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2018年度國(guó)外軍工材料技術(shù)重大發(fā)展動(dòng)向

2019-01-10 13:24:44 作者：中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心黃培生，劉代軍，胡燕萍，陳濟(jì)桁等來(lái)源：系統(tǒng)工程研究所分享至：

軍工材料是武器裝備的物質(zhì)基礎(chǔ)，其技術(shù)發(fā)展既受裝備的需求牽引，又遵循自身科學(xué)發(fā)展規(guī)律。2018年國(guó)外軍工材料技術(shù)繼續(xù)保持日新月異的發(fā)展勢(shì)頭，充分展現(xiàn)了復(fù)合化、微納化、可設(shè)計(jì)化的發(fā)展趨勢(shì)，不斷向高性能、高可靠性、長(zhǎng)壽命、低成本的發(fā)展目標(biāo)邁進(jìn)。2018年12月28日，中國(guó)航空工業(yè)發(fā)展研究中心在北京召開(kāi)了2018年度國(guó)外軍工材料重大進(jìn)展評(píng)選會(huì)。與會(huì)專家成立了評(píng)選小組，本著重大性、顛覆性、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86條發(fā)展動(dòng)向中遴選出了以下十條重大動(dòng)向，供決策機(jī)構(gòu)和相關(guān)材料科研院所參考。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金粉末渦輪盤邁入第四代

2018年4月，全俄輕金屬研究院展出了未來(lái)航空和艦船燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)用高溫合金渦輪盤和軸的毛坯。毛坯采用批產(chǎn)的粉末高溫合金EP741NP和新的“VVP”系列制造。當(dāng)前，全俄輕金屬研究院正在根據(jù)聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)制造集團(tuán)的采購(gòu)進(jìn)行科研工作。工作集中重點(diǎn)包括：（1）粉末高溫合金VV751P 820°С下的持久強(qiáng)度水平評(píng)估研究，繪制毛坯盤概率曲線，反映毛坯盤材料的故障分布，用于聯(lián)合發(fā)動(dòng)機(jī)制造集團(tuán)的未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)PD-14發(fā)動(dòng)機(jī)零件（包括盤）的毛坯制造。（2）研制新高溫合金牌號(hào)VV752P，進(jìn)行材料試驗(yàn)和2019年新合金盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能評(píng)估，用于克里莫夫公司未來(lái)直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。（3）采用粒度級(jí)別在50-100微米、50-140微米和50-200微米的粉末高溫合金EP741NP制備毛坯盤，并用這些樣品進(jìn)行專門的試驗(yàn)，延長(zhǎng)RD-33系列發(fā)動(dòng)機(jī)一級(jí)高壓渦輪盤的使用壽命。（4）研制一系列新的高強(qiáng)和工作溫度達(dá)到800°С的熱強(qiáng)粉末鎳基合金，采用最新的鎳基粉末高溫合金VVP系列（如VV753P）制造雙金屬可變毛坯盤，并進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 鎳基高溫合金粉末渦輪盤

