国防先进材料发展综述

2017-02-20 17:00:42 作者：本网整理来源：材料十分享至：

    材料是人类用以制造有用物品的物质，是人类赖以生存和发展的物质基础。人类历史已经证明，新材料是社会进步的里程碑。国防先进材料技术是指新出现和正在发展的具有优异性能和合理的费效比，能满足武器装备需要的新型材料技术。它涉及材料的组成、结构、制备及其性能及使用行为间相互关系的知识开发及应用的科学工程技术。

    国防材料技术对国防科学技术、国防力量的增强和国民经济的发展具有重大推动作用。在现代社会中，新材料已经成为各工程领域的共性关键技术之一，是高技术的重要组成部分，也是最重要和发展最快的科学技术之一。国防材料技术是发展武器装备的物质基础和技术先导，它的应用可以提高武器装备的性能，也往往拓展出武器装备新的功能和降低其全寿命期费用。跨世纪武器装备技术发展的主旋律是作战平台、动力系统的技术水平以及综合生存能力、有效毁伤能力、电子信息化能力的全面提升。

    （1）武器装备作战平台要求轻质、高强、高韧材料

    武器装备作战平台作战能力要求在不增重前提下进一步增大航程、提高巡航能力，在实现相同任务的条件下降低起飞重量、降低采购和保障费、延长寿命等。实现这些能力将采取的主要措施包括：降低结构重量比、降低生产成本等。未来航天平台技术进一步要求小型化、提高有效载荷、降低发射成本和具有更远的射程。未来地面车辆与舰船平台要求进一步提高登陆和沿海作战能力、战略机动能力、保持技术优势，提高可靠性等。实现这些能力在很大程度上将取决于轻质化、低成本、高性能先进材料技术的发展。

    （2）动力系统对耐高温材料提出严峻挑战

    军用航空发动机、主战坦克发动机和战略战术导弹固体火箭发动机等的主要发展趋势是通过进一步提高发动机功率、推重比，提高可靠性，降低成本。这在很大程度上取决于轻质、高强、耐热、隔热、阻尼等先进材料技术提出严峻挑战。

    （3）高生存力和突防能力、有效毁伤能力以及电子/信息化能力对功能材料提出了更高要求

    在未来战争中，提高生存能力和突防能力是军事对抗中的重要内容。各类装备的隐身技术被置于非常关键的地位。另一方面，随着未来战场上精确打击弹药技术的快速发展，防护已成为世界性的难题。对先进隐身材料、战斗部材料以及装甲防护材料提出了更高要求。在世界军事大国近年来掀起的新军事技术革命热潮中，信息战是新的热点，以战场信息的利用和反利用为核心的信息优势将成为未来战争最重要的威慑力量。各类电子信息材料是确保武器装备发挥威力的重要支撑。

    鉴于高性能武器装备的发展得益于先进材料技术的突破，发达国家不断强化材料技术对先进武器装备的物质基础作用和技术先导作用，近年来其地位进一步提升。例如，美国国防部制定的面向21世纪的国防科技战略规划体系中，把材料技术定为4个具有最高优先领域之一，并指出材料技术也是其他具有优先权领域的关键技术。又如，美国空军首席科学家办公室于2013年7月发布的《全球地平线》报告，根据对未来机会、威胁和已识别的发展趋势的评估，为应对未来各种不对称威胁，美国空军将在未来15年重点加强5个赋能技术领域的投入，即材料科学、生物技术、自主机器人系统和平台、知识发现和决策工具以及社会预测和效果干预。其中，材料科学位列第一。

    近年来，本领域发展很快，其原因是武器装备对于先进材料的依赖程度越来越大，在促进创新及技术转化方面的研究工作最为活跃。发达国家主要通过三个层面的努力促进国防材料的发展：首先是加强顶层设计，制定科学合理的发展规划；其次是促进军用材料的体系化建设，全方位部署国防材料的均衡发展；第三是加快产业布局，全面提升高技术材料产业化水平。2014年在这三个方面均取得了显著的进步，其发展特点如下：

    一、加强顶层设计，积极制定发展计划

    为了加快新材料的发展，以美国为首的航空发达国家，制定了多个涉及材料技术的发展计划。20世纪末高新技术的飞速发展，为新型武器系统的研制和现有武器装备的升级提供更高性能的低成本的材料技术带来了新的机遇。这些技术主要有信息技术、纳米技术、生物技术以及自组装材料技术等。新材料的发展涉及多学科交叉，在材料的创新中，越来越注重综合利用现代科学技术的最新成就。受其影响，近年，这些规划的关注点主要集中在计算材料技术及纳米技术上。此外，传统材料的改进以及新材料的产业化也是重要内容。2014年上述发展重点得到了充分体现。

    计算材料技术研究高潮迭起，美国出台材料基因组计划发展战略规划。美国奥巴马政府自2011年6月出台材料基因组计划之后，2014年12月4日，在总结三年来计划取得成果的基础上，出台了材料基因组计划战略规划。首次公布了材料基因组计划的九大重点研究领域及63个重点研究方向。指出树脂基复合材料、关联材料、电子和光子材料、储能材料以及轻质结构材料等5类材料对于国家安全的影响巨大，值得特别关注。在这5个领域中，共列出了37个重点研究方向。从而表明，材料基因组计划发展重点已经细化，从过去的方法路径介绍发展到面向材料应用实施阶段。

