2021年度国外军工材料技术重大发展动向

2021年新冠肺炎疫情依然严峻，全球经济增长严重受限。但新冠病毒挡不住科技进步的步伐，军工材料作为最基础也是最前沿的技术，在装备更新换代发展需求的牵引下，里程碑式的技术突破依然可圈可点。

2021年，复合材料发展势头强劲，在航空航天和兵器领域的应用探索方面均表现亮眼；针对不同应用环境，闪现高性能耐辐照、耐磨等新材料；2纳米制程芯片点亮了电子信息功能材料发展的高点，铋材料又为1纳米制程芯片开辟道路。此外，新算法的推出，也加快了依赖组分设计的各类无机化合物、高熵合金材料的发现。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“2021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158条发展动向中，遴选出以下十条重大技术动向，供决策机构、科研单位和广大读者参考。

美国空军成功验证连续纤维3D打印机翼翼梁

快速生产和低成本灵活定制是当前碳纤维复合材料发展面临的重要需求。美国空军研究实验室高度关注连续纤维3D打印技术，希望其能成为替代传统复合材料制造方式的突破性技术途径，降低复合材料部件的成本和交货时间。2021年4月，美国连续复合材料公司利用专利的连续纤维3D打印技术（CF3D），成功打印了2个2.4米长、1.8千克重的碳纤维复合材料翼梁组件，完成了美国空军研究实验室为期两年的机翼结构制造设计（WiSDM）合同。最终的机翼组件的静力试验结果表明，完全组装的机翼被加载到设计极限载荷的160%。没有检测到对CF3D打印的翼梁的测量或视觉损坏。打印的碳纤维翼梁实现了60%的纤维体积分数，具有大约1%~2%的空隙。这种新型复合材料制造方法的特点是原位浸渍、固结和固化，显著降低了成本和缩短交货时间。全自动工艺具有切割和重新进料功能，可在结构内实现层片下降和可变零件厚度。该项目优化了定向结构纤维，成为了使用定制的CF3D材料解决方案的成功案例，对于昂贵的航空航天结构零件制造具有重要意义。

欧盟试制最大热塑性复合材料飞机机身结构件

热塑性复合材料能够达到钢/铝等传统材料相同的强度与耐用性；同时大幅缩短机体生产/维护周期，显著减重减排。热塑性复合材料是欧盟“洁净天空”2项目开发下一代机身结构的主要验证材料。2021年6月，荷兰宇航联合团队表示，有望制成“多功能机身演示器”（MFFD）最大结构组件（8.5米长下机身蒙皮），显著推进“洁净天空”2项目进展。在项目中，联合团队的目标是研究如何将不同的制造过程有机融合，使结构性/非结构性组件完美集成。为此，联合团队应用新材料，尝试制造了飞机的下机身组件。在制造过程中，联合团队应用了NLR 最先进的自动纤维铺设技术，下半部分原位固化，上半部分通过热压罐固化，充分了解/验证了热塑性复合材料和自动纤维铺设技术对于制造飞机蒙皮、加强筋/底梁/机舱/舱门等结构件方面的通用性。这一开创性试验项目的成功，开创了大型热塑性复合材料结构件制造的先河。虽然在成本方面，热塑性复合材料件较传统热固性材料件更贵，但从长期收益来看，新材料更具优势。热塑性复合材料比热固性材料轻，基体材料更坚韧，抗冲击损伤能力更强；另外，热塑性复合材料零件结合时，只需要进行加热即可有效连接，无需使用传统紧固件，整体集成性和轻量化优势显著。

碳纤维玻化剂复合材料实现结构疲劳的逆转碳纤维增强树脂基复合材料比金属表现出更好的比强度和刚度，但易发生疲劳失效。2024年碳纤维增强树脂基复合材料的市值可达到310亿美元，但用于检测疲劳损伤的结构健康监测系统的成本可能高达55亿美元以上。为了解决这个问题，研究人员正探索用于阻止裂纹在材料中扩展的纳米添加剂和自修复聚合物。2021年12月，美国华盛顿大学伦斯勒理工学院和北京化工大学的研究人员提出了一种具有玻璃状聚合物基体的复合材料，可逆转疲劳损伤。该复合材料的基体是由常规环氧树脂和被称为vitrimer（玻化剂）的特殊环氧树脂组成。玻化剂与普通环氧树脂相比，关键区别在于当加热到临界温度以上时，发生可逆交联反应，具有自我修复的能力。即使在100000次损坏循环后，也可以通过定期加热到略高于80℃的时间来逆转复合材料中的疲劳。此外，利用碳材料在暴露于射频电磁场时发热的性质，可取代传统加热器的使用，用于有选择地修复组件。该方法解决了疲劳损伤的“不可逆”性质，且可以几乎无限期地逆转或推迟复合材料疲劳引起的损伤，延长结构材料的使用寿命，降低维护和运营成本。

