材料技術(shù)是航空武器裝備發(fā)展的基礎(chǔ)."一代材料,一代軍機(jī)",材料技術(shù)的不斷進(jìn)步,為軍機(jī)的更新?lián)Q代提供重要支撐.  2015年,國內(nèi)外軍用航空材料技術(shù)繼續(xù)保持迅速發(fā)展勢頭,面向新一代航空武器裝備的新材料發(fā)展態(tài)勢逐漸明朗,主要體現(xiàn)在:

    --傳統(tǒng)金屬深入挖掘潛力,重點(diǎn)提升不銹鋼的耐腐蝕性、通過復(fù)合化開發(fā)超輕量級金屬;

    --無粘、耐磨、高溫耐蝕涂層材料,輕質(zhì)防火密封材料,以及透明尖晶石防彈材料等特種功能材料的應(yīng)用研究邁上新臺階;

    --高強(qiáng)高抗損傷的復(fù)合材料正向小型零件、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子及導(dǎo)電結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域應(yīng)用延伸;

    --氮化鎵、超材料、石墨烯等高性能材料在電子信息功能領(lǐng)域大放異彩.

     展望2016年,航空材料技術(shù)將在以下幾個方面繼續(xù)取得突出進(jìn)展:復(fù)合材料技術(shù)不斷改進(jìn),在發(fā)動機(jī)和機(jī)體小部件上的應(yīng)用比例繼續(xù)擴(kuò)大,向多功能化、輕量化方向發(fā)展;傳統(tǒng)金屬材料與復(fù)合材料競爭將加劇,金屬材料成分設(shè)計(jì)和制備工藝的創(chuàng)新有望掀起金屬回歸的熱潮;仿生技術(shù)、納米技術(shù)為特種功能材料的發(fā)展提供支撐;超材料、石墨烯等新材料將主導(dǎo)電子信息領(lǐng)域。 

  一、復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大

    2015年,高性能復(fù)合材料技術(shù)的重大進(jìn)展體現(xiàn)以下三個方面.

    一是,樹脂基復(fù)合材料小型零件低成本制造研究啟動.質(zhì)量9千克以下的軍用零部件,采用復(fù)合材料制造存在成本過高和周期長等問題,目前仍由傳統(tǒng)鋁合金材料制造.針對這一問題,2015年9月DARPA啟動"可設(shè)計(jì)給料和成形"項(xiàng)目,旨在開發(fā)柔性成形解決方案,用統(tǒng)一的模塊、通過不同的組合生產(chǎn)多種零件,以縮短復(fù)合材料小型零件的加工周期,將軍用系統(tǒng)的零件修改、重新設(shè)計(jì)、制造及定型的周轉(zhuǎn)時間減少50%(從現(xiàn)在6年減少到3年),并有望將復(fù)合材料小型零件成本降至與金屬的相當(dāng).

    DARPA針對小型復(fù)合材料零件應(yīng)用啟動"可設(shè)計(jì)給料和成形"(TFF)

    二是,陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)子件開始運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),新型高溫樹脂基復(fù)合材料開發(fā)成功.陶瓷基復(fù)合材料(CMC)制成的渦輪葉片僅為傳統(tǒng)鎳基合金重量的1/3,且無需氣冷,氣動效率更高,各國都在大力研究.2015年2月,通用電氣在F414渦扇發(fā)動機(jī)驗(yàn)證機(jī)上,成功完成世界上首個CMC低壓渦輪葉片運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn),經(jīng)過500個工作循環(huán),證實(shí)了CMC材料制造的渦輪葉片具有極強(qiáng)的耐高溫腐蝕和耐久性能,可用于第六代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)和下一代商用發(fā)動機(jī).此外,美空軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了取代鈦合金的新型高溫樹脂基復(fù)合材料,目標(biāo)是應(yīng)用第六代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動機(jī)及現(xiàn)役F135和F110航空發(fā)動機(jī);如用于替換B-2轟炸機(jī)和F-22戰(zhàn)斗機(jī)上的鈦合金部件,可減重達(dá)40%,并提高抗疲勞強(qiáng)度,延長服役壽命.目前該實(shí)驗(yàn)室已完成高溫聚酰亞胺基復(fù)合材料的開發(fā),下一步重點(diǎn)是開展應(yīng)用研究.

