黄培生等 ¦ 2018年度国外军工材料技术重大发展动向
军工材料是武器装备的物质基础，其技术发展既受装备的需求牵引，又遵循自身科学发展规律。2018年国外军工材料技术继续保持日新月异的发展势头，充分展现了复合化、微纳化、可设计化的发展趋势，不断向高性能、高可靠性、长寿命、低成本的发展目标迈进。2018年12月28日，中国航空工业发展研究中心在北京召开了2018年度国外军工材料重大进展评选会。与会专家成立了评选小组，本着重大性、颠覆性、引领性、基础性四大原则，从高性能金属材料、先进复合材料、特种功能材料、电子信息功能材料、关键原材料等五大领域86条发展动向中遴选出了以下十条重大动向，供决策机构和相关材料科研院所参考。
一、航空发动机高温合金粉末涡轮盘迈入第四代
2018年4月，全俄轻金属研究院展出了未来航空和舰船燃气涡轮发动机用高温合金涡轮盘和轴的毛坯。毛坯采用批产的粉末高温合金EP741NP和新的“VVP”系列制造。当前，全俄轻金属研究院正在根据联合发动机制造集团的采购进行科研工作。工作集中重点包括：（1）粉末高温合金VV751P 820°С下的持久强度水平评估研究，绘制毛坯盘概率曲线，反映毛坯盘材料的故障分布，用于联合发动机制造集团的未来发动机PD-14发动机零件（包括盘）的毛坯制造。（2）研制新高温合金牌号VV752P，进行材料试验和2019年新合金盘的结构强度性能评估，用于克里莫夫公司未来直升机发动机。（3）采用粒度级别在50-100微米、50-140微米和50-200微米的粉末高温合金EP741NP制备毛坯盘，并用这些样品进行专门的试验，延长RD-33系列发动机一级高压涡轮盘的使用寿命。(4)研制一系列新的高强和工作温度达到800°С的热强粉末镍基合金，采用最新的镍基粉末高温合金VVP系列（如VV753P）制造双金属可变毛坯盘，并进行验证。
图1 镍基高温合金粉末涡轮盘
二、计算材料技术加快复杂成分金属材料的发现速度
金属玻璃由两到三种金属混合而成，比常规合金具有更好的耐腐蚀和耐磨性，但其组分复杂，确定其具体的成分组合成为了制约这一新材料发展的瓶颈。2018年4月，由美国西北大学、能源部SLAC国家加速器实验室和国家标准技术研究所(NIST)的科学家领导的研究小组报告了利用机器学习算法在更短的时间和更少的成本下发现和改进金属玻璃的新途径。研究人员首先从以往50年的材料数据中筛选了近6000个金属玻璃的实验结果，然后将其作为样本集用于训练机器学习算法模型，之后研究人员使用了两种不同的方法制作了两套样品合金来测试制造方法对合金变成金属玻璃的影响，然后研究人员用SSRL(斯坦福同步辐射光源)的X射线束扫描两组合金并将结果输入数据库以产生新的机器学习结果并将其准备用于最后一轮的扫描和计算样本。在最后一轮的实验中，研究人员将从样品中发现金属玻璃的成功率从1/300或1/400提升到了1/2或1/3。研究人员表示，在过去的半个世纪里科学家们仅仅研究了大约6000种组成金属玻璃的成分，而借助机器学习算法，可以在一年内制作和筛选20000个。在进一步的研究工作中，研究人员将努力使这一过程更加快速，并最终实现完全自动化。2018年5月，美国能源部的艾姆斯实验室开发了一种高通量计算分析方法，可以帮助预测尚未制成的高性能高熵合金的成分和性能。高熵合金由四种或四种以上的元素组成，具有优异性能，是极端使用环境下最有潜力的下一代结构材料。但高熵合金的成分组合数量庞大，科研人员们很难知道究竟可以从哪里找到新型高熵合金。且高熵合金非常难以制造，需要使用昂贵的材料和特殊加工技术。利用高通量计算方法，科研人员使用了一种独特的电子结构方法，预测任意组合高熵合金的性质，同时评估其在简单结构中形成固溶体的能力，原子的排序、化学稳定性以及在不同温度下的机械性能。利用这种方法，科研人员可以缩小多组分材料系统的设计空间，并围绕最有前景的材料区域进行研究和开发进行调整。
图2 机器学习预测金属玻璃成分与实验结果高度符合
三、新型非热压罐固化工艺开启高效低成本树脂基复合材料时代
碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）通常采用热压罐固化工艺制造。但是，由于热空气导热效率低且模具比热容大，导致加热和固化时间很长；用于大型、厚度变化大的复杂外形零件时，零件内部的问题分布很难控制，产生不均匀的残余应力并且有时使零件变形，存在尺寸精度问题。针对上述问题，2018年4月本东丽公司宣布成功开发CFRP新型非热压罐固化工艺技术，在模具表面上嵌入了多个加热器板。每个加热器独立控制，真空状态下的零件被直接接触的加热器有效加热。控制每个控制器，实现在各个位置的最佳热量分布，提供了均匀的残余应力。目前，东丽已经安装了一个原型制造设备并正在执行验证试验，有望将热压罐固化工艺的9小时减少到4小时，50%的能耗降低，因为不再需要压力和加热媒介（如热空气）。新技术还有望降低装配时间。2018年5月，美国伊利诺大学通过将烙铁与树脂表面角接触，启动树脂内部的级联化学反应波固化树脂，无需外部能源，得到的最终复合材料部件质量符合标准。与常规热压罐固化工艺相比，这种工艺可降低10个数量级的能耗，并减少2个数量级的工时。
图3 东丽开发的新固化技术示意图
四、高超声速飞行器用高温材料迈向3000摄氏度
2018年1月，欧洲导弹系统公司（MBDA）披露了适用于英国/法国未来超音速和高超声速武器的高温材料持续研究项目细节。MBDA公司的开发方向之一是耐温高达3000℃的纤维增强型高温陶瓷复合材料，当前重点是使用HfB2粉浸渍的碳纤维预成型坯料，随后用化学气相浸渗工艺来生产高温陶瓷复合材料。MBDA公司表示，在样品厚度为12.5毫米的样品上进行的氧乙炔焊接实验表明，该材料具有优异的热保护性能。此外，另一个项目研究小组正对射频透明陶瓷或射频透明陶瓷复合材料在500～1000℃温度范围的不同选择进行探索，应用可能包括数据链路天线罩，雷达高度计窗口和导引天线罩。2018年12月，为了应对高超声速飞行器前缘部位热问题，DARPA宣布了其高超声速飞行器材料系统和表征（MACH）项目。MACH计划将包括两个技术领域：第一个领域旨在开发并加快完全集成的被动热管理系统的成熟，通过可扩展的近净制造和先进的热设计来冷却前缘；第二个技术领域将专注于下一代高超声速材料研究，应用现代高保真计算能力，为未来高超声速飞行器的前缘冷却应用开发新的被动和主动热管理概念、涂层和材料。MACH计划寻求热工程和设计、先进计算材料开发、材料体系设计、制备和测试（包括高温金属、陶瓷及其复合材料的近净制造）、高超声速前缘设计和性能以及先进的热防护系统方面的专业知识。
图4 高超声速飞行器前缘部位面临恶劣的极端热环境
五、黑硅超材料可实现近乎完美的红外隐身
人体或车辆引擎等有温度的物体，会以红外线的形式发热。红外热影像仪通过热感原理有效显示热源，即使在夜间或大雾环境中，也能帮助无人机准确寻找到目标。2018年6月，美国威斯康辛大学麦迪逊分校开发了一种超薄红外隐身薄片。这种薄片采用黑硅材料制成，以硅作为衬底，通过利用微小的银制颗粒刻蚀进入超薄固体硅表面，从而形成茂盛且更细长的纳米线。纳米线和银颗粒都有助于吸收红外光。衬底上还散布着微小的空气通道，可以防止隐形薄板在吸收红外线时过快产生热量。在厚度小于1毫米时，这种薄片可吸收约94％的红外光。这种隐身薄片可在中波长到长波长红外波段范围内使被遮挡的物体或人在红外探测器中更容易地实现隐身，几乎无法被察觉到。新型隐身薄片相比其他的热屏蔽技术有着显著的改进。
图5 黑硅超材料可使人和车完美多米红外探测器
六、核反应堆燃料元件包壳和包层材料取得突破
锆合金是核反应堆燃料元件包壳的主要材料，但在700℃以上和水蒸气发生反应产生热量和氢气，不利于核电站在发生事故情况下的安全性。2018年1月，俄罗斯莫斯科工程物理研究院核研究大学研发了用同位素改性钼作为锆合金替代品，用于制造核燃料元件包壳的技术。俄罗斯利用离心同位素分离技术制造同位素改性的钼合金，其热中子俘获截面与锆相似甚至更小，具有大幅提高核电站安全性的潜力。在聚变堆包层材料方面，钒合金具有广阔应用前景。钒合金由92%的钒、4%的铬和4%的钛组成，与常用的耐热钢相比，它具备聚变堆包层所需的各种特性，但钒合金管件在加工过程中容易断裂，并且在管道焊接之后也容易出现断裂。导致这一问题的原因主要是空气和原料中夹杂了碳、氮、氧等杂质。2018年12月，日本国家聚变科学研究所的科研人员在真空或惰性气体中生成一种高纯度钒合金NIFS-HEAT-2，显著改善了合金的延展性，从而克服了钒合金在加工时和焊接后断裂的问题。
