0 引言

 

    世界各國高度重視新材料發(fā)展，推出多項(xiàng)戰(zhàn)略政策推進(jìn)新材料技術(shù)的發(fā)展。發(fā)達(dá)國家新材料產(chǎn)業(yè)各具特色，側(cè)重領(lǐng)域各不相同： 美國注重科技領(lǐng)域的研發(fā)，并保持全球領(lǐng)先地位； 日本既重視對新材料的研發(fā)，又不忘改進(jìn)現(xiàn)有材料的性能，利用有限資源發(fā)揮最大作用； 歐盟新材料科技戰(zhàn)略目標(biāo)是保持在航天材料等領(lǐng)域的競爭優(yōu)勢。

    本文詳細(xì)闡述了國際航天新材料的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，重點(diǎn)介紹了國內(nèi)航天新型材料的研究成果，指出了航天新型材料未來的發(fā)展趨勢。

    1 高性能輕質(zhì)金屬合金

 

    為滿足導(dǎo)彈、火箭等航天裝備平臺輕量化、高可靠、高推比等發(fā)展需求，目前國外大力發(fā)展的高性能輕質(zhì)金屬合金主要包括第三代鋁鋰合金、高強(qiáng)鎂合金、低成本鈦合金、耐高溫合金等。

    1.1 第三代鋁鋰合金

 

    20 世紀(jì)20 年代，德國研制出第一代鋁鋰合金。缺點(diǎn)很明顯，如延展性弱、韌性差、加工困難和價(jià)格昂貴等，沒有引起足夠重視。1970 年后，歐美等國研制出了第二代鋁鋰合金產(chǎn)品，包括前蘇聯(lián)的1420 鋁鋰合金和美國的2090 鋁鋰合金等。第二代鋁鋰合金也存在問題，包括強(qiáng)度不高、塑形較低等。

    2013 年，加拿大肯聯(lián)公司推出的Air Ware 系列第三代鋁鋰合金已用于空中客車公司的A350、龐巴迪公司的C 系列飛機(jī)以及F－16、F－18 等軍用飛機(jī)，組織模式如圖1 所示。美國航空界將這種新材料稱為“超級合金”，被美刊評為2013 年航空十三個重大事件之一。第三代鋁鋰合金在添加鋰元素時(shí)，更加注重合金強(qiáng)度與疲勞裂紋擴(kuò)展性能之間的平衡。通過降低鋰含量（ 降低至1wt% ～ 2wt%） 及優(yōu)化熱處理制度，獲得良好的綜合性能。用其制造飛機(jī)結(jié)構(gòu)，可使飛機(jī)結(jié)構(gòu)減輕25%，耐蝕性比傳統(tǒng)鋁鋰合金高出46%，抗疲勞性能提高25%，飛機(jī)降低阻力6%。此外，與復(fù)合材料比較，可加工性也得以改善，可使用傳統(tǒng)鋁合金制造工藝進(jìn)而降低風(fēng)險(xiǎn)與成本，利用現(xiàn)有加工設(shè)備及供應(yīng)鏈等，還可100%回收。未來應(yīng)用對象鎖定在A320 及波音737 的后繼窄體客機(jī)上，也準(zhǔn)備用于軍用飛機(jī)F－35、F－16 和F－18 的隔框、蒙皮及其他結(jié)構(gòu)件。

 

    今后鋁鋰合金的發(fā)展還要加強(qiáng)以下方面的研究：

    （1） 增加鋁鋰合金的韌性、塑形和強(qiáng)度；

    （2） 降低鋁鋰合金的結(jié)構(gòu)質(zhì)量；

    （3） 改善鋁鋰合金的各向異性。

    1.2 高強(qiáng)鎂合金

 

    20 世紀(jì)40 年代，鎂合金獲得了飛速發(fā)展。但由于價(jià)格昂貴的原因，鎂合金的研究出現(xiàn)停滯。

    近年來，由于環(huán)境和能源問題越來越突出，以及鎂合金巨大的性能潛力和優(yōu)勢，鎂合金的研究和應(yīng)用日益受到德、美、加等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的高度重視，均相繼出臺了鎂合金研究計(jì)劃進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，投資金額總和達(dá)數(shù)億美元。德國科學(xué)技術(shù)協(xié)會牽頭，啟動了由德國克勞斯塔大學(xué)和漢諾威大學(xué)負(fù)責(zé)組織實(shí)施、歐洲最大的鎂合金與鎂合金壓鑄項(xiàng)目“SFB390”，項(xiàng)目金額超過5 300 萬歐元，主要目標(biāo)是研究鎂合金在結(jié)構(gòu)件中的應(yīng)用。加拿大聯(lián)邦政府及魁北克省與海德魯公司共同投資1 140 萬加元成立了一個新的鎂合金研究中心，其宗旨在于通過優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝及材質(zhì)，獲得具有優(yōu)良性能的鎂合金壓鑄零部件，從而進(jìn)一步拓寬鎂合金的應(yīng)用領(lǐng)域。

    鎂合金通過合金化，與稀土元素形成穩(wěn)定的高溫相，以提高鎂合金的高溫性能。

    采用時(shí)效強(qiáng)化與形變強(qiáng)化可以提高合金的強(qiáng)度和韌性，美國科學(xué)家的研究結(jié)果表明，通過擠壓與熱處理復(fù)合處理后的ZK60 鎂合金，強(qiáng)度及斷裂韌性均得到極大的提高。當(dāng)前國外變形鎂合金的室溫屈服強(qiáng)度最高達(dá)到300 MPa，延伸率達(dá)到5%。

    鎂合金質(zhì)量輕是其在航空航天中應(yīng)用的最主要因素，隨著鎂合金的研究繼續(xù)開展，在航空航天中的應(yīng)用將會越來越普遍。

    1.3 低成本鈦合金

 

