軍工材料是武器裝備的物質基礎，其技術發展既受裝備的需求牽引，又遵循自身科學發展規律。2018年國外軍工材料技術繼續保持日新月異的發展勢頭，充分展現了複合化、微納化、可設計化的發展趨勢，不斷向高性能、高可靠性、長壽命、低成本的發展目標邁進。2018年12月28日，中國航空工業發展研究中心在北京召開了2018年度國外軍工材料重大進展評選會。與會專家成立了評選小組，本著重大性、顛覆性、引領性、基礎性四大原則，從高性能金屬材料、先進複合材料、特種功能材料、電子信息功能材料、關鍵原材料等五大領域86條發展動向中遴選出了以下十條重大動向，供決策機構和相關材料科研院所參考。
一、航空發動機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航空和艦船燃氣渦輪發動機用高溫合金渦輪盤和軸的毛坯。毛坯採用批產的粉末高溫合金EP741NP和新的“VVP”系列製造。當前，全俄輕金屬研究院正在根據聯合發動機製造集團的採購進行科研工作。工作集中重點包括：（1）粉末高溫合金VV751P 820°С下的持久強度水平評估研究，繪製毛坯盤概率曲線，反映毛坯盤材料的故障分佈，用於聯合發動機製造集團的未來發動機PD-14發動機零件（包括盤）的毛坯製造。（2）研製新高溫合金牌號VV752P，進行材料試驗和2019年新合金盤的結構強度性能評估，用於克里莫夫公司未來直升機發動機。（3）採用粒度級別在50-100微米、50-140微米和50-200微米的粉末高溫合金EP741NP製備毛坯盤，並用這些樣品進行專門的試驗，延長RD-33系列發動機一級高壓渦輪盤的使用壽命。(4)研製一系列新的高強和工作溫度達到800°С的熱強粉末鎳基合金，採用最新的鎳基粉末高溫合金VVP系列（如VV753P）製造雙金屬可變毛坯盤，並進行驗證。
圖1 鎳基高溫合金粉末渦輪盤
二、計算材料技術加快複雜成分金屬材料的發現速度
金屬玻璃由兩到三種金屬混合而成，比常規合金具有更好的耐腐蝕和耐磨性，但其組分複雜，確定其具體的成分組合成為了制約這一新材料發展的瓶頸。2018年4月，由美國西北大學、能源部SLAC國家加速器實驗室和國家標準技術研究所(NIST)的科學家領導的研究小組報告了利用機器學習算法在更短的時間和更少的成本下發現和改進金屬玻璃的新途徑。研究人員首先從以往50年的材料數據中篩選了近6000個金屬玻璃的實驗結果，然後將其作為樣本集用於訓練機器學習算法模型，之後研究人員使用了兩種不同的方法制作了兩套樣品合金來測試製造方法對合金變成金屬玻璃的影響，然後研究人員用SSRL(斯坦福同步輻射光源)的X射線束掃描兩組合金並將結果輸入數據庫以產生新的機器學習結果並將其準備用於最後一輪的掃描和計算樣本。在最後一輪的實驗中，研究人員將從樣品中發現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，在過去的半個世紀里科學家們僅僅研究了大約6000種組成金屬玻璃的成分，而藉助機器學習算法，可以在一年內製作和篩選20000個。在進一步的研究工作中，研究人員將努力使這一過程更加快速，並最終實現完全自動化。2018年5月，美國能源部的艾姆斯實驗室開發了一種高通量計算分析方法，可以幫助預測尚未製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，具有優異性能，是極端使用環境下最有潛力的下一代結構材料。但高熵合金的成分組合數量龐大，科研人員們很難知道究竟可以從哪裡找到新型高熵合金。且高熵合金非常難以製造，需要使用昂貴的材料和特殊加工技術。利用高通量計算方法，科研人員使用了一種獨特的電子結構方法，預測任意組合高熵合金的性質，同時評估其在簡單結構中形成固溶體的能力，原子的排序、化學穩定性以及在不同溫度下的機械性能。利用這種方法，科研人員可以縮小多組分材料系統的設計空間，並圍繞最有前景的材料區域進行研究和開發進行調整。
圖2 機器學習預測金屬玻璃成分與實驗結果高度符合
三、新型非熱壓罐固化工藝開啟高效低成本樹脂基複合材料時代