    高度重视纳米材料技术研究，欧盟发布石墨烯科技路线图。2014年2月，欧盟未来新兴技术（FET）石墨烯旗舰计划发布了首份招标公告和科技路线图，介绍了拟资助的研究课题和支持课题，以及根据领域划分的工作任务，每项课题都涉及多项工作任务。根据路线图，石墨烯旗舰计划将分两阶段进行：初始阶段（2013年10月1日至2016年3月31日，共资助5400万欧元）和稳定阶段（2016年4月开始，预计每年资助5000万欧元）。该路线图重点发展方向主要包括：化学传感器、生物传感器与生物界面；石墨烯材料与半导体器件的集成、面向射频应用的无源组件、硅光子学的集成、高频电子学、光电子学、传感器和柔性电子学。

    俄罗斯再度崛起，公布“《2030年前材料与技术发展战略》计划细节”。俄军事工业委员会科技委在2012年4月中旬审议通过了“俄罗斯先进材料和工艺技术发展战略2030”的基础上，于2014年发布了计划的细节。将从2014年起获得单独拨款，未来5年期间的总拨款量大约500亿卢布（约17.3亿美元）。该战略提出了18个主要的发展方向，包括智能材料、金属间化合物、纳米材料及涂层、单晶高温合金、含铌复合材料等，其中所研制的材料中大约80%将服务于现代化的发动机。研发重点主要有以下5个方面：单晶耐高温合金发动机叶片、自组织纳米复合材料涂层、高梯度定向结晶技术、真空熔炼技术、发动机材料与国际标准接轨。

    为促进快速增长，发达国家出台新材料产业化计划。2014年，发达国家出台了一系列新材料产业化计划，为建成门类齐全、专业配套、具有相当规模和技术基础的高科技产业体系做出不遗余力的努力。其中，影响较大的有ESA参与“欧洲冶金计划”和日本东丽发布碳纤维发展中期管理计划等。首先，2014年，ESA联合了一些知名研究机构和超过180家欧洲公司，开展名为“欧洲冶金”计划的研究，旨在发展21世纪新型金属及其制造技术。该计划总经费10亿欧元，已于 2014年9月9日正式启动，将围绕13个主题开展研究；其次，2014年2月，东丽公司宣布了新制定、历时三年的中期管理计划“计划AP-G2016”，作为正在进行的“AP-G 2013计划”的继续，旨在通过“创新和激进的管理”实现业务快速增长。最后，日本独立行政法人“物质？材料研究机构”2014年启动了“实现低碳社会、开发耐热、耐环境材料”项目。

    二、促进军用材料体系化建设，全方位实现国防材料技术创新

    发达国家由于工业基础雄厚、技术先进和成熟的市场经济机制，因此军用材料技术基本上按系列发展，形成了“货架产品”。如美、英、法、俄等国家都有本国武器装备按“货架产品”选材的原则和与之相适应的材料系列。特别是美国，其航空武器装备发展的先进性，促使其装备研制按照“货架产品”进行选材，不遗余力地促进军用主干材料的发展，“一材多用”、“马太效应”趋势日趋明显。

    归纳起来，国外军用材料体系发展具有几个特点：技术先进、具有本国特色；按体系发展，满足装备选材需求；技术标准完备，规范材料研制与应用；数据丰富，为选材提供依据。

    作为体系化建设的组成部分，2014年，在先进复合材料、高性能结构材料、特种功能材料、电子信息功能材料、含能材料及核级材料六大方向均取得了长足进步。

    先进复合材料在武器装备上进一步扩大应用。近20年来，树脂基复合材料在军民用装备上获得大规模应用。2014年，日本东丽公司的T1100G碳纤维的出现，波音公司完成5.5米复合材料低温贮箱的制造并在NASA成功进行测试、块状玻璃合金及其复合材料可用于航天器的微流星体轨道碎片防护屏、NASA验证“猎户座”飞船的热防护罩性能等昭示着先进复合材料研发工作十分活跃。

    传统材料持续挖潜再创辉煌。重视传统材料的持续改进成为近年来的一大趋势。金属材料仍不断焕发青春。美国利用一体化计算材料工程开发出四种高性能钢，再次表明传统金属材料的发展非但没有走到尽头，反而发展势头更猛。

    功能材料全方位出现新突破。未来服役条件要求特种功能材料承受超常的自然和人为环境。2014年，瑞典开发的新发动机陶瓷纳米颗粒热障涂层使用寿命提高了2倍、美国开发出自适应柔性复合材料机翼、超轻复合材料高性能装甲、自修复防腐涂层、俄罗斯“阿玛塔”主战坦克将采用减重15%的新型结构装甲钢等均昭示着特种功能材料开发的巨大潜力。

    电子信息功能材料进展多集中于超材料。该类材料对武器装备的通讯、探测、信息处理起基础支撑作用。2014年电子信息功能材料在超材料平面天线材料、超材料潜艇声隐身材料、超黑可见光隐身材料等均是该领域的重要突破。

    含能材料创新彰显未来技术走向。美国线性多腔合金基高能量密度结构含能材料问世、美国最优晶型纳米奥克托今制备成功彰显未来技术走向。2014年，法德圣路易研究院采用喷雾闪蒸工艺技术成功制备出50~500纳米的不敏感β型奥克托今（β-HMX），标志着奥克托今纳米化技术取得重大突破，在纳米含能材料技术发展过程中也具有里程碑意义。

    核级材料制备技术取得突破。军用核材料是核武器的核心装料，包括高浓铀、军用钚、氚和锂。为了维护核武库以及将来可能的需要，现在的主要任务是如何安全贮存这些核材料，尤其是钚，与此同时保持并发展核材料的生产技术和工艺。2014年，日本研制成功碳化硅核燃料包壳的工业化生产技术、美国提出高效能低排放创新型钚238制备技术、美国有9项用于高浓铀加工设施的新技术正在研发中是该领域的重大进展。