    圖2 是飛機(jī)結(jié)構(gòu)中鈦用量隨年代的變化。由于其價(jià)格昂貴，常用于承力大的關(guān)鍵部位。為擴(kuò)大鈦合金的使用量，國外積極研制新型低成本鈦合金。美國Allegheny 技術(shù)公司也采用鐵元素代替釩元素和富氧技術(shù)，研制了新配方Ti－4Al－2.5V－1.5Fe－0.25O鈦合金，其性能類似于Ti－6Al－4V 合金，具有優(yōu)良的冷成形和熱加工性能，但價(jià)格比航空航天用的Ti －6Al－4V 合金約低20%。

 

 

    鈦合金作為發(fā)動機(jī)材料雖有巨大優(yōu)勢，也同樣面臨極大挑戰(zhàn)：

    （1） 鈦合金的性能在高溫條件下還不達(dá)標(biāo)；

    （2） 鈦合金的價(jià)格過高。

    1.4 耐高溫合金

 

    高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基體材料，能在高溫和應(yīng)力作用下長期工作的特定金屬材料。高溫合金在600℃以上具有良好的強(qiáng)度、塑性、韌性和疲勞性能等。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，高溫合金已較為成熟，并在武器裝備動力裝置上獲得廣泛應(yīng)用。隨著材料的更新?lián)Q代，發(fā)動機(jī)的渦輪進(jìn)口溫度也從第一代的777～1 027℃躍升至第四代的1 577～1 715℃。

    與純金屬及合金材料相比，金屬間化合物具有極好的耐高溫和耐磨性能。為此，近年來國外針對金屬間化合物的基礎(chǔ)性研究、成分設(shè)計(jì)、工藝流程的開發(fā)以及應(yīng)用開展了大量工作，用于替代傳統(tǒng)的鎳基高溫合金、鎳基單晶合金等。其中Ti－Al 合金發(fā)展最為迅速，富鈮γ－TiAl 合金已發(fā)展到第三代，塑性和韌性都有很大提高，已在航空發(fā)動機(jī)葉片中得到大量應(yīng)用，鑄造γ－TiAl 低壓渦輪葉片在PW1000G、Leap － 1B、Leap－1C 的用量預(yù)計(jì)達(dá)到120 萬片，至2014 年P(guān)CC公司制造的Ti－Al 葉片年產(chǎn)量已達(dá)到4 萬片。

    2 復(fù)合材料

 

    復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、加工成形方便、抗腐蝕能力強(qiáng)等特點(diǎn)，利用其取代傳統(tǒng)的鋼、鋁合金等材料制造武器裝備結(jié)構(gòu)件，可以在保證武器裝備性能的同時(shí)，大大減輕裝備的質(zhì)量。目前國外大力發(fā)展的航天高性能復(fù)合材料主要包括樹脂基復(fù)合材料、鋁基復(fù)合材料和陶瓷基復(fù)合材料等。

    2.1 樹脂基復(fù)合材料

 

    樹脂基復(fù)合材料是以聚合物為基體，纖維為增強(qiáng)體復(fù)合而成。因此，樹脂基復(fù)合材料的用量已經(jīng)成為衡量航空航天技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志。圖3 為樹脂基復(fù)合材料和輕質(zhì)金屬材料的比強(qiáng)度和比模量。

 

 

    美國戰(zhàn)斧巡航導(dǎo)彈大量采用了復(fù)合材料，如頭錐采用了Kevlar /聚酰亞胺，雷達(dá)天線罩、進(jìn)氣道采用了玻璃纖維/環(huán)氧樹脂，進(jìn)氣道整流罩采用了碳纖維/聚酰亞胺，尾翼采用了玻璃纖維/環(huán)氧樹脂、Kevlar /環(huán)氧樹脂，尾錐使用了玻璃粗紗/環(huán)氧樹脂等。美國“侏儒”小型地對地洲際彈道導(dǎo)彈三級發(fā)動機(jī)燃燒室殼體由碳纖維/環(huán)氧樹脂纏繞制作； 三叉戟（ D－5） 第一、二級固體發(fā)動機(jī)殼體采用碳/環(huán)氧制作，其性能較Kevlar /環(huán)氧提高30%。

    熱塑性樹脂用作復(fù)合材料基體，在斷裂韌性、沖擊強(qiáng)度和吸濕等方面都優(yōu)于熱固性樹脂基體，在耐高溫、抗?jié)駸帷⒖箾_擊、熱穩(wěn)定性、損傷容限等方面都大大優(yōu)于環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，已成為復(fù)合材料樹脂基體的發(fā)展趨勢。近些年，由于纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料在生產(chǎn)方面取得了顯著進(jìn)步，極大降低了材料成本，提高了可用性，已在導(dǎo)彈彈體和發(fā)動機(jī)殼體設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面得到重視。美國陸軍提出了要開發(fā)纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料導(dǎo)彈圓筒形接縫結(jié)構(gòu)的熔接工藝、材料和分析技術(shù)，用于導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)和彈體圓筒形接縫處的圓筒形接縫處的熔接。美國圣地亞哥復(fù)合材料公司設(shè)計(jì)了一種熔接機(jī)，可用于加工熱塑性復(fù)合材料圓筒，應(yīng)用于導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)件。

    2.2 鋁基復(fù)合材料

 

    碳化硅/鋁基復(fù)合材料的強(qiáng)度在碳化硅纖維含量較低時(shí)也遠(yuǎn)比超硬鋁高。由于成本較鈹材低得多，還可以替代鈹材用作慣性器件，已被用于美國某導(dǎo)彈慣性制導(dǎo)系統(tǒng)和慣性測量單元。

