目前，國外軍用航空材料技術繼續保持迅速發展勢頭，面向新一代航空武器裝備的新材料發展態勢逐漸明朗，主要體現在：

    ——復合材料正向小型零件、發動機轉子及導電結構等領域應用延伸；

    ——傳統金屬深入挖掘潛力，重點提升不銹鋼的耐腐蝕性、通過復合化開發超輕量級金屬；

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

    ——氮化鎵、超材料、石墨烯等材料在電子信息功能領域大放異彩。

    一、復合材料應用進一步擴大

    2015年，高性能復合材料技術的重大進展體現以下三個方面。

    一是，樹脂基復合材料小型零件低成本制造研究啟動。質量9千克以下的軍用零部件，采用復合材料制造存在成本過高和周期長等問題，目前仍由傳統鋁合金材料制造。針對這一問題，2015年9月DARPA啟動“可設計給料和成形”項目，旨在開發柔性成形解決方案，用統一的模塊、通過不同的組合生產多種零件，以縮短復合材料小型零件的加工周期，將軍用系統的零件修改、重新設計、制造及定型的周轉時間減少50%（從現在6年減少到3年），并有望將復合材料小型零件成本降至與金屬的相當。

    DARPA針對小型復合材料零件應用啟動“可設計給料和成形”（TFF）

    二是，陶瓷基復合材料發動機轉子件開始運轉試驗，新型高溫樹脂基復合材料開發成功。陶瓷基復合材料（CMC）制成的渦輪葉片僅為傳統鎳基合金重量的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渦扇發動機驗證機上，成功完成世界上首個CMC低壓渦輪葉片運轉試驗，經過500個工作循環，證實了CMC材料制造的渦輪葉片具有極強的耐高溫和耐久性能，可用于第六代戰斗機發動機和下一代商用發動機。此外，美空軍研究實驗室開發出了取代鈦合金的新型高溫樹脂基復合材料，目標是應用第六代戰斗機發動機及現役F135和F110航空發動機；如用于替換B-2轟炸機和F-22戰斗機上的鈦合金部件，可減重達40%，并提高抗疲勞強度，延長服役壽命。目前該實驗室已完成高溫聚酰亞胺基復合材料的開發，下一步重點是開展應用研究。

    美空軍實驗室開發新型高溫樹脂基復合材料取代鈦合金

    三是，納米復合材料實現導電等多功能。2015年8月，歐盟歷時4年、投資5100萬歐元，完成了“智能飛機結構”項目，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。通過試驗機翼驗證表明，采用碳納米管增強復合材料，能有效提高復合材料的損傷容限和電導率，解決結構中布置電纜的問題，節省成本和重量，并改善復合材料結構電氣接地特性。目前碳納米管復合材料仍處在實驗室研制階段，正為工業化生產做準備。

    碳納米管使復合材料具備導電等多功能

    二、高性能金屬結構材料持續發展

    2015年，金屬材料繼續與復合材料迅猛發展的勢頭競爭，主要體現在以下三個方面。

    一是，新型耐蝕不銹鋼取代現有鋼和鈦合金起落架已進入小批試用。空客公司正與多個合作伙伴開發新的耐蝕不銹鋼“CRES”，擬用于未來飛機的起落架，其固有的金屬耐腐蝕性能消除了傳統鋼和鈦合金所需的鎘和鉻酸鹽耐腐蝕涂層，強度與現有鋼材相當，成本僅為鈦合金一半，且具有進一步降低成本的潛力。目前有9架A320飛機的主起落架組件已采用CRES鍛件制成。空客公司計劃開展CRES起落架服役評估，如評估效果理想將開始工業化生產。

    二是，鈦鋁金屬間化合物用于發動機低壓渦輪葉片已獲得適航認證。2015年3月德國MTU航空發動機公司宣布，已開發出新型輕質鈦鋁金屬間化合物（TiAl），可用于高溫高應力發動機組件；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月獲得適航認證。TiAl渦輪葉片的重量約為鎳合金組件的一半，力學性能與其相當；熔點、蠕變強度、抗氧化和耐腐蝕性高于鈦合金。MTU公司正開發增強型TiAl合金，擬進一步提高渦輪葉片性能。

