2015年度国外航空材料技术重大进展（转载）

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2015年，国外军用航空材料技术继续保持迅速发展势头，面向新一代航空武器装备的新材料发展态势逐渐明朗，主要体现在：

——复合材料正向小型零件、发动机转子及导电结构等领域应用延伸；

——传统金属深入挖掘潜力，重点提升不锈钢的耐腐蚀性、通过复合化开发超轻量级金属；

——无粘、耐磨、高温耐蚀涂层材料，轻质防火密封材料，以及透明尖晶石防弹材料等特种功能材料的应用研究迈上新台阶；

——氮化镓、超材料、石墨烯等材料在电子信息功能领域大放异彩。

一、复合材料应用进一步扩大

2015年，高性能复合材料技术的重大进展体现以下三个方面。

一是，树脂基复合材料小型零件低成本制造研究启动。质量9千克以下的军用零部件，采用复合材料制造存在成本过高和周期长等问题，目前仍由传统铝合金材料制造。针对这一问题，2015年9月DARPA启动“可设计给料和成形”项目，旨在开发柔性成形解决方案，用统一的模块、通过不同的组合生产多种零件，以缩短复合材料小型零件的加工周期，将军用系统的零件修改、重新设计、制造及定型的周转时间减少50%（从现在6年减少到3年），并有望将复合材料小型零件成本降至与金属的相当。


DARPA针对小型复合材料零件应用启动“可设计给料和成形”（TFF）

二是，陶瓷基复合材料发动机转子件开始运转试验，新型高温树脂基复合材料开发成功。陶瓷基复合材料（CMC）制成的涡轮叶片仅为传统镍基合金重量的1/3，且无需气冷，气动效率更高，各国都在大力研究。2015年2月，通用电气在F414涡扇发动机验证机上，成功完成世界上首个CMC低压涡轮叶片运转试验，经过500个工作循环，证实了CMC材料制造的涡轮叶片具有极强的耐高温和耐久性能，可用于第六代战斗机发动机和下一代商用发动机。此外，美空军研究实验室开发出了取代钛合金的新型高温树脂基复合材料，目标是应用第六代战斗机发动机及现役F135和F110航空发动机；如用于替换B-2轰炸机和F-22战斗机上的钛合金部件，可减重达40%，并提高抗疲劳强度，延长服役寿命。目前该实验室已完成高温聚酰亚胺基复合材料的开发，下一步重点是开展应用研究。


美空军实验室开发新型高温树脂基复合材料取代钛合金

三是，纳米复合材料实现导电等多功能。2015年8月，欧盟历时4年、投资5100万欧元，完成了“智能飞机结构”项目，研究人员在碳纤维层压板间布置碳纳米管隔层，并注入树脂。通过试验机翼验证表明，采用碳纳米管增强复合材料，能有效提高复合材料的损伤容限和电导率，解决结构中布置电缆的问题，节省成本和重量，并改善复合材料结构电气接地特性。目前碳纳米管复合材料仍处在实验室研制阶段，正为工业化生产做准备。


碳纳米管使复合材料具备导电等多功能

二、高性能金属结构材料持续发展

2015年，金属材料继续与复合材料迅猛发展的势头竞争，主要体现在以下三个方面。

一是，新型耐蚀不锈钢取代现有钢和钛合金起落架已进入小批试用。空客公司正与多个合作伙伴开发新的耐蚀不锈钢“CRES”，拟用于未来飞机的起落架，其固有的金属耐腐蚀性能消除了传统钢和钛合金所需的镉和铬酸盐耐腐蚀涂层，强度与现有钢材相当，成本仅为钛合金一半，且具有进一步降低成本的潜力。目前有9架A320飞机的主起落架组件已采用CRES锻件制成。空客公司计划开展CRES起落架服役评估，如评估效果理想将开始工业化生产。

