吳 凱 張鐵軍 姚 為 韓維群

（北京航星機器制造有限公司，北京 100013）

0 引言

世界各國高度重視新材料發(fā)展，推出多項戰(zhàn)略政策推進新材料技術(shù)的發(fā)展。發(fā)達國家新材料產(chǎn)業(yè)各具特色，側(cè)重領域各不相同：美國注重科技領域的研發(fā)，并保持全球領先地位；日本既重視對新材料的研發(fā)，又不忘改進現(xiàn)有材料的性能，利用有限資源發(fā)揮最大作用；歐盟新材料科技戰(zhàn)略目標是保持在航天材料等領域的競爭優(yōu)勢。

本文詳細闡述了國際航天新材料的研究與應用現(xiàn)狀，重點介紹了國內(nèi)航天新型材料的研究成果，指出了航天新型材料未來的發(fā)展趨勢。

1 高性能輕質(zhì)金屬合金

為滿足導彈、火箭等航天裝備平臺輕量化、高可靠、高推比等發(fā)展需求，目前國外大力發(fā)展的高性能輕質(zhì)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

20世紀20年代，德國研制出第一代鋁鋰合金。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年后，歐美等國研制出了第二代鋁鋰合金產(chǎn)品，包括前蘇聯(lián)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(lián)公司推出的Air Ware系列第三代鋁鋰合金已用于空中客車公司的A350、龐巴迪公司的C系列飛機以及F－16、F－18等軍用飛機，組織模式如圖1所示［3］。美國航空界將這種新材料稱為“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(yōu)化熱處理制度，獲得良好的綜合性能。用其制造飛機結(jié)構(gòu)，可使飛機結(jié)構(gòu)減輕25%，耐蝕性比傳統(tǒng)鋁鋰合金高出46%，抗疲勞性能提高25%，飛機降低阻力6%。此外，與復合材料比較，可加工性也得以改善，可使用傳統(tǒng)鋁合金制造工藝進而降低風險與成本，利用現(xiàn)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的后繼窄體客機上，也準備用于軍用飛機F－35、F－16和F－18的隔框、蒙皮及其他結(jié)構(gòu)件。

圖1 第三代鋁鋰合金的組織模式Fig.1 Microstructure model of third generation AI－Li alloys

今后鋁鋰合金的發(fā)展還要加強以下方面的研究：

（1）增加鋁鋰合金的韌性、塑形和強度；

（2）降低鋁鋰合金的結(jié)構(gòu)質(zhì)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(fā)展［4］。但由于價格昂貴的原因，鎂合金的研究出現(xiàn)停滯。

近年來，由于環(huán)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(yōu)勢，鎂合金的研究和應用日益受到德、美、加等發(fā)達國家和地區(qū)的高度重視，均相繼出臺了鎂合金研究計劃進行技術(shù)攻關(guān)，投資金額總和達數(shù)億美元。德國科學技術(shù)協(xié)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5 300萬歐元，主要目標是研究鎂合金在結(jié)構(gòu)件中的應用［5］。加拿大聯(lián)邦政府及魁北克省與海德魯公司共同投資1 140萬加元成立了一個新的鎂合金研究中心，其宗旨在于通過優(yōu)化設計工藝及材質(zhì)，獲得具有優(yōu)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(wěn)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(jié)果表明，通過擠壓與熱處理復合處理后的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(zhì)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(xù)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(jié)構(gòu)中鈦用量隨年代的變化［7］。由于其價格昂貴，常用于承力大的關(guān)鍵部位。為擴大鈦合金的使用量，國外積極研制新型低成本鈦合金。美國Allegheny技術(shù)公司也采用鐵元素代替釩元素和富氧技術(shù)，研制了新配方 Ti－4Al－2.5V－1.5Fe－0.25O鈦合金，其性能類似于Ti－6Al－4V合金，具有優(yōu)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%。

圖2 飛機結(jié)構(gòu)中鈦用量的變化Fig.2 Variation of titanium used for structure material in airplane

