械性能和良好耐腐蝕性能的要求，不銹鋼取得了良好的發(fā)展。基于鐵-鉻、鐵-鉻-碳和鐵-鉻-鎳體系開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)不銹鋼，至少含有10.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉻，盡管發(fā)展取得了巨大成功，但也迫使不銹鋼重量不斷增加。同時(shí)，由于鉻和鎳等關(guān)鍵元素較為昂貴，還帶來(lái)了巨大的環(huán)境和成本負(fù)擔(dān)。因此發(fā)展輕量化的不銹鋼對(duì)于可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的超輕鋼材一般是在鋼中添加輕合金元素鋁實(shí)現(xiàn)的，但過(guò)量的鋁會(huì)導(dǎo)致脆性問(wèn)題，因此鋁含量通常不能超過(guò)10%。

圖 4 基于Fe–（20–30）Mn–（11.5–12.0）Al–1.5C合金微觀組織隨著Cr含量的增加而變化。（圖片來(lái)源：《科技報(bào)告》）

為了解決這一問(wèn)題，2020年11月，在韓國(guó)國(guó)防事業(yè)廳軍民合作振興院軍民兩用技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的支持下，韓國(guó)科技信息通信部下屬的韓國(guó)材料研究所與浦項(xiàng)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究院合作，對(duì)鋼種的碳、錳、鉻等元素的添加量進(jìn)行了優(yōu)化，在添加超過(guò)11.5%的鋁同時(shí)提升鋼的韌性，將傳統(tǒng)不銹鋼7.9-8.0克/立方厘米的密度降低至6.3-6.5克/立方厘米，得到了減重超過(guò)17%的超輕質(zhì)不銹鋼，同時(shí)還兼具超高強(qiáng)度（＞1GPa）和高延展性（＞35%）。由于沒(méi)有添加昂貴的鎳，超輕質(zhì)不銹鋼確保了價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力。此外，通過(guò)添加鉻，鋼表面形成了鋁和鉻含量較高的致密氧化層，確保其耐腐蝕性與400系不銹鋼相當(dāng)。這項(xiàng)研究從全新的合金設(shè)計(jì)角度出發(fā)，既突破了傳統(tǒng)不銹鋼的重量限制，同時(shí)也解決了超輕質(zhì)鋼材的易腐蝕和脆性問(wèn)題，意義重大。新型超輕質(zhì)不銹鋼將優(yōu)先應(yīng)用于汽車(chē)、造船等行業(yè)，有望進(jìn)一步提高燃油效率，降低二氧化碳排放。

四、新型核燃料向低鈾化轉(zhuǎn)變

高純度貧鈾是美國(guó)正在進(jìn)行的國(guó)家核武器儲(chǔ)備現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略物資。然而，根據(jù)美國(guó)能源部國(guó)家核安全局的估計(jì)，貧鈾原料供應(yīng)非常有限，其目前的貧鈾金屬供應(yīng)將在本世紀(jì)20年代末耗盡。美國(guó)國(guó)家核安全局也不具備將貧鈾轉(zhuǎn)化制造成武器部件所需的全部能力，而這些部件是核儲(chǔ)備現(xiàn)代化所必需的。為減少對(duì)鈾的依賴，尋找能夠替代鈾的材料，開(kāi)發(fā)新型核燃料迫在眉睫。

圖 5 顆粒形式的釷，這種放射性金屬材料保持強(qiáng)勁增長(zhǎng)勢(shì)頭，將替代部分鈾成為新型核燃料中的重要組成部分。（圖片來(lái)源：Popular Mechanics）

2020年9月，美國(guó)能源部愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)核工程與科學(xué)中心、清潔堆芯釷基核能公司三方合作研發(fā)了一種名為ANEEL的新型核燃料。這種燃料是由放射性金屬釷和“高豐度低濃鈾”（鈾-235豐度在5%至20%范圍內(nèi)）組成的混合物，將在美國(guó)生產(chǎn)，計(jì)劃出口至印度等新興核電市場(chǎng)，最快可以在2024年投入商業(yè)使用。金屬釷有較高的熔點(diǎn)和較低的工作溫度，抗堆芯熔毀能力強(qiáng)于金屬鈾。這種新型核燃料燃耗很深，可在反應(yīng)堆中停留的時(shí)間更長(zhǎng)，燃料利用率更高。此外，相較傳統(tǒng)的核燃料，新型核燃料使用了更少的鈾，產(chǎn)生廢物減少80%以上，“燃燒”時(shí)產(chǎn)生的钚也將進(jìn)一步減少，有利于降低核燃料成本、防止核擴(kuò)散、減少核廢物處理。

