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航天新型高性能材料大匯總及最新研究進展

時間:2018-05-10 來源:搜狐網 作者:研究谘詢部 點擊:845

0 引言

世界各國高度重視AG手机平台發展,推出多項戰略政策推進AG手机平台技術的發展。發達國家AG手机平台產業各具特色,側重領域各不相同: 美國注重科技領域的研發,並保持全球領先地位; 日本既重視對AG手机平台的研發,又不忘改進現有材料的性能,利用有限資源發揮最大作用; 歐盟AG手机平台科技戰略目標是保持在航天材料等領域的競爭優勢。

本文詳細闡述了國際航天AG手机平台的研究與應用現狀,重點介紹了國內航天新型材料的研究成果,指出了航天新型材料未來的發展趨勢。

1 高性能輕質金屬合金

為滿足導彈、火箭等航天裝備平台輕量化、高可靠、高推比等發展需求,目前國外大力發展的高性能輕質金屬合金主要包括第三代鋁鋰合金、高強鎂合金、低成本鈦合金、耐高溫合金等。

1.1 第三代鋁鋰合金


上世紀 20 年代,德國研製出第一代鋁鋰合金。缺點很明顯,如延展性弱、韌性差、加工困難和價格昂貴等,沒有引起足夠重視[1]。1970 年後,歐美等國研製出了第二代鋁鋰合金產品,包括前蘇聯的 1420 鋁鋰合金和美國的 2090 鋁鋰合金等。第二代鋁鋰合金也存在問題,包括強度不高、塑形較低等[2]。

2013 年,加拿大肯聯公司推出的Air Ware 係列第三代鋁鋰合金已用於空中客車公司的A350、龐巴迪公司的C 係列飛機以及F-16、F-18 等軍用飛機,組織模式如圖1 所示[3]。美國航空界將這種AG手机平台稱為“超級合金”,被美刊評為2013 年航空十三個重大事件之一。第三代鋁鋰合金在添加鋰元素時,更加注重合金強度與疲勞裂紋擴展性能之間的平衡。通過降低鋰含量( 降低至1wt% ~ 2wt%) 及優化熱處理製度,獲得良好的綜合性能。用其製造飛機結構,可使飛機結構減輕25%,耐蝕性比傳統鋁鋰合金高出46%,抗疲勞性能提高25%,飛機降低阻力6%。此外,與複合材料比較,可加工性也得以改善,可使用傳統鋁合金製造工藝進而降低風險與成本,利用現有加工設備及供應鏈等,還可100%回收。未來應用對象鎖定在A320 及波音737 的後繼窄體客機上,也準備用於軍用飛機F-35、F-16 和F-18 的隔框、蒙皮及其他結構件。

今後鋁鋰合金的發展還要加強以下方麵的研究:

(1)增加鋁鋰合金的韌性、塑形和強度;(2)降低鋁鋰合金的結構質量;(3)改善鋁鋰合金的各向異性。

1.2 高強鎂合金

20世紀40年代,鎂合金獲得了飛速發展[4]。但由於價格昂貴的原因,鎂合金的研究出現停滯。

近年來,由於環境和能源問題越來越突出,以及鎂合金巨大的性能潛力和優勢,鎂合金的研究和應用日益受到德、美、加等發達國家和地區的高度重視,均相繼出台了鎂合金研究計劃進行技術攻關,投資金額總和達數億美元。德國科學技術協會牽頭,啟動了由德國克勞斯塔大學和漢諾威大學負責組織實施、歐洲最大的鎂合金與鎂合金壓鑄項目“SFB390”,項目金額超過5300萬歐元,主要目標是研究鎂合金在結構件中的應用[5]。加拿大聯邦政府及魁北克省與海德魯公司共同投資1140 萬加元成立了一個新的鎂合金研究中心,其宗旨在於通過優化設計工藝及材質,獲得具有優良性能的鎂合金壓鑄零部件,從而進一步拓寬鎂合金的應用領域。

鎂合金通過合金化,與稀土元素形成穩定的高溫相,以提高鎂合金的高溫性能。

采用時效強化與形變強化可以提高合金的強度和韌性,美國科學家的研究結果表明,通過擠壓與熱處理複合處理後的ZK60 鎂合金,強度及斷裂韌性均得到極大的提高[6]。當前國外變形鎂合金的室溫屈服強度最高達到300 MPa,延伸率達到5%。

