2015年，國(guó)外軍用航空材料技術(shù)繼續(xù)保持迅速發(fā)展勢(shì)頭，面向新一代航空武器裝備的新材料發(fā)展態(tài)勢(shì)逐漸明朗，主要體現(xiàn)在：

    ——復(fù)合材料正向小型零件、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子及導(dǎo)電結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域應(yīng)用延伸；

    ——傳統(tǒng)金屬深入挖掘潛力，重點(diǎn)提升不銹鋼的耐腐蝕性、通過(guò)復(fù)合化開(kāi)發(fā)超輕量級(jí)金屬；

    ——無(wú)粘、耐磨、高溫耐蝕涂層材料，輕質(zhì)防火密封材料，以及透明尖晶石防彈材料等特種功能材料的應(yīng)用研究邁上新臺(tái)階；

    ——氮化鎵、超材料、石墨烯等材料在電子信息功能領(lǐng)域大放異彩。

    一、復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大

    2015年，高性能復(fù)合材料技術(shù)的重大進(jìn)展體現(xiàn)以下三個(gè)方面。

    一是，樹(shù)脂基復(fù)合材料小型零件低成本制造研究啟動(dòng)。質(zhì)量9千克以下的軍用零部件，采用復(fù)合材料制造存在成本過(guò)高和周期長(zhǎng)等問(wèn)題，目前仍由傳統(tǒng)鋁合金材料制造。針對(duì)這一問(wèn)題，2015年9月DARPA啟動(dòng)“可設(shè)計(jì)給料和成形”項(xiàng)目，旨在開(kāi)發(fā)柔性成形解決方案，用統(tǒng)一的模塊、通過(guò)不同的組合生產(chǎn)多種零件，以縮短復(fù)合材料小型零件的加工周期，將軍用系統(tǒng)的零件修改、重新設(shè)計(jì)、制造及定型的周轉(zhuǎn)時(shí)間減少50%（從現(xiàn)在6年減少到3年），并有望將復(fù)合材料小型零件成本降至與金屬的相當(dāng)。

    DARPA針對(duì)小型復(fù)合材料零件應(yīng)用啟動(dòng)“可設(shè)計(jì)給料和成形”（TFF）

    二是，陶瓷基復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子件開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，新型高溫樹(shù)脂基復(fù)合材料開(kāi)發(fā)成功。陶瓷基復(fù)合材料（CMC）制成的渦輪葉片僅為傳統(tǒng)鎳基合金重量的1/3，且無(wú)需氣冷，氣動(dòng)效率更高，各國(guó)都在大力研究。2015年2月，通用電氣在F414渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)驗(yàn)證機(jī)上，成功完成世界上首個(gè)CMC低壓渦輪葉片運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)500個(gè)工作循環(huán)，證實(shí)了CMC材料制造的渦輪葉片具有極強(qiáng)的耐高溫和耐久性能，可用于第六代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和下一代商用發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，美空軍研究實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)出了取代鈦合金的新型高溫樹(shù)脂基復(fù)合材料，目標(biāo)是應(yīng)用第六代戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)及現(xiàn)役F135和F110航空發(fā)動(dòng)機(jī)；如用于替換B-2轟炸機(jī)和F-22戰(zhàn)斗機(jī)上的鈦合金部件，可減重達(dá)40%，并提高抗疲勞強(qiáng)度，延長(zhǎng)服役壽命。目前該實(shí)驗(yàn)室已完成高溫聚酰亞胺基復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)，下一步重點(diǎn)是開(kāi)展應(yīng)用研究。

    美空軍實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)新型高溫樹(shù)脂基復(fù)合材料取代鈦合金

    三是，納米復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電等多功能。2015年8月，歐盟歷時(shí)4年、投資5100萬(wàn)歐元，完成了“智能飛機(jī)結(jié)構(gòu)”項(xiàng)目，研究人員在碳纖維層壓板間布置碳納米管隔層，并注入樹(shù)脂。通過(guò)試驗(yàn)機(jī)翼驗(yàn)證表明，采用碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料，能有效提高復(fù)合材料的損傷容限和電導(dǎo)率，解決結(jié)構(gòu)中布置電纜的問(wèn)題，節(jié)省成本和重量，并改善復(fù)合材料結(jié)構(gòu)電氣接地特性。目前碳納米管復(fù)合材料仍處在實(shí)驗(yàn)室研制階段，正為工業(yè)化生產(chǎn)做準(zhǔn)備。

    二、高性能金屬結(jié)構(gòu)材料持續(xù)發(fā)展

    2015年，金屬材料繼續(xù)與復(fù)合材料迅猛發(fā)展的勢(shì)頭競(jìng)爭(zhēng)，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

