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  2. 胡燕萍等 | 2020年度國外軍工材料技術(shù)重大發(fā)展動向
    2021-02-09 13:08:35 作者:胡燕萍 來源:發(fā)展中心 分享至:

     2020年是極不平凡的一年,新冠疫情肆虐全球,導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)、科技發(fā)展均經(jīng)受了前所未有的挑戰(zhàn),全球經(jīng)濟(jì)增長明顯放緩。雖然如此,軍工材料技術(shù)依然保持快速發(fā)展的態(tài)勢,為武器裝備的發(fā)展提供源源不斷的創(chuàng)新動力。過去兩年,我們連續(xù)推出了“國外軍工材料技術(shù)重大發(fā)展動向”,通過回顧年度軍工材料領(lǐng)域的十個重大事件,觀察行業(yè)發(fā)展動向,研判未來軍工材料的發(fā)展趨勢,啟發(fā)廣大讀者和科研工作者,提供探討平臺。兩年以來,這項工作取得了不錯的反響。


    2020年,復(fù)合材料、金屬等結(jié)構(gòu)材料及防彈、密封等功能材料在裝備應(yīng)用及前沿探索兩個層面均有上乘表現(xiàn);電子信息功能材料和制造技術(shù)不斷發(fā)展;計算材料學(xué)和人工智能技術(shù)形成合力,使高熵合金、新型超硬合金等新材料發(fā)現(xiàn)進(jìn)程加快。2021年1月19日,中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心在北京組織專家開展了“2020年度國外軍工材料重大動向”評選工作,本著重大性、先進(jìn)性、引領(lǐng)性、基礎(chǔ)性四大原則,從高性能金屬材料、先進(jìn)復(fù)合材料、特種功能材料、電子信息功能材料、關(guān)鍵原材料等五大領(lǐng)域共計80條發(fā)展動向中,遴選出以下10條重大技術(shù)動向,供決策機(jī)構(gòu)、科研單位和廣大讀者參考。

    一、3D打印技術(shù)成為復(fù)合材料低成本化的重要途徑

    纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料性能優(yōu)異,但制造工藝繁雜且成本高昂。3D打印可以減少人力和加工成本,以更節(jié)能、更快速、更可靠的方式制造復(fù)合材料,同時減少結(jié)構(gòu)缺陷。此外,3D打印不再需要特殊工具或模具,能夠直接制造任何形狀的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,因此可取代更復(fù)雜、耗時且昂貴的傳統(tǒng)制造技術(shù)。隨著技術(shù)的不斷成熟,3D打印技術(shù)正推動實現(xiàn)復(fù)合材料的性能和成本的最優(yōu)組合。 

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    圖1 荷蘭Brightlands材料中心開發(fā)了具有自感知功能的3D打印復(fù)合材料試驗件(圖片來源:Brightlands)

    3D打印技術(shù)推動實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)功能一體化復(fù)合材料的制造。2020年4月,荷蘭Brightlands材料中心利用3D打印技術(shù)開發(fā)出一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料零件,利用結(jié)構(gòu)形變產(chǎn)生測量電阻變化這一特性實現(xiàn)了材料的“自感知”功能,這為實現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(SHM)能力創(chuàng)造了條件。3D打印技術(shù)可以非常精確地定位和定向連續(xù)碳纖維,因此,將纖維嵌入產(chǎn)品結(jié)構(gòu)內(nèi)部的選定方向和位置,使其在沿特定載荷路徑提供所需強(qiáng)度和剛度的同時,還可發(fā)揮結(jié)構(gòu)監(jiān)測“傳感器”的作用,多條纖維可在整個零部件中形成一系列不同類型的傳感器。這些纖維“傳感器”在測試過程中監(jiān)控和收集結(jié)構(gòu)載荷變化情況,將信息實時反饋,便于3D打印結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。研究成果對于飛機(jī)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測意義重大,同時還有望進(jìn)一步實現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量的降低和飛行效率的提升。 

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    圖2 特拉華大學(xué)研究人員設(shè)計的新型3D打印方法示意圖。其中加熱裝置接觸并沿著碳纖維移動,產(chǎn)生動態(tài)溫度梯度,觸發(fā)分配液體聚合物在碳纖維結(jié)構(gòu)中注入并固化。(圖片來源:特拉華大學(xué))