碳/碳化硅纤维可耐3500℃超高温度

由约翰霍普金斯大学应用物理实验室领导的美国航空航天局“星际探测器”概念研究将是第一个探索太阳系以外空间的任务，要求以更快的速度行进并且比任何其他航天器都要远。为了能够以非常高的速度到达非常长的距离，星际探测器可能需要执行“奥伯斯机动”，这将使探测器靠近太阳摆动，并利用太阳的引力将探测器弹射到深空。为了实现这一目标，需要研发一种轻质、超高温材料，用于探测器的太阳能防护罩。2021年7月，美国高温材料开发商先进陶瓷纤维有限公司和约翰霍普金斯大学应用物理实验室合作开发出一种轻质、超高温的陶瓷纤维，能够承受3500℃的高温。研究人员通过直接转化工艺将每根碳纤维长丝的外层转化为金属碳化物如碳化硅（SiC/C）。研究人员采用火焰测试和真空加热对样品进行测试，这些材料显示出轻质、低蒸气压材料的潜力，扩展了目前碳纤维材料2000℃的上限，在3500℃的温度下仍可保持一定的力学强度，未来有望用于探测器的太阳防护罩。

高性能氧化物弥散强化合金可用于下一代核反应堆

核工业对反应堆部件材料的可靠性要求很高，要求材料必须具有良好的耐辐射性能、高温蠕变性能和抵抗空隙膨胀能力，这是因为材料在受到中子辐射时会形成空腔，从而导致机械故障。氧化物弥散强化合金具有良好的高温蠕变性能，在高温下保持刚度而不变形，大部分可承受1000℃的高温，但是传统的商用氧化物弥散强化合金存在一个缺陷，即在受到极端中子辐射时的抗空隙膨胀能力较弱。2021年3月，美国得克萨斯州A&M工程实验站、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和日本北海道大学联合开发出可用于核裂变与核聚变反应堆的下一代高性能氧化物弥散强化合金。新型氧化物弥散强化合金克服了这一问题，将纳米氧化物颗粒嵌入到马氏体金相组织中，最大地减少了空隙膨胀，由此产生的氧化物弥散强化合金能够承受每个原子高达400次的位移，在高温强度和抗溶胀性方面都是该领域开发得最成功的合金之一。

轻质复合弹壳将大范围替代黄铜弹壳

当前，美国陆军、海军和海军陆战队都在开展轻质复合弹壳替代传统黄铜金属弹壳的试验和验证。2021年5月，海军陆战队已完成12.7毫米复合弹壳子弹的实验室环境性能验证，准备开展战场试验。与传统的黄铜弹壳子弹不同，MAC公司采用塑料和黄铜相结合的弹壳，实现子弹减重25%，使普通步兵的弹药携带量从210发增至300发。此外，这种轻质子弹还具有更高的精度、初速和更好的弹道性能。使用复合弹壳子弹射击时，由于塑料的热传导性差，子弹的热量不容易传递给枪膛和枪管，可减少快速射击过程中枪管上和枪膛内的热量累积，减缓枪管材料的磨损和烧蚀，延长枪管的使用寿命。同时，枪管和枪膛内累积热量的减少，可以让步枪或机枪持续射击的时间更长。如使用M113速射机枪快速发射1500发黄铜弹壳子弹，会因枪管内热量过高导致子弹烤燃（温度过高足以点燃子弹内的弹药），自发开火；而使用M113速射机枪快速发射复合材料弹壳子弹时，枪管和枪膛内的温度比发射黄铜弹壳子弹时低20%，发射的子弹数量也增至2200发。如试验通过，海军陆战队可能采用12.7毫米复合弹壳子弹替代现役黄铜弹壳子弹，实现弹药减重。

新型二维耐磨材料备受太空飞行器青睐

与石墨烯类似，MXenes材料是一种金属碳化物二维材料，由钛、铝、碳原子层组成，每一层都有自身稳定的结构，层与层之间可以很容易地相互移动。2021年3月，美国密苏里州立科学技术大学与美国阿贡国家实验室对MXenes材料开展研究，发现这种材料在极端环境下的抗磨损和润滑性能优于传统的油基润滑剂，可作为“超级润滑剂”，减少未来类似“毅力号”探测器的磨损。研究人员模拟太空环境，对该材料的摩擦测试发现，钢球和涂覆二氧化硅圆盘间的MXene界面在“超润滑状态”下形成的摩擦系数从0.0067 最低可低至0.0017。当将石墨烯添加到MXene中时，取得了更好的结果。添加石墨烯将摩擦进一步降低了37.3%，将磨损降低了2倍，且不会影响MXene超润滑性能。MXenes材料能很好地适应高温环境，为未来极端环境使用润滑剂打开了新的大门。