    美國哈勃太空望遠(yuǎn)鏡的高增益天線桿結(jié)構(gòu)采用P100 超高模量碳纖維（ 40vol%） 增韌的6061 鋁基復(fù)合材料，采用擴(kuò)散粘接工藝制造，確保了太空機(jī)動飛行時(shí)天線的方位，它還由于具有良好的導(dǎo)電性能，從而提高了波導(dǎo)功能，保障了航天器和天線反射器之間的電信號傳輸，整個部件比碳/環(huán)氧材料輕63%。

    2.3 陶瓷基復(fù)合材料

 

    陶瓷基復(fù)合材料以其優(yōu)異的耐高溫性能、高溫力學(xué)性能等成為熱結(jié)構(gòu)材料的候選，在導(dǎo)彈領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用前景。美國、法國等國家開展了深入研究，針對長期飛行和工作的導(dǎo)彈設(shè)計(jì)了帶有冷卻結(jié)構(gòu)的C /SiC 復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)，并研制出帶主動冷卻結(jié)構(gòu)的超燃沖壓發(fā)動機(jī)燃燒室。

    目前，法國航空航天研究院已用纖維纏繞法生產(chǎn)出直徑150 mm、長度100 mm 的筒形件及其他復(fù)雜形狀構(gòu)件。據(jù)稱這種新材料制造成熟度已達(dá)到4 級。

    試驗(yàn)件的初步試驗(yàn)表明，此材料能耐1 000℃高溫，可滿足“高超聲速飛行器”計(jì)劃試飛的第一階段要求；第二階段將把材料的耐熱溫度提高到2 000℃以上，達(dá)到飛行速度超過8 馬赫的要求。新型陶瓷基復(fù)合材料的問世，為導(dǎo)彈及航天飛行器材料提高高溫強(qiáng)度、韌性、抗氧化性和顯著降低成本提供了新的可能。

    復(fù)合材料歷經(jīng)多年發(fā)展，配套技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，現(xiàn)還需加強(qiáng)以下方面研究：

    （1） 研發(fā)新型低成本輕量化復(fù)合材料；

    （2） 開展智能化復(fù)合材料制備技術(shù)；

    （3） 增強(qiáng)微納米復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展。

    3 特種功能材料

 

    為滿足載人飛船的返回艙、重復(fù)使用的運(yùn)載器（ 如航天飛機(jī)） 、洲際導(dǎo)彈等再入大氣層時(shí)對防熱與隔熱的要求，以及保障低軌道航天器的空間防護(hù)，國外航天領(lǐng)域積極研發(fā)和應(yīng)用特種功能材料。

    3.1 高溫合金材料

 

    高溫合金是航空航天發(fā)動機(jī)部件的重要材料。傳統(tǒng)高溫合金已經(jīng)接近其使用溫度上限，無法通過調(diào)整成分比例來進(jìn)一步提高使用溫度，只能求助于新型工藝途徑，如定向凝固高溫合金等（ 圖4） 。

 

    美國NASA 馬歇爾空間飛行中心研發(fā)出彌散強(qiáng)化的鉬－錸合金，采用真空等離子噴涂制造耐高溫部件。與其他同等的非彌散強(qiáng)化的鉬－錸合金相比，研發(fā)出的合金高溫性能得到提高。

    美國DAＲPA 授予奎斯塔克公司“小企業(yè)創(chuàng)新研究計(jì)劃”項(xiàng)目，應(yīng)用該公司的材料設(shè)計(jì)技術(shù)，研發(fā)具有更大延展性、抗氧化性和1 300℃以上蠕變性能優(yōu)異的鉬基合金。公司計(jì)劃開發(fā)基于傳統(tǒng)多組分熱力學(xué)和靈活性數(shù)據(jù)庫的程序結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)性能模型，并利用這些工具和模型來設(shè)計(jì)可通過傳統(tǒng)工藝制造的先進(jìn)鉬基合金。改進(jìn)的鉬基合金可望用于下一代運(yùn)載火箭部件。

    3.2 多層隔熱材料

 

    多層隔熱材料是通過減少熱輻射的傳遞來隔熱，其原理見圖5。

 

    美國NASA 戈達(dá)德航天中心開發(fā)出用于微流星體防護(hù)的氣凝膠基多層隔熱材料。這種材料是將超低密度、高疏水性、纖維增強(qiáng)氣凝膠材料（ 2.5 ～ 3. 8cm 厚的氣凝膠層） 集成到多層隔熱材料上，形成一體化的隔熱材料。氣凝膠層具有高的抗壓強(qiáng)度，可抵抗高速沖擊； 多層隔熱材料具有非常有效的隔熱性能，二者集合在一起，使得這種一體化的隔熱材料具有卓越的熱性能和顯著的堅(jiān)固性，從而實(shí)現(xiàn)真正的微流星體防護(hù)。

    多層隔熱材料的缺點(diǎn)就是成本過高，還需要降低其成本進(jìn)行推廣應(yīng)用。

    3.3 熱防護(hù)材料

 

    熱防護(hù)材料是保護(hù)飛行器免受高速飛行時(shí)熱環(huán)境傷害的重要組成部分。

    1960 年開始，美國研制出了一系列陶瓷隔熱瓦。

    這是美國高超聲速飛行器的隔熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中重要的候選材料。歐洲的超高聲速飛行器也采用了類似隔熱瓦的技術(shù)，如德國采用多孔納米材料作為隔熱層，俄羅斯采用玻璃纖維作為巡航導(dǎo)彈的熱防護(hù)材料。

