胡燕萍等 ¦ 2020年度国外军工材料技术重大发展动向

2021-02-09 13:08:35 作者：胡燕萍来源：发展中心分享至：

2020年是极不平凡的一年，新冠疫情肆虐全球，导致工业生产、科技发展均经受了前所未有的挑战，全球经济增长明显放缓。虽然如此，军工材料技术依然保持快速发展的态势，为武器装备的发展提供源源不断的创新动力。过去两年，我们连续推出了“国外军工材料技术重大发展动向”，通过回顾年度军工材料领域的十个重大事件，观察行业发展动向，研判未来军工材料的发展趋势，启发广大读者和科研工作者，提供探讨平台。两年以来，这项工作取得了不错的反响。

2020年，复合材料、金属等结构材料及防弹、密封等功能材料在装备应用及前沿探索两个层面均有上乘表现；电子信息功能材料和制造技术不断发展；计算材料学和人工智能技术形成合力，使高熵合金、新型超硬合金等新材料发现进程加快。2021年1月19日，中国航空工业发展研究中心在北京组织专家开展了“2020年度国外军工材料重大动向”评选工作，本着重大性、先进性、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共计80条发展动向中，遴选出以下10条重大技术动向，供决策机构、科研单位和广大读者参考。

一、3D打印技术成为复合材料低成本化的重要途径

纤维增强树脂基复合材料性能优异，但制造工艺繁杂且成本高昂。3D打印可以减少人力和加工成本，以更节能、更快速、更可靠的方式制造复合材料，同时减少结构缺陷。此外，3D打印不再需要特殊工具或模具，能够直接制造任何形状的纤维增强复合材料，因此可取代更复杂、耗时且昂贵的传统制造技术。随着技术的不断成熟，3D打印技术正推动实现复合材料的性能和成本的最优组合。

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图1 荷兰Brightlands材料中心开发了具有自感知功能的3D打印复合材料试验件（图片来源：Brightlands）

3D打印技术推动实现了结构功能一体化复合材料的制造。2020年4月，荷兰Brightlands材料中心利用3D打印技术开发出一种碳纤维增强复合材料零件，利用结构形变产生测量电阻变化这一特性实现了材料的“自感知”功能，这为实现飞机结构健康监测（SHM）能力创造了条件。3D打印技术可以非常精确地定位和定向连续碳纤维，因此，将纤维嵌入产品结构内部的选定方向和位置，使其在沿特定载荷路径提供所需强度和刚度的同时，还可发挥结构监测“传感器”的作用，多条纤维可在整个零部件中形成一系列不同类型的传感器。这些纤维“传感器”在测试过程中监控和收集结构载荷变化情况，将信息实时反馈，便于3D打印结构设计的优化。研究成果对于飞机结构健康监测意义重大，同时还有望进一步实现飞机结构重量的降低和飞行效率的提升。

图2 特拉华大学研究人员设计的新型3D打印方法示意图。其中加热装置接触并沿着碳纤维移动，产生动态温度梯度，触发分配液体聚合物在碳纤维结构中注入并固化。（图片来源：特拉华大学）

连续碳纤维3D打印技术取得突破。热塑性复合材料和不连续短切纤维复合材料近年来已成功地实现3D打印，但受限于结构组成，得到的3D打印复合材料通常力学性能较差、使用温度较低。3D打印连续碳纤维与热固性聚合物构成的复合材料，能够提供更加优异的力学性能和热稳定性，过去受限于技术一直未能实现。2020年9月，美国特拉华大学开发了全新的局部平面热辅助3D打印技术，首次实现了连续碳纤维3D打印，可与热固性聚合物结合低成本、灵活地制造复合材料。局部平面热辅助3D打印技术通过精确掌握碳纤维温度，控制固化成所需形状液态聚合物的厚度和固化程度，无需后固化。与需要数十小时后固化的传统复合材料工艺相比，节省大量时间、成本和能耗。除此之外，研究团队还开发了机器人系统，包括独特接头和自动机械臂，可满足不同形状结构的制造需求。局部平面热辅助3D打印可以为许多行业提供快速、节能的制造方法。

二、多材料增材制造技术将推动金属多功能化发展

增材制造技术已在金属领域产生多项实际用例，并证明其显著优势。例如GE公司为LEAP系列航空发动机打造的燃油喷嘴，将原本需要20个金属零件组装而成的组件集成为一个增材制造部件，不仅减轻了25%的结构重量，还实现了耐用性的提升。传统的增材制造技术包含多种工艺，如粉末床熔融、定向能量沉积、冷喷涂等。但不同的工艺受限于原材料和设备等因素：如必须使用某种特定材料才能实现，且得到的零部件的尺寸和外形也受到限制，制造成本往往高居不下。