    一是，新型耐蝕不銹鋼取代現(xiàn)有鋼和鈦合金起落架已進(jìn)入小批試用?？湛凸菊c多個(gè)合作伙伴開(kāi)發(fā)新的耐蝕不銹鋼“CRES”，擬用于未來(lái)飛機(jī)的起落架，其固有的金屬耐腐蝕性能消除了傳統(tǒng)鋼和鈦合金所需的鎘和鉻酸鹽耐腐蝕涂層，強(qiáng)度與現(xiàn)有鋼材相當(dāng)，成本僅為鈦合金一半，且具有進(jìn)一步降低成本的潛力。目前有9架A320飛機(jī)的主起落架組件已采用CRES鍛件制成?？湛凸居?jì)劃開(kāi)展CRES起落架服役評(píng)估，如評(píng)估效果理想將開(kāi)始工業(yè)化生產(chǎn)。

    二是，鈦鋁金屬間化合物用于發(fā)動(dòng)機(jī)低壓渦輪葉片已獲得適航認(rèn)證。2015年3月德國(guó)MTU航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司宣布，已開(kāi)發(fā)出新型輕質(zhì)鈦鋁金屬間化合物（TiAl），可用于高溫高應(yīng)力發(fā)動(dòng)機(jī)組件；以該化合物制成的低壓渦輪葉片已于2014年9月在A320neo上完成首飛，12月獲得適航認(rèn)證。TiAl渦輪葉片的重量約為鎳合金組件的一半，力學(xué)性能與其相當(dāng)；熔點(diǎn)、蠕變強(qiáng)度、抗氧化和耐腐蝕性高于鈦合金。MTU公司正開(kāi)發(fā)增強(qiáng)型TiAl合金，擬進(jìn)一步提高渦輪葉片性能。

    三是，首個(gè)可浮水面的超輕金屬基復(fù)合材料問(wèn)世。2015年5月，美研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出首個(gè)輕量級(jí)鎂基復(fù)合材料，其密度輕于水，僅0.92克/立方厘米，且擁有足夠強(qiáng)度，能承受超過(guò)172兆帕的壓強(qiáng)，可用于制造飛機(jī)次承力結(jié)構(gòu)組件。目前該項(xiàng)技術(shù)已接近成熟，有望在三年內(nèi)進(jìn)行原型測(cè)試。

    美國(guó)紐約大學(xué)開(kāi)發(fā)的超強(qiáng)金屬泡沫

    三、特種功能材料不斷更新

    特種功能材料對(duì)于軍事武器裝備發(fā)展至關(guān)重要。2015年，航空特種功能材料的進(jìn)展有以下三個(gè)方面。

    一是，飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)多種涂層技術(shù)獲得突破。昆蟲(chóng)殘留導(dǎo)致飛機(jī)機(jī)翼凹凸不平，增加阻力。為減少蟲(chóng)害殘留，NASA研究人員受荷葉表面粗糙的微結(jié)構(gòu)啟發(fā)，長(zhǎng)期研究不同化學(xué)和表面粗糙度的涂層。2015年9月，NASA和波音的研究人員在波音757eco驗(yàn)證機(jī)右翼前緣測(cè)試了五種涂層，其中一種顯示良好效果，與未涂覆的左翼對(duì)比，減少了40%昆蟲(chóng)殘余。此外耐磨防偽涂層方面，目前美國(guó)空軍的首選是聚亞胺酯油漆，適用中溫條件，高溫長(zhǎng)期抗磨損性能差且容易老化，需頻繁修理和重新涂層。2015年，美國(guó)空軍與小企業(yè)合作開(kāi)發(fā)了一種創(chuàng)新的Proteckt高溫耐磨涂層。驗(yàn)證結(jié)果表明，Proteckt高溫涂層在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下抗磨損性提高了20倍。該涂層能直接用于美國(guó)空軍武器系統(tǒng)，預(yù)計(jì)將為每架F-35戰(zhàn)斗機(jī)節(jié)省大約1400萬(wàn)美元的全壽命周期費(fèi)用。

    二是，新型防火密封材料已試驗(yàn)。防火密封材料是航空領(lǐng)域具有挑戰(zhàn)性的基礎(chǔ)技術(shù)，平均一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)短艙和推力反向裝置包含超過(guò)100個(gè)防火密封件。為滿足ISO 2685煤油防火標(biāo)準(zhǔn)，科德寶密封技術(shù)公司在2015年試驗(yàn)了一種新的硅有機(jī)樹(shù)脂防火材料，能替代現(xiàn)用防火密封材料，且重量更輕、原材料成本和模塑工藝更簡(jiǎn)單、生產(chǎn)成本更低。