二、計(jì)算材料技術(shù)加快復(fù)雜成分金屬材料的發(fā)現(xiàn)速度

金屬玻璃由兩到三種金屬混合而成，比常規(guī)合金具有更好的耐腐蝕和耐磨性，但其組分復(fù)雜，確定其具體的成分組合成為了制約這一新材料發(fā)展的瓶頸。2018年4月，由美國(guó)西北大學(xué)、能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究小組報(bào)告了利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法在更短的時(shí)間和更少的成本下發(fā)現(xiàn)和改進(jìn)金屬玻璃的新途徑。研究人員首先從以往50年的材料數(shù)據(jù)中篩選了近6000個(gè)金屬玻璃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，然后將其作為樣本集用于訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)算法模型，之后研究人員使用了兩種不同的方法制作了兩套樣品合金來(lái)測(cè)試制造方法對(duì)合金變成金屬玻璃的影響，然后研究人員用SSRL（斯坦福同步輻射光源）的X射線束掃描兩組合金并將結(jié)果輸入數(shù)據(jù)庫(kù)以產(chǎn)生新的機(jī)器學(xué)習(xí)結(jié)果并將其準(zhǔn)備用于最后一輪的掃描和計(jì)算樣本。在最后一輪的實(shí)驗(yàn)中，研究人員將從樣品中發(fā)現(xiàn)金屬玻璃的成功率從1/300或1/400提升到了1/2或1/3。研究人員表示，在過(guò)去的半個(gè)世紀(jì)里科學(xué)家們僅僅研究了大約6000種組成金屬玻璃的成分，而借助機(jī)器學(xué)習(xí)算法，可以在一年內(nèi)制作和篩選20000個(gè)。在進(jìn)一步的研究工作中，研究人員將努力使這一過(guò)程更加快速，并最終實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。2018年5月，美國(guó)能源部的艾姆斯實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種高通量計(jì)算分析方法，可以幫助預(yù)測(cè)尚未制成的高性能高熵合金的成分和性能。高熵合金由四種或四種以上的元素組成，具有優(yōu)異性能，是極端使用環(huán)境下最有潛力的下一代結(jié)構(gòu)材料。但高熵合金的成分組合數(shù)量龐大，科研人員們很難知道究竟可以從哪里找到新型高熵合金。且高熵合金非常難以制造，需要使用昂貴的材料和特殊加工技術(shù)。利用高通量計(jì)算方法，科研人員使用了一種獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)方法，預(yù)測(cè)任意組合高熵合金的性質(zhì)，同時(shí)評(píng)估其在簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)中形成固溶體的能力，原子的排序、化學(xué)穩(wěn)定性以及在不同溫度下的機(jī)械性能。利用這種方法，科研人員可以縮小多組分材料系統(tǒng)的設(shè)計(jì)空間，并圍繞最有前景的材料區(qū)域進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)行調(diào)整。

圖2 機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)金屬玻璃成分與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度符合

三、新型非熱壓罐固化工藝開(kāi)啟高效低成本樹(shù)脂基復(fù)合材料時(shí)代

碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）通常采用熱壓罐固化工藝制造。但是，由于熱空氣導(dǎo)熱效率低且模具比熱容大，導(dǎo)致加熱和固化時(shí)間很長(zhǎng)；用于大型、厚度變化大的復(fù)雜外形零件時(shí)，零件內(nèi)部的問(wèn)題分布很難控制，產(chǎn)生不均勻的殘余應(yīng)力并且有時(shí)使零件變形，存在尺寸精度問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，2018年4月本東麗公司宣布成功開(kāi)發(fā)CFRP新型非熱壓罐固化工藝技術(shù)，在模具表面上嵌入了多個(gè)加熱器板。每個(gè)加熱器獨(dú)立控制，真空狀態(tài)下的零件被直接接觸的加熱器有效加熱?？刂泼總€(gè)控制器，實(shí)現(xiàn)在各個(gè)位置的最佳熱量分布，提供了均勻的殘余應(yīng)力。目前，東麗已經(jīng)安裝了一個(gè)原型制造設(shè)備并正在執(zhí)行驗(yàn)證試驗(yàn)，有望將熱壓罐固化工藝的9小時(shí)減少到4小時(shí)，50%的能耗降低，因?yàn)椴辉傩枰獕毫图訜崦浇椋ㄈ鐭峥諝猓?。新技術(shù)還有望降低裝配時(shí)間。2018年5月，美國(guó)伊利諾大學(xué)通過(guò)將烙鐵與樹(shù)脂表面角接觸，啟動(dòng)樹(shù)脂內(nèi)部的級(jí)聯(lián)化學(xué)反應(yīng)波固化樹(shù)脂，無(wú)需外部能源，得到的最終復(fù)合材料部件質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。與常規(guī)熱壓罐固化工藝相比，這種工藝可降低10個(gè)數(shù)量級(jí)的能耗，并減少2個(gè)數(shù)量級(jí)的工時(shí)。