鈦合金作為發(fā)動機材料雖有巨大優(yōu)勢，也同樣面臨極大挑戰(zhàn)［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(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，高溫合金已較為成熟，并在武器裝備動力裝置上獲得廣泛應用。隨著材料的更新?lián)Q代，發(fā)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(fā)以及應用開展了大量工作，用于替代傳統(tǒng)的鎳基高溫合金、鎳基單晶合金等。其中Ti－Al合金發(fā)展最為迅速，富鈮γ－TiAl合金已發(fā)展到第三代，塑性和韌性都有很大提高，已在航空發(fā)動機葉片中得到大量應用，鑄造γ－TiAl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P(guān)CC公司制造的Ti－Al葉片年產(chǎn)量已達到4萬片［10］。

2 復合材料

復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(tǒng)的鋼、鋁合金等材料制造武器裝備結(jié)構(gòu)件，可以在保證武器裝備性能的同時，大大減輕裝備的質(zhì)量。目前國外大力發(fā)展的航天高性能復合材料主要包括樹脂基復合材料、鋁基復合材料和陶瓷基復合材料等。

2.1 樹脂基復合材料

樹脂基復合材料是以聚合物為基體，纖維為增強體復合而成［11］。因此，樹脂基復合材料的用量已經(jīng)成為衡量航空航天技術(shù)發(fā)展的重要標志。圖3為樹脂基復合材料和輕質(zhì)金屬材料的比強度和比模量。

圖3 樹脂基復合材料和輕質(zhì)金屬材料的比強度和比模量Fig.3 Specific strength and modulus of polymer matrix composites and aluminum alloy，titanium alloy

美國戰(zhàn)斧巡航導彈大量采用了復合材料，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(huán)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(huán)氧樹脂、Kevlar／環(huán)氧樹脂，尾錐使用了玻璃粗紗／環(huán)氧樹脂等。美國“侏儒”小型地對地洲際彈道導彈三級發(fā)動機燃燒室殼體由碳纖維／環(huán)氧樹脂纏繞制作；三叉戟（D－5）第一、二級固體發(fā)動機殼體采用碳／環(huán)氧制作，其性能較Kevlar／環(huán)氧提高 30%［12］。

熱塑性樹脂用作復合材料基體，在斷裂韌性、沖擊強度和吸濕等方面都優(yōu)于熱固性樹脂基體，在耐高溫、抗?jié)駸?、抗沖擊、熱穩(wěn)定性、損傷容限等方面都大大優(yōu)于環(huán)氧樹脂系統(tǒng)，已成為復合材料樹脂基體的發(fā)展趨勢。近些年，由于纖維增強熱塑性復合材料在生產(chǎn)方面取得了顯著進步，極大降低了材料成本，提高了可用性，已在導彈彈體和發(fā)動機殼體設計和應用方面得到重視。美國陸軍提出了要開發(fā)纖維增強熱塑性復合材料導彈圓筒形接縫結(jié)構(gòu)的熔接工藝、材料和分析技術(shù)，用于導彈發(fā)動機和彈體圓筒形接縫處的圓筒形接縫處的熔接。美國圣地亞哥復合材料公司設計了一種熔接機，可用于加工熱塑性復合材料圓筒，應用于導彈結(jié)構(gòu)件。

2.2 鋁基復合材料

碳化硅／鋁基復合材料的強度在碳化硅纖維含量較低時也遠比超硬鋁高。由于成本較鈹材低得多，還可以替代鈹材用作慣性器件，已被用于美國某導彈慣性制導系統(tǒng)和慣性測量單元。

美國哈勃太空望遠鏡的高增益天線桿結(jié)構(gòu)采用P100超高模量碳纖維（40vol%）增韌的6061鋁基復合材料［13］，采用擴散粘接工藝制造，確保了太空機動飛行時天線的方位，它還由于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(huán)氧材料輕63%。

2.3 陶瓷基復合材料

陶瓷基復合材料以其優(yōu)異的耐高溫性能、高溫力學性能等成為熱結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的C／SiC復合材料夾層結(jié)構(gòu)，并研制出帶主動冷卻結(jié)構(gòu)的超燃沖壓發(fā)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(chǎn)出直徑150 mm、長度100 mm的筒形件及其他復雜形狀構(gòu)件。據(jù)稱這種新材料制造成熟度已達到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2 000℃以上，達到飛行速度超過8馬赫的要求。新型陶瓷基復合材料的問世，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。

復合材料歷經(jīng)多年發(fā)展，配套技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，現(xiàn)還需加強以下方面研究：