    近年來，法國空客防務(wù)與航天公司（ ADS） 完成了歐洲Exo Mars 任務(wù)所需的兩個熱防護(hù)罩的建造。

    該艙擁有前后兩個熱防護(hù)罩，其中前熱防護(hù)罩直徑為2.4 m，質(zhì)量為80 kg，由覆蓋90 片防熱瓦的碳夾層結(jié)構(gòu)組成，在進(jìn)入大氣層階段將承受1 850℃以上的高溫； 后熱防護(hù)罩質(zhì)量僅為20 kg，由固定在碳結(jié)構(gòu)上的12 種不同型號的93 片防熱瓦構(gòu)成，并包含一個下降階段展開的降落傘。探測器的科學(xué)儀器集成在前熱防護(hù)罩中，在發(fā)射準(zhǔn)備的最終組裝前完成后熱防護(hù)罩的裝配。公司曾成功研制“惠更斯”探測器所用的熱防護(hù)罩，目前正在研究下一代熱防護(hù)材料和系統(tǒng)，用于外星球或空間站的樣品返回。

    超高速飛行器需要承受進(jìn)入大氣層時(shí)超過2000℃的高溫，而超高溫陶瓷的熔點(diǎn)在3 000℃以上，是理想的候選材料。英國倫敦帝國理工學(xué)院先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷中心研究人員不但對超高溫陶瓷進(jìn)行了航天領(lǐng)域的適用性試驗(yàn)，還探索了不同添加劑對材料性能提高的可行性，發(fā)現(xiàn)HfC 可作為保護(hù)超高速飛行器的熱防護(hù)材料。

    隨著飛行器飛行速度的提高，對熱防護(hù)材料性能的需求也日益提高，熱防護(hù)材料需要在以下方向加強(qiáng)研究。

    （ 1） 可重復(fù)使用的耐高溫?zé)岱雷o(hù)材料熱防護(hù)材料除了耐高溫之外，還需要增加反復(fù)承受高速飛行時(shí)環(huán)境傷害的能力，進(jìn)而降低成本。

    （ 2） 超高溫?zé)岱雷o(hù)材料飛行器在高速飛行中，局部溫度非常高，此處使用的熱防護(hù)材料應(yīng)具有耐超高溫、高效隔熱等特點(diǎn)。

    3.4 微流星體軌道碎片防護(hù)材料

 

    流星體是指存在于太陽系內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的固體顆粒。而碎片是指宇宙空間中除正在工作的飛行器以外的人造物體。航天飛行器在這樣的環(huán)境中運(yùn)行，損傷難以忽視，如圖6 所示。因此，碎片問題不僅是設(shè)計(jì)和發(fā)射航天器時(shí)必須考慮的一個因素，也是維護(hù)空間環(huán)境安全的一個重要方面。

    美國NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制出可用于航天器微流星體軌道碎片防護(hù)的新型金屬合金如塊狀玻璃合金（ BMG，也稱非晶態(tài)合金） 及其復(fù)合材料。BMG 不但具有極高的強(qiáng)度和硬度、較低的密度，還易于成形。用柔性結(jié)晶相增強(qiáng)的BMG 基復(fù)合材料，不僅保留了BMG 的高硬度（ 比鋁合金硬6 倍） 、較低密度（ 是鋁合金密度的1 /2 倍） 、低熔化溫度（ 與鋁合金相同） 等性能，使得采用BMG 作為航天器的防護(hù)屏，可有效地氣化撞擊進(jìn)來的碎片，同時(shí)確保被撞擊的局部防護(hù)屏易熔化或氣化，從而阻止固體碎片撞擊到航天器外壁。利用速度達(dá)7 km/s 的鋁彈丸對新防護(hù)屏和國際空間站現(xiàn)役防護(hù)屏（ Kevlar 纖維制造） 進(jìn)行比較，測試結(jié)果表明，新防護(hù)屏比傳統(tǒng)防護(hù)屏能更有效減緩來自鋁彈丸的沖擊力。BMG 及其復(fù)合材料能支撐大型薄板和面板，且具有極好的力學(xué)性能，有望成為未來航天器微流星體軌道碎片防護(hù)的優(yōu)選材料。

 

    4 石墨烯材料

 

    石墨烯微觀結(jié)構(gòu)是碳原子組成的二維蜂窩網(wǎng)格（圖7），單層石墨烯材料只有一個碳原子直徑厚（ 0.335 nm） 兼具半導(dǎo)體和金屬屬性。主要特性有： 良好的電學(xué)性能，室溫下電子遷移率是硅的100 倍，比表面積可達(dá)2 630 m2 /g; 較好的力學(xué)性能，材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，抗拉強(qiáng)度125 GPa，是鋼的100 倍以上； 突出的熱學(xué)性能，熱導(dǎo)率達(dá)5.3 kW/（ m·K） ; 優(yōu)異的光學(xué)性能，單層石墨烯的可見光透光率達(dá)97.7%。石墨烯材料可應(yīng)用于軍用電子系統(tǒng)、能源、防護(hù)、后勤保障、隱身系統(tǒng)等領(lǐng)域，推動航天武器裝備發(fā)展實(shí)現(xiàn)重大創(chuàng)新。

 

    4.1 軍用電子系統(tǒng)用石墨烯

 

    石墨烯電路具有更高的工作頻率，可以替代現(xiàn)有的半導(dǎo)體電路。2012 年， IBM 公司研制出截止工作頻率300 GHz 的石墨烯場效應(yīng)晶體管，比同尺寸硅場效應(yīng)晶體管高7.5 倍，改進(jìn)后有望突破1 THz。

    波蘭DCD 公司2012 年開發(fā)出世界首款石墨烯處理器，電子在處理器中的運(yùn)動速度接近光速，功耗比同類硅產(chǎn)品降低90%。這兩項(xiàng)新突破將對高速集成電路、高性能計(jì)算機(jī)、軍用雷達(dá)等發(fā)展產(chǎn)生重要推動作用。