鎂合金質量輕是其在航空航天中應用的最主要因素,隨著鎂合金的研究繼續開展,在航空航天中的應用將會越來越普遍。

1.3 低成本鈦合金

圖2 是飛機結構中鈦用量隨年代的變化[7]。由於其價格昂貴,常用於承力大的關鍵部位。為擴大鈦合金的使用量,國外積極研製新型低成本鈦合金。美國Allegheny 技術公司也采用鐵元素代替釩元素和富氧技術,研製了新配方Ti-4Al-2.5V-1.5Fe-0.25O鈦合金,其性能類似於Ti-6Al-4V 合金,具有優良的冷成形和熱加工性能,但價格比航空航天用的Ti -6Al-4V 合金約低20%。

鈦合金作為發動機材料雖有巨大優勢,也同樣麵臨極大挑戰[8]:

(1) 鈦合金的性能在高溫條件下還不達標;(2) 鈦合金的價格過高。

1.4 耐高溫合金

高溫合金是指以鐵、鎳、鈷為基體材料,能在高溫和應力作用下長期工作的特定金屬材料[9]。高溫合金在600℃以上具有良好的強度、塑性、韌性和疲勞性能等。經過數十年的發展,高溫合金已較為成熟,並在武器裝備動力裝置上獲得廣泛應用。隨著材料的更新換代,發動機的渦輪進口溫度也從第一代的777~1 027℃躍升至第四代的1 577~1 715℃。

與純金屬及合金材料相比,金屬間化合物具有極好的耐高溫和耐磨性能。為此,近年來國外針對金屬間化合物的基礎性研究、成分設計、工藝流程的開發以及應用開展了大量工作,用於替代傳統的鎳基高溫合金、鎳基單晶合金等。其中Ti-Al 合金發展最為迅速,富铌悖璗iAl 合金已發展到第三代,塑性和韌性都有很大提高,已在航空發動機葉片中得到大量應用,鑄造悖璗iAl 低壓渦輪葉片在PW1000G、Leap-1B、Leap-1C 的用量預計達到120 萬片,至2014 年PCC公司製造的Ti-Al 葉片年產量已達到4 萬片[10]。

2 複合材料

複合材料具有比強度高、加工成形方便、抗腐蝕能力強等特點,利用其取代傳統的鋼、鋁合金等材料製造武器裝備結構件,可以在保證武器裝備性能的同時,大大減輕裝備的質量。目前國外大力發展的航天高性能複合材料主要包括樹脂基複合材料、鋁基複合材料和陶瓷基複合材料等。

2.1 樹脂基複合材料

樹脂基複合材料是以聚合物為基體,纖維為增強體複合而成[11]。因此,樹脂基複合材料的用量已經成為衡量航空航天技術發展的重要標誌。圖3 為樹脂基複合材料和輕質金屬材料的比強度和比模量。

美國戰斧巡航導彈大量采用了複合材料,如頭錐采用了Kevlar /聚酰亞胺,雷達天線罩、進氣道采用了玻璃纖維/環氧樹脂,進氣道整流罩采用了碳纖維/聚酰亞胺,尾翼采用了玻璃纖維/環氧樹脂、Kevlar /環氧樹脂,尾錐使用了玻璃粗紗/環氧樹脂等。美國“侏儒”小型地對地洲際彈道導彈三級發動機燃燒室殼體由碳纖維/環氧樹脂纏繞製作; 三叉戟( D-5) 第一、二級固體發動機殼體采用碳/環氧製作,其性能較Kevlar /環氧提高30%[12]。

熱塑性樹脂用作複合材料基體,在斷裂韌性、衝擊強度和吸濕等方麵都優於熱固性樹脂基體,在耐高溫、抗濕熱、抗衝擊、熱穩定性、損傷容限等方麵都大大優於環氧樹脂係統,已成為複合材料樹脂基體的發展趨勢。近些年,由於纖維增強熱塑性複合材料在生產方麵取得了顯著進步,極大降低了材料成本,提高了可用性,已在導彈彈體和發動機殼體設計和應用方麵得到重視。美國陸軍提出了要開發纖維增強熱塑性複合材料導彈圓筒形接縫結構的熔接工藝、材料和分析技術,用於導彈發動機和彈體圓筒形接縫處的圓筒形接縫處的熔接。美國聖地亞哥複合材料公司設計了一種熔接機,可用於加工熱塑性複合材料圓筒,應用於導彈結構件。