图3 MULTI-FUN项目将聚焦新材料和新设备的开发，带来具有多功能性的设计

2020年7月，为推进多材料、多工艺金属增材制造的融合发展，来自8个欧洲国家的21个工业制造和科学研究领域机构联合启动了一项名为MULTI-FUN的项目。该项目为期3年，由欧盟地平线2020创新计划资助，重点实现金属增材制造领域2个重要战略目标：一是通过使用集成多种功能特性的新型活性材料，显著提高金属增材制造产品的制造效率和综合性能；二是通过开发和使用具有创新性、高效性、经济性的增材制造技术，实现多材料、大尺寸、复杂结构的协同制造。该项目设置了四个具体目标：

目标一：开发5种专门用于增材制造的新材料，其中3种将使用纳米技术。这些材料应具有显著的热、电和耐磨性能。该工作将带来优质的金属结构材料（铝合金、低合金钢等）与相应活性材料结合的解决方案，结合纳米技术使所得新产品的效率、质量和可靠性提高至少40％，实现金属的多功能化。

目标二：开发一套增材制造设备与增材制造软件。利用目标一中开发的5种新材料，通过5项新技术，创造至少10种新的多材料组合。再通过软硬件结合的方式，利用集成多种增材制造技术的设备，制造出至少7种面向不同应用场景的演示验证零件。该工作的核心成果是创造出集成多种增材制造技术且能够并行工作的设备。

目标三：制造和评估7个具有多材料设计且集成多种功能的演示验证零件。7种零件涵盖结构零件、模具和测试设备，涉及汽车、航空、航天和其他制造生产行业等4大领域。核心成果是利用基于多材料集成多功能，创造出提高质量和效率的新零件和新技术。

目标四：评估全寿命周期，降低增材制造技术的成本和环境影响。通过对增材制造过程中涉及的材料、硬件设备、工艺策略、零件设计和制造等所有环节的评估，改进对原材料和资源的利用，减少对环境的影响，并将成本降低35％。该工作将加深对增材制造技术的研究和认识，辅助制订适用于多材料增材制造的行业标准并推动建立监管机构。

三、新型超轻不锈钢较传统不锈钢减重约20%

钢是全球工业化进程中的核心材料，其年产量超过18亿吨。但钢制结构的腐蚀造成的直接经济损失超过2.5万亿美元。为了满足以化工为代表的重点行业对于材料机械性能和良好耐腐蚀性能的要求，不锈钢取得了良好的发展。基于铁-铬、铁-铬-碳和铁-铬-镍体系开发的传统不锈钢，至少含有10.5%质量分数的铬，尽管发展取得了巨大成功，但也迫使不锈钢重量不断增加。同时，由于铬和镍等关键元素较为昂贵，还带来了巨大的环境和成本负担。因此发展轻量化的不锈钢对于可持续发展具有重要意义。传统的超轻钢材一般是在钢中添加轻合金元素铝实现的，但过量的铝会导致脆性问题，因此铝含量通常不能超过10%。

图 4 基于Fe–（20–30）Mn–（11.5–12.0）Al–1.5C合金微观组织随着Cr含量的增加而变化。（图片来源：《科技报告》）

为了解决这一问题，2020年11月，在韩国国防事业厅军民合作振兴院军民两用技术开发项目的支持下，韩国科技信息通信部下属的韩国材料研究所与浦项产业科学研究院合作，对钢种的碳、锰、铬等元素的添加量进行了优化，在添加超过11.5%的铝同时提升钢的韧性，将传统不锈钢7.9-8.0克/立方厘米的密度降低至6.3-6.5克/立方厘米，得到了减重超过17%的超轻质不锈钢，同时还兼具超高强度（＞1GPa）和高延展性（＞35%）。由于没有添加昂贵的镍，超轻质不锈钢确保了价格竞争力。此外，通过添加铬，钢表面形成了铝和铬含量较高的致密氧化层，确保其耐腐蚀性与400系不锈钢相当。这项研究从全新的合金设计角度出发，既突破了传统不锈钢的重量限制，同时也解决了超轻质钢材的易腐蚀和脆性问题，意义重大。新型超轻质不锈钢将优先应用于汽车、造船等行业，有望进一步提高燃油效率，降低二氧化碳排放。