    2013 年，美國西北大學(xué)研發(fā)出高導(dǎo)電性石墨烯柔性電極，可用于生產(chǎn)大幅面、可折疊精密顯示設(shè)備。應(yīng)用該技術(shù)制造的軍用電子地圖等顯示設(shè)備將更加輕質(zhì)、便攜。2015 年，美國萊斯大學(xué)的研究人員采用一種“激光誘導(dǎo)石墨烯”（ LIG） 的方法誘導(dǎo)石墨烯生產(chǎn)，用于柔性電容器的生產(chǎn)。上述材料可望用于航天電子系統(tǒng)中。

    4.2 高功率武器裝備用石墨烯

 

    石墨烯巨大的比表面積使其成為高功率激光器的核心材料，也可用于制造容量大、充放電迅速的超級電容和電池，解決電磁導(dǎo)軌炮、定向能武器等儲能需求高、充放電速度快的技術(shù)難題。2013 年，美國萊斯大學(xué)制造高比容微型石墨烯鋰電池，比容達(dá)到204 mA·h /g，厚度僅0.01 μm，充放電時(shí)間20 s，試驗(yàn)表明充放電1 000 次后，電容量僅損耗10%。2014 年11 月，美國萊斯大學(xué)科學(xué)家發(fā)明了一種新型的石墨烯/納米管復(fù)合陰極，可使廉價(jià)柔性的染料敏化太陽能電池更實(shí)用化，光電轉(zhuǎn)換能力提高了20%。2015年6 月，韓國三星公司通過將高結(jié)晶石墨烯的合成新方法應(yīng)用到高容量硅陰極，發(fā)明了新型“高度結(jié)晶石墨烯編碼的”硅陰極材料，大幅提升了鋰離子電池的電容量。上述材料可望用于航天武器裝備的超級電容和電池中。

    4.3 軍用防護(hù)材料用石墨烯

 

    利用石墨烯超薄、超輕、超抗壓特點(diǎn)制出的新型材料，可用于替換防彈衣中的芳綸等材料，在減輕質(zhì)量的同時(shí)還能提高防護(hù)能力。實(shí)驗(yàn)證明，石墨烯承受子彈沖擊的性能勝過鋼鐵和防彈衣材料。澳大利亞2012 年研發(fā)的石墨烯殼體材料較普通鋼殼體減輕83%，而屈服強(qiáng)度提升12 倍。另外，石墨烯可用于制作超強(qiáng)耐腐涂層。美國布法羅大學(xué)同年研發(fā)出石墨烯涂料，鋼材涂覆該材料后可浸泡在濃鹽水中一個月不銹。上述材料可望用于航天武器裝備的防護(hù)材料中。

    4.4 戰(zhàn)場后勤保障用石墨烯

 

    石墨烯水凈化設(shè)備具有低耗、高效的特點(diǎn)。2012年，美國MIT 通過采用石墨烯凈化海水，實(shí)現(xiàn)了海水的快速凈化。2013 年，美國洛馬公司大力推進(jìn)石墨烯海水凈化系統(tǒng)研究，并計(jì)劃年底完成樣機(jī)測試。該系統(tǒng)的水凈化速度比當(dāng)前反滲透薄膜快數(shù)百倍。該技術(shù)一旦發(fā)展成熟并應(yīng)用于航母、潛艇等大型海上作戰(zhàn)平臺，將可大幅減少平臺淡水?dāng)y帶量，增加燃油及武器裝備裝載量，增強(qiáng)平臺海上持續(xù)作戰(zhàn)能力。

    4.5 軍事隱身系統(tǒng)用石墨烯

 

    石墨烯材料良好的微波吸收特性使其在航天裝備隱身方面也有巨大的潛力。2011 年，意大利薩皮恩扎大學(xué)通過試驗(yàn)證明石墨烯材料比傳統(tǒng)吸波材料吸波頻帶更寬、吸收能力更強(qiáng)。此外，近年國外重點(diǎn)關(guān)注石墨烯復(fù)合材料熱傳導(dǎo)特性方面的應(yīng)用，美國防先期研究計(jì)劃局2012 年已完成石墨烯高分子聚合物為集成電路處理器芯片散熱的試驗(yàn)，散熱性能（ 熱導(dǎo)率） 提升22 倍。

    5 超材料

 

    目前，公認(rèn)的超材料定義是： 對內(nèi)部結(jié)構(gòu)人工合理設(shè)計(jì)的，從而具有常規(guī)材料不具備的超常物理性能的材料。超材料是繼高分子材料、納米材料之后材料領(lǐng)域又一重大突破，將對世界科技發(fā)展產(chǎn)生重要影響，并有可能成為一種前途不可限量的新型材料。

    發(fā)達(dá)國家高度重視超材料的研究并給予長期支持。美國軍方確定超材料技術(shù)率先應(yīng)用于最先進(jìn)的軍事裝備。2012 年，美國國防部長辦公室將超材料列為六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域之一，美國軍方支持超過90 家企業(yè)進(jìn)入超材料研究應(yīng)用領(lǐng)域。日本政府也將超材料列入學(xué)術(shù)研究的重點(diǎn)，成立了各種超材料研究所，并表示在下一代戰(zhàn)斗機(jī)中將使用超材料技術(shù)。俄羅斯也將超材料技術(shù)列為下一代隱形戰(zhàn)斗機(jī)的核心關(guān)鍵技術(shù)。在航天領(lǐng)域上逐步應(yīng)用也是美國、日本、俄羅斯等國家開展超材料應(yīng)用研究的拓展方向。

    5.1 表面隱身用超材料

 