2.2 鋁基複合材料

碳化矽/鋁基複合材料的強度在碳化矽纖維含量較低時也遠比超硬鋁高。由於成本較鈹材低得多,還可以替代鈹材用作慣性器件,已被用於美國某導彈慣性製導係統和慣性測量單元。

美國哈勃太空望遠鏡的高增益天線杆結構采用P100 超高模量碳纖維( 40vol%) 增韌的6061 鋁基複合材料[13],采用擴散粘接工藝製造,確保了太空機動飛行時天線的方位,它還由於具有良好的導電性能,從而提高了波導功能,保障了航天器和天線反射器之間的電信號傳輸,整個部件比碳/環氧材料輕63%。

2.3 陶瓷基複合材料

陶瓷基複合材料以其優異的耐高溫性能、高溫力學性能等成為熱結構材料的候選,在導彈領域有著極為重要的應用前景。美國、法國等國家開展了深入研究,針對長期飛行和工作的導彈設計了帶有冷卻結構的C /SiC 複合材料夾層結構,並研製出帶主動冷卻結構的超燃衝壓發動機燃燒室[14]。

目前,法國航空航天研究院已用纖維纏繞法生產出直徑150 mm、長度100 mm 的筒形件及其他複雜形狀構件。據稱這種AG手机平台製造成熟度已達到4 級。

試驗件的初步試驗表明,此材料能耐1 000℃高溫,可滿足“高超聲速飛行器”計劃試飛的第一階段要求;第二階段將把材料的耐熱溫度提高到2000℃以上,達到飛行速度超過8 馬赫的要求。新型陶瓷基複合材料的問世,為導彈及航天飛行器材料提高高溫強度、韌性、抗氧化性和顯著降低成本提供了新的可能。

複合材料曆經多年發展,配套技術已經趨於成熟,現還需加強以下方麵研究:

(1)研發新型低成本輕量化複合材料;(2)開展智能化複合材料製備技術;(3)增強微納米複合材料技術的發展。

3 特種功能材料

為滿足載人飛船的返回艙、重複使用的運載器( 如航天飛機) 、洲際導彈等再入大氣層時對防熱與隔熱的要求,以及保障低軌道航天器的空間防護,國外航天領域積極研發和應用特種功能材料。

3.1 高溫合金材料

高溫合金是航空航天發動機部件的重要材料[15]。傳統高溫合金已經接近其使用溫度上限,無法通過調整成分比例來進一步提高使用溫度,隻能求助於新型工藝途徑,如定向凝固高溫合金等( 圖4) 。

美國NASA 馬歇爾空間飛行中心研發出彌散強化的鉬-錸合金,采用真空等離子噴塗製造耐高溫部件。與其他同等的非彌散強化的鉬-錸合金相比,研發出的合金高溫性能得到提高。

美國DARPA 授予奎斯塔克公司“小企業創新研究計劃”項目,應用該公司的材料設計技術,研發具有更大延展性、抗氧化性和1 300℃以上蠕變性能優異的鉬基合金。公司計劃開發基於傳統多組分熱力學和靈活性數據庫的程序結構和結構性能模型,並利用這些工具和模型來設計可通過傳統工藝製造的先進鉬基合金。改進的鉬基合金可望用於下一代運載火箭部件。

3.2 多層隔熱材料

多層隔熱材料是通過減少熱輻射的傳遞來隔熱,其原理見圖5[16]。

美國NASA 戈達德航天中心開發出用於微流星體防護的氣凝膠基多層隔熱材料[17]。這種材料是將超低密度、高疏水性、纖維增強氣凝膠材料( 2.5 ~ 3. 8cm 厚的氣凝膠層) 集成到多層隔熱材料上,形成一體化的隔熱材料。氣凝膠層具有高的抗壓強度,可抵抗高速衝擊; 多層隔熱材料具有非常有效的隔熱性能,二者集合在一起,使得這種一體化的隔熱材料具有卓越的熱性能和顯著的堅固性,從而實現真正的微流星體防護。

多層隔熱材料的缺點就是成本過高,還需要降低其成本進行推廣應用。

3.3 熱防護材料

熱防護材料是保護飛行器免受高速飛行時熱環境傷害的重要組成部分。

1960 年開始,美國研製出了一係列陶瓷隔熱瓦。

這是美國高超聲速飛行器的隔熱結構設計過程中重要的候選材料。歐洲的超高聲速飛行器也采用了類似隔熱瓦的技術,如德國采用多孔納米材料作為隔熱層,俄羅斯采用玻璃纖維作為巡航導彈的熱防護材料。