    美空軍實(shí)驗(yàn)室開發(fā)新型高溫樹脂基復(fù)合材料取代鈦合金

    三是,納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電等多功能.2015年8月,歐盟歷時4年、投資5100萬歐元,完成了"智能飛機(jī)結(jié)構(gòu)"項(xiàng)目,研究人員在碳纖維層壓板間布置碳納米管隔層,并注入樹脂.通過試驗(yàn)機(jī)翼驗(yàn)證表明,采用碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料,能有效提高復(fù)合材料的損傷容限和電導(dǎo)率,解決結(jié)構(gòu)中布置電纜的問題,節(jié)省成本和重量,并改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電氣接地特性.目前碳納米管復(fù)合材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段,正為工業(yè)化生產(chǎn)做準(zhǔn)備.

    碳納米管使復(fù)合材料具備導(dǎo)電等多功能

    二、高性能金屬結(jié)構(gòu)材料持續(xù)發(fā)展

    2015年,金屬材料繼續(xù)與復(fù)合材料迅猛發(fā)展的勢頭競爭,主要體現(xiàn)在以下三個方面.

    一是,新型耐蝕不銹鋼取代現(xiàn)有鋼和鈦合金起落架已進(jìn)入小批試用.空客公司正與多個合作伙伴開發(fā)新的耐蝕不銹鋼"CRES",擬用于未來飛機(jī)的起落架,其固有的金屬耐腐蝕性能消除了傳統(tǒng)鋼和鈦合金所需的鎘和鉻酸鹽耐腐蝕涂層,強(qiáng)度與現(xiàn)有鋼材相當(dāng),成本僅為鈦合金一半,且具有進(jìn)一步降低成本的潛力.目前有9架A320飛機(jī)的主起落架組件已采用CRES鍛件制成.空客公司計(jì)劃開展CRES起落架服役評估,如評估效果理想將開始工業(yè)化生產(chǎn).

    二是,鈦鋁金屬間化合物用于發(fā)動機(jī)低壓渦輪葉片已獲得適航認(rèn)證.2015年3月德國MTU航空發(fā)動機(jī)公司宣布,已開發(fā)出新型輕質(zhì)鈦鋁金屬間化合物(TiAl),可用于高溫高應(yīng)力發(fā)動機(jī)組件;以該化合物制成的低壓渦輪葉片已于2014年9月在A320neo上完成首飛,12月獲得適航認(rèn)證.TiAl渦輪葉片的重量約為鎳合金組件的一半,力學(xué)性能與其相當(dāng);熔點(diǎn)、蠕變強(qiáng)度、抗氧化和耐腐蝕性高于鈦合金.MTU公司正開發(fā)增強(qiáng)型TiAl合金,擬進(jìn)一步提高渦輪葉片性能.
  
    三是,首個可浮水面的超輕金屬基復(fù)合材料問世.2015年5月,美研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出首個輕量級鎂基復(fù)合材料,其密度輕于水,僅0.92克/立方厘米,且擁有足夠強(qiáng)度和耐腐蝕性,能承受超過172兆帕的壓強(qiáng),可用于制造飛機(jī)次承力結(jié)構(gòu)組件.目前該項(xiàng)技術(shù)已接近成熟,有望在三年內(nèi)進(jìn)行原型測試.

    美國紐約大學(xué)開發(fā)的超強(qiáng)金屬泡沫

    三、特種功能材料日新月異

    特種功能材料對于軍事武器裝備發(fā)展至關(guān)重要.2015年,航空特種功能材料的進(jìn)展有以下三個方面.

    一是,飛機(jī)、發(fā)動機(jī)多種涂層技術(shù)獲得突破.昆蟲殘留導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)翼凹凸不平,增加阻力.為減少蟲害殘留,NASA研究人員受荷葉表面粗糙的微結(jié)構(gòu)啟發(fā),長期研究不同化學(xué)和表面粗糙度的涂層.2015年9月,NASA和波音的研究人員在波音757eco驗(yàn)證機(jī)右翼前緣測試了五種涂層,其中一種顯示良好效果,與未涂覆的左翼對比,減少了40%昆蟲殘余.此外耐磨防偽涂層方面,目前美國空軍的首選是聚亞胺酯油漆,適用中溫條件,高溫長期抗磨損性能差且容易老化,需頻繁修理和重新涂層.2015年,美國空軍與小企業(yè)合作開發(fā)了一種創(chuàng)新的Proteckt高溫耐磨涂層.驗(yàn)證結(jié)果表明,Proteckt高溫涂層在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下抗磨損性提高了20倍.該涂層能直接用于美國空軍武器系統(tǒng),預(yù)計(jì)將為每架F-35戰(zhàn)斗機(jī)節(jié)省大約1400萬美元的全壽命周期費(fèi)用.