美国首款2纳米制程芯片研发进展公布

半导体行业的持续挑战是同时制造更小、更快、更强大和更节能的微芯片。当今大多数为设备供电的计算机芯片都使用10纳米或7纳米工艺技术，部分制造商可生产5纳米芯片。2021年5月，美国IBM公司公布了全球首款2纳米制程芯片的研发进展。该芯片晶体管采用三层纳米全环栅（GAA）设计，利用最先进的极紫外光刻技术定义最小尺寸，晶体管栅长12纳米，集成密度将达到每平方毫米3.33亿个，可将500亿个晶体管集成在只有指甲盖大小的面积上。2纳米制程芯片与7纳米芯片相比，性能有望提高45%，能耗降低75%，能够将手机电池寿命延长四倍，手机只需充电一次就可以连续使用四天。此外，新制程芯片还可以大幅提高笔记本电脑性能，包括提升笔记本电脑的应用程序处理能力以及互联网接入速度。在自动驾驶汽车中，2纳米制程芯片可以提升物体检测能力和缩小反应时间，将极大促进半导体领域的发展，延续摩尔定律的传奇。IBM计划于2027年量产2纳米制程芯片。

美国开发高热传导率之半导体材料可抑制芯片发热

随着芯片中晶体管数量增加，计算机运算效能不断提升，但高密化也因此产生许多发热点，若无适当的热管理技术，除了造成处理器的动作速度减缓、可靠性降低之外，亦有为了防止过热而需要额外的能源，造成能源效率不佳的问题。为解决此问题，美国加州大学洛杉矶分校在2018年开发了具有极高热传导率的新半导体材料，由无缺陷的砷化硼、磷化硼所组成，与钻石、碳化硅等既有散热材料相比，具有3倍以上的热传导率。2021年6月，美国加州大学洛杉矶分校利用新半导体材料结合于高功率计算机芯片，成功地抑制芯片的发热，进而提高计算机性能。研究团队将砷化硼半导体插入于芯片与散热片之间，作为提高散热效果的散热片与芯片结合，以实际装置展开热管理性能的研究。将砷化硼基板结合于宽能隙氮化镓半导体后，确认氮化镓/砷化硼界面的热传导率高达250MW/m2K，界面热阻达到极小的水平。进一步将砷化硼基板结合于由铝氮化镓/氮化镓构成之先进高电子迁移率晶体管芯片，经确认，散热效果显著优于钻石或碳化硅。研究团队以最大容量让芯片作动，并对发热点进行从常温上升至最高温度的测量。实验结果显示，金刚石散热片的温度为137℃，碳化硅散热片是167℃，而使用砷化硼散热片仅有87℃。此界面的优异热传导性来自于砷化硼独特的声子带构造及界面的整合性。砷化硼材料不仅具有高热传导率，界面热阻也较小，应用作为散热片，将可藉此实现更高的装置作动功率，今后可望应用于长距离、大容量无线通信等高频功率电子领域或是电子封装等用途。

铋材料攻克二维沟道材料晶体管实用化关键难题

随着晶体管的持续微细化，其传导电流的通道越来越窄，需要不断采用高电子迁移率材料。二硫化钼等二维材料是理想的高电子迁移率材料，但将其与金属导线互联时在接触界面会形成肖特基势垒，这种现象会抑制电荷流动。2021年5月，由美国麻省理工学院牵头，台积电公司等参与的联合研究团队，证实使用半金属铋并结合两种材料之间的适当排列，可降低导线与器件的接触电阻从而消除该问题，有助实现半导体1纳米以下的艰巨挑战。MIT团队发现在二维材料上搭配半金属铋的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流。台积电技术研究部门随后将铋沉积制程进行优化，最后台湾大学团队运用“氦离子束微影系统”将元件通道成功缩小至纳米尺寸。在使用铋为接触电极的关键结构后，二维材料电晶体的效能，不仅与硅基半导体相当，且与目前主流的硅基制程技术相容，有助于未来突破摩尔定律极限。该技术突破将解决二维半导体进入产业界的主要问题，是集成电路能在后摩尔时代继续前进的重要里程碑。

此外，利用计算材料学，开发新的算法，加速更多新材料的发现也是当前材料领域发展的热点。如2021年1月，美国能源部所属的艾姆斯实验室，在《自然计算科学》杂志上发表了一篇关于“布谷鸟搜索”算法的文章，这种新算法可以将搜索高熵合金的时间从数周缩短几秒钟。美国桑迪亚国家实验室开发出的机器学习算法，速度比普通方法快了4万倍，使材料技术设计周期缩短近一年。2021年4月，英国利物浦大学研究人员研发了一款机器人，可在8天内自主设计化学反应路线，完成688个实验，并找到一种高效催化剂来提高聚合物光催化性能，这项实验若由人工完成需花费数月时间。日本大阪大学、利用1200种光伏电池材料作为训练数据库，通过机器学习算法研究高分子材料结构和光电感应之间的关系，成功在1分钟内筛选出有潜在应用价值的化合物结构，传统方法则需 5～6年时间。（胡燕萍 陈济桁 黄培生）