（1）研發(fā)新型低成本輕量化復合材料；

（2）開展智能化復合材料制備技術(shù)；

（3）增強微納米復合材料技術(shù)的發(fā)展。

3 特種功能材料

為滿足載人飛船的返回艙、重復使用的運載器（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(fā)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(fā)動機部件的重要材料［15］。傳統(tǒng)高溫合金已經(jīng)接近其使用溫度上限，無法通過調(diào)整成分比例來進一步提高使用溫度，只能求助于新型工藝途徑，如定向凝固高溫合金等（圖4）。

圖4 各類高溫材料的工作溫度Fig.4 Working temperature of various high temperature materials

美國NASA馬歇爾空間飛行中心研發(fā)出彌散強化的鉬－錸合金，采用真空等離子噴涂制造耐高溫部件。與其他同等的非彌散強化的鉬－錸合金相比，研發(fā)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(yè)創(chuàng)新研究計劃”項目，應用該公司的材料設計技術(shù)，研發(fā)具有更大延展性、抗氧化性和1 300℃以上蠕變性能優(yōu)異的鉬基合金。公司計劃開發(fā)基于傳統(tǒng)多組分熱力學和靈活性數(shù)據(jù)庫的程序結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)性能模型，并利用這些工具和模型來設計可通過傳統(tǒng)工藝制造的先進鉬基合金。改進的鉬基合金可望用于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］。

圖5 多層隔熱材料原理圖Fig.5 Schematic of multi－layer insulation material

美國NASA戈達德航天中心開發(fā)出用于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（2.5～3.8 cm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，可抵抗高速沖擊；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(xiàn)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(huán)境傷害的重要組成部分。

1960年開始，美國研制出了一系列陶瓷隔熱瓦。這是美國高超聲速飛行器的隔熱結(jié)構(gòu)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(shù)，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］。該艙擁有前后兩個熱防護罩，其中前熱防護罩直徑為2.4 m，質(zhì)量為80 kg，由覆蓋90片防熱瓦的碳夾層結(jié)構(gòu)組成，在進入大氣層階段將承受1 850℃以上的高溫；后熱防護罩質(zhì)量僅為20 kg，由固定在碳結(jié)構(gòu)上的12種不同型號的93片防熱瓦構(gòu)成，并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(fā)射準備的最終組裝前完成后熱防護罩的裝配。公司曾成功研制“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系統(tǒng)，用于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2 000℃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(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)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）可重復使用的耐高溫熱防護材料

熱防護材料除了耐高溫之外，還需要增加反復承受高速飛行時環(huán)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

流星體是指存在于太陽系內(nèi)高速運轉(zhuǎn)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(huán)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(fā)射航天器時必須考慮的一個因素，也是維護空間環(huán)境安全的一個重要方面［20］。

美國NASA噴氣推進實驗室研制出可用于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(tài)合金）及其復合材料［21］。BMG不但具有極高的強度和硬度、較低的密度，還易于成形。用柔性結(jié)晶相增強的BMG基復合材料，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(xiàn)役防護屏（Kevlar纖維制造）進行比較，測試結(jié)果表明，新防護屏比傳統(tǒng)防護屏能更有效減緩來自鋁彈丸的沖擊力。BMG及其復合材料能支撐大型薄板和面板，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(yōu)選材料。

圖6 飛行器返回后檢測的部件損傷情況Fig.6 Detected damage of aircraft during mission

4 石墨烯材料

石墨烯微觀結(jié)構(gòu)是碳原子組成的二維蜂窩網(wǎng)格（圖7）［22］，單層石墨烯材料只有一個碳原子直徑厚（0.335 nm）兼具半導體和金屬屬性。

圖7 石墨烯的單層結(jié)構(gòu)Fig.7 Single layer structure of graphene

主要特性有：良好的電學性能，室溫下電子遷移率是硅的100倍，比表面積可達2 630 m2／g；較好的力學性能，材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(yōu)異的光學性能，單層石墨烯的可見光透光率達97.7%。石墨烯材料可應用于軍用電子系統(tǒng)、能源、防護、后勤保障、隱身系統(tǒng)等領域，推動航天武器裝備發(fā)展實現(xiàn)重大創(chuàng)新。

4.1 軍用電子系統(tǒng)用石墨烯

石墨烯電路具有更高的工作頻率，可以替代現(xiàn)有的半導體電路。2012年，IBM公司研制出截止工作頻率300 GHz的石墨烯場效應晶體管［22］，比同尺寸硅場效應晶體管高7.5倍，改進后有望突破1 THz。波蘭DCD公司2012年開發(fā)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，功耗比同類硅產(chǎn)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(fā)展產(chǎn)生重要推動作用。