近年來,法國空客防務與航天公司( ADS) 完成了歐洲Exo Mars 任務所需的兩個熱防護罩的建造[18]。

該艙擁有前後兩個熱防護罩,其中前熱防護罩直徑為2.4 m,質量為80 kg,由覆蓋90 片防熱瓦的碳夾層結構組成,在進入大氣層階段將承受1 850℃以上的高溫; 後熱防護罩質量僅為20 kg,由固定在碳結構上的12 種不同型號的93 片防熱瓦構成,並包含一個下降階段展開的降落傘。探測器的科學儀器集成在前熱防護罩中,在發射準備的最終組裝前完成後熱防護罩的裝配。公司曾成功研製“惠更斯”探測器所用的熱防護罩,目前正在研究下一代熱防護材料和係統,用於外星球或空間站的樣品返回。

超高速飛行器需要承受進入大氣層時超過2000℃的高溫,而超高溫陶瓷的熔點在3 000℃以上,是理想的候選材料。英國倫敦帝國理工學院先進結構陶瓷中心研究人員不但對超高溫陶瓷進行了航天領域的適用性試驗,還探索了不同添加劑對材料性能提高的可行性,發現HfC 可作為保護超高速飛行器的熱防護材料。

隨著飛行器飛行速度的提高,對熱防護材料性能的需求也日益提高,熱防護材料需要在以下方向加強研究。

(1)可重複使用的耐高溫熱防護材料熱防護材料除了耐高溫之外,還需要增加反複承受高速飛行時環境傷害的能力,進而降低成本。

(2)超高溫熱防護材料飛行器在高速飛行中,局部溫度非常高,此處使用的熱防護材料應具有耐超高溫、高效隔熱等特點。

3.4 微流星體軌道碎片防護材料

流星體是指存在於太陽係內高速運轉的固體顆粒。而碎片是指宇宙空間中除正在工作的飛行器以外的人造物體。航天飛行器在這樣的環境中運行,損傷難以忽視,如圖6 所示[19]。因此,碎片問題不僅是設計和發射航天器時必須考慮的一個因素,也是維護空間環境安全的一個重要方麵[20]。

美國NASA 噴氣推進實驗室研製出可用於航天器微流星體軌道碎片防護的新型金屬合金如塊狀玻璃合金( BMG,也稱非晶態合金) 及其複合材料[21]。

BMG 不但具有極高的強度和硬度、較低的密度,還易於成形。用柔性結晶相增強的BMG 基複合材料,不僅保留了BMG 的高硬度(比鋁合金硬6 倍) 、較低密度(是鋁合金密度的1/2 倍) 、低熔化溫度(與鋁合金相同) 等性能,使得采用BMG 作為航天器的防護屏,可有效地氣化撞擊進來的碎片,同時確保被撞擊的局部防護屏易熔化或氣化,從而阻止固體碎片撞擊到航天器外壁。利用速度達7 km/s 的鋁彈丸對新防護屏和國際空間站現役防護屏( Kevlar 纖維製造) 進行比較,測試結果表明,新防護屏比傳統防護屏能更有效減緩來自鋁彈丸的衝擊力。BMG 及其複合材料能支撐大型薄板和麵板,且具有極好的力學性能,有望成為未來航天器微流星體軌道碎片防護的優選材料。

4 石墨烯材料

石墨烯微觀結構是碳原子組成的二維蜂窩網格( 圖7) [22],單層石墨烯材料隻有一個碳原子直徑厚( 0.335 nm) 兼具半導體和金屬屬性。

主要特性有: 良好的電學性能,室溫下電子遷移率是矽的100 倍,比表麵積可達2 630 m2 /g; 較好的力學性能,材料結構穩定,抗拉強度125 GPa,是鋼的100 倍以上; 突出的熱學性能,熱導率達5.3 kW/( m·K) ; 優異的光學性能,單層石墨烯的可見光透光率達97.7%。石墨烯材料可應用於軍用電子係統、能源、防護、後勤保障、隱身係統等領域,推動航天武器裝備發展實現重大創新。

4.1 軍用電子係統用石墨烯

石墨烯電路具有更高的工作頻率,可以替代現有的半導體電路。2012 年, IBM 公司研製出截止工作頻率300 GHz 的石墨烯場效應晶體管[22],比同尺寸矽場效應晶體管高7.5 倍,改進後有望突破1 THz。

波蘭DCD 公司2012 年開發出世界首款石墨烯處理器,電子在處理器中的運動速度接近光速,功耗比同類矽產品降低90%。這兩項新突破將對高速集成電路、高性能計算機、軍用雷達等發展產生重要推動作用。

2013 年,美國西北大學研發出高導電性石墨烯柔性電極[23],可用於生產大幅麵、可折疊精密顯示設備。應用該技術製造的軍用電子地圖等顯示設備將更加輕質、便攜。2015 年,美國萊斯大學的研究人員采用一種“激光誘導石墨烯”( LIG) 的方法誘導石墨烯生產,用於柔性電容器的生產。上述材料可望用於航天電子係統中。

