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國防先進材料發展綜述

2017-02-20 17:00:42 作者：本網整理來源：材料十分享至：

    材料是人類用以制造有用物品的物質，是人類賴以生存和發展的物質基礎。人類歷史已經證明，新材料是社會進步的里程碑。國防先進材料技術是指新出現和正在發展的具有優異性能和合理的費效比，能滿足武器裝備需要的新型材料技術。它涉及材料的組成、結構、制備及其性能及使用行為間相互關系的知識開發及應用的科學工程技術。

    國防材料技術對國防科學技術、國防力量的增強和國民經濟的發展具有重大推動作用。在現代社會中，新材料已經成為各工程領域的共性關鍵技術之一，是高技術的重要組成部分，也是最重要和發展最快的科學技術之一。國防材料技術是發展武器裝備的物質基礎和技術先導，它的應用可以提高武器裝備的性能，也往往拓展出武器裝備新的功能和降低其全壽命期費用。跨世紀武器裝備技術發展的主旋律是作戰平臺、動力系統的技術水平以及綜合生存能力、有效毀傷能力、電子信息化能力的全面提升。

    （1）武器裝備作戰平臺要求輕質、高強、高韌材料

    武器裝備作戰平臺作戰能力要求在不增重前提下進一步增大航程、提高巡航能力，在實現相同任務的條件下降低起飛重量、降低采購和保障費、延長壽命等。實現這些能力將采取的主要措施包括：降低結構重量比、降低生產成本等。未來航天平臺技術進一步要求小型化、提高有效載荷、降低發射成本和具有更遠的射程。未來地面車輛與艦船平臺要求進一步提高登陸和沿海作戰能力、戰略機動能力、保持技術優勢，提高可靠性等。實現這些能力在很大程度上將取決于輕質化、低成本、高性能先進材料技術的發展。

    （2）動力系統對耐高溫材料提出嚴峻挑戰

    軍用航空發動機、主戰坦克發動機和戰略戰術導彈固體火箭發動機等的主要發展趨勢是通過進一步提高發動機功率、推重比，提高可靠性，降低成本。這在很大程度上取決于輕質、高強、耐熱、隔熱、阻尼等先進材料技術提出嚴峻挑戰。

    （3）高生存力和突防能力、有效毀傷能力以及電子/信息化能力對功能材料提出了更高要求

    在未來戰爭中，提高生存能力和突防能力是軍事對抗中的重要內容。各類裝備的隱身技術被置于非常關鍵的地位。另一方面，隨著未來戰場上精確打擊彈藥技術的快速發展，防護已成為世界性的難題。對先進隱身材料、戰斗部材料以及裝甲防護材料提出了更高要求。在世界軍事大國近年來掀起的新軍事技術革命熱潮中，信息戰是新的熱點，以戰場信息的利用和反利用為核心的信息優勢將成為未來戰爭最重要的威懾力量。各類電子信息材料是確保武器裝備發揮威力的重要支撐。

    鑒于高性能武器裝備的發展得益于先進材料技術的突破，發達國家不斷強化材料技術對先進武器裝備的物質基礎作用和技術先導作用，近年來其地位進一步提升。例如，美國國防部制定的面向21世紀的國防科技戰略規劃體系中，把材料技術定為4個具有最高優先領域之一，并指出材料技術也是其他具有優先權領域的關鍵技術。又如，美國空軍首席科學家辦公室于2013年7月發布的《全球地平線》報告，根據對未來機會、威脅和已識別的發展趨勢的評估，為應對未來各種不對稱威脅，美國空軍將在未來15年重點加強5個賦能技術領域的投入，即材料科學、生物技術、自主機器人系統和平臺、知識發現和決策工具以及社會預測和效果干預。其中，材料科學位列第一。