碳纖維增強樹脂基複合材料（CFRP）通常採用熱壓罐固化工藝製造。但是，由於熱空氣導熱效率低且模具比熱容大，導致加熱和固化時間很長；用於大型、厚度變化大的複雜外形零件時，零件內部的問題分佈很難控制，產生不均勻的殘餘應力並且有時使零件變形，存在尺寸精度問題。針對上述問題，2018年4月本東麗公司宣佈成功開發CFRP新型非熱壓罐固化工藝技術，在模具表面上嵌入了多個加熱器板。每個加熱器獨立控制，真空狀態下的零件被直接接觸的加熱器有效加熱。控制每個控制器，實現在各個位置的最佳熱量分佈，提供了均勻的殘餘應力。目前，東麗已經安裝了一個原型製造設備並正在執行驗證試驗，有望將熱壓罐固化工藝的9小時減少到4小時，50%的能耗降低，因為不再需要壓力和加熱媒介（如熱空氣）。新技術還有望降低裝配時間。2018年5月，美國伊利諾大學通過將烙鐵與樹脂表面角接觸，啟動樹脂內部的級聯化學反應波固化樹脂，無需外部能源，得到的最終複合材料部件質量符合標準。與常規熱壓罐固化工藝相比，這種工藝可降低10個數量級的能耗，並減少2個數量級的工時。
圖3 東麗開發的新固化技術示意圖
四、高超聲速飛行器用高溫材料邁向3000攝氏度
2018年1月，歐洲導彈系統公司（MBDA）披露了適用於英國/法國未來超音速和高超聲速武器的高溫材料持續研究項目細節。MBDA公司的開發方向之一是耐溫高達3000℃的纖維增強型高溫陶瓷複合材料，當前重點是使用HfB2粉浸漬的碳纖維預成型坯料，隨後用化學氣相浸滲工藝來生產高溫陶瓷複合材料。MBDA公司表示，在樣品厚度為12.5毫米的樣品上進行的氧乙炔焊接實驗表明，該材料具有優異的熱保護性能。此外，另一個項目研究小組正對射頻透明陶瓷或射頻透明陶瓷複合材料在500～1000℃溫度範圍的不同選擇進行探索，應用可能包括數據鏈路天線罩，雷達高度計窗口和導引天線罩。2018年12月，為了應對高超聲速飛行器前緣部位熱問題，DARPA宣佈了其高超聲速飛行器材料系統和表徵（MACH）項目。MACH計劃將包括兩個技術領域：第一個領域旨在開發並加快完全集成的被動熱管理系統的成熟，通過可擴展的近淨製造和先進的熱設計來冷卻前緣；第二個技術領域將專注於下一代高超聲速材料研究，應用現代高保真計算能力，為未來高超聲速飛行器的前緣冷卻應用開發新的被動和主動熱管理概念、塗層和材料。MACH計劃尋求熱工程和設計、先進計算材料開發、材料體系設計、製備和測試（包括高溫金屬、陶瓷及其複合材料的近淨製造）、高超聲速前緣設計和性能以及先進的熱防護系統方面的專業知識。
圖4 高超聲速飛行器前緣部位面臨惡劣的極端熱環境
五、黑硅超材料可實現近乎完美的紅外隱身
人體或車輛引擎等有溫度的物體，會以紅外線的形式發熱。紅外熱影像儀通過熱感原理有效顯示熱源，即使在夜間或大霧環境中，也能幫助無人機準確尋找到目標。2018年6月，美國威斯康辛大學麥迪遜分校開發了一種超薄紅外隱身薄片。這種薄片採用黑硅材料製成，以硅作為襯底，通過利用微小的銀製顆粒刻蝕進入超薄固體硅表面，從而形成茂盛且更細長的納米線。納米線和銀顆粒都有助於吸收紅外光。襯底上還散佈著微小的空氣通道，可以防止隱形薄板在吸收紅外線時過快產生熱量。在厚度小於1毫米時，這種薄片可吸收約94％的紅外光。這種隱身薄片可在中波長到長波長紅外波段範圍內使被遮擋的物體或人在紅外探測器中更容易地實現隱身，幾乎無法被察覺到。新型隱身薄片相比其他的熱屏蔽技術有著顯著的改進。
圖5 黑硅超材料可使人和車完美多米紅外探測器
六、核反應堆燃料元件包殼和包層材料取得突破
鋯合金是核反應堆燃料元件包殼的主要材料，但在700℃以上和水蒸氣發生反應產生熱量和氫氣，不利於核電站在發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研發了用同位素改性鉬作為鋯合金替代品，用於製造核燃料元件包殼的技術。俄羅斯利用離心同位素分離技術製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程中容易斷裂，並且在管道焊接之後也容易出現斷裂。導致這一問題的原因主要是空氣和原料中夾雜了碳、氮、氧等雜質。2018年12月，日本國家聚變科學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和焊接後斷裂的問題。