4.2 高功率武器裝備用石墨烯

石墨烯巨大的比表麵積使其成為高功率激光器的核心材料,也可用於製造容量大、充放電迅速的超級電容和電池,解決電磁導軌炮、定向能武器等儲能需求高、充放電速度快的技術難題。2013 年,美國萊斯大學製造高比容微型石墨烯鋰電池[22],比容達到204 mA·h /g,厚度僅0.01 靘,充放電時間20 s,試驗表明充放電1 000 次後,電容量僅損耗10%。2014 年11 月,美國萊斯大學科學家發明了一種新型的石墨烯/納米管複合陰極,可使廉價柔性的染料敏化太陽能電池更實用化,光電轉換能力提高了20%。2015年6 月,韓國三星公司通過將高結晶石墨烯的合成新方法應用到高容量矽陰極,發明了新型“高度結晶石墨烯編碼的”矽陰極材料,大幅提升了鋰離子電池的電容量。上述材料可望用於航天武器裝備的超級電容和電池中。

4.3 軍用防護材料用石墨烯

利用石墨烯超薄、超輕、超抗壓特點製出的新型材料,可用於替換防彈衣中的芳綸等材料,在減輕質量的同時還能提高防護能力。實驗證明,石墨烯承受子彈衝擊的性能勝過鋼鐵和防彈衣材料。澳大利亞2012 年研發的石墨烯殼體材料較普通鋼殼體減輕83%,而屈服強度提升12 倍。另外,石墨烯可用於製作超強耐腐塗層。美國布法羅大學同年研發出石墨烯塗料,鋼材塗覆該材料後可浸泡在濃鹽水中一個月不鏽。上述材料可望用於航天武器裝備的防護材料中。

4.4 戰場後勤保障用石墨烯

石墨烯水淨化設備具有低耗、高效的特點。2012年,美國MIT 通過采用石墨烯淨化海水,實現了海水的快速淨化。2013 年,美國洛馬公司大力推進石墨烯海水淨化係統研究,並計劃年底完成樣機測試。該係統的水淨化速度比當前反滲透薄膜快數百倍。該技術一旦發展成熟並應用於航母、潛艇等大型海上作戰平台,將可大幅減少平台淡水攜帶量,增加燃油及武器裝備裝載量,增強平台海上持續作戰能力。

4.5 軍事隱身係統用石墨烯

石墨烯材料良好的微波吸收特性使其在航天裝備隱身方麵也有巨大的潛力。2011 年,意大利薩皮恩紮大學通過試驗證明石墨烯材料比傳統吸波材料吸波頻帶更寬、吸收能力更強。此外,近年國外重點關注石墨烯複合材料熱傳導特性方麵的應用,美國防先期研究計劃局2012 年已完成石墨烯高分子聚合物為集成電路處理器芯片散熱的試驗,散熱性能( 熱導率) 提升22 倍。

5 超材料

目前,公認的超材料定義是: 對內部結構人工合理設計的,從而具有常規材料不具備的超常物理性能的材料。超材料是繼高分子材料、納米材料之後材料領域又一重大突破,將對世界科技發展產生重要影響,並有可能成為一種前途不可限量的新型材料。

發達國家高度重視超材料的研究並給予長期支持。美國軍方確定超材料技術率先應用於最先進的軍事裝備。2012 年,美國國防部長辦公室將超材料列為六大顛覆性基礎研究領域之一,美國軍方支持超過90 家企業進入超材料研究應用領域。日本政府也將超材料列入學術研究的重點,成立了各種超材料研究所,並表示在下一代戰鬥機中將使用超材料技術。

俄羅斯也將超材料技術列為下一代隱形戰鬥機的核心關鍵技術。在航天領域上逐步應用也是美國、日本、俄羅斯等國家開展超材料應用研究的拓展方向。

5.1 表麵隱身用超材料

目前,超材料在可見光隱身、紅外隱身和聲波隱身方麵均取得重大進展。在光隱身方麵,2008 年美國加利福尼亞大學在美國國防部和能源部資助下,利用銀和鎂的氟化物以及納米銀線複合交替堆疊製造出一種“隱身鬥篷”[24],可使自然界中的可見光和近紅外光發生逆轉。2012 年,俄羅斯和丹麥研究人員使用摻雜鋁的氧化鋅製備了在近紅外波段隱身的新型鋁: 氧化鋅/氧化鋁材料。在聲波隱身方麵,2014年,美國杜克大學研製出世界首個三維“隱身鬥篷”[25],可以讓聲波輕易的繞過,這必將對隱身飛行器的開發產生巨大的推動作用。