四、新型核燃料向低铀化转变

高纯度贫铀是美国正在进行的国家核武器储备现代化的重要战略物资。然而，根据美国能源部国家核安全局的估计，贫铀原料供应非常有限，其目前的贫铀金属供应将在本世纪20年代末耗尽。美国国家核安全局也不具备将贫铀转化制造成武器部件所需的全部能力，而这些部件是核储备现代化所必需的。为减少对铀的依赖，寻找能够替代铀的材料，开发新型核燃料迫在眉睫。

图 5 颗粒形式的钍，这种放射性金属材料保持强劲增长势头，将替代部分铀成为新型核燃料中的重要组成部分。（图片来源：Popular Mechanics）

2020年9月，美国能源部爱达荷国家实验室、德克萨斯州农工大学核工程与科学中心、清洁堆芯钍基核能公司三方合作研发了一种名为ANEEL的新型核燃料。这种燃料是由放射性金属钍和“高丰度低浓铀”（铀-235丰度在5%至20%范围内）组成的混合物，将在美国生产，计划出口至印度等新兴核电市场，最快可以在2024年投入商业使用。金属钍有较高的熔点和较低的工作温度，抗堆芯熔毁能力强于金属铀。这种新型核燃料燃耗很深，可在反应堆中停留的时间更长，燃料利用率更高。此外，相较传统的核燃料，新型核燃料使用了更少的铀，产生废物减少80%以上，“燃烧”时产生的钚也将进一步减少，有利于降低核燃料成本、防止核扩散、减少核废物处理。

五、超高温陶瓷打破4000℃耐温大关

高超声速飞行器机翼设计中将前缘的倒圆半径减小到几厘米，从而带来升力和可操纵性显著提升，同时减少空气动力阻力。但是，当飞行器往返大气层时，机翼蒙皮表面温度可达2000°С，其最外侧边缘部位甚至将达到4000°С以上。因此，开发耐高温材料和结构是当前高超声速飞行的发展重点，也是设计过程中面临的主要难点。

图 6 基于铪-碳-氮体系的新型高温陶瓷材料有望成为解决高超声速飞行器耐高温结构的钥匙（图片来源：俄罗斯国立科技大学）

美国布朗大学曾预测，基于铪-碳-氮（Hf-C-N）体系的陶瓷材料理论上具有目前所有材料中最高的熔点，理论值为4200℃左右，具有杰出的导热性和抗氧化性。在此基础上，2020年5月，俄罗斯国立科技大学的科研人员使用自蔓延高温合成法，开发出基于铪-碳-氮体系的新型高温陶瓷材料，其化学式为HfC0.5N0.35。该材料不仅具有超过4000℃的熔点，其硬度达到21.3吉帕，高过目前最具应用前景的ZrB2/SiC（20.9吉帕）和HfB2/SiC/TaSi2（18.1吉帕）。新型陶瓷材料有望在飞机耐高温部件，如喷气发动机热端部件和高超声速飞机机翼前缘等部位应用，此外也可推广应用至其他航空航天装备、火箭导弹制造、特种军事技术设备等领域。

六、轻量化成为防弹材料的发展重点

典型的防弹衣主要由芳纶“凯夫拉”纤维、超高分子聚乙烯纤维制成，但为了提升防弹性能而不断增加的厚度和重量，造成防弹衣穿着舒适性降低，穿着者的机动灵活性和工作便捷性也受到较大影响。此外，直升机、运输机等航空装备对于防弹性能的要求越来越高，但受限于发动机性能，难以承受防弹结构无限的加厚加重。防弹材料高性能化、轻薄化，已成为该领域迫切需求和主流发展趋势。

图 7 2AM系列的石墨烯增强防弹背心（图片来源：PlanarTech）

英国和泰国合作推广使用了轻量化的石墨烯增强防弹衣。2020年4月，英国PlanarTech公司宣布与泰国IDEATI达成协议，推广应用其2AM系列石墨烯增强防弹背心和防弹板产品。2AM是一种由石墨烯和超高分子聚乙烯组成的复合材料，它利用了石墨烯可显著提升强度的特性来制造超轻型防弹衣。由2AM材料制成的A-10418产品，是目前市面上最薄（20毫米）、最轻（1.8千克）、且获得美国国家司法协会（NIJ）弹测认证合格的IV级独立防弹板。向复合材料中添加石墨烯纳米颗粒可有效的将独立防弹板背面变形程度（BFD）降低至仅11.3毫米。2AM系列产品已批量生产，并至少交付1000件供泰国皇家陆军使用。未来也有望在防爆盾、防弹舱门等产品中取得应用。