2013年，美國西北大學研發(fā)出高導電性石墨烯柔性電極［23］，可用于生產(chǎn)大幅面、可折疊精密顯示設備。應用該技術(shù)制造的軍用電子地圖等顯示設備將更加輕質(zhì)、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(chǎn)，用于柔性電容器的生產(chǎn)。上述材料可望用于航天電子系統(tǒng)中。

4.2 高功率武器裝備用石墨烯

石墨烯巨大的比表面積使其成為高功率激光器的核心材料，也可用于制造容量大、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(shù)難題。2013年，美國萊斯大學制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 μm，充放電時間 20 s，試驗表明充放電1 000次后，電容量僅損耗10%。2014年11月，美國萊斯大學科學家發(fā)明了一種新型的石墨烯／納米管復合陰極，可使廉價柔性的染料敏化太陽能電池更實用化，光電轉(zhuǎn)換能力提高了20%。2015年6月，韓國三星公司通過將高結(jié)晶石墨烯的合成新方法應用到高容量硅陰極，發(fā)明了新型“高度結(jié)晶石墨烯編碼的”硅陰極材料，大幅提升了鋰離子電池的電容量。上述材料可望用于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、超抗壓特點制出的新型材料，可用于替換防彈衣中的芳綸等材料，在減輕質(zhì)量的同時還能提高防護能力。實驗證明，石墨烯承受子彈沖擊的性能勝過鋼鐵和防彈衣材料。澳大利亞2012年研發(fā)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，石墨烯可用于制作超強耐腐涂層。美國布法羅大學同年研發(fā)出石墨烯涂料，鋼材涂覆該材料后可浸泡在濃鹽水中一個月不銹。上述材料可望用于航天武器裝備的防護材料中。

4.4 戰(zhàn)場后勤保障用石墨烯

石墨烯水凈化設備具有低耗、高效的特點。2012年，美國MIT通過采用石墨烯凈化海水，實現(xiàn)了海水的快速凈化。2013年，美國洛馬公司大力推進石墨烯海水凈化系統(tǒng)研究，并計劃年底完成樣機測試。該系統(tǒng)的水凈化速度比當前反滲透薄膜快數(shù)百倍。該技術(shù)一旦發(fā)展成熟并應用于航母、潛艇等大型海上作戰(zhàn)平臺，將可大幅減少平臺淡水攜帶量，增加燃油及武器裝備裝載量，增強平臺海上持續(xù)作戰(zhàn)能力。

4.5 軍事隱身系統(tǒng)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面也有巨大的潛力。2011年，意大利薩皮恩扎大學通過試驗證明石墨烯材料比傳統(tǒng)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(guān)注石墨烯復合材料熱傳導特性方面的應用，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(nèi)部結(jié)構(gòu)人工合理設計的，從而具有常規(guī)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、納米材料之后材料領域又一重大突破，將對世界科技發(fā)展產(chǎn)生重要影響，并有可能成為一種前途不可限量的新型材料。

發(fā)達國家高度重視超材料的研究并給予長期支持。美國軍方確定超材料技術(shù)率先應用于最先進的軍事裝備。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(yè)進入超材料研究應用領域。日本政府也將超材料列入學術(shù)研究的重點，成立了各種超材料研究所，并表示在下一代戰(zhàn)斗機中將使用超材料技術(shù)。俄羅斯也將超材料技術(shù)列為下一代隱形戰(zhàn)斗機的核心關(guān)鍵技術(shù)。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 表面隱身用超材料

目前，超材料在可見光隱身、紅外隱身和聲波隱身方面均取得重大進展。在光隱身方面，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復合交替堆疊制造出一種“隱身斗篷”［24］，可使自然界中的可見光和近紅外光發(fā)生逆轉(zhuǎn)。2012年，俄羅斯和丹麥研究人員使用摻雜鋁的氧化鋅制備了在近紅外波段隱身的新型鋁：氧化鋅／氧化鋁材料。在聲波隱身方面，2014年，美國杜克大學研制出世界首個三維“隱身斗篷”［25］，可以讓聲波輕易的繞過，這必將對隱身飛行器的開發(fā)產(chǎn)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(huán)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(tǒng)透波材料制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，促使電磁波只能在垂直方向附近的小角度內(nèi)傳播，其他方向的傳播被限制。2008年，法國科學家設計了一種開口環(huán)共振器結(jié)構(gòu)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 2.9 dB。2012年，美國國防部通過中小企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)移項目資助納米聲學有限公司開展有關(guān)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(shù)解決E－2原天線罩存在的結(jié)構(gòu)肋條導致天線圖產(chǎn)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