    二是,新型防火密封材料已試驗(yàn).防火密封材料是航空領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)技術(shù),平均一個發(fā)動機(jī)短艙和推力反向裝置包含超過100個防火密封件.為滿足ISO 2685煤油防火標(biāo)準(zhǔn),科德寶密封技術(shù)公司在2015年試驗(yàn)了一種新的硅有機(jī)樹脂防火材料,能替代現(xiàn)用防火密封材料,且重量更輕、原材料成本和模塑工藝更簡單、生產(chǎn)成本更低.

    科德寶密封技術(shù)公司在試驗(yàn)一種新的硅有機(jī)樹脂防火材料

    三是,尖晶石材料有望用于防彈窗和軍用光學(xué)系統(tǒng).尖晶石比玻璃韌性和硬度更高,所以更耐風(fēng)沙和雨水侵蝕,在更惡劣的環(huán)境為觀察窗后的操作人員提供更好的保護(hù).美海軍研究實(shí)驗(yàn)室的改進(jìn)的尖晶石可被制成多種形狀,如飛機(jī)防彈窗、無人機(jī)機(jī)翼等,還可熱壓加工形成寶石,經(jīng)過研磨和拋光,增強(qiáng)光學(xué)性能,優(yōu)化軍事成像系統(tǒng).對于對重量敏感的平臺如無人機(jī),以及頭盔式面罩,這將是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù).

    四、電子信息功能材料光速發(fā)展

    2015年,電子信息功能材料的突出進(jìn)展主要有以下三個方面.

    一是,基于氮化鎵材料的數(shù)字陣列行收發(fā)器為下一代雷達(dá)奠定基礎(chǔ).基于氮化鎵(GaN)技術(shù),洛馬公司在2015年推出數(shù)字陣列行收發(fā)器(DART),它可使洛馬公司現(xiàn)有的雷達(dá)產(chǎn)品達(dá)到更高性能,且由于效率提高,全壽命周期成本降低.研究結(jié)果表明,雷達(dá)系統(tǒng)無論是新研還是升級改造,現(xiàn)在采用氮化鎵都是一個低風(fēng)險解決方案.

    氮化鎵材料為下一代軍用雷達(dá)奠定基礎(chǔ)

    二是,超材料打開集成光子電路的大門.哈佛大學(xué)研究小組利用濺射沉積形成單晶銀膜,然后通過精密電子束光刻和等離子刻蝕等手段,將銀晶體切割成納米脊線,制備出此前僅限于理論研究的二維"雙曲表面超材料",應(yīng)用于集成光子電路時,光學(xué)損耗比普通超材料低兩個數(shù)量級.除具有低損耗和無衍射傳播特性之外,這種新的表面材料還能控制可見光波長和反射路徑.這項(xiàng)工作打開集成光子電路的大門,在成像、傳感和量子信息領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景.

    超材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)對光波傳輸方向的控制

    三是,石墨烯成就高精度光學(xué)探測器.德國通過對碳化硅襯底上一個微小的片狀石墨烯加上天線,開發(fā)出一種新型高精確度光學(xué)探測器,可以迅速反射所有不同波長的入射光.首次實(shí)現(xiàn)了單個檢測器從可見光到紅外輻射甚至到太赫茲輻射范圍的全光譜監(jiān)測.該探測器的優(yōu)點(diǎn)除了精度達(dá)到秒,所有的測量可在室溫下進(jìn)行,避免了其他探測器所需的昂貴、費(fèi)時的氮?dú)饣蚝饫鋮s過程.科學(xué)家們已開始用此探測器進(jìn)行激光系統(tǒng)的精確同步.

    石墨烯成就高精度光學(xué)探測器

責(zé)任編輯：周婭

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