    科德寶密封技術(shù)公司在試驗(yàn)一種新的硅有機(jī)樹(shù)脂防火材料

    三是，尖晶石材料有望用于防彈窗和軍用光學(xué)系統(tǒng)。尖晶石比玻璃韌性和硬度更高，所以更耐風(fēng)沙和雨水侵蝕，在更惡劣的環(huán)境為觀察窗后的操作人員提供更好的保護(hù)。美海軍研究實(shí)驗(yàn)室的改進(jìn)的尖晶石可被制成多種形狀，如飛機(jī)防彈窗、無(wú)人機(jī)機(jī)翼等，還可熱壓加工形成寶石，經(jīng)過(guò)研磨和拋光，增強(qiáng)光學(xué)性能，優(yōu)化軍事成像系統(tǒng)。對(duì)于對(duì)重量敏感的平臺(tái)如無(wú)人機(jī)，以及頭盔式面罩，這將是一項(xiàng)顛覆性的技術(shù)。

    四、電子信息功能材料日新月異

    2015年，電子信息功能材料的突出進(jìn)展主要有以下三個(gè)方面。

    一是，基于氮化鎵材料的數(shù)字陣列行收發(fā)器為下一代雷達(dá)奠定基礎(chǔ)?；诘墸℅aN）技術(shù)，洛馬公司在2015年推出數(shù)字陣列行收發(fā)器（DART），它可使洛馬公司現(xiàn)有的雷達(dá)產(chǎn)品達(dá)到更高性能，且由于效率提高，全壽命周期成本降低。研究結(jié)果表明，雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)論是新研還是升級(jí)改造，現(xiàn)在采用氮化鎵都是一個(gè)低風(fēng)險(xiǎn)解決方案。

    二是，超材料打開(kāi)集成光子電路的大門(mén)。哈佛大學(xué)研究小組利用濺射沉積形成單晶銀膜，然后通過(guò)精密電子束光刻和等離子刻蝕等手段，將銀晶體切割成納米脊線，制備出此前僅限于理論研究的二維“雙曲表面超材料”，應(yīng)用于集成光子電路時(shí)，光學(xué)損耗比普通超材料低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。除具有低損耗和無(wú)衍射傳播特性之外，這種新的表面材料還能控制可見(jiàn)光波長(zhǎng)和反射路徑。這項(xiàng)工作打開(kāi)集成光子電路的大門(mén)，在成像、傳感和量子信息領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。

    三是，石墨烯成就高精度光學(xué)探測(cè)器。德國(guó)通過(guò)對(duì)碳化硅襯底上一個(gè)微小的片狀石墨烯加上天線，開(kāi)發(fā)出一種新型高精確度光學(xué)探測(cè)器，可以迅速反射所有不同波長(zhǎng)的入射光。首次實(shí)現(xiàn)了單個(gè)檢測(cè)器從可見(jiàn)光到紅外輻射甚至到太赫茲輻射范圍的全光譜監(jiān)測(cè)。該探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)除了精度達(dá)到秒，所有的測(cè)量可在室溫下進(jìn)行，避免了其他探測(cè)器所需的昂貴、費(fèi)時(shí)的氮?dú)饣蚝饫鋮s過(guò)程?？茖W(xué)家們已開(kāi)始用此探測(cè)器進(jìn)行激光系統(tǒng)的精確同步。

    五、結(jié)束語(yǔ)

    材料技術(shù)是航空武器裝備發(fā)展的基礎(chǔ)。“一代材料，一代軍機(jī)”，材料技術(shù)的不斷進(jìn)步，為軍機(jī)的更新?lián)Q代提供重要支撐。2015年是航空材料技術(shù)快速發(fā)展的一年，在各個(gè)不同技術(shù)領(lǐng)域均取得大量成果，體現(xiàn)出以新一代航空裝備研制及現(xiàn)役裝備升級(jí)改造需求為牽引、綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性、充分重視新材料的應(yīng)用研究三個(gè)特點(diǎn)。展望2016年，航空材料技術(shù)將在以下幾個(gè)方面繼續(xù)取得突出進(jìn)展：復(fù)合材料技術(shù)不斷改進(jìn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)體小部件上的應(yīng)用比例繼續(xù)擴(kuò)大，向多功能化、輕量化方向發(fā)展；傳統(tǒng)金屬材料與復(fù)合材料競(jìng)爭(zhēng)將加劇，金屬材料成分設(shè)計(jì)和制備工藝的創(chuàng)新有望掀起金屬回歸的熱潮；仿生技術(shù)、納米技術(shù)為特種功能材料的發(fā)展提供支撐；超材料、石墨烯等新材料將主導(dǎo)電子信息領(lǐng)域。

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責(zé)任編輯：王元

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