五、超高溫陶瓷打破4000℃耐溫大關(guān)

高超聲速飛行器機(jī)翼設(shè)計(jì)中將前緣的倒圓半徑減小到幾厘米，從而帶來(lái)升力和可操縱性顯著提升，同時(shí)減少空氣動(dòng)力阻力。但是，當(dāng)飛行器往返大氣層時(shí)，機(jī)翼蒙皮表面溫度可達(dá)2000°С，其最外側(cè)邊緣部位甚至將達(dá)到4000°С以上。因此，開(kāi)發(fā)耐高溫材料和結(jié)構(gòu)是當(dāng)前高超聲速飛行的發(fā)展重點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)過(guò)程中面臨的主要難點(diǎn)。

圖 6 基于鉿-碳-氮體系的新型高溫陶瓷材料有望成為解決高超聲速飛行器耐高溫結(jié)構(gòu)的鑰匙（圖片來(lái)源：俄羅斯國(guó)立科技大學(xué)）

美國(guó)布朗大學(xué)曾預(yù)測(cè)，基于鉿-碳-氮（Hf-C-N）體系的陶瓷材料理論上具有目前所有材料中最高的熔點(diǎn)，理論值為4200℃左右，具有杰出的導(dǎo)熱性和抗氧化性。在此基礎(chǔ)上，2020年5月，俄羅斯國(guó)立科技大學(xué)的科研人員使用自蔓延高溫合成法，開(kāi)發(fā)出基于鉿-碳-氮體系的新型高溫陶瓷材料，其化學(xué)式為HfC0.5N0.35。該材料不僅具有超過(guò)4000℃的熔點(diǎn)，其硬度達(dá)到21.3吉帕，高過(guò)目前最具應(yīng)用前景的ZrB2/SiC（20.9吉帕）和HfB2/SiC/TaSi2（18.1吉帕）。新型陶瓷材料有望在飛機(jī)耐高溫部件，如噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件和高超聲速飛機(jī)機(jī)翼前緣等部位應(yīng)用，此外也可推廣應(yīng)用至其他航空航天裝備、火箭導(dǎo)彈制造、特種軍事技術(shù)設(shè)備等領(lǐng)域。

六、輕量化成為防彈材料的發(fā)展重點(diǎn)

典型的防彈衣主要由芳綸“凱夫拉”纖維、超高分子聚乙烯纖維制成，但為了提升防彈性能而不斷增加的厚度和重量，造成防彈衣穿著舒適性降低，穿著者的機(jī)動(dòng)靈活性和工作便捷性也受到較大影響。此外，直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等航空裝備對(duì)于防彈性能的要求越來(lái)越高，但受限于發(fā)動(dòng)機(jī)性能，難以承受防彈結(jié)構(gòu)無(wú)限的加厚加重。防彈材料高性能化、輕薄化，已成為該領(lǐng)域迫切需求和主流發(fā)展趨勢(shì)。

圖 7 2AM系列的石墨烯增強(qiáng)防彈背心（圖片來(lái)源：PlanarTech）

英國(guó)和泰國(guó)合作推廣使用了輕量化的石墨烯增強(qiáng)防彈衣。2020年4月，英國(guó)PlanarTech公司宣布與泰國(guó)IDEATI達(dá)成協(xié)議，推廣應(yīng)用其2AM系列石墨烯增強(qiáng)防彈背心和防彈板產(chǎn)品。2AM是一種由石墨烯和超高分子聚乙烯組成的復(fù)合材料，它利用了石墨烯可顯著提升強(qiáng)度的特性來(lái)制造超輕型防彈衣。由2AM材料制成的A-10418產(chǎn)品，是目前市面上最薄（20毫米）、最輕（1.8千克）、且獲得美國(guó)國(guó)家司法協(xié)會(huì)（NIJ）彈測(cè)認(rèn)證合格的IV級(jí)獨(dú)立防彈板。向復(fù)合材料中添加石墨烯納米顆粒可有效的將獨(dú)立防彈板背面變形程度（BFD）降低至僅11.3毫米。2AM系列產(chǎn)品已批量生產(chǎn)，并至少交付1000件供泰國(guó)皇家陸軍使用。未來(lái)也有望在防爆盾、防彈艙門(mén)等產(chǎn)品中取得應(yīng)用。