    連續(xù)碳纖維3D打印技術(shù)取得突破。熱塑性復(fù)合材料和不連續(xù)短切纖維復(fù)合材料近年來已成功地實現(xiàn)3D打印,但受限于結(jié)構(gòu)組成,得到的3D打印復(fù)合材料通常力學(xué)性能較差、使用溫度較低。3D打印連續(xù)碳纖維與熱固性聚合物構(gòu)成的復(fù)合材料,能夠提供更加優(yōu)異的力學(xué)性能和熱穩(wěn)定性,過去受限于技術(shù)一直未能實現(xiàn)。2020年9月,美國特拉華大學(xué)開發(fā)了全新的局部平面熱輔助3D打印技術(shù),首次實現(xiàn)了連續(xù)碳纖維3D打印,可與熱固性聚合物結(jié)合低成本、靈活地制造復(fù)合材料。局部平面熱輔助3D打印技術(shù)通過精確掌握碳纖維溫度,控制固化成所需形狀液態(tài)聚合物的厚度和固化程度,無需后固化。與需要數(shù)十小時后固化的傳統(tǒng)復(fù)合材料工藝相比,節(jié)省大量時間、成本和能耗。除此之外,研究團(tuán)隊還開發(fā)了機(jī)器人系統(tǒng),包括獨(dú)特接頭和自動機(jī)械臂,可滿足不同形狀結(jié)構(gòu)的制造需求。局部平面熱輔助3D打印可以為許多行業(yè)提供快速、節(jié)能的制造方法。

    二、多材料增材制造技術(shù)將推動金屬多功能化發(fā)展

    增材制造技術(shù)已在金屬領(lǐng)域產(chǎn)生多項實際用例,并證明其顯著優(yōu)勢。例如GE公司為LEAP系列航空發(fā)動機(jī)打造的燃油噴嘴,將原本需要20個金屬零件組裝而成的組件集成為一個增材制造部件,不僅減輕了25%的結(jié)構(gòu)重量,還實現(xiàn)了耐用性的提升。傳統(tǒng)的增材制造技術(shù)包含多種工藝,如粉末床熔融、定向能量沉積、冷噴涂等。但不同的工藝受限于原材料和設(shè)備等因素:如必須使用某種特定材料才能實現(xiàn),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。 
     
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    圖3 MULTI-FUN項目將聚焦新材料和新設(shè)備的開發(fā),帶來具有多功能性的設(shè)計

    2020年7月,為推進(jìn)多材料、多工藝金屬增材制造的融合發(fā)展,來自8個歐洲國家的21個工業(yè)制造和科學(xué)研究領(lǐng)域機(jī)構(gòu)聯(lián)合啟動了一項名為MULTI-FUN的項目。該項目為期3年,由歐盟地平線2020創(chuàng)新計劃資助,重點實現(xiàn)金屬增材制造領(lǐng)域2個重要戰(zhàn)略目標(biāo):一是通過使用集成多種功能特性的新型活性材料,顯著提高金屬增材制造產(chǎn)品的制造效率和綜合性能;二是通過開發(fā)和使用具有創(chuàng)新性、高效性、經(jīng)濟(jì)性的增材制造技術(shù),實現(xiàn)多材料、大尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的協(xié)同制造。該項目設(shè)置了四個具體目標(biāo):

    目標(biāo)一:開發(fā)5種專門用于增材制造的新材料,其中3種將使用納米技術(shù)。這些材料應(yīng)具有顯著的熱、電和耐磨性能。該工作將帶來優(yōu)質(zhì)的金屬結(jié)構(gòu)材料(鋁合金、低合金鋼等)與相應(yīng)活性材料結(jié)合的解決方案,結(jié)合納米技術(shù)使所得新產(chǎn)品的效率、質(zhì)量和可靠性提高至少40%,實現(xiàn)金屬的多功能化。

    目標(biāo)二:開發(fā)一套增材制造設(shè)備與增材制造軟件。利用目標(biāo)一中開發(fā)的5種新材料,通過5項新技術(shù),創(chuàng)造至少10種新的多材料組合。再通過軟硬件結(jié)合的方式,利用集成多種增材制造技術(shù)的設(shè)備,制造出至少7種面向不同應(yīng)用場景的演示驗證零件。該工作的核心成果是創(chuàng)造出集成多種增材制造技術(shù)且能夠并行工作的設(shè)備。