二是，钛铝金属间化合物用于发动机低压涡轮叶片已获得适航认证。2015年3月德国MTU航空发动机公司宣布，已开发出新型轻质钛铝金属间化合物（TiAl），可用于高温高应力发动机组件；以该化合物制成的低压涡轮叶片已于2014年9月在A320neo上完成首飞，12月获得适航认证。TiAl涡轮叶片的重量约为镍合金组件的一半，力学性能与其相当；熔点、蠕变强度、抗氧化和耐腐蚀性高于钛合金。MTU公司正开发增强型TiAl合金，拟进一步提高涡轮叶片性能。


德国MTU航空发动机公司宣布开发出新型轻质金属间钛铝化合物

三是，首个可浮水面的超轻金属基复合材料问世。2015年5月，美研究团队开发出首个轻量级镁基复合材料，其密度轻于水，仅0.92克/立方厘米，且拥有足够强度，能承受超过172兆帕的压强，可用于制造飞机次承力结构组件。目前该项技术已接近成熟，有望在三年内进行原型测试。


美国纽约大学开发的超强金属泡沫

三、特种功能材料不断更新

特种功能材料对于军事武器装备发展至关重要。2015年，航空特种功能材料的进展有以下三个方面。

一是，飞机、发动机多种涂层技术获得突破。昆虫残留导致飞机机翼凹凸不平，增加阻力。为减少虫害残留，NASA研究人员受荷叶表面粗糙的微结构启发，长期研究不同化学和表面粗糙度的涂层。2015年9月，NASA和波音的研究人员在波音757eco验证机右翼前缘测试了五种涂层，其中一种显示良好效果，与未涂覆的左翼对比，减少了40%昆虫残余。此外耐磨防伪涂层方面，目前美国空军的首选是聚亚胺酯油漆，适用中温条件，高温长期抗磨损性能差且容易老化，需频繁修理和重新涂层。2015年，美国空军与小企业合作开发了一种创新的Proteckt高温耐磨涂层。验证结果表明，Proteckt高温涂层在实验室环境下抗磨损性提高了20倍。该涂层能直接用于美国空军武器系统，预计将为每架F-35战斗机节省大约1400万美元的全寿命周期费用。

二是，新型防火密封材料已试验。防火密封材料是航空领域具有挑战性的基础技术，平均一个发动机短舱和推力反向装置包含超过100个防火密封件。为满足ISO 2685煤油防火标准，科德宝密封技术公司在2015年试验了一种新的硅有机树脂防火材料，能替代现用防火密封材料，且重量更轻、原材料成本和模塑工艺更简单、生产成本更低。


科德宝密封技术公司在试验一种新的硅有机树脂防火材料

三是，尖晶石材料有望用于防弹窗和军用光学系统。尖晶石比玻璃韧性和硬度更高，所以更耐风沙和雨水侵蚀，在更恶劣的环境为观察窗后的操作人员提供更好的保护。美海军研究实验室的改进的尖晶石可被制成多种形状，如飞机防弹窗、无人机机翼等，还可热压加工形成宝石，经过研磨和抛光，增强光学性能，优化军事成像系统。对于对重量敏感的平台如无人机，以及头盔式面罩，这将是一项颠覆性的技术。

四、电子信息功能材料日新月异

2015年，电子信息功能材料的突出进展主要有以下三个方面。

一是，基于氮化镓材料的数字阵列行收发器为下一代雷达奠定基础。基于氮化镓（GaN）技术，洛马公司在2015年推出数字阵列行收发器（DART），它可使洛马公司现有的雷达产品达到更高性能，且由于效率提高，全寿命周期成本降低。研究结果表明，雷达系统无论是新研还是升级改造，现在采用氮化镓都是一个低风险解决方案。


氮化镓材料为下一代军用雷达奠定基础

二是，超材料打开集成光子电路的大门。哈佛大学研究小组利用溅射沉积形成单晶银膜，然后通过精密电子束光刻和等离子刻蚀等手段，将银晶体切割成纳米脊线，制备出此前仅限于理论研究的二维“双曲表面超材料”，应用于集成光子电路时，光学损耗比普通超材料低两个数量级。除具有低损耗和无衍射传播特性之外，这种新的表面材料还能控制可见光波长和反射路径。这项工作打开集成光子电路的大门，在成像、传感和量子信息领域有广泛应用前景。