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图 8 英国马歇尔公司与奎奈蒂克公司合作的LAST Armor LWA装甲材料（图片来源：英国马歇尔公司）

英国马歇尔与奎奈蒂克合作推出新一代军用装甲材料。2020年8月，英国马歇尔航空航天与防务集团与英国奎奈蒂克（QinetiQ）公司签订了独家合作协议，销售和安装C-130“大力神”最新一代机型的轻型装甲——LAST Armor LWA。这种装甲由高强度聚乙烯制成，比目前在C-130J上应用的LAST装甲解决方案轻约380千克，仅为旧款LAST装甲重量的一半，能够为机组人员提供同等的防护性能。在装甲表面涂覆环保涂层后，即使在最恶劣的环境下，装甲也可以保持化学惰性不腐蚀。由于结构轻质，可显著节省飞机燃料，减少了对飞机重心的影响，使C-130-30变体机型具有完整的载荷能力。同时，在定期维护或者作为独立部件使用时，装甲可快速轻便的安装和拆卸，确保以最佳状态完成飞行任务。

七、新一代飞机超高温防火密封件可在315℃下工作

专用防火密封件主要应用于飞机机身、吊架、反推力装置和发动机等部件中，其主要作用是防止在正常工作条件下气流从机体内特定的工作区域扩散至其他区域。对于飞机来说更加重要的一点是，使用专用防火密封件可预防由机内局部失火引发的更大事故，它可抑制火势向机体其他部位蔓延，保证飞机在起火后仍拥有至少15分钟的缓冲时间安全着陆，确保人身安全。因此，专用防火密封件耐热温度越高，可承受发动机内的极端环境温度越高，理论上意味着飞机发动机性能越强，飞机的安全系数越好。

图 9 瑞典制造商特瑞堡密封系统公司推出的新型超高温密封件（图片来源：特瑞堡）

2020年5月，瑞典制造商特瑞堡密封系统公司推出了一款超高温密封件，可在-40℃到+315℃或更高的温度下工作，远超过其上一代产品。新一代超高温密封件的全寿命周期为60000个飞行周期，克服了高温下聚硅氧烷易松弛、易压缩形变的固有特性，可在更高温度的飞机发动机部位中使用。在热浸试验中，新一代超高温密封件的性能优于其他防火密封件。在所有测试条件下，其性能损失均比要求的标准值至少低15%。特瑞堡利用专有技术，使新型密封件能够适应任何几何形状，同时进一步减轻了结构重量并有效减少了零件数量，简化了装配过程，可直接对目前正在使用过程中的密封件产品进行替换。这款防火密封件的问世意味着飞机制造商可开发出性能更强、燃油效率更好的航空发动机，更好的落实可持续发展。

八、台积电和三星在硅半导体3纳米工艺上同台竞技

摩尔定律是对半导体行业发展规律的总结，在过去的数十年里一直对该行业的发展起到指引和推动作用。但随着器件性能的提升、尺寸的缩小，晶体管特征尺寸已经达到原子级别，晶体管中的载流子将不受控制，短沟道效应、热电子效应、漏电流增大等问题越来越严重。技术难度的增加和成本的急剧增长，使得先进工艺制程的研发速度逐渐放缓。目前14纳米及以下的工艺大多采用立体结构，即鳍式场效晶体管（FinFET）。但这种结构的前道工艺已接近物理极限，如继续微缩，电性能的提升和晶体管结构上都将遇到诸多问题。

图 10 三星在3纳米芯片量产工艺中率先使用全环绕栅极晶体管架构（图片来源：Ezone）

2020年1月，三星电子宣布计划在全球范围内率先实现3纳米芯片量产制程工艺，以确保其在半导体市场的技术优势。三星计划较为激进放弃FinFET晶体管技术，率先采用基于全环绕栅极（GAA）晶体管架构的3纳米技术。同5纳米制程工艺相比，该技术能使芯片的理论面积缩小35%、能耗降低50%、性能提高30%。三星自2002年起一直在开发闸极全环工艺技术，通过使用纳米片设备制造出了多桥-通道场效应管，确保减少功率泄漏，改善对通道的控制，这是缩小工艺制程的基本步骤。这种设计可实现更高效的晶体管设计，并具有更小的整体制程尺寸，从而在5纳米FinFET工艺上实现了每瓦性能的巨大提升。新工艺的实现还需要对显影、蒸镀、蚀刻等一系列工程技术进行革新，且为减少寄生电容还需导入替代铜的钴、钌等新材料。首批面向智能手机和其他移动终端的3纳米芯片将于2020年进行测试，并于2021年批量生产。对高性能芯片改进型产品，如图形处理器和封装到数据中心的人工智能芯片，将在2022年实现批量生产。