圖3 東麗開(kāi)發(fā)的新固化技術(shù)示意圖

四、高超聲速飛行器用高溫材料邁向3000攝氏度

2018年1月，歐洲導(dǎo)彈系統(tǒng)公司（MBDA）披露了適用于英國(guó)/法國(guó)未來(lái)超音速和高超聲速武器的高溫材料持續(xù)研究項(xiàng)目細(xì)節(jié)。MBDA公司的開(kāi)發(fā)方向之一是耐溫高達(dá)3000℃的纖維增強(qiáng)型高溫陶瓷復(fù)合材料，當(dāng)前重點(diǎn)是使用HfB2粉浸漬的碳纖維預(yù)成型坯料，隨后用化學(xué)氣相浸滲工藝來(lái)生產(chǎn)高溫陶瓷復(fù)合材料。MBDA公司表示，在樣品厚度為12.5毫米的樣品上進(jìn)行的氧乙炔焊接實(shí)驗(yàn)表明，該材料具有優(yōu)異的熱保護(hù)性能。此外，另一個(gè)項(xiàng)目研究小組正對(duì)射頻透明陶瓷或射頻透明陶瓷復(fù)合材料在500～1000℃溫度范圍的不同選擇進(jìn)行探索，應(yīng)用可能包括數(shù)據(jù)鏈路天線罩，雷達(dá)高度計(jì)窗口和導(dǎo)引天線罩。2018年12月，為了應(yīng)對(duì)高超聲速飛行器前緣部位熱問(wèn)題，DARPA宣布了其高超聲速飛行器材料系統(tǒng)和表征（MACH）項(xiàng)目。MACH計(jì)劃將包括兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域：第一個(gè)領(lǐng)域旨在開(kāi)發(fā)并加快完全集成的被動(dòng)熱管理系統(tǒng)的成熟，通過(guò)可擴(kuò)展的近凈制造和先進(jìn)的熱設(shè)計(jì)來(lái)冷卻前緣；第二個(gè)技術(shù)領(lǐng)域?qū)Ｗ⒂谙乱淮叱曀俨牧涎芯?，?yīng)用現(xiàn)代高保真計(jì)算能力，為未來(lái)高超聲速飛行器的前緣冷卻應(yīng)用開(kāi)發(fā)新的被動(dòng)和主動(dòng)熱管理概念、涂層和材料。MACH計(jì)劃尋求熱工程和設(shè)計(jì)、先進(jìn)計(jì)算材料開(kāi)發(fā)、材料體系設(shè)計(jì)、制備和測(cè)試（包括高溫金屬、陶瓷及其復(fù)合材料的近凈制造）、高超聲速前緣設(shè)計(jì)和性能以及先進(jìn)的熱防護(hù)系統(tǒng)方面的專業(yè)知識(shí)。

圖4 高超聲速飛行器前緣部位面臨惡劣的極端熱環(huán)境

五、黑硅超材料可實(shí)現(xiàn)近乎完美的紅外隱身

人體或車輛引擎等有溫度的物體，會(huì)以紅外線的形式發(fā)熱。紅外熱影像儀通過(guò)熱感原理有效顯示熱源，即使在夜間或大霧環(huán)境中，也能幫助無(wú)人機(jī)準(zhǔn)確尋找到目標(biāo)。2018年6月，美國(guó)威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校開(kāi)發(fā)了一種超薄紅外隱身薄片。這種薄片采用黑硅材料制成，以硅作為襯底，通過(guò)利用微小的銀制顆粒刻蝕進(jìn)入超薄固體硅表面，從而形成茂盛且更細(xì)長(zhǎng)的納米線。納米線和銀顆粒都有助于吸收紅外光。襯底上還散布著微小的空氣通道，可以防止隱形薄板在吸收紅外線時(shí)過(guò)快產(chǎn)生熱量。在厚度小于1毫米時(shí)，這種薄片可吸收約94％的紅外光。這種隱身薄片可在中波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)紅外波段范圍內(nèi)使被遮擋的物體或人在紅外探測(cè)器中更容易地實(shí)現(xiàn)隱身，幾乎無(wú)法被察覺(jué)到。新型隱身薄片相比其他的熱屏蔽技術(shù)有著顯著的改進(jìn)。