超材料技术实现对光波传输方向的控制

三是，石墨烯成就高精度光学探测器。德国通过对碳化硅衬底上一个微小的片状石墨烯加上天线，开发出一种新型高精确度光学探测器，可以迅速反射所有不同波长的入射光。首次实现了单个检测器从可见光到红外辐射甚至到太赫兹辐射范围的全光谱监测。该探测器的优点除了精度达到秒，所有的测量可在室温下进行，避免了其他探测器所需的昂贵、费时的氮气或氦气冷却过程。科学家们已开始用此探测器进行激光系统的精确同步。


石墨烯成就高精度光学探测器

五、结束语

材料技术是航空武器装备发展的基础。“一代材料，一代军机”，材料技术的不断进步，为军机的更新换代提供重要支撑。2015年是航空材料技术快速发展的一年，在各个不同技术领域均取得大量成果，体现出以新一代航空装备研制及现役装备升级改造需求为牵引、综合考虑经济性和环保性、充分重视新材料的应用研究三个特点。展望2016年，航空材料技术将在以下几个方面继续取得突出进展：复合材料技术不断改进，在发动机和机体小部件上的应用比例继续扩大，向多功能化、轻量化方向发展；传统金属材料与复合材料竞争将加剧，金属材料成分设计和制备工艺的创新有望掀起金属回归的热潮；仿生技术、纳米技术为特种功能材料的发展提供支撑；超材料、石墨烯等新材料将主导电子信息领域。


作者简介：
胡燕萍，航空工业发展研究中心青年学者，国防材料情报研究专家。长期跟踪国外国防材料领域研究进展，准确掌握国外国防材料战略发展动向和国防军用材料技术进展，对国外国防关键材料技术及新兴材料技术有深入的研究和独到见解。http://mp.weixin.qq.com/s?__biz= ... e=0#wechat_redirect

2015年，国外军用航空材料技术继续保持迅速发展势头，面向新一代航空武器装备的新材料发展态势逐渐明朗，主要体现在：

——复合材料正向小型零件、发动机转子及导电结构等领域应用延伸；

——传统金属深入挖掘潜力，重点提升不锈钢的耐腐蚀性、通过复合化开发超轻量级金属；

——无粘、耐磨、高温耐蚀涂层材料，轻质防火密封材料，以及透明尖晶石防弹材料等特种功能材料的应用研究迈上新台阶；

——氮化镓、超材料、石墨烯等材料在电子信息功能领域大放异彩。

一、复合材料应用进一步扩大

2015年，高性能复合材料技术的重大进展体现以下三个方面。

一是，树脂基复合材料小型零件低成本制造研究启动。质量9千克以下的军用零部件，采用复合材料制造存在成本过高和周期长等问题，目前仍由传统铝合金材料制造。针对这一问题，2015年9月DARPA启动“可设计给料和成形”项目，旨在开发柔性成形解决方案，用统一的模块、通过不同的组合生产多种零件，以缩短复合材料小型零件的加工周期，将军用系统的零件修改、重新设计、制造及定型的周转时间减少50%（从现在6年减少到3年），并有望将复合材料小型零件成本降至与金属的相当。


DARPA针对小型复合材料零件应用启动“可设计给料和成形”（TFF）

二是，陶瓷基复合材料发动机转子件开始运转试验，新型高温树脂基复合材料开发成功。陶瓷基复合材料（CMC）制成的涡轮叶片仅为传统镍基合金重量的1/3，且无需气冷，气动效率更高，各国都在大力研究。2015年2月，通用电气在F414涡扇发动机验证机上，成功完成世界上首个CMC低压涡轮叶片运转试验，经过500个工作循环，证实了CMC材料制造的涡轮叶片具有极强的耐高温和耐久性能，可用于第六代战斗机发动机和下一代商用发动机。此外，美空军研究实验室开发出了取代钛合金的新型高温树脂基复合材料，目标是应用第六代战斗机发动机及现役F135和F110航空发动机；如用于替换B-2轰炸机和F-22战斗机上的钛合金部件，可减重达40%，并提高抗疲劳强度，延长服役寿命。目前该实验室已完成高温聚酰亚胺基复合材料的开发，下一步重点是开展应用研究。