5.2 雷達罩用超材料

軍用飛機的天線罩除保護天線免受環境影響之外,還需要為天線提供隱身防護功能,免受敵方雷達的探測。傳統透波材料製成的天線罩在增加厚度以滿足耐壓性能的同時,往往會因為熱損耗和反射損耗等因素使天線的輻射方向圖變差,降低天線的性能。

在雷達罩中引入超材料覆層,可以不改變雷達罩外形,促使電磁波隻能在垂直方向附近的小角度內傳播,其他方向的傳播被限製。2008 年,法國科學家設計了一種開口環共振器結構的超材料雷達罩,操作頻率為2.17 MHz,增益提高了3.4 dB,方向性提高了2.9dB。2012 年,美國國防部通過中小企業技術轉移項目資助納米聲學有限公司開展有關E-2 預警機大型雷達罩材料的研究,目的是利用超材料技術解決E-2原天線罩存在的結構肋條導致天線圖產生偏差的問題,取得了較好的效果[26]。

5.3 平板天線用超材料

采用超材料製作的平麵天線替代傳統拋物麵天線的反射麵,一方麵帶來的是形狀更流線化、尺寸小型化、設備減重; 另一方麵可對參數進行調整,使電磁波可以多向、多個頻率的傳播。2011 年,美國洛馬公司開發了一種可用於衛星等航天器的新型三維超材料天線,具有低能耗、質量輕、寬帶大、能量利用率高和價格便宜等優點,對降低航天器的發射費用和結構質量具有重要作用。2012 年,印度國家技術研究所采用左手和右手結合的傳輸線型超材料設計了橢圓形零階諧振天線,目的是解決零階諧振天線工作頻帶帶寬比較窄的問題[27]。2014 年4 月,BAE 係統公司和倫敦大學瑪麗女王學院聯合研製出一種可用於新型天線透鏡的新型複合材料,可使電磁波通過平麵天線透鏡聚焦,並具有良好的帶寬性能。該突破解決了傳統材料工作波段窄的問題,可以用於製造嵌入蒙皮的天線,從而提高隱身能力,甚至使飛機、艦艇、無線電和衛星等天線設計產生變革。

5.4 超薄透鏡用超材料

一直以來,顯微鏡、眼鏡和放大鏡的製造都被一條光學規律所限製,即任何小於光波長度的物質都無法觀察到。而超材料製成的“理想透鏡”可以極大地提高分辨率,突破普通鏡片的極限。2012 年,美國密歇根大學完成了一種新型超材料超級透鏡研究,突破了普通光學透鏡的衍射極限,可用於觀察尺寸小於0. 1 靘的物體,且在從紅外光到可見光和紫外光的範圍內工作性能良好。2013 年,美國國家標準與技術研究院展示了由一種能使光回流的銀和二氧化鈦納米交替覆蓋製作成型的超材料平板透鏡[28]。

6 我國航天新型高性能材料的研究成果

6.1 高性能輕質金屬合金

蘭州物理所模擬微重力環境下鋁鋰合金的製備,質量得到減輕,強度得到提高,在航天上的應用更加有優勢[29]。

中國科學院長春應用化學研究所與多家公司合作,在高性能鎂合金的研發和應用方麵取得巨大進展,通過添加一定配比的釔和釓,解決了傳統鎂合金強度不高、耐熱性差、抗蠕變差的關鍵問題。該成果已實現了產業化,為國內外50 多個單位提供高性能鎂合金用於科研和產品研發,不僅顯著推進高性能鎂合金基礎研究的發展,也為高性能鎂合金在航天、汽車和軌道交通的應用奠定了基礎。

在TiAl 合金板材研製方麵,哈爾濱工業大學在國內率先研製出最大尺寸達700 mm×200 mm×( 2 ~ 3)mm 的薄板材[30]。北京科技大學係統研究了高Nb 合金的Nb 的作用機製,獲得了在900℃左右具有較高抗氧化性的TiAl 合金材料[31]。中南大學采用粉末冶金等方法製備了TiAl 合金試樣[32],並研究了各種成分對合金性能的影響。北京鋼鐵研究總院係統研究了Ni元素的影響,獲得性能較理想的TiAl 合金成分,並鑄造出坦克發動機增壓渦輪,還開發了Ti3Al 和Ti2AlNb合金板材,在航天領域進行了初步應用研究[33]。