    目前，超材料在可見光隱身、紅外隱身和聲波隱身方面均取得重大進(jìn)展。在光隱身方面，2008 年美國加利福尼亞大學(xué)在美國國防部和能源部資助下，利用銀和鎂的氟化物以及納米銀線復(fù)合交替堆疊制造出一種“隱身斗篷”，可使自然界中的可見光和近紅外光發(fā)生逆轉(zhuǎn)。2012 年，俄羅斯和丹麥研究人員使用摻雜鋁的氧化鋅制備了在近紅外波段隱身的新型鋁： 氧化鋅/氧化鋁材料。在聲波隱身方面，2014年，美國杜克大學(xué)研制出世界首個三維“隱身斗篷”，可以讓聲波輕易的繞過，這必將對隱身飛行器的開發(fā)產(chǎn)生巨大的推動作用。

    5.2 雷達(dá)罩用超材料

 

     軍用飛機(jī)的天線罩除保護(hù)天線免受環(huán)境影響之外，還需要為天線提供隱身防護(hù)功能，免受敵方雷達(dá)的探測。傳統(tǒng)透波材料制成的天線罩在增加厚度以滿足耐壓性能的同時(shí)，往往會因?yàn)闊釗p耗和反射損耗等因素使天線的輻射方向圖變差，降低天線的性能。

    在雷達(dá)罩中引入超材料覆層，可以不改變雷達(dá)罩外形，促使電磁波只能在垂直方向附近的小角度內(nèi)傳播，其他方向的傳播被限制。2008 年，法國科學(xué)家設(shè)計(jì)了一種開口環(huán)共振器結(jié)構(gòu)的超材料雷達(dá)罩，操作頻率為2.17 MHz，增益提高了3.4 dB，方向性提高了2.9dB。2012 年，美國國防部通過中小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移項(xiàng)目資助納米聲學(xué)有限公司開展有關(guān)E－2 預(yù)警機(jī)大型雷達(dá)罩材料的研究，目的是利用超材料技術(shù)解決E－2原天線罩存在的結(jié)構(gòu)肋條導(dǎo)致天線圖產(chǎn)生偏差的問題，取得了較好的效果。

    5.3 平板天線用超材料

 

    采用超材料制作的平面天線替代傳統(tǒng)拋物面天線的反射面，一方面帶來的是形狀更流線化、尺寸小型化、設(shè)備減重； 另一方面可對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使電磁波可以多向、多個頻率的傳播。2011 年，美國洛馬公司開發(fā)了一種可用于衛(wèi)星等航天器的新型三維超材料天線，具有低能耗、質(zhì)量輕、寬帶大、能量利用率高和價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，對降低航天器的發(fā)射費(fèi)用和結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要作用。2012 年，印度國家技術(shù)研究所采用左手和右手結(jié)合的傳輸線型超材料設(shè)計(jì)了橢圓形零階諧振天線，目的是解決零階諧振天線工作頻帶帶寬比較窄的問題。2014 年4 月，BAE 系統(tǒng)公司和倫敦大學(xué)瑪麗女王學(xué)院聯(lián)合研制出一種可用于新型天線透鏡的新型復(fù)合材料，可使電磁波通過平面天線透鏡聚焦，并具有良好的帶寬性能。該突破解決了傳統(tǒng)材料工作波段窄的問題，可以用于制造嵌入蒙皮的天線，從而提高隱身能力，甚至使飛機(jī)、艦艇、無線電和衛(wèi)星等天線設(shè)計(jì)產(chǎn)生變革。

    5.4 超薄透鏡用超材料

 

    一直以來，顯微鏡、眼鏡和放大鏡的制造都被一條光學(xué)規(guī)律所限制，即任何小于光波長度的物質(zhì)都無法觀察到。而超材料制成的“理想透鏡”可以極大地提高分辨率，突破普通鏡片的極限。2012 年，美國密歇根大學(xué)完成了一種新型超材料超級透鏡研究，突破了普通光學(xué)透鏡的衍射極限，可用于觀察尺寸小于0. 1 μm 的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的范圍內(nèi)工作性能良好。2013 年，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院展示了由一種能使光回流的銀和二氧化鈦納米交替覆蓋制作成型的超材料平板透鏡。

    6 我國航天新型高性能材料的研究成果

 

    6.1 高性能輕質(zhì)金屬合金

 

    蘭州物理所模擬微重力環(huán)境下鋁鋰合金的制備，質(zhì)量得到減輕，強(qiáng)度得到提高，在航天上的應(yīng)用更加有優(yōu)勢。

    中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所與多家公司合作，在高性能鎂合金的研發(fā)和應(yīng)用方面取得巨大進(jìn)展，通過添加一定配比的釔和釓，解決了傳統(tǒng)鎂合金強(qiáng)度不高、耐熱性差、抗蠕變差的關(guān)鍵問題。該成果已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，為國內(nèi)外50 多個單位提供高性能鎂合金用于科研和產(chǎn)品研發(fā)，不僅顯著推進(jìn)高性能鎂合金基礎(chǔ)研究的發(fā)展，也為高性能鎂合金在航天、汽車和軌道交通的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

    在TiAl 合金板材研制方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在國內(nèi)率先研制出最大尺寸達(dá)700 mm×200 mm×（ 2 ～ 3）mm 的薄板材。北京科技大學(xué)系統(tǒng)研究了高Nb 合金的Nb 的作用機(jī)制，獲得了在900℃左右具有較高抗氧化性的TiAl 合金材料。中南大學(xué)采用粉末冶金等方法制備了TiAl 合金試樣，并研究了各種成分對合金性能的影響。北京鋼鐵研究總院系統(tǒng)研究了Ni元素的影響，獲得性能較理想的TiAl 合金成分，并鑄造出坦克發(fā)動機(jī)增壓渦輪，還開發(fā)了Ti3Al 和Ti2AlNb合金板材，在航天領(lǐng)域進(jìn)行了初步應(yīng)用研究。

    6.2 復(fù)合材料

 

    陳祥寶院士及其團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)多年的潛心研究，通過制備新型固化劑和控制其在環(huán)氧樹脂的溶解，解決了復(fù)合材料成本過高的問題，極大地促進(jìn)了高性能復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。目前低溫固化高性能復(fù)合材料已在航空、航天領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。