美空军实验室开发新型高温树脂基复合材料取代钛合金

三是，纳米复合材料实现导电等多功能。2015年8月，欧盟历时4年、投资5100万欧元，完成了“智能飞机结构”项目，研究人员在碳纤维层压板间布置碳纳米管隔层，并注入树脂。通过试验机翼验证表明，采用碳纳米管增强复合材料，能有效提高复合材料的损伤容限和电导率，解决结构中布置电缆的问题，节省成本和重量，并改善复合材料结构电气接地特性。目前碳纳米管复合材料仍处在实验室研制阶段，正为工业化生产做准备。


碳纳米管使复合材料具备导电等多功能

二、高性能金属结构材料持续发展

2015年，金属材料继续与复合材料迅猛发展的势头竞争，主要体现在以下三个方面。

一是，新型耐蚀不锈钢取代现有钢和钛合金起落架已进入小批试用。空客公司正与多个合作伙伴开发新的耐蚀不锈钢“CRES”，拟用于未来飞机的起落架，其固有的金属耐腐蚀性能消除了传统钢和钛合金所需的镉和铬酸盐耐腐蚀涂层，强度与现有钢材相当，成本仅为钛合金一半，且具有进一步降低成本的潜力。目前有9架A320飞机的主起落架组件已采用CRES锻件制成。空客公司计划开展CRES起落架服役评估，如评估效果理想将开始工业化生产。

二是，钛铝金属间化合物用于发动机低压涡轮叶片已获得适航认证。2015年3月德国MTU航空发动机公司宣布，已开发出新型轻质钛铝金属间化合物（TiAl），可用于高温高应力发动机组件；以该化合物制成的低压涡轮叶片已于2014年9月在A320neo上完成首飞，12月获得适航认证。TiAl涡轮叶片的重量约为镍合金组件的一半，力学性能与其相当；熔点、蠕变强度、抗氧化和耐腐蚀性高于钛合金。MTU公司正开发增强型TiAl合金，拟进一步提高涡轮叶片性能。


德国MTU航空发动机公司宣布开发出新型轻质金属间钛铝化合物

三是，首个可浮水面的超轻金属基复合材料问世。2015年5月，美研究团队开发出首个轻量级镁基复合材料，其密度轻于水，仅0.92克/立方厘米，且拥有足够强度，能承受超过172兆帕的压强，可用于制造飞机次承力结构组件。目前该项技术已接近成熟，有望在三年内进行原型测试。


美国纽约大学开发的超强金属泡沫

三、特种功能材料不断更新

特种功能材料对于军事武器装备发展至关重要。2015年，航空特种功能材料的进展有以下三个方面。

一是，飞机、发动机多种涂层技术获得突破。昆虫残留导致飞机机翼凹凸不平，增加阻力。为减少虫害残留，NASA研究人员受荷叶表面粗糙的微结构启发，长期研究不同化学和表面粗糙度的涂层。2015年9月，NASA和波音的研究人员在波音757eco验证机右翼前缘测试了五种涂层，其中一种显示良好效果，与未涂覆的左翼对比，减少了40%昆虫残余。此外耐磨防伪涂层方面，目前美国空军的首选是聚亚胺酯油漆，适用中温条件，高温长期抗磨损性能差且容易老化，需频繁修理和重新涂层。2015年，美国空军与小企业合作开发了一种创新的Proteckt高温耐磨涂层。验证结果表明，Proteckt高温涂层在实验室环境下抗磨损性提高了20倍。该涂层能直接用于美国空军武器系统，预计将为每架F-35战斗机节省大约1400万美元的全寿命周期费用。