    近年來，本領域發展很快，其原因是武器裝備對于先進材料的依賴程度越來越大，在促進創新及技術轉化方面的研究工作最為活躍。發達國家主要通過三個層面的努力促進國防材料的發展：首先是加強頂層設計，制定科學合理的發展規劃；其次是促進軍用材料的體系化建設，全方位部署國防材料的均衡發展；第三是加快產業布局，全面提升高技術材料產業化水平。2014年在這三個方面均取得了顯著的進步，其發展特點如下：

    一、加強頂層設計，積極制定發展計劃

    為了加快新材料的發展，以美國為首的航空發達國家，制定了多個涉及材料技術的發展計劃。20世紀末高新技術的飛速發展，為新型武器系統的研制和現有武器裝備的升級提供更高性能的低成本的材料技術帶來了新的機遇。這些技術主要有信息技術、納米技術、生物技術以及自組裝材料技術等。新材料的發展涉及多學科交叉，在材料的創新中，越來越注重綜合利用現代科學技術的最新成就。受其影響，近年，這些規劃的關注點主要集中在計算材料技術及納米技術上。此外，傳統材料的改進以及新材料的產業化也是重要內容。2014年上述發展重點得到了充分體現。

    計算材料技術研究高潮迭起，美國出臺材料基因組計劃發展戰略規劃。美國奧巴馬政府自2011年6月出臺材料基因組計劃之后，2014年12月4日，在總結三年來計劃取得成果的基礎上，出臺了材料基因組計劃戰略規劃。首次公布了材料基因組計劃的九大重點研究領域及63個重點研究方向。指出樹脂基復合材料、關聯材料、電子和光子材料、儲能材料以及輕質結構材料等5類材料對于國家安全的影響巨大，值得特別關注。在這5個領域中，共列出了37個重點研究方向。從而表明，材料基因組計劃發展重點已經細化，從過去的方法路徑介紹發展到面向材料應用實施階段。

    高度重視納米材料技術研究，歐盟發布石墨烯科技路線圖。2014年2月，歐盟未來新興技術（FET）石墨烯旗艦計劃發布了首份招標公告和科技路線圖，介紹了擬資助的研究課題和支持課題，以及根據領域劃分的工作任務，每項課題都涉及多項工作任務。根據路線圖，石墨烯旗艦計劃將分兩階段進行：初始階段（2013年10月1日至2016年3月31日，共資助5400萬歐元）和穩定階段（2016年4月開始，預計每年資助5000萬歐元）。該路線圖重點發展方向主要包括：化學傳感器、生物傳感器與生物界面；石墨烯材料與半導體器件的集成、面向射頻應用的無源組件、硅光子學的集成、高頻電子學、光電子學、傳感器和柔性電子學。

    俄羅斯再度崛起，公布“《2030年前材料與技術發展戰略》計劃細節”。俄軍事工業委員會科技委在2012年4月中旬審議通過了“俄羅斯先進材料和工藝技術發展戰略2030”的基礎上，于2014年發布了計劃的細節。將從2014年起獲得單獨撥款，未來5年期間的總撥款量大約500億盧布（約17.3億美元）。該戰略提出了18個主要的發展方向，包括智能材料、金屬間化合物、納米材料及涂層、單晶高溫合金、含鈮復合材料等，其中所研制的材料中大約80%將服務于現代化的發動機。研發重點主要有以下5個方面：單晶耐高溫合金發動機葉片、自組織納米復合材料涂層、高梯度定向結晶技術、真空熔煉技術、發動機材料與國際標準接軌。

    為促進快速增長，發達國家出臺新材料產業化計劃。2014年，發達國家出臺了一系列新材料產業化計劃，為建成門類齊全、專業配套、具有相當規模和技術基礎的高科技產業體系做出不遺余力的努力。其中，影響較大的有ESA參與“歐洲冶金計劃”和日本東麗發布碳纖維發展中期管理計劃等。首先，2014年，ESA聯合了一些知名研究機構和超過180家歐洲公司，開展名為“歐洲冶金”計劃的研究，旨在發展21世紀新型金屬及其制造技術。該計劃總經費10億歐元，已于 2014年9月9日正式啟動，將圍繞13個主題開展研究；其次，2014年2月，東麗公司宣布了新制定、歷時三年的中期管理計劃“計劃AP-G2016”，作為正在進行的“AP-G 2013計劃”的繼續，旨在通過“創新和激進的管理”實現業務快速增長。最后，日本獨立行政法人“物質？材料研究機構”2014年啟動了“實現低碳社會、開發耐熱、耐環境材料”項目。