圖5 黑硅超材料可使人和車完美多米紅外探測(cè)器

六、核反應(yīng)堆燃料元件包殼和包層材料取得突破

鋯合金是核反應(yīng)堆燃料元件包殼的主要材料，但在700℃以上和水蒸氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生熱量和氫氣，不利于核電站在發(fā)生事故情況下的安全性。2018年1月，俄羅斯莫斯科工程物理研究院核研究大學(xué)研發(fā)了用同位素改性鉬作為鋯合金替代品，用于制造核燃料元件包殼的技術(shù)。俄羅斯利用離心同位素分離技術(shù)制造同位素改性的鉬合金，其熱中子俘獲截面與鋯相似甚至更小，具有大幅提高核電站安全性的潛力。在聚變堆包層材料方面，釩合金具有廣闊應(yīng)用前景。釩合金由92%的釩、4%的鉻和4%的鈦組成，與常用的耐熱鋼相比，它具備聚變堆包層所需的各種特性，但釩合金管件在加工過(guò)程中容易斷裂，并且在管道焊接之后也容易出現(xiàn)斷裂。導(dǎo)致這一問(wèn)題的原因主要是空氣和原料中夾雜了碳、氮、氧等雜質(zhì)。2018年12月，日本國(guó)家聚變科學(xué)研究所的科研人員在真空或惰性氣體中生成一種高純度釩合金NIFS-HEAT-2，顯著改善了合金的延展性，從而克服了釩合金在加工時(shí)和焊接后斷裂的問(wèn)題。

圖6 核反應(yīng)堆燃料元件包殼金屬材料

七、液態(tài)電池可為飛機(jī)提供安全、清潔和安靜的推進(jìn)動(dòng)力

較常規(guī)鋰電池，液態(tài)電池具有能量存儲(chǔ)功能非爆炸性、充電速度快的特點(diǎn)，但由于泵送液體的能量?jī)?chǔ)存材料溶解量受到限制，導(dǎo)致液態(tài)電池能量密度較低。2018年8月，在NASA資助下，美國(guó)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及其創(chuàng)業(yè)公司Influit Energy將納米顆粒懸浮在水基液體電解質(zhì)中，通過(guò)表面處理使納米粒子濃度達(dá)到80％，制成了活性材料比例達(dá)65％的納米電燃料（NEF）電池，較活性材料只有35％的固體鋰離子電池，能量密度提高到1.5倍以上。該技術(shù)使液體能夠在一個(gè)裝置中充電，并在另一個(gè)裝置中放電，從而將能量和功率分離。充電后的液體可以采用跟航空燃油相似的方式進(jìn)行儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)液體快速重新加注，而不是在飛行間隔中采用較為緩慢的電池充電方式。目前，NEF液態(tài)電池原理樣件的功率水平為每平方厘米若干毫安級(jí)。如果獲得資助，該研究成果將在2020財(cái)年提供第一代NEF技術(shù)，電流密度達(dá)到100mA/cm?，系統(tǒng)級(jí)比能量達(dá)到125 Wh/kg或350Wh/L，性能優(yōu)于鋰離子電池。由于NEF沒(méi)有火災(zāi)危險(xiǎn)，并且可以快速加油，因此適用于航空于冷卻電池和電機(jī)，且對(duì)飛機(jī)油箱無(wú)尺寸和形狀要求，為飛機(jī)提供安全、清潔和安靜的推進(jìn)動(dòng)力。