二是，新型防火密封材料已试验。防火密封材料是航空领域具有挑战性的基础技术，平均一个发动机短舱和推力反向装置包含超过100个防火密封件。为满足ISO 2685煤油防火标准，科德宝密封技术公司在2015年试验了一种新的硅有机树脂防火材料，能替代现用防火密封材料，且重量更轻、原材料成本和模塑工艺更简单、生产成本更低。


科德宝密封技术公司在试验一种新的硅有机树脂防火材料

三是，尖晶石材料有望用于防弹窗和军用光学系统。尖晶石比玻璃韧性和硬度更高，所以更耐风沙和雨水侵蚀，在更恶劣的环境为观察窗后的操作人员提供更好的保护。美海军研究实验室的改进的尖晶石可被制成多种形状，如飞机防弹窗、无人机机翼等，还可热压加工形成宝石，经过研磨和抛光，增强光学性能，优化军事成像系统。对于对重量敏感的平台如无人机，以及头盔式面罩，这将是一项颠覆性的技术。

四、电子信息功能材料日新月异

2015年，电子信息功能材料的突出进展主要有以下三个方面。

一是，基于氮化镓材料的数字阵列行收发器为下一代雷达奠定基础。基于氮化镓（GaN）技术，洛马公司在2015年推出数字阵列行收发器（DART），它可使洛马公司现有的雷达产品达到更高性能，且由于效率提高，全寿命周期成本降低。研究结果表明，雷达系统无论是新研还是升级改造，现在采用氮化镓都是一个低风险解决方案。


氮化镓材料为下一代军用雷达奠定基础

二是，超材料打开集成光子电路的大门。哈佛大学研究小组利用溅射沉积形成单晶银膜，然后通过精密电子束光刻和等离子刻蚀等手段，将银晶体切割成纳米脊线，制备出此前仅限于理论研究的二维“双曲表面超材料”，应用于集成光子电路时，光学损耗比普通超材料低两个数量级。除具有低损耗和无衍射传播特性之外，这种新的表面材料还能控制可见光波长和反射路径。这项工作打开集成光子电路的大门，在成像、传感和量子信息领域有广泛应用前景。


超材料技术实现对光波传输方向的控制

三是，石墨烯成就高精度光学探测器。德国通过对碳化硅衬底上一个微小的片状石墨烯加上天线，开发出一种新型高精确度光学探测器，可以迅速反射所有不同波长的入射光。首次实现了单个检测器从可见光到红外辐射甚至到太赫兹辐射范围的全光谱监测。该探测器的优点除了精度达到秒，所有的测量可在室温下进行，避免了其他探测器所需的昂贵、费时的氮气或氦气冷却过程。科学家们已开始用此探测器进行激光系统的精确同步。


石墨烯成就高精度光学探测器

五、结束语

材料技术是航空武器装备发展的基础。“一代材料，一代军机”，材料技术的不断进步，为军机的更新换代提供重要支撑。2015年是航空材料技术快速发展的一年，在各个不同技术领域均取得大量成果，体现出以新一代航空装备研制及现役装备升级改造需求为牵引、综合考虑经济性和环保性、充分重视新材料的应用研究三个特点。展望2016年，航空材料技术将在以下几个方面继续取得突出进展：复合材料技术不断改进，在发动机和机体小部件上的应用比例继续扩大，向多功能化、轻量化方向发展；传统金属材料与复合材料竞争将加剧，金属材料成分设计和制备工艺的创新有望掀起金属回归的热潮；仿生技术、纳米技术为特种功能材料的发展提供支撑；超材料、石墨烯等新材料将主导电子信息领域。


作者简介：
胡燕萍，航空工业发展研究中心青年学者，国防材料情报研究专家。长期跟踪国外国防材料领域研究进展，准确掌握国外国防材料战略发展动向和国防军用材料技术进展，对国外国防关键材料技术及新兴材料技术有深入的研究和独到见解。