    對高端碳纖維復(fù)合材料構(gòu)件，我國早期主要靠引進(jìn)國外碳纖維預(yù)浸料進(jìn)行加工。由于加工工藝復(fù)雜，我國大多時(shí)候只能加工結(jié)構(gòu)簡單的復(fù)合材料組件。

    黑龍江科技大學(xué)研究出高性能碳纖維預(yù)浸料的生產(chǎn)配方和加工工藝，其性能已達(dá)世界一流水準(zhǔn)，也填補(bǔ)國內(nèi)高端碳纖維復(fù)合材料自主生產(chǎn)的空白。

    6.3 特種功能材料

 

    中國科學(xué)院金屬所高溫合金GH4169 盤件在主要成分不變的情況下，錠型直徑從406 mm 增大到610 mm，質(zhì)量也得到一定改善，性能提升顯著。

    中南大學(xué)研制一種高性能鎢銅電子封裝材料。該產(chǎn)品既有鎢的低膨脹特征，又有銅的高導(dǎo)熱性能。產(chǎn)品主要應(yīng)用于新型的高性能電子器件中，與Si 等電子材料相匹配，起到散熱和保護(hù)的作用。目前該材料已開始應(yīng)用于航天大功率脈沖微波管、激光二極管、集成電路模塊、電力電子器件等元器件中。

    中國科學(xué)院電工研究所成功研制出國際首根10m 量級的高性能122 型鐵基超導(dǎo)長線，被稱為“鐵基超導(dǎo)材料實(shí)用化進(jìn)程中的里程碑”。隨后，研究組對制備過程中涉及的相組分與微結(jié)構(gòu)控制、界面復(fù)合體均勻加工等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，成功研制出長度達(dá)11 m 的高性能122 型鐵基超導(dǎo)長線，其傳輸電流性能在10 T 的磁場下超過18 400 A/cm2。研究組開發(fā)出采用純銅作為包套材料的高性能122 型超導(dǎo)帶材，在相同橫截面積內(nèi)，超導(dǎo)帶材的截流能力是傳統(tǒng)銅導(dǎo)線的數(shù)百倍。

    光致形變材料是在特定波長光照下，材料本體發(fā)生形變的智能材料，可望在光動能轉(zhuǎn)換領(lǐng)域獲得應(yīng)用。中國科學(xué)院蘇州納米所在納米級有機(jī)染料分子晶體復(fù)合光機(jī)械響應(yīng)體系研究取得重要進(jìn)展，開創(chuàng)性地將N－α－萘基－2－羥基－1－萘醛亞胺分子的納米級棒狀分子晶體以梯度分布和選擇性取向的方式原位組裝在聚偏二氟乙烯基質(zhì)內(nèi)，獲得了一種新型光致形變薄膜材料。

    這種薄膜在弱光照下就會出現(xiàn)形變，脫離光照又可以恢復(fù)，這也為光致變形材料的發(fā)展提供幫助。我國近年自主研發(fā)了填充式Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)。研究表明： 在填充的纖維層總面密度為0.135 g /cm2 的情況下，Whipple 防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能明顯優(yōu)于等面密度的三層鋁合金板防護(hù)屏［圖8（a）和（b）］，絲毫不弱于國外相應(yīng)防護(hù)屏的防護(hù)能力［圖8（c）］。

 

    6.4 石墨烯材料

 

    北京航空材料研究院的一組年輕科研人員在國際石墨烯研究領(lǐng)域首創(chuàng)“烯合金”材料，這一具有里程碑意義的重大自主創(chuàng)新，不但發(fā)明了一類具有優(yōu)異性能的新型高端合金材料，也使我國成為石墨烯這一材料科學(xué)前沿基礎(chǔ)和應(yīng)用研究的領(lǐng)跑者。

    中國科學(xué)院電工研究所馬衍偉課題組采用金屬鎂熱還原二氧化碳，成功制備出多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯電極材料。此次研制的石墨烯基超級電容器，在電解液中表現(xiàn)出優(yōu)異的特性，在功率密度為1 W/g（ 比功率） 時(shí)，能量密度高達(dá)80 Wh /kg （ 比能量） ，大大超出目前商業(yè)化的活性碳基超級電容器。

    泰州巨納新能源有限公司研制出世界首臺商用石墨烯飛秒光纖激光器Fiphene，性能指標(biāo)均高于其他同類產(chǎn)品，具備極強(qiáng)競爭力，未來將重點(diǎn)在航空航天等領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。

    6.5 超材料

 

    相比于國外相對分散的發(fā)展模式，我國在超材料領(lǐng)域的發(fā)展模式更加集中和有力。已分別在863 計(jì)劃、973 計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、新材料重大專項(xiàng)等項(xiàng)目中對超材料研究予以立項(xiàng)支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術(shù)、介質(zhì)基超材料以及聲波負(fù)折射等基礎(chǔ)研究方面，我國企業(yè)取得了多項(xiàng)原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競爭中占到先機(jī)。曾在美國留學(xué)并在《科學(xué)》雜志發(fā)表關(guān)于新型超材料寬頻帶隱身衣論文的劉若鵬無疑是其中代表。

    劉若鵬及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)辦的公司已經(jīng)申請超過3 000件專利，在航空航天產(chǎn)業(yè)化等方面也位于世界前茅。借助他們設(shè)計(jì)的電磁超材料天線，人們就可以在移動網(wǎng)絡(luò)鞭長莫及的偏遠(yuǎn)地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。