图 11 台积电3纳米工艺制程芯片预计将在2022年下半年量产

作为目前芯片制造行业的“领头羊”，台积电也公布了自己的3纳米战略。2020年4月，台积电正式披露了其3纳米工艺技术细节，晶体管密度高达2.5亿/平方毫米。采用台积电7纳米极紫外光刻工艺的麒麟990 5G芯片的晶体管密度约为0.9亿/平方毫米，3纳米工艺晶体管密度是7纳米的3.6倍。在性能提升方面，台积电5纳米比7纳米性能提升15%，能耗降低30%。然而，预计3纳米比5纳米性能提升10%~15%，能耗降低25%~30%；在晶体管密度方面，台积电表示3纳米工艺较5纳米提高了1.7倍，晶体管密度高达2.5亿/平方毫米。与三星不同，在技术方面，台积电评估了多种方案，认为现行的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术在成本及能效上更佳，首批3纳米芯片仍将采用FinFET技术。此外，台积电还表示，3纳米的研发符合预期，并没有受到疫情影响，预计在2021年进入风险试产阶段，2022年下半年正式量产。

九、新型稀土金属提纯方法有望解决美国进口依赖问题

图 12 使用配体辅助色谱法从煤灰、废旧磁铁中提纯稀土金属，确保电子产品关键材料的充足供应。（图片来源：普渡大学）

全球稀土金属市场总量达40亿美元，随着新电子产品、飞机、舰船、电动汽车的计算机芯片、发动机磁铁和其他关键产品的发展，稀土金属需求量还在持续增长。但地球上的稀土资源有限，难以确保可持续发展。

2020年5月，美国普渡大学经过10年研发，提出一种具有自主知识产权的提取和净化工艺——使用配体辅助色谱法从煤灰、废旧磁铁和原矿中，安全、有效地净化和提纯稀土金属，且不影响环境，使美国能够在国内创造一个更稳定、更可靠的稀土金属来源。传统提纯稀土元素的方法为两相液-液萃取法，该工艺需要使用成千上万个串联或并联的混合沉降器单元，同时还会产生大量有毒废物。普渡大学开发的新工艺使用两区配体辅助置换色谱系统和一种新的区分离方法，可生产出纯度为99%的稀土金属。研究人员表示，该工艺有望解决美国一直以来因稀土金属过于依赖进口而产生的供应链隐患。

十、人工智能技术推进新材料研发进程

人工智能技术的发展加快了多种材料的成分设计，其中超硬材料和高熵合金的发展成为其中亮点。

图 13 W-Mo-B体系在0K时的三元相图（图片来源：Skoltech）

2020年9月，俄罗斯斯科尔科沃科学技术学院使用人工智能计算方法成功预测出几种由钨、钼、硼三种主元素组成的新型超硬材料。长期以来，科学家对二元材料进行了深入的研究，性能的进一步提升进入瓶颈期，为了设计新型材料，现在越来越频繁地加入第三种主元素，以期通过增加材料系统复杂性的方式来提升材料性能。研究人员开发出一种名为USPEX的进化算法（人工智能算法中的一种），成功预测了钨-钼-硼材料体系中的超硬三元化合物结构，与二元化合物相比显示出更好的硬度与断裂韧性，其中一些材料属于高熵合金。这项研究为寻找新型超硬硼化物材料奠定了基础。

高熵合金一般由相等或相似比例的四种或更多元素组成，理论上可以组合出无限种合金组合，并且具有出色的机械、热、物理和化学性能，目前已开发出多种耐腐蚀、耐高温、耐低温、高强度合金。但是新型高熵合金的设计往往基于反复试验，需要花费大量时间和高额成本。2020年11月，韩国浦项科技大学开发了一种使用人工智能进行高熵合金相位预测的技术。研究团队开发的人工智能技术在模型优化、数据生成和参数分析等三个方面进行了深度学习，可提高高熵合金相位的可预测性和可解释性。研究结果有望大大减少现有新材料开发过程所需的时间和成本，未来可用于开发新的高熵合金。

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