圖7 活性納米顆粒從油箱輸送、流經(jīng)離子交換膜實(shí)現(xiàn)發(fā)電

八、新型二維超薄超晶格材料革新傳統(tǒng)光電超晶格構(gòu)造概念

傳統(tǒng)超晶格通常只能由具有高度相似晶格對(duì)稱性的材料制成，材料之間具有相似的電子結(jié)構(gòu)。2018年3月，美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）的研究人員開(kāi)發(fā)了一種由超薄二維薄片交替層組成，厚度僅有一個(gè)或幾個(gè)原子厚的新型人造“超晶格”。研究人員使用“電化學(xué)插層”的方法創(chuàng)建單層原子晶體分子超晶格，在創(chuàng)建過(guò)程中施加負(fù)電壓，將負(fù)電荷電子注入到二維材料中，隨后將正電荷的銨分子吸引到原子層之間，銨分子會(huì)自動(dòng)組裝成有序晶體結(jié)構(gòu)中的新層，從而形成超晶格。與目前用于創(chuàng)建二維超晶格的常規(guī)分層組裝或生長(zhǎng)方法相比，這種新方法很容易產(chǎn)生具有數(shù)十、數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)交替層的超晶格，生產(chǎn)過(guò)程速度更快，效率更高。這對(duì)于制造耗能更少、更快速的晶體管或高效發(fā)光器件具有重要意義。

圖8 新超晶格其交替層被不同分子形狀、尺寸的二維原子晶片隔開(kāi)

九、原子級(jí)二維鎵大幅提高半導(dǎo)體器件效率

鎵金屬熔點(diǎn)低，與石墨烯和許多其他2D結(jié)構(gòu)相反，不能使用氣相沉積方法來(lái)生長(zhǎng)。此外，鎵層之間的化學(xué)鍵很強(qiáng)也具有快速氧化的傾向，無(wú)法使用膠帶機(jī)械剝離出單層鎵合金。2018年3月，美國(guó)萊斯大學(xué)和印度班加羅爾科學(xué)研究所用熱替代力，制備出原子級(jí)別二維鎵。研究人員通過(guò)將鎵加熱到29.7℃，然后將鎵滴到玻璃上，當(dāng)液滴冷卻下來(lái)的時(shí)候，再用一塊扁平的二氧化硅壓在上面，提取幾層鎵單原子層，成功地將鎵單原子層剝離到其他基底上，包括氮化鎵、砷化鎵、硅酮和鎳。二維鎵與硅等半導(dǎo)體具有親和力，可在二維電子設(shè)備中產(chǎn)生高效的金屬接觸，特殊的鎵單原子層基底組合具有不同的電子特性，并且這些特性可以被應(yīng)用與不同的半導(dǎo)體器件。這種制備二維鎵的方法同樣也適用于其他低熔點(diǎn)的金屬和化合物。

圖9 單層鎵結(jié)構(gòu)示意圖

十、新型高強(qiáng)高模MX系列碳纖維較MJ系列強(qiáng)度提升30%

碳纖維的高拉伸強(qiáng)度與高拉伸模量不可兼得，是當(dāng)前碳纖維研制難點(diǎn)。2018年11月，日本東麗公司通過(guò)嚴(yán)格控制納米級(jí)石墨晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步將碳纖維強(qiáng)度和拉伸模量并行提高到最大限度，開(kāi)發(fā)出新型的TORAYCA® MX系列碳纖維，同時(shí)具有高拉伸強(qiáng)度和拉伸模量，這種碳纖維將開(kāi)辟其新的產(chǎn)品系列。在新推出的TORAYCA® MX系列中，首個(gè)碳纖維M40X的抗拉強(qiáng)度較M40J提高了約30％，同時(shí)保持與其相當(dāng)?shù)睦炷Ａ?。東麗公司還將推出含有TORAYCA® MX系列碳纖維的預(yù)浸料，鑒于預(yù)浸料可以保持理想的剛度設(shè)計(jì)，同時(shí)保持強(qiáng)度，這種新碳纖維系列將有助于減輕航空航天復(fù)合材料部件的重量。