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圖 8 英國(guó)馬歇爾公司與奎奈蒂克公司合作的LAST Armor LWA裝甲材料（圖片來(lái)源：英國(guó)馬歇爾公司）

英國(guó)馬歇爾與奎奈蒂克合作推出新一代軍用裝甲材料。2020年8月，英國(guó)馬歇爾航空航天與防務(wù)集團(tuán)與英國(guó)奎奈蒂克（QinetiQ）公司簽訂了獨(dú)家合作協(xié)議，銷(xiāo)售和安裝C-130“大力神”最新一代機(jī)型的輕型裝甲——LAST Armor LWA。這種裝甲由高強(qiáng)度聚乙烯制成，比目前在C-130J上應(yīng)用的LAST裝甲解決方案輕約380千克，僅為舊款LAST裝甲重量的一半，能夠?yàn)闄C(jī)組人員提供同等的防護(hù)性能。在裝甲表面涂覆環(huán)保涂層后，即使在最?lèi)毫拥沫h(huán)境下，裝甲也可以保持化學(xué)惰性不腐蝕。由于結(jié)構(gòu)輕質(zhì)，可顯著節(jié)省飛機(jī)燃料，減少了對(duì)飛機(jī)重心的影響，使C-130-30變體機(jī)型具有完整的載荷能力。同時(shí)，在定期維護(hù)或者作為獨(dú)立部件使用時(shí)，裝甲可快速輕便的安裝和拆卸，確保以最佳狀態(tài)完成飛行任務(wù)。

七、新一代飛機(jī)超高溫防火密封件可在315℃下工作

專用防火密封件主要應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身、吊架、反推力裝置和發(fā)動(dòng)機(jī)等部件中，其主要作用是防止在正常工作條件下氣流從機(jī)體內(nèi)特定的工作區(qū)域擴(kuò)散至其他區(qū)域。對(duì)于飛機(jī)來(lái)說(shuō)更加重要的一點(diǎn)是，使用專用防火密封件可預(yù)防由機(jī)內(nèi)局部失火引發(fā)的更大事故，它可抑制火勢(shì)向機(jī)體其他部位蔓延，保證飛機(jī)在起火后仍擁有至少15分鐘的緩沖時(shí)間安全著陸，確保人身安全。因此，專用防火密封件耐熱溫度越高，可承受發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的極端環(huán)境溫度越高，理論上意味著飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)性能越強(qiáng)，飛機(jī)的安全系數(shù)越好。

圖 9 瑞典制造商特瑞堡密封系統(tǒng)公司推出的新型超高溫密封件（圖片來(lái)源：特瑞堡）

2020年5月，瑞典制造商特瑞堡密封系統(tǒng)公司推出了一款超高溫密封件，可在-40℃到+315℃或更高的溫度下工作，遠(yuǎn)超過(guò)其上一代產(chǎn)品。新一代超高溫密封件的全壽命周期為60000個(gè)飛行周期，克服了高溫下聚硅氧烷易松弛、易壓縮形變的固有特性，可在更高溫度的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)部位中使用。在熱浸試驗(yàn)中，新一代超高溫密封件的性能優(yōu)于其他防火密封件。在所有測(cè)試條件下，其性能損失均比要求的標(biāo)準(zhǔn)值至少低15%。特瑞堡利用專有技術(shù)，使新型密封件能夠適應(yīng)任何幾何形狀，同時(shí)進(jìn)一步減輕了結(jié)構(gòu)重量并有效減少了零件數(shù)量，簡(jiǎn)化了裝配過(guò)程，可直接對(duì)目前正在使用過(guò)程中的密封件產(chǎn)品進(jìn)行替換。這款防火密封件的問(wèn)世意味著飛機(jī)制造商可開(kāi)發(fā)出性能更強(qiáng)、燃油效率更好的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，更好的落實(shí)可持續(xù)發(fā)展。