采用超材料制作的平面天線替代傳統(tǒng)拋物面天線的反射面，一方面帶來的是形狀更流線化、尺寸小型化、設備減重；另一方面可對參數(shù)進行調(diào)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(fā)了一種可用于衛(wèi)星等航天器的新型三維超材料天線，具有低能耗、質(zhì)量輕、寬帶大、能量利用率高和價格便宜等優(yōu)點，對降低航天器的發(fā)射費用和結(jié)構(gòu)質(zhì)量具有重要作用。2012年，印度國家技術(shù)研究所采用左手和右手結(jié)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系統(tǒng)公司和倫敦大學瑪麗女王學院聯(lián)合研制出一種可用于新型天線透鏡的新型復合材料，可使電磁波通過平面天線透鏡聚焦，并具有良好的帶寬性能。該突破解決了傳統(tǒng)材料工作波段窄的問題，可以用于制造嵌入蒙皮的天線，從而提高隱身能力，甚至使飛機、艦艇、無線電和衛(wèi)星等天線設計產(chǎn)生變革。

5.4 超薄透鏡用超材料

一直以來，顯微鏡、眼鏡和放大鏡的制造都被一條光學規(guī)律所限制，即任何小于光波長度的物質(zhì)都無法觀察到。而超材料制成的“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，可用于觀察尺寸小于0.1 μm的物體，且在從紅外光到可見光和紫外光的范圍內(nèi)工作性能良好。2013年，美國國家標準與技術(shù)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制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(zhì)金屬合金

蘭州物理所模擬微重力環(huán)境下鋁鋰合金的制備，質(zhì)量得到減輕，強度得到提高，在航天上的應用更加有優(yōu)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(fā)和應用方面取得巨大進展，通過添加一定配比的釔和釓，解決了傳統(tǒng)鎂合金強度不高、耐熱性差、抗蠕變差的關(guān)鍵問題。該成果已實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，為國內(nèi)外50多個單位提供高性能鎂合金用于科研和產(chǎn)品研發(fā)，不僅顯著推進高性能鎂合金基礎研究的發(fā)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合金板材研制方面，哈爾濱工業(yè)大學在國內(nèi)率先研制出最大尺寸達700 mm×200 mm×（2～3）mm的薄板材［30］。北京科技大學系統(tǒng)研究了高Nb合金的Nb的作用機制，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制備了TiAl合金試樣［32］，并研究了各種成分對合金性能的影響。北京鋼鐵研究總院系統(tǒng)研究了Ni元素的影響，獲得性能較理想的TiAl合金成分，并鑄造出坦克發(fā)動機增壓渦輪，還開發(fā)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 復合材料

陳祥寶院士及其團隊歷經(jīng)多年的潛心研究，通過制備新型固化劑和控制其在環(huán)氧樹脂的溶解，解決了復合材料成本過高的問題［34］，極大地促進了高性能復合材料應用領域的擴大。目前低溫固化高性能復合材料已在航空、航天領域獲得了廣泛應用。

對高端碳纖維復合材料構(gòu)件，我國早期主要靠引進國外碳纖維預浸料進行加工。由于加工工藝復雜，我國大多時候只能加工結(jié)構(gòu)簡單的復合材料組件。黑龍江科技大學研究出高性能碳纖維預浸料的生產(chǎn)配方和加工工藝，其性能已達世界一流水準，也填補國內(nèi)高端碳纖維復合材料自主生產(chǎn)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(zhì)量也得到一定改善，性能提升顯著［36］。

中南大學研制一種高性能鎢銅電子封裝材料［37］。該產(chǎn)品既有鎢的低膨脹特征，又有銅的高導熱性能。產(chǎn)品主要應用于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于航天大功率脈沖微波管、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制出國際首根10 m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里程碑”。隨后，研究組對制備過程中涉及的相組分與微結(jié)構(gòu)控制、界面復合體均勻加工等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，成功研制出長度達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(fā)出采用純銅作為包套材料的高性能122型超導帶材，在相同橫截面積內(nèi)，超導帶材的截流能力是傳統(tǒng)銅導線的數(shù)百倍。