    目標(biāo)三:制造和評估7個具有多材料設(shè)計且集成多種功能的演示驗證零件。7種零件涵蓋結(jié)構(gòu)零件、模具和測試設(shè)備,涉及汽車、航空、航天和其他制造生產(chǎn)行業(yè)等4大領(lǐng)域。核心成果是利用基于多材料集成多功能,創(chuàng)造出提高質(zhì)量和效率的新零件和新技術(shù)。

    目標(biāo)四:評估全壽命周期,降低增材制造技術(shù)的成本和環(huán)境影響。通過對增材制造過程中涉及的材料、硬件設(shè)備、工藝策略、零件設(shè)計和制造等所有環(huán)節(jié)的評估,改進(jìn)對原材料和資源的利用,減少對環(huán)境的影響,并將成本降低35%。該工作將加深對增材制造技術(shù)的研究和認(rèn)識,輔助制訂適用于多材料增材制造的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)并推動建立監(jiān)管機(jī)構(gòu)。

    三、新型超輕不銹鋼較傳統(tǒng)不銹鋼減重約20%

    鋼是全球工業(yè)化進(jìn)程中的核心材料,其年產(chǎn)量超過18億噸。但鋼制結(jié)構(gòu)的腐蝕造成的直接經(jīng)濟(jì)損失超過2.5萬億美元。為了滿足以化工為代表的重點行業(yè)對于材料機(jī)械性能和良好耐腐蝕性能的要求,不銹鋼取得了良好的發(fā)展。基于鐵-鉻、鐵-鉻-碳和鐵-鉻-鎳體系開發(fā)的傳統(tǒng)不銹鋼,至少含有10.5%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鉻,盡管發(fā)展取得了巨大成功,但也迫使不銹鋼重量不斷增加。同時,由于鉻和鎳等關(guān)鍵元素較為昂貴,還帶來了巨大的環(huán)境和成本負(fù)擔(dān)。因此發(fā)展輕量化的不銹鋼對于可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。傳統(tǒng)的超輕鋼材一般是在鋼中添加輕合金元素鋁實現(xiàn)的,但過量的鋁會導(dǎo)致脆性問題,因此鋁含量通常不能超過10%。 

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    圖 4 基于Fe–(20–30)Mn–(11.5–12.0)Al–1.5C合金微觀組織隨著Cr含量的增加而變化。(圖片來源:《科技報告》)

    為了解決這一問題,2020年11月,在韓國國防事業(yè)廳軍民合作振興院軍民兩用技術(shù)開發(fā)項目的支持下,韓國科技信息通信部下屬的韓國材料研究所與浦項產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究院合作,對鋼種的碳、錳、鉻等元素的添加量進(jìn)行了優(yōu)化,在添加超過11.5%的鋁同時提升鋼的韌性,將傳統(tǒng)不銹鋼7.9-8.0克/立方厘米的密度降低至6.3-6.5克/立方厘米,得到了減重超過17%的超輕質(zhì)不銹鋼,同時還兼具超高強(qiáng)度(>1GPa)和高延展性(>35%)。由于沒有添加昂貴的鎳,超輕質(zhì)不銹鋼確保了價格競爭力。此外,通過添加鉻,鋼表面形成了鋁和鉻含量較高的致密氧化層,確保其耐腐蝕性與400系不銹鋼相當(dāng)。這項研究從全新的合金設(shè)計角度出發(fā),既突破了傳統(tǒng)不銹鋼的重量限制,同時也解決了超輕質(zhì)鋼材的易腐蝕和脆性問題,意義重大。新型超輕質(zhì)不銹鋼將優(yōu)先應(yīng)用于汽車、造船等行業(yè),有望進(jìn)一步提高燃油效率,降低二氧化碳排放。

    四、新型核燃料向低鈾化轉(zhuǎn)變

    高純度貧鈾是美國正在進(jìn)行的國家核武器儲備現(xiàn)代化的重要戰(zhàn)略物資。然而,根據(jù)美國能源部國家核安全局的估計,貧鈾原料供應(yīng)非常有限,其目前的貧鈾金屬供應(yīng)將在本世紀(jì)20年代末耗盡。美國國家核安全局也不具備將貧鈾轉(zhuǎn)化制造成武器部件所需的全部能力,而這些部件是核儲備現(xiàn)代化所必需的。為減少對鈾的依賴,尋找能夠替代鈾的材料,開發(fā)新型核燃料迫在眉睫。 