图6 核反应堆燃料元件包壳金属材料
七、液态电池可为飞机提供安全、清洁和安静的推进动力
较常规锂电池，液态电池具有能量存储功能非爆炸性、充电速度快的特点，但由于泵送液体的能量储存材料溶解量受到限制，导致液态电池能量密度较低。2018年8月，在NASA资助下，美国阿贡国家实验室及其创业公司Influit Energy将纳米颗粒悬浮在水基液体电解质中，通过表面处理使纳米粒子浓度达到80％，制成了活性材料比例达65％的纳米电燃料（NEF）电池，较活性材料只有35％的固体锂离子电池，能量密度提高到1.5倍以上。该技术使液体能够在一个装置中充电，并在另一个装置中放电，从而将能量和功率分离。充电后的液体可以采用跟航空燃油相似的方式进行储存，实现液体快速重新加注，而不是在飞行间隔中采用较为缓慢的电池充电方式。目前，NEF液态电池原理样件的功率水平为每平方厘米若干毫安级。如果获得资助，该研究成果将在2020财年提供第一代NEF技术，电流密度达到100mA/cm²，系统级比能量达到125 Wh/kg或350Wh/L，性能优于锂离子电池。由于NEF没有火灾危险，并且可以快速加油，因此适用于航空于冷却电池和电机，且对飞机油箱无尺寸和形状要求，为飞机提供安全、清洁和安静的推进动力。
图7 活性纳米颗粒从油箱输送、流经离子交换膜实现发电
八、新型二维超薄超晶格材料革新传统光电超晶格构造概念
传统超晶格通常只能由具有高度相似晶格对称性的材料制成，材料之间具有相似的电子结构。2018年3月，美国加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员开发了一种由超薄二维薄片交替层组成，厚度仅有一个或几个原子厚的新型人造“超晶格”。研究人员使用“电化学插层”的方法创建单层原子晶体分子超晶格，在创建过程中施加负电压，将负电荷电子注入到二维材料中，随后将正电荷的铵分子吸引到原子层之间，铵分子会自动组装成有序晶体结构中的新层，从而形成超晶格。与目前用于创建二维超晶格的常规分层组装或生长方法相比，这种新方法很容易产生具有数十、数百甚至数千个交替层的超晶格，生产过程速度更快，效率更高。这对于制造耗能更少、更快速的晶体管或高效发光器件具有重要意义。
图8 新超晶格其交替层被不同分子形状、尺寸的二维原子晶片隔开
九、原子级二维镓大幅提高半导体器件效率
镓金属熔点低，与石墨烯和许多其他2D结构相反，不能使用气相沉积方法来生长。此外，镓层之间的化学键很强也具有快速氧化的倾向，无法使用胶带机械剥离出单层镓合金。2018年3月，美国莱斯大学和印度班加罗尔科学研究所用热替代力，制备出原子级别二维镓。研究人员通过将镓加热到29.7℃，然后将镓滴到玻璃上，当液滴冷却下来的时候，再用一块扁平的二氧化硅压在上面，提取几层镓单原子层，成功地将镓单原子层剥离到其他基底上，包括氮化镓、砷化镓、硅酮和镍。二维镓与硅等半导体具有亲和力，可在二维电子设备中产生高效的金属接触，特殊的镓单原子层基底组合具有不同的电子特性，并且这些特性可以被应用与不同的半导体器件。这种制备二维镓的方法同样也适用于其他低熔点的金属和化合物。
图9 单层镓结构示意图
十、新型高强高模MX系列碳纤维较MJ系列强度提升30%
碳纤维的高拉伸强度与高拉伸模量不可兼得，是当前碳纤维研制难点。2018年11月，日本东丽公司通过严格控制纳米级石墨晶体结构，进一步将碳纤维强度和拉伸模量并行提高到最大限度，开发出新型的TORAYCA® MX系列碳纤维，同时具有高拉伸强度和拉伸模量，这种碳纤维将开辟其新的产品系列。在新推出的TORAYCA®MX系列中，首个碳纤维M40X的抗拉强度较M40J提高了约30％，同时保持与其相当的拉伸模量。东丽公司还将推出含有TORAYCA®MX系列碳纤维的预浸料，鉴于预浸料可以保持理想的刚度设计，同时保持强度，这种新碳纤维系列将有助于减轻航空航天复合材料部件的重量。
图10 东丽新型高模碳纤维MX系列较MJ系列强度大幅提高
（中国航空工业发展研究中心 黄培生，刘代军，胡燕萍，陈济桁等）
2019年1月2日
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