6.2 複合材料

陳祥寶院士及其團隊曆經多年的潛心研究,通過製備新型固化劑和控製其在環氧樹脂的溶解,解決了複合材料成本過高的問題[34],極大地促進了高性能複合材料應用領域的擴大。目前低溫固化高性能複合材料已在航空、航天領域獲得了廣泛應用。

對高端碳纖維複合材料構件,我國早期主要靠引進國外碳纖維預浸料進行加工。由於加工工藝複雜,我國大多時候隻能加工結構簡單的複合材料組件。

黑龍江科技大學研究出高性能碳纖維預浸料的生產配方和加工工藝,其性能已達世界一流水準,也填補國內高端碳纖維複合材料自主生產的空白[35]。

6.3 特種功能材料

中國科學院金屬所高溫合金GH4169 盤件在主要成分不變的情況下,錠型直徑從406 mm 增大到610 mm,質量也得到一定改善,性能提升顯著[36]。

中南大學研製一種高性能鎢銅電子封裝材料[37]。該產品既有鎢的低膨脹特征,又有銅的高導熱性能。產品主要應用於新型的高性能電子器件中,與Si 等電子材料相匹配,起到散熱和保護的作用。

目前該材料已開始應用於航天大功率脈衝微波管、激光二極管、集成電路模塊、電力電子器件等元器件中。

中國科學院電工研究所成功研製出國際首根10m 量級的高性能122 型鐵基超導長線[38],被稱為“鐵基超導材料實用化進程中的裏程碑”。隨後,研究組對製備過程中涉及的相組分與微結構控製、界麵複合體均勻加工等關鍵技術進行研究,成功研製出長度達11 m 的高性能122 型鐵基超導長線,其傳輸電流性能在10 T 的磁場下超過18 400 A/cm2。研究組開發出采用純銅作為包套材料的高性能122 型超導帶材,在相同橫截麵積內,超導帶材的截流能力是傳統銅導線的數百倍。

光致形變材料是在特定波長光照下,材料本體發生形變的智能材料,可望在光動能轉換領域獲得應用。

中國科學院蘇州納米所在納米級有機染料分子晶體複合光機械響應體係研究取得重要進展,開創性地將N-幔粱?2-羥基-1-萘醛亞胺分子的納米級棒狀分子晶體以梯度分布和選擇性取向的方式原位組裝在聚偏二氟乙烯基質內,獲得了一種新型光致形變薄膜材料。

這種薄膜在弱光照下就會出現形變,脫離光照又可以恢複,這也為光致變形材料的發展提供幫助。我國近年自主研發了填充式Whipple 防護結構[39]。研究表明: 在填充的纖維層總麵密度為0.135 g /cm2 的情況下,Whipple 防護結構的防護性能明顯優於等麵密度的三層鋁合金板防護屏[圖8(a) 和(b)],絲毫不弱於國外相應防護屏的防護能力[圖8(c)]

6.4 石墨烯材料

北京航空材料研究院的一組年輕科研人員在國際石墨烯研究領域首創“烯合金”材料,這一具有裏程碑意義的重大自主創新,不但發明了一類具有優異性能的新型高端合金材料,也使我國成為石墨烯這一材料科學前沿基礎和應用研究的領跑者[40]。

中國科學院電工研究所馬衍偉課題組采用金屬鎂熱還原二氧化碳,成功製備出多孔結構的石墨烯電極材料[41]。此次研製的石墨烯基超級電容器,在電解液中表現出優異的特性,在功率密度為1 W/g( 比功率) 時,能量密度高達80 Wh /kg ( 比能量) ,大大超出目前商業化的活性碳基超級電容器。

泰州巨納新能源有限公司研製出世界首台商用石墨烯飛秒光纖激光器Fiphene,性能指標均高於其他同類產品,具備極強競爭力,未來將重點在航空航天等領域進行推廣應用。

6.5 超材料

相比於國外相對分散的發展模式,我國在超材料領域的發展模式更加集中和有力。已分別在863 計劃、973 計劃、國家自然科學基金、AG手机平台重大專項等項目中對超材料研究予以立項支持。在電磁黑洞、超材料隱身技術、介質基超材料以及聲波負折射等基礎研究方麵,我國企業取得了多項原創性成果,並在世界超材料產業化競爭中占到先機。曾在美國留學並在《科學》雜誌發表關於新型超材料寬頻帶隱身衣論文的劉若鵬無疑是其中代表[42]。