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    圖 5 顆粒形式的釷,這種放射性金屬材料保持強(qiáng)勁增長勢頭,將替代部分鈾成為新型核燃料中的重要組成部分。(圖片來源:Popular Mechanics)

    2020年9月,美國能源部愛達(dá)荷國家實驗室、德克薩斯州農(nóng)工大學(xué)核工程與科學(xué)中心、清潔堆芯釷基核能公司三方合作研發(fā)了一種名為ANEEL的新型核燃料。這種燃料是由放射性金屬釷和“高豐度低濃鈾”(鈾-235豐度在5%至20%范圍內(nèi))組成的混合物,將在美國生產(chǎn),計劃出口至印度等新興核電市場,最快可以在2024年投入商業(yè)使用。金屬釷有較高的熔點和較低的工作溫度,抗堆芯熔毀能力強(qiáng)于金屬鈾。這種新型核燃料燃耗很深,可在反應(yīng)堆中停留的時間更長,燃料利用率更高。此外,相較傳統(tǒng)的核燃料,新型核燃料使用了更少的鈾,產(chǎn)生廢物減少80%以上,“燃燒”時產(chǎn)生的钚也將進(jìn)一步減少,有利于降低核燃料成本、防止核擴(kuò)散、減少核廢物處理。

    五、超高溫陶瓷打破4000℃耐溫大關(guān)

    高超聲速飛行器機(jī)翼設(shè)計中將前緣的倒圓半徑減小到幾厘米,從而帶來升力和可操縱性顯著提升,同時減少空氣動力阻力。但是,當(dāng)飛行器往返大氣層時,機(jī)翼蒙皮表面溫度可達(dá)2000°С,其最外側(cè)邊緣部位甚至將達(dá)到4000°С以上。因此,開發(fā)耐高溫材料和結(jié)構(gòu)是當(dāng)前高超聲速飛行的發(fā)展重點,也是設(shè)計過程中面臨的主要難點。 

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    圖 6 基于鉿-碳-氮體系的新型高溫陶瓷材料有望成為解決高超聲速飛行器耐高溫結(jié)構(gòu)的鑰匙(圖片來源:俄羅斯國立科技大學(xué))

    美國布朗大學(xué)曾預(yù)測,基于鉿-碳-氮(Hf-C-N)體系的陶瓷材料理論上具有目前所有材料中最高的熔點,理論值為4200℃左右,具有杰出的導(dǎo)熱性和抗氧化性。在此基礎(chǔ)上,2020年5月,俄羅斯國立科技大學(xué)的科研人員使用自蔓延高溫合成法,開發(fā)出基于鉿-碳-氮體系的新型高溫陶瓷材料,其化學(xué)式為HfC0.5N0.35。該材料不僅具有超過4000℃的熔點,其硬度達(dá)到21.3吉帕,高過目前最具應(yīng)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飛機(jī)耐高溫部件,如噴氣發(fā)動機(jī)熱端部件和高超聲速飛機(jī)機(jī)翼前緣等部位應(yīng)用,此外也可推廣應(yīng)用至其他航空航天裝備、火箭導(dǎo)彈制造、特種軍事技術(shù)設(shè)備等領(lǐng)域。

    六、輕量化成為防彈材料的發(fā)展重點

    典型的防彈衣主要由芳綸“凱夫拉”纖維、超高分子聚乙烯纖維制成,但為了提升防彈性能而不斷增加的厚度和重量,造成防彈衣穿著舒適性降低,穿著者的機(jī)動靈活性和工作便捷性也受到較大影響。此外,直升機(jī)、運(yùn)輸機(jī)等航空裝備對于防彈性能的要求越來越高,但受限于發(fā)動機(jī)性能,難以承受防彈結(jié)構(gòu)無限的加厚加重。防彈材料高性能化、輕薄化,已成為該領(lǐng)域迫切需求和主流發(fā)展趨勢。 

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    圖 7 2AM系列的石墨烯增強(qiáng)防彈背心(圖片來源:PlanarTech)