八、臺(tái)積電和三星在硅半導(dǎo)體3納米工藝上同臺(tái)競(jìng)技

摩爾定律是對(duì)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展規(guī)律的總結(jié)，在過(guò)去的數(shù)十年里一直對(duì)該行業(yè)的發(fā)展起到指引和推動(dòng)作用。但隨著器件性能的提升、尺寸的縮小，晶體管特征尺寸已經(jīng)達(dá)到原子級(jí)別，晶體管中的載流子將不受控制，短溝道效應(yīng)、熱電子效應(yīng)、漏電流增大等問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。技術(shù)難度的增加和成本的急劇增長(zhǎng)，使得先進(jìn)工藝制程的研發(fā)速度逐漸放緩。目前14納米及以下的工藝大多采用立體結(jié)構(gòu)，即鰭式場(chǎng)效晶體管（FinFET）。但這種結(jié)構(gòu)的前道工藝已接近物理極限，如繼續(xù)微縮，電性能的提升和晶體管結(jié)構(gòu)上都將遇到諸多問(wèn)題。

圖 10 三星在3納米芯片量產(chǎn)工藝中率先使用全環(huán)繞柵極晶體管架構(gòu)（圖片來(lái)源：Ezone）

2020年1月，三星電子宣布計(jì)劃在全球范圍內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)3納米芯片量產(chǎn)制程工藝，以確保其在半導(dǎo)體市場(chǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。三星計(jì)劃較為激進(jìn)放棄FinFET晶體管技術(shù)，率先采用基于全環(huán)繞柵極（GAA）晶體管架構(gòu)的3納米技術(shù)。同5納米制程工藝相比，該技術(shù)能使芯片的理論面積縮小35%、能耗降低50%、性能提高30%。三星自2002年起一直在開(kāi)發(fā)閘極全環(huán)工藝技術(shù)，通過(guò)使用納米片設(shè)備制造出了多橋-通道場(chǎng)效應(yīng)管，確保減少功率泄漏，改善對(duì)通道的控制，這是縮小工藝制程的基本步驟。這種設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)更高效的晶體管設(shè)計(jì)，并具有更小的整體制程尺寸，從而在5納米FinFET工藝上實(shí)現(xiàn)了每瓦性能的巨大提升。新工藝的實(shí)現(xiàn)還需要對(duì)顯影、蒸鍍、蝕刻等一系列工程技術(shù)進(jìn)行革新，且為減少寄生電容還需導(dǎo)入替代銅的鈷、釕等新材料。首批面向智能手機(jī)和其他移動(dòng)終端的3納米芯片將于2020年進(jìn)行測(cè)試，并于2021年批量生產(chǎn)。對(duì)高性能芯片改進(jìn)型產(chǎn)品，如圖形處理器和封裝到數(shù)據(jù)中心的人工智能芯片，將在2022年實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

圖 11 臺(tái)積電3納米工藝制程芯片預(yù)計(jì)將在2022年下半年量產(chǎn)

作為目前芯片制造行業(yè)的“領(lǐng)頭羊”，臺(tái)積電也公布了自己的3納米戰(zhàn)略。2020年4月，臺(tái)積電正式披露了其3納米工藝技術(shù)細(xì)節(jié)，晶體管密度高達(dá)2.5億/平方毫米。采用臺(tái)積電7納米極紫外光刻工藝的麒麟990 5G芯片的晶體管密度約為0.9億/平方毫米，3納米工藝晶體管密度是7納米的3.6倍。在性能提升方面，臺(tái)積電5納米比7納米性能提升15%，能耗降低30%。然而，預(yù)計(jì)3納米比5納米性能提升10%~15%，能耗降低25%~30%；在晶體管密度方面，臺(tái)積電表示3納米工藝較5納米提高了1.7倍，晶體管密度高達(dá)2.5億/平方毫米。與三星不同，在技術(shù)方面，臺(tái)積電評(píng)估了多種方案，認(rèn)為現(xiàn)行的鰭式場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FinFET）技術(shù)在成本及能效上更佳，首批3納米芯片仍將采用FinFET技術(shù)。此外，臺(tái)積電還表示，3納米的研發(fā)符合預(yù)期，并沒(méi)有受到疫情影響，預(yù)計(jì)在2021年進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)試產(chǎn)階段，2022年下半年正式量產(chǎn)。