    德國MTU航空發動機公司宣布開發出新型輕質金屬間鈦鋁化合物

    三是，首個可浮水面的超輕金屬基復合材料問世。2015年5月，美研究團隊開發出首個輕量級鎂基復合材料，其密度輕于水，僅0.92克/立方厘米，且擁有足夠強度，能承受超過172兆帕的壓強，可用于制造飛機次承力結構組件。目前該項技術已接近成熟，有望在三年內進行原型測試。

    美國紐約大學開發的超強金屬泡沫

    三、特種功能材料不斷更新

    特種功能材料對于軍事武器裝備發展至關重要。2015年，航空特種功能材料的進展有以下三個方面。

    一是，飛機、發動機多種涂層技術獲得突破。昆蟲殘留導致飛機機翼凹凸不平，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構啟發，長期研究不同化學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驗證機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，美國空軍與小企業合作開發了一種創新的Proteckt高溫耐磨涂層。驗證結果表明，Proteckt高溫涂層在實驗室環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，預計將為每架F-35戰斗機節省大約1400萬美元的全壽命周期費用。

    二是，新型防火密封材料已試驗。防火密封材料是航空領域具有挑戰性的基礎技術，平均一個發動機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煤油防火標準，科德寶密封技術公司在2015年試驗了一種新的硅有機樹脂防火材料，能替代現用防火密封材料，且重量更輕、原材料成本和模塑工藝更簡單、生產成本更低。

    科德寶密封技術公司在試驗一種新的硅有機樹脂防火材料

    三是，尖晶石材料有望用于防彈窗和軍用光學系統。尖晶石比玻璃韌性和硬度更高，所以更耐風沙和雨水侵蝕，在更惡劣的環境為觀察窗后的操作人員提供更好的保護。美海軍研究實驗室的改進的尖晶石可被制成多種形狀，如飛機防彈窗、無人機機翼等，還可熱壓加工形成寶石，經過研磨和拋光，增強光學性能，優化軍事成像系統。對于對重量敏感的平臺如無人機，以及頭盔式面罩，這將是一項顛覆性的技術。

    四、電子信息功能材料日新月異

    2015年，電子信息功能材料的突出進展主要有以下三個方面。

    一是，基于氮化鎵材料的數字陣列行收發器為下一代雷達奠定基礎。基于氮化鎵（GaN）技術，洛馬公司在2015年推出數字陣列行收發器（DART），它可使洛馬公司現有的雷達產品達到更高性能，且由于效率提高，全壽命周期成本降低。研究結果表明，雷達系統無論是新研還是升級改造，現在采用氮化鎵都是一個低風險解決方案。

    氮化鎵材料為下一代軍用雷達奠定基礎

    二是，超材料打開集成光子電路的大門。哈佛大學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”，應用于集成光子電路時，光學損耗比普通超材料低兩個數量級。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。這項工作打開集成光子電路的大門，在成像、傳感和量子信息領域有廣泛應用前景。

    超材料技術實現對光波傳輸方向的控制

    三是，石墨烯成就高精度光學探測器。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，開發出一種新型高精確度光學探測器，可以迅速反射所有不同波長的入射光。首次實現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測。該探測器的優點除了精度達到秒，所有的測量可在室溫下進行，避免了其他探測器所需的昂貴、費時的氮氣或氦氣冷卻過程。科學家們已開始用此探測器進行激光系統的精確同步。

    石墨烯成就高精度光學探測器

    五、結束語

    材料技術是航空武器裝備發展的基礎。“一代材料，一代軍機”，材料技術的不斷進步，為軍機的更新換代提供重要支撐。2015年是航空材料技術快速發展的一年，在各個不同技術領域均取得大量成果，體現出以新一代航空裝備研制及現役裝備升級改造需求為牽引、綜合考慮經濟性和環保性、充分重視新材料的應用研究三個特點。展望2016年，航空材料技術將在以下幾個方面繼續取得突出進展：復合材料技術不斷改進，在發動機和機體小部件上的應用比例繼續擴大，向多功能化、輕量化方向發展；傳統金屬材料與復合材料競爭將加劇，金屬材料成分設計和制備工藝的創新有望掀起金屬回歸的熱潮；仿生技術、納米技術為特種功能材料的發展提供支撐；超材料、石墨烯等新材料將主導電子信息領域。

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責任編輯：王元

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