    二、促進軍用材料體系化建設，全方位實現國防材料技術創新

    發達國家由于工業基礎雄厚、技術先進和成熟的市場經濟機制，因此軍用材料技術基本上按系列發展，形成了“貨架產品”。如美、英、法、俄等國家都有本國武器裝備按“貨架產品”選材的原則和與之相適應的材料系列。特別是美國，其航空武器裝備發展的先進性，促使其裝備研制按照“貨架產品”進行選材，不遺余力地促進軍用主干材料的發展，“一材多用”、“馬太效應”趨勢日趨明顯。

    歸納起來，國外軍用材料體系發展具有幾個特點：技術先進、具有本國特色；按體系發展，滿足裝備選材需求；技術標準完備，規范材料研制與應用；數據豐富，為選材提供依據。

    作為體系化建設的組成部分，2014年，在先進復合材料、高性能結構材料、特種功能材料、電子信息功能材料、含能材料及核級材料六大方向均取得了長足進步。

    先進復合材料在武器裝備上進一步擴大應用。近20年來，樹脂基復合材料在軍民用裝備上獲得大規模應用。2014年，日本東麗公司的T1100G碳纖維的出現，波音公司完成5.5米復合材料低溫貯箱的制造并在NASA成功進行測試、塊狀玻璃合金及其復合材料可用于航天器的微流星體軌道碎片防護屏、NASA驗證“獵戶座”飛船的熱防護罩性能等昭示著先進復合材料研發工作十分活躍。

    傳統材料持續挖潛再創輝煌。重視傳統材料的持續改進成為近年來的一大趨勢。金屬材料仍不斷煥發青春。美國利用一體化計算材料工程開發出四種高性能鋼，再次表明傳統金屬材料的發展非但沒有走到盡頭，反而發展勢頭更猛。

    功能材料全方位出現新突破。未來服役條件要求特種功能材料承受超常的自然和人為環境。2014年，瑞典開發的新發動機陶瓷納米顆粒熱障涂層使用壽命提高了2倍、美國開發出自適應柔性復合材料機翼、超輕復合材料高性能裝甲、自修復防腐涂層、俄羅斯“阿瑪塔”主戰坦克將采用減重15%的新型結構裝甲鋼等均昭示著特種功能材料開發的巨大潛力。

    電子信息功能材料進展多集中于超材料。該類材料對武器裝備的通訊、探測、信息處理起基礎支撐作用。2014年電子信息功能材料在超材料平面天線材料、超材料潛艇聲隱身材料、超黑可見光隱身材料等均是該領域的重要突破。

    含能材料創新彰顯未來技術走向。美國線性多腔合金基高能量密度結構含能材料問世、美國最優晶型納米奧克托今制備成功彰顯未來技術走向。2014年，法德圣路易研究院采用噴霧閃蒸工藝技術成功制備出50~500納米的不敏感β型奧克托今（β-HMX），標志著奧克托今納米化技術取得重大突破，在納米含能材料技術發展過程中也具有里程碑意義。

    核級材料制備技術取得突破。軍用核材料是核武器的核心裝料，包括高濃鈾、軍用钚、氚和鋰。為了維護核武庫以及將來可能的需要，現在的主要任務是如何安全貯存這些核材料，尤其是钚，與此同時保持并發展核材料的生產技術和工藝。2014年，日本研制成功碳化硅核燃料包殼的工業化生產技術、美國提出高效能低排放創新型钚238制備技術、美國有9項用于高濃鈾加工設施的新技術正在研發中是該領域的重大進展。