    英國和泰國合作推廣使用了輕量化的石墨烯增強(qiáng)防彈衣。2020年4月,英國PlanarTech公司宣布與泰國IDEATI達(dá)成協(xié)議,推廣應(yīng)用其2AM系列石墨烯增強(qiáng)防彈背心和防彈板產(chǎn)品。2AM是一種由石墨烯和超高分子聚乙烯組成的復(fù)合材料,它利用了石墨烯可顯著提升強(qiáng)度的特性來制造超輕型防彈衣。由2AM材料制成的A-10418產(chǎn)品,是目前市面上最薄(20毫米)、最輕(1.8千克)、且獲得美國國家司法協(xié)會(NIJ)彈測認(rèn)證合格的IV級獨(dú)立防彈板。向復(fù)合材料中添加石墨烯納米顆粒可有效的將獨(dú)立防彈板背面變形程度(BFD)降低至僅11.3毫米。2AM系列產(chǎn)品已批量生產(chǎn),并至少交付1000件供泰國皇家陸軍使用。未來也有望在防爆盾、防彈艙門等產(chǎn)品中取得應(yīng)用。 

     

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    圖 8 英國馬歇爾公司與奎奈蒂克公司合作的LAST Armor LWA裝甲材料(圖片來源:英國馬歇爾公司)

    英國馬歇爾與奎奈蒂克合作推出新一代軍用裝甲材料。2020年8月,英國馬歇爾航空航天與防務(wù)集團(tuán)與英國奎奈蒂克(QinetiQ)公司簽訂了獨(dú)家合作協(xié)議,銷售和安裝C-130“大力神”最新一代機(jī)型的輕型裝甲——LAST Armor LWA。這種裝甲由高強(qiáng)度聚乙烯制成,比目前在C-130J上應(yīng)用的LAST裝甲解決方案輕約380千克,僅為舊款LAST裝甲重量的一半,能夠為機(jī)組人員提供同等的防護(hù)性能。在裝甲表面涂覆環(huán)保涂層后,即使在最惡劣的環(huán)境下,裝甲也可以保持化學(xué)惰性不腐蝕。由于結(jié)構(gòu)輕質(zhì),可顯著節(jié)省飛機(jī)燃料,減少了對飛機(jī)重心的影響,使C-130-30變體機(jī)型具有完整的載荷能力。同時,在定期維護(hù)或者作為獨(dú)立部件使用時,裝甲可快速輕便的安裝和拆卸,確保以最佳狀態(tài)完成飛行任務(wù)。

    七、新一代飛機(jī)超高溫防火密封件可在315℃下工作

    專用防火密封件主要應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)身、吊架、反推力裝置和發(fā)動機(jī)等部件中,其主要作用是防止在正常工作條件下氣流從機(jī)體內(nèi)特定的工作區(qū)域擴(kuò)散至其他區(qū)域。對于飛機(jī)來說更加重要的一點是,使用專用防火密封件可預(yù)防由機(jī)內(nèi)局部失火引發(fā)的更大事故,它可抑制火勢向機(jī)體其他部位蔓延,保證飛機(jī)在起火后仍擁有至少15分鐘的緩沖時間安全著陸,確保人身安全。因此,專用防火密封件耐熱溫度越高,可承受發(fā)動機(jī)內(nèi)的極端環(huán)境溫度越高,理論上意味著飛機(jī)發(fā)動機(jī)性能越強(qiáng),飛機(jī)的安全系數(shù)越好。

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    圖 9 瑞典制造商特瑞堡密封系統(tǒng)公司推出的新型超高溫密封件(圖片來源:特瑞堡)

    2020年5月,瑞典制造商特瑞堡密封系統(tǒng)公司推出了一款超高溫密封件,可在-40℃到+315℃或更高的溫度下工作,遠(yuǎn)超過其上一代產(chǎn)品。新一代超高溫密封件的全壽命周期為60000個飛行周期,克服了高溫下聚硅氧烷易松弛、易壓縮形變的固有特性,可在更高溫度的飛機(jī)發(fā)動機(jī)部位中使用。在熱浸試驗中,新一代超高溫密封件的性能優(yōu)于其他防火密封件。在所有測試條件下,其性能損失均比要求的標(biāo)準(zhǔn)值至少低15%。特瑞堡利用專有技術(shù),使新型密封件能夠適應(yīng)任何幾何形狀,同時進(jìn)一步減輕了結(jié)構(gòu)重量并有效減少了零件數(shù)量,簡化了裝配過程,可直接對目前正在使用過程中的密封件產(chǎn)品進(jìn)行替換。這款防火密封件的問世意味著飛機(jī)制造商可開發(fā)出性能更強(qiáng)、燃油效率更好的航空發(fā)動機(jī),更好的落實可持續(xù)發(fā)展。