圖6 核反應堆燃料元件包殼金屬材料
七、液態電池可為飛機提供安全、清潔和安靜的推進動力
較常規鋰電池，液態電池具有能量存儲功能非爆炸性、充電速度快的特點，但由於泵送液體的能量儲存材料溶解量受到限制，導致液態電池能量密度較低。2018年8月，在NASA資助下，美國阿貢國家實驗室及其創業公司Influit Energy將納米顆粒懸浮在水基液體電解質中，通過表面處理使納米粒子濃度達到80％，製成了活性材料比例達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。該技術使液體能夠在一個裝置中充電，並在另一個裝置中放電，從而將能量和功率分離。充電後的液體可以採用跟航空燃油相似的方式進行儲存，實現液體快速重新加註，而不是在飛行間隔中採用較為緩慢的電池充電方式。目前，NEF液態電池原理樣件的功率水平為每平方釐米若干毫安級。如果獲得資助，該研究成果將在2020財年提供第一代NEF技術，電流密度達到100mA/cm²，系統級比能量達到125 Wh/kg或350Wh/L，性能優於鋰離子電池。由於NEF沒有火災危險，並且可以快速加油，因此適用於航空於冷卻電池和電機，且對飛機油箱無尺寸和形狀要求，為飛機提供安全、清潔和安靜的推進動力。
圖7 活性納米顆粒從油箱輸送、流經離子交換膜實現發電
八、新型二維超薄超晶格材料革新傳統光電超晶格構造概念
傳統超晶格通常只能由具有高度相似晶格對稱性的材料製成，材料之間具有相似的電子結構。2018年3月，美國加州大學洛杉磯分校（UCLA）的研究人員開發了一種由超薄二維薄片交替層組成，厚度僅有一個或幾個原子厚的新型人造“超晶格”。研究人員使用“電化學插層”的方法創建單層原子晶體分子超晶格，在創建過程中施加負電壓，將負電荷電子注入到二維材料中，隨後將正電荷的銨分子吸引到原子層之間，銨分子會自動組裝成有序晶體結構中的新層，從而形成超晶格。與目前用於創建二維超晶格的常規分層組裝或生長方法相比，這種新方法很容易產生具有數十、數百甚至數千個交替層的超晶格，生產過程速度更快，效率更高。這對於製造耗能更少、更快速的晶體管或高效發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
九、原子級二維鎵大幅提高半導體器件效率
鎵金屬熔點低，與石墨烯和許多其他2D結構相反，不能使用氣相沉積方法來生長。此外，鎵層之間的化學鍵很強也具有快速氧化的傾向，無法使用膠帶機械剝離出單層鎵合金。2018年3月，美國萊斯大學和印度班加羅爾科學研究所用熱替代力，製備出原子級別二維鎵。研究人員通過將鎵加熱到29.7℃，然後將鎵滴到玻璃上，當液滴冷卻下來的時候，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。二維鎵與硅等半導體具有親和力，可在二維電子設備中產生高效的金屬接觸，特殊的鎵單原子層基底組合具有不同的電子特性，並且這些特性可以被應用與不同的半導體器件。這種製備二維鎵的方法同樣也適用於其他低熔點的金屬和化合物。
圖9 單層鎵結構示意圖
十、新型高強高模MX系列碳纖維較MJ系列強度提升30%
碳纖維的高拉伸強度與高拉伸模量不可兼得，是當前碳纖維研製難點。2018年11月，日本東麗公司通過嚴格控制納米級石墨晶體結構，進一步將碳纖維強度和拉伸模量並行提高到最大限度，開發出新型的TORAYCA® MX系列碳纖維，同時具有高拉伸強度和拉伸模量，這種碳纖維將開闢其新的產品系列。在新推出的TORAYCA®MX系列中，首個碳纖維M40X的抗拉強度較M40J提高了約30％，同時保持與其相當的拉伸模量。東麗公司還將推出含有TORAYCA®MX系列碳纖維的預浸料，鑑於預浸料可以保持理想的剛度設計，同時保持強度，這種新碳纖維系列將有助於減輕航空航天覆合材料部件的重量。
圖10 東麗新型高模碳纖維MX系列較MJ系列強度大幅提高
作者：中國航空工業發展研究中心 黃培生，劉代軍，胡燕萍，陳濟桁等
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