劉若鵬及其團隊創辦的公司已經申請超過3 000件專利,在航空航天產業化等方麵也位於世界前茅。

借助他們設計的電磁超材料天線,人們就可以在移動網絡鞭長莫及的偏遠地方連接衛星寬帶上網。

美國類似產品的商業銷售計劃今年才開始,深圳光啟公司早在3 年前便在我國多個省份進行了試用。

而這僅是中美之間近年來在超材料核心領域展開的激烈競爭之一。此外,為了打破歐美對超材料技術標準的壟斷,全國電磁超材料技術及製品標準化技術委員會審查和報批了國家標準《電磁超材料術語》。這意味著我國在全球率先製定出超材料領域的國家標準,將對我國在超材料技術的研究和標準轉化起到重要作用。後續重點是將超材料在航天等領域進行推廣應用。

7 航天新型高性能材料的發展趨勢

7.1 高性能輕質金屬合金

隨著材料技術的發展,各類航天金屬材料向著更高韌性、更好的高溫性能、更好的工藝性能等方向發展。采用的研發思路包括如下兩種: 一是對現有材料在保持現有性能的同時,用創新的概念( 工藝、成分、微結構) 去克服現有材料的缺陷或應用上的限製,重視傳統材料的持續改進,“一材多用”成為未來的發展趨勢; 二是隨著納米技術和智能製造技術的進步,可以開發更多的新型高性能材料。

7.2 複合材料

未來航天複合材料技術將朝著高性能化、多功能化、低成本化方向發展,以其推動武器裝備的更新換代,滿足當前和未來新型航天武器裝備的發展需求。

其中,樹脂基複合材料在第二代先進複合材料成熟應用的基礎上,開始進入擴大應用與改進提高並行推進的發展階段,尤其纖維增強熱塑性樹脂基複合材料在生產技術方麵取得突破性進展,將為其在導彈彈體和發動機殼體等大型構件上的應用開辟廣闊的空間,未來有望達到或超過熱固性樹脂基複合材料的性能水平,改善導彈戰鬥部抗衝擊、抗氣動加熱、抗疲勞等性能; 耐高溫陶瓷基複合材料將在導彈發動機、燃燒室、喉襯和噴管等部件上擴大應用範圍,未來將主要解決其脆性大、抗熱衝擊能力較差、密度較大等問題。

7.3 特種功能材料

為滿足未來新一代航天器超高速度、機動飛行、重複使用等高性能指標要求,需要對現有功能材料進行改進。納米隔熱材料、功能梯度材料都是未來隔熱材料發展的熱點。熱防護材料將向以下四個方向發展:(1)降低密度、減輕質量;(2)更高溫度、更大應用範圍;(3)不斷改進工藝、提高性能和降低成本;(4)由短時高溫超高溫向長時高溫有氧等方向發展。開發滿足新型航天器性能要求且對環境適應性好的星體/碎片防護材料同樣是熱點。

7.4 石墨烯材料

目前,石墨烯材料在實驗室內的製備已可實現,但因為成本昂貴,大多數研究還處於實驗室理論研究階段,還有大量研究工作需要做。因此,石墨烯材料技術領域總體發展趨勢是: 繼續尋找最佳石墨烯製作方法和改進已有的製作工藝; 進一步製作出尺寸更大、質量更高的石墨烯材料; 並不斷降低石墨烯的製作成本。另外,石墨烯材料還將是超越和取代矽基CMOS 的新一代半導體材料。石墨烯薄膜形態與當前的矽平麵工藝兼容且能夠大規模集成,在微納米電子方麵將可能代替矽基CMOS,有望在芯片和集成電路領域引發一場革命。據專家預測,未來5 到10 年,石墨烯將成為“後矽時代”的新潛力材料,並將引導價值數萬億美元的新興產品。

7.5 超材料

超材料技術目前還處於實驗室到產品的中試階段,距離大規模產業化還有一定距離,有許多的難題有待解決,這也是未來超材料研究的方向。

(1)超材料頻段和方向的控製。從工作頻段來說,超材料的頻段目前還隻能達到紅外。為了更好地實現隱身功能,波段起碼應該覆蓋完整的可見光範圍; 同時也需要克服其各向異性的特點,來實現更大範圍內對光的控製。

(2)超材料的產業化發展。目前實驗室僅掌握了二維平麵上超材料的製造工藝,而三維空間中的立體超材料還未實現; 表麵工藝也僅局限在極小的區域上,距大規模的應用還有很長的路要走。

(3)新型超材料及其功能的設計、性能優化及相關模擬仿真方法。

(4)不同超材料之間相互作用的研究。對其規律性的研究不斷提出新的理論和方法,從而推動與此相關的新理論概念、分析方法和實驗測量技術的發展。





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