    八、臺積電和三星在硅半導(dǎo)體3納米工藝上同臺競技

    摩爾定律是對半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展規(guī)律的總結(jié),在過去的數(shù)十年里一直對該行業(yè)的發(fā)展起到指引和推動作用。但隨著器件性能的提升、尺寸的縮小,晶體管特征尺寸已經(jīng)達(dá)到原子級別,晶體管中的載流子將不受控制,短溝道效應(yīng)、熱電子效應(yīng)、漏電流增大等問題越來越嚴(yán)重。技術(shù)難度的增加和成本的急劇增長,使得先進(jìn)工藝制程的研發(fā)速度逐漸放緩。目前14納米及以下的工藝大多采用立體結(jié)構(gòu),即鰭式場效晶體管(FinFET)。但這種結(jié)構(gòu)的前道工藝已接近物理極限,如繼續(xù)微縮,電性能的提升和晶體管結(jié)構(gòu)上都將遇到諸多問題。

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    圖 10 三星在3納米芯片量產(chǎn)工藝中率先使用全環(huán)繞柵極晶體管架構(gòu)(圖片來源:Ezone)

    2020年1月,三星電子宣布計劃在全球范圍內(nèi)率先實現(xiàn)3納米芯片量產(chǎn)制程工藝,以確保其在半導(dǎo)體市場的技術(shù)優(yōu)勢。三星計劃較為激進(jìn)放棄FinFET晶體管技術(shù),率先采用基于全環(huán)繞柵極(GAA)晶體管架構(gòu)的3納米技術(shù)。同5納米制程工藝相比,該技術(shù)能使芯片的理論面積縮小35%、能耗降低50%、性能提高30%。三星自2002年起一直在開發(fā)閘極全環(huán)工藝技術(shù),通過使用納米片設(shè)備制造出了多橋-通道場效應(yīng)管,確保減少功率泄漏,改善對通道的控制,這是縮小工藝制程的基本步驟。這種設(shè)計可實現(xiàn)更高效的晶體管設(shè)計,并具有更小的整體制程尺寸,從而在5納米FinFET工藝上實現(xiàn)了每瓦性能的巨大提升。新工藝的實現(xiàn)還需要對顯影、蒸鍍、蝕刻等一系列工程技術(shù)進(jìn)行革新,且為減少寄生電容還需導(dǎo)入替代銅的鈷、釕等新材料。首批面向智能手機(jī)和其他移動終端的3納米芯片將于2020年進(jìn)行測試,并于2021年批量生產(chǎn)。對高性能芯片改進(jìn)型產(chǎn)品,如圖形處理器和封裝到數(shù)據(jù)中心的人工智能芯片,將在2022年實現(xiàn)批量生產(chǎn)。 
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    圖 11 臺積電3納米工藝制程芯片預(yù)計將在2022年下半年量產(chǎn)

    作為目前芯片制造行業(yè)的“領(lǐng)頭羊”,臺積電也公布了自己的3納米戰(zhàn)略。2020年4月,臺積電正式披露了其3納米工藝技術(shù)細(xì)節(jié),晶體管密度高達(dá)2.5億/平方毫米。采用臺積電7納米極紫外光刻工藝的麒麟990 5G芯片的晶體管密度約為0.9億/平方毫米,3納米工藝晶體管密度是7納米的3.6倍。在性能提升方面,臺積電5納米比7納米性能提升15%,能耗降低30%。然而,預(yù)計3納米比5納米性能提升10%~15%,能耗降低25%~30%;在晶體管密度方面,臺積電表示3納米工藝較5納米提高了1.7倍,晶體管密度高達(dá)2.5億/平方毫米。與三星不同,在技術(shù)方面,臺積電評估了多種方案,認(rèn)為現(xiàn)行的鰭式場效應(yīng)晶體管(FinFET)技術(shù)在成本及能效上更佳,首批3納米芯片仍將采用FinFET技術(shù)。此外,臺積電還表示,3納米的研發(fā)符合預(yù)期,并沒有受到疫情影響,預(yù)計在2021年進(jìn)入風(fēng)險試產(chǎn)階段,2022年下半年正式量產(chǎn)。