九、新型稀土金屬提純方法有望解決美國(guó)進(jìn)口依賴問(wèn)題

圖 12 使用配體輔助色譜法從煤灰、廢舊磁鐵中提純稀土金屬，確保電子產(chǎn)品關(guān)鍵材料的充足供應(yīng)。（圖片來(lái)源：普渡大學(xué)）

全球稀土金屬市場(chǎng)總量達(dá)40億美元，隨著新電子產(chǎn)品、飛機(jī)、艦船、電動(dòng)汽車(chē)的計(jì)算機(jī)芯片、發(fā)動(dòng)機(jī)磁鐵和其他關(guān)鍵產(chǎn)品的發(fā)展，稀土金屬需求量還在持續(xù)增長(zhǎng)。但地球上的稀土資源有限，難以確保可持續(xù)發(fā)展。

2020年5月，美國(guó)普渡大學(xué)經(jīng)過(guò)10年研發(fā)，提出一種具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的提取和凈化工藝——使用配體輔助色譜法從煤灰、廢舊磁鐵和原礦中，安全、有效地凈化和提純稀土金屬，且不影響環(huán)境，使美國(guó)能夠在國(guó)內(nèi)創(chuàng)造一個(gè)更穩(wěn)定、更可靠的稀土金屬來(lái)源。傳統(tǒng)提純稀土元素的方法為兩相液-液萃取法，該工藝需要使用成千上萬(wàn)個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)的混合沉降器單元，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量有毒廢物。普渡大學(xué)開(kāi)發(fā)的新工藝使用兩區(qū)配體輔助置換色譜系統(tǒng)和一種新的區(qū)分離方法，可生產(chǎn)出純度為99%的稀土金屬。研究人員表示，該工藝有望解決美國(guó)一直以來(lái)因稀土金屬過(guò)于依賴進(jìn)口而產(chǎn)生的供應(yīng)鏈隱患。

十、人工智能技術(shù)推進(jìn)新材料研發(fā)進(jìn)程

人工智能技術(shù)的發(fā)展加快了多種材料的成分設(shè)計(jì)，其中超硬材料和高熵合金的發(fā)展成為其中亮點(diǎn)。

圖 13 W-Mo-B體系在0K時(shí)的三元相圖（圖片來(lái)源：Skoltech）

2020年9月，俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)學(xué)院使用人工智能計(jì)算方法成功預(yù)測(cè)出幾種由鎢、鉬、硼三種主元素組成的新型超硬材料。長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家對(duì)二元材料進(jìn)行了深入的研究，性能的進(jìn)一步提升進(jìn)入瓶頸期，為了設(shè)計(jì)新型材料，現(xiàn)在越來(lái)越頻繁地加入第三種主元素，以期通過(guò)增加材料系統(tǒng)復(fù)雜性的方式來(lái)提升材料性能。研究人員開(kāi)發(fā)出一種名為USPEX的進(jìn)化算法（人工智能算法中的一種），成功預(yù)測(cè)了鎢-鉬-硼材料體系中的超硬三元化合物結(jié)構(gòu)，與二元化合物相比顯示出更好的硬度與斷裂韌性，其中一些材料屬于高熵合金。這項(xiàng)研究為尋找新型超硬硼化物材料奠定了基礎(chǔ)。

高熵合金一般由相等或相似比例的四種或更多元素組成，理論上可以組合出無(wú)限種合金組合，并且具有出色的機(jī)械、熱、物理和化學(xué)性能，目前已開(kāi)發(fā)出多種耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、高強(qiáng)度合金。但是新型高熵合金的設(shè)計(jì)往往基于反復(fù)試驗(yàn)，需要花費(fèi)大量時(shí)間和高額成本。2020年11月，韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)開(kāi)發(fā)了一種使用人工智能進(jìn)行高熵合金相位預(yù)測(cè)的技術(shù)。研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的人工智能技術(shù)在模型優(yōu)化、數(shù)據(jù)生成和參數(shù)分析等三個(gè)方面進(jìn)行了深度學(xué)習(xí)，可提高高熵合金相位的可預(yù)測(cè)性和可解釋性。研究結(jié)果有望大大減少現(xiàn)有新材料開(kāi)發(fā)過(guò)程所需的時(shí)間和成本，未來(lái)可用于開(kāi)發(fā)新的高熵合金。

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