国外国防科技年度重大进展之十 2020年先进材料领域十大进展
先进材料领域十大进展
一、超宽禁带氧化镓晶体管击穿电压创造新记录
2020年8月，美国布法罗大学利用聚合物钝化方法，以铁（Fe）掺杂的氧化镓（Ga2O3）晶体为衬底，以掺杂了硅的氧化镓外延层作为沟道层，研制出一种新型超宽禁带氧化镓晶体管，可以承受超过8000伏特的电压，是目前报道的同类设备中最高的。这是自2012年首个氧化镓晶体管问世以来，超宽禁带半导体氧化镓应用研究取得的巨大成就。
二、世界首个室温超导体面世
2020年10月，《自然》杂志刊登了一项物理学研究成果，美国罗切斯特大学的科学家团队在约260万个标准大气压强条件下，在碳硫化氢材料中首次观察到了室温（约15℃）超导性。科学家制作的这种碳硫化氢材料将此前的超导温度提升了大约35℃，尽管这种材料因仍需要超高压而不具备任何直接的实际应用，但这一成果为开发较低压力下工作的零电阻材料铺平了道路，对超导现象的进一步探索以及实现能够应用的室温超导体具有重要的指导意义。
三、超级钢技术开发取得重大突破
2020年5月，美国伯克利国家实验室与香港大学合作的超级钢联合项目取得重大突破。这种超级钢同时提高了金属的三种性能，抗变形屈服强度达到2吉帕，断裂韧性达到102兆帕·米½，均匀延展率为19%，实现了以前任何钢材都无法达到的高强度-高韧性组合性能。同时，这种超级钢生产工艺简单，成本仅为当前航空航天领域使用的马氏体时效钢的20%，可通过常规的轧制和退火工艺生产，不需要复杂的工艺路线和专用设备，有利于实现工业化生产，可广泛用于航空航天高强度支架、军用车辆结构件、高性能防弹背心等领域。
四、美陆军开发出具有超高抗冲击性能的纳米晶铜钽合金
2020年6月，美陆军开发出一种具有超高抗冲击性能的铜-3钽合金。这种材料具有极稳定的纳米晶结构，可承受高达15吉帕的冲击载荷，层裂强度比微米晶材料高3倍，稳态蠕变速率小于10-6/秒，并具有出色的导热、导电与抗核辐射能力，在航空发动机、装甲防护、深空探测航天器、交通运输工具和基础设施等领域具有广泛应用前景。该合金的纳米晶结构稳定技术以及大规模生产工艺，还可拓展用于铁基材料或镍基材料，有望突破当前纳米晶金属的力学性能和功能极限，为耐高温的超高强度纳米材料技术开发开辟广阔空间。
五、俄罗斯开发出航空发动机叶片用超强合金
2020年7月，俄罗斯联合发动机制造集团采用一种特殊的变形加工工艺生产航空发动机用钛合金叶片，得到的钛合金新叶片强度提高了20%，预计寿命将增加2～3倍。新方法采用在超高压（最大6吉帕）下变形的方法得到超细晶粒，并避免叶片延展性的下降。新叶片可以承受巨大的振动压力、轴向和循环压力，显著提高飞机动力装置的可靠性和耐久性，未来将安装在PD-14发动机上，并计划在俄罗斯新型MS-21客机上使用。
六、新型聚合物复合材料可为载人太空探索提供辐射防护
2020年5月，美国北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种嵌入三氧化二铋（Bi2O3）粒子的聚合物复合材料，该复合材料以44%三氧化二铋为基体，采用紫外固化法，与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）复合而成，能有效防护伽马射线等电离辐射，并具有高强度、轻质、无毒、低成本等优点，可以替代铅等常规辐射防护材料，用于人类太空探索、医学成像和辐射治疗等的辐射防护。
七、块状金属玻璃合金制造的齿轮箱可在太空极端环境下工作
2020年4月，NASA披露正在开展“块状金属玻璃齿轮”（BMGG）项目，以研发一种块状金属玻璃合金，用于制造可在太空极端环境下工作的特殊齿轮箱。BMGG金属玻璃合金独特的成分和非晶态原子结构使其比陶瓷更坚韧，强度是钢的2倍，并具有比二者更好的弹性。采用该合金开发的齿轮箱能够在不需要加热和润滑剂的情况下，在-173℃的行星表面温度下工作，应用于火星巡视器，可以使巡视器的夜间操作成为可能，且节省电力。NASA目前正在与工业界密切合作，制定材料规格，以使块状金属玻璃合金的供应链变得更加成熟。
八、美国批准用于高温反应堆的新型合金材料
美国机械工程师协会已批准将“617合金”列入《锅炉和压力容器规范》，这意味着由美国爱达荷国家实验室开发的这种合金可用于拟议的熔盐堆、高温反应堆、气冷堆或钠反应堆。这是美国30年来首个添加到规范中的新材料。该材料由镍、铬、钴和钼混合组成，由爱达荷国家实验室耗用12年的时间开发而成。据称，之前获准的高温材料不能在750℃以上使用，而“617合金”可以在高达950℃的条件下使用。“617合金”提供了更大的工作范围，可以满足更高温度的反应堆设计。
九、新型二维半导体晶体管效率提升10倍
2020年5月，瑞士洛桑联邦理工学院利用二维半导体材料二硒化钨（WSe2）和二硒化锡（SnSe2），构成WSe2/ SnSe2异质结，制备出2D / 2D隧穿晶体管。该晶体管可在非常低的电压供电情况下，实现比由相同2D半导体材料制成的标准晶体管更高的性能，效率比传统晶体管高约10倍。
十、俄罗斯开发出熔点在4000℃以上的高温陶瓷材料
2020年5月，俄罗斯国立科技大学的研究人员开发出一种熔点在4000℃以上的超高温陶瓷材料，该材料为碳酸铪的一种，化学式为HfC0.5N0.35，具有21.3吉帕的硬度。该材料有望用于飞机耐高温部件，如机头整流罩、喷气发动机和高超声速飞机的机翼前缘。