    九、新型稀土金屬提純方法有望解決美國進(jìn)口依賴問題 


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    圖 12 使用配體輔助色譜法從煤灰、廢舊磁鐵中提純稀土金屬,確保電子產(chǎn)品關(guān)鍵材料的充足供應(yīng)。(圖片來源:普渡大學(xué))

    全球稀土金屬市場總量達(dá)40億美元,隨著新電子產(chǎn)品、飛機(jī)、艦船、電動汽車的計算機(jī)芯片、發(fā)動機(jī)磁鐵和其他關(guān)鍵產(chǎn)品的發(fā)展,稀土金屬需求量還在持續(xù)增長。但地球上的稀土資源有限,難以確保可持續(xù)發(fā)展。

    2020年5月,美國普渡大學(xué)經(jīng)過10年研發(fā),提出一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的提取和凈化工藝——使用配體輔助色譜法從煤灰、廢舊磁鐵和原礦中,安全、有效地凈化和提純稀土金屬,且不影響環(huán)境,使美國能夠在國內(nèi)創(chuàng)造一個更穩(wěn)定、更可靠的稀土金屬來源。傳統(tǒng)提純稀土元素的方法為兩相液-液萃取法,該工藝需要使用成千上萬個串聯(lián)或并聯(lián)的混合沉降器單元,同時還會產(chǎn)生大量有毒廢物。普渡大學(xué)開發(fā)的新工藝使用兩區(qū)配體輔助置換色譜系統(tǒng)和一種新的區(qū)分離方法,可生產(chǎn)出純度為99%的稀土金屬。研究人員表示,該工藝有望解決美國一直以來因稀土金屬過于依賴進(jìn)口而產(chǎn)生的供應(yīng)鏈隱患。

    十、人工智能技術(shù)推進(jìn)新材料研發(fā)進(jìn)程

    人工智能技術(shù)的發(fā)展加快了多種材料的成分設(shè)計,其中超硬材料和高熵合金的發(fā)展成為其中亮點。 

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    圖 13 W-Mo-B體系在0K時的三元相圖(圖片來源:Skoltech)

    2020年9月,俄羅斯斯科爾科沃科學(xué)技術(shù)學(xué)院使用人工智能計算方法成功預(yù)測出幾種由鎢、鉬、硼三種主元素組成的新型超硬材料。長期以來,科學(xué)家對二元材料進(jìn)行了深入的研究,性能的進(jìn)一步提升進(jìn)入瓶頸期,為了設(shè)計新型材料,現(xiàn)在越來越頻繁地加入第三種主元素,以期通過增加材料系統(tǒng)復(fù)雜性的方式來提升材料性能。研究人員開發(fā)出一種名為USPEX的進(jìn)化算法(人工智能算法中的一種),成功預(yù)測了鎢-鉬-硼材料體系中的超硬三元化合物結(jié)構(gòu),與二元化合物相比顯示出更好的硬度與斷裂韌性,其中一些材料屬于高熵合金。這項研究為尋找新型超硬硼化物材料奠定了基礎(chǔ)。

    高熵合金一般由相等或相似比例的四種或更多元素組成,理論上可以組合出無限種合金組合,并且具有出色的機(jī)械、熱、物理和化學(xué)性能,目前已開發(fā)出多種耐腐蝕、耐高溫、耐低溫、高強(qiáng)度合金。但是新型高熵合金的設(shè)計往往基于反復(fù)試驗,需要花費(fèi)大量時間和高額成本。2020年11月,韓國浦項科技大學(xué)開發(fā)了一種使用人工智能進(jìn)行高熵合金相位預(yù)測的技術(shù)。研究團(tuán)隊開發(fā)的人工智能技術(shù)在模型優(yōu)化、數(shù)據(jù)生成和參數(shù)分析等三個方面進(jìn)行了深度學(xué)習(xí),可提高高熵合金相位的可預(yù)測性和可解釋性。研究結(jié)果有望大大減少現(xiàn)有新材料開發(fā)過程所需的時間和成本,未來可用于開發(fā)新的高熵合金。

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