    美國類似產(chǎn)品的商業(yè)銷售計(jì)劃今年才開始，深圳光啟公司早在3年前便在我國多個省份進(jìn)行了試用。而這僅是中美之間近年來在超材料核心領(lǐng)域展開的激烈競爭之一。此外，為了打破歐美對超材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的壟斷，全國電磁超材料技術(shù)及制品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會審查和報(bào)批了國家標(biāo)準(zhǔn)《電磁超材料術(shù)語》。這意味著我國在全球率先制定出超材料領(lǐng)域的國家標(biāo)準(zhǔn)，將對我國在超材料技術(shù)的研究和標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化起到重要作用。后續(xù)重點(diǎn)是將超材料在航天等領(lǐng)域進(jìn)行推廣應(yīng)用。

    7 航天新型高性能材料的發(fā)展趨勢

 

    7.1 高性能輕質(zhì)金屬合金

 

    隨著材料技術(shù)的發(fā)展，各類航天金屬材料向著更高韌性、更好的高溫性能、更好的工藝性能等方向發(fā)展。采用的研發(fā)思路包括如下兩種： 一是對現(xiàn)有材料在保持現(xiàn)有性能的同時(shí)，用創(chuàng)新的概念（ 工藝、成分、微結(jié)構(gòu)） 去克服現(xiàn)有材料的缺陷或應(yīng)用上的限制，重視傳統(tǒng)材料的持續(xù)改進(jìn)，“一材多用”成為未來的發(fā)展趨勢； 二是隨著納米技術(shù)和智能制造技術(shù)的進(jìn)步，可以開發(fā)更多的新型高性能材料。

    7.2 復(fù)合材料

 

    未來航天復(fù)合材料技術(shù)將朝著高性能化、多功能化、低成本化方向發(fā)展，以其推動武器裝備的更新?lián)Q代，滿足當(dāng)前和未來新型航天武器裝備的發(fā)展需求。其中，樹脂基復(fù)合材料在第二代先進(jìn)復(fù)合材料成熟應(yīng)用的基礎(chǔ)上，開始進(jìn)入擴(kuò)大應(yīng)用與改進(jìn)提高并行推進(jìn)的發(fā)展階段，尤其纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂基復(fù)合材料在生產(chǎn)技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展，將為其在導(dǎo)彈彈體和發(fā)動機(jī)殼體等大型構(gòu)件上的應(yīng)用開辟廣闊的空間，未來有望達(dá)到或超過熱固性樹脂基復(fù)合材料的性能水平，改善導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部抗沖擊、抗氣動加熱、抗疲勞等性能； 耐高溫陶瓷基復(fù)合材料將在導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)、燃燒室、喉襯和噴管等部件上擴(kuò)大應(yīng)用范圍，未來將主要解決其脆性大、抗熱沖擊能力較差、密度較大等問題。

    7.3 特種功能材料

 

    為滿足未來新一代航天器超高速度、機(jī)動飛行、重復(fù)使用等高性能指標(biāo)要求，需要對現(xiàn)有功能材料進(jìn)行改進(jìn)。納米隔熱材料、功能梯度材料都是未來隔熱材料發(fā)展的熱點(diǎn)。熱防護(hù)材料將向以下四個方向發(fā)展： （1） 降低密度、減輕質(zhì)量； （2） 更高溫度、更大應(yīng)用范圍； （3） 不斷改進(jìn)工藝、提高性能和降低成本； （4）由短時(shí)高溫超高溫向長時(shí)高溫有氧等方向發(fā)展。開發(fā)滿足新型航天器性能要求且對環(huán)境適應(yīng)性好的星體/碎片防護(hù)材料同樣是熱點(diǎn)。

    7.4 石墨烯材料

 

    目前，石墨烯材料在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的制備已可實(shí)現(xiàn)，但因?yàn)槌杀景嘿F，大多數(shù)研究還處于實(shí)驗(yàn)室理論研究階段，還有大量研究工作需要做。因此，石墨烯材料技術(shù)領(lǐng)域總體發(fā)展趨勢是： 繼續(xù)尋找最佳石墨烯制作方法和改進(jìn)已有的制作工藝； 進(jìn)一步制作出尺寸更大、質(zhì)量更高的石墨烯材料； 并不斷降低石墨烯的制作成本。另外，石墨烯材料還將是超越和取代硅基CMOS 的新一代半導(dǎo)體材料。石墨烯薄膜形態(tài)與當(dāng)前的硅平面工藝兼容且能夠大規(guī)模集成，在微納米電子方面將可能代替硅基CMOS，有望在芯片和集成電路領(lǐng)域引發(fā)一場革命。據(jù)專家預(yù)測，未來5 到10 年，石墨烯將成為“后硅時(shí)代”的新潛力材料，并將引導(dǎo)價(jià)值數(shù)萬億美元的新興產(chǎn)品。

    7.5 超材料

 

    超材料技術(shù)目前還處于實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)品的中試階段，距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化還有一定距離，有許多的難題有待解決，這也是未來超材料研究的方向。

    （ 1） 超材料頻段和方向的控制。從工作頻段來說，超材料的頻段目前還只能達(dá)到紅外。為了更好地實(shí)現(xiàn)隱身功能，波段起碼應(yīng)該覆蓋完整的可見光范圍； 同時(shí)也需要克服其各向異性的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)對光的控制。

    （ 2） 超材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前實(shí)驗(yàn)室僅掌握了二維平面上超材料的制造工藝，而三維空間中的立體超材料還未實(shí)現(xiàn)； 表面工藝也僅局限在極小的區(qū)域上，距大規(guī)模的應(yīng)用還有很長的路要走。

    （ 3） 新型超材料及其功能的設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化及相關(guān)模擬仿真方法。

    （ 4） 不同超材料之間相互作用的研究。對其規(guī)律性的研究不斷提出新的理論和方法，從而推動與此相關(guān)的新理論概念、分析方法和實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)的發(fā)展。

 

 

 

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責(zé)任編輯：王元

 

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