光致形變材料是在特定波長光照下，材料本體發(fā)生形變的智能材料，可望在光動能轉(zhuǎn)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復合光機械響應體系研究取得重要進展，開創(chuàng)性地將N－α－萘基－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(zhì)內(nèi)，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(xiàn)形變，脫離光照又可以恢復，這也為光致變形材料的發(fā)展提供幫助。我國近年自主研發(fā)了填充式Whipple防護結(jié)構(gòu)［39］。研究表明：在填充的纖維層總面密度為0.135 g／cm2的情況下，Whipple防護結(jié)構(gòu)的防護性能明顯優(yōu)于等面密度的三層鋁合金板防護屏［圖8（a）和（b）］，絲毫不弱于國外相應防護屏的防護能力［圖8（c）］。

圖8 填充式Whipple防護結(jié)構(gòu)Fig.8 Stuffed Whipple protection structure

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(chuàng)“烯合金”材料，這一具有里程碑意義的重大自主創(chuàng)新，不但發(fā)明了一類具有優(yōu)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，成功制備出多孔結(jié)構(gòu)的石墨烯電極材料［41］。此次研制的石墨烯基超級電容器，在電解液中表現(xiàn)出優(yōu)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(yè)化的活性碳基超級電容器。

泰州巨納新能源有限公司研制出世界首臺商用石墨烯飛秒光纖激光器Fiphene，性能指標均高于其他同類產(chǎn)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

相比于國外相對分散的發(fā)展模式，我國在超材料領域的發(fā)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、新材料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(shù)、介質(zhì)基超材料以及聲波負折射等基礎研究方面，我國企業(yè)取得了多項原創(chuàng)性成果，并在世界超材料產(chǎn)業(yè)化競爭中占到先機。曾在美國留學并在《科學》雜志發(fā)表關(guān)于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(chuàng)辦的公司已經(jīng)申請超過3 000件專利，在航空航天產(chǎn)業(yè)化等方面也位于世界前茅。借助他們設計的電磁超材料天線，人們就可以在移動網(wǎng)絡鞭長莫及的偏遠地方連接衛(wèi)星寬帶上網(wǎng)。

美國類似產(chǎn)品的商業(yè)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(shù)標準的壟斷，全國電磁超材料技術(shù)及制品標準化技術(shù)委員會審查和報批了國家標準《電磁超材料術(shù)語》。這意味著我國在全球率先制定出超材料領域的國家標準，將對我國在超材料技術(shù)的研究和標準轉(zhuǎn)化起到重要作用。后續(xù)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(fā)展趨勢7.1 高性能輕質(zhì)金屬合金

隨著材料技術(shù)的發(fā)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(fā)展。采用的研發(fā)思路包括如下兩種：一是對現(xiàn)有材料在保持現(xiàn)有性能的同時，用創(chuàng)新的概念（工藝、成分、微結(jié)構(gòu)）去克服現(xiàn)有材料的缺陷或應用上的限制，重視傳統(tǒng)材料的持續(xù)改進，“一材多用”成為未來的發(fā)展趨勢；二是隨著納米技術(shù)和智能制造技術(shù)的進步，可以開發(fā)更多的新型高性能材料。

7.2 復合材料

未來航天復合材料技術(shù)將朝著高性能化、多功能化、低成本化方向發(fā)展，以其推動武器裝備的更新?lián)Q代，滿足當前和未來新型航天武器裝備的發(fā)展需求。其中，樹脂基復合材料在第二代先進復合材料成熟應用的基礎上，開始進入擴大應用與改進提高并行推進的發(fā)展階段，尤其纖維增強熱塑性樹脂基復合材料在生產(chǎn)技術(shù)方面取得突破性進展，將為其在導彈彈體和發(fā)動機殼體等大型構(gòu)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復合材料的性能水平，改善導彈戰(zhàn)斗部抗沖擊、抗氣動加熱、抗疲勞等性能；耐高溫陶瓷基復合材料將在導彈發(fā)動機、燃燒室、喉襯和噴管等部件上擴大應用范圍，未來將主要解決其脆性大、抗熱沖擊能力較差、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、重復使用等高性能指標要求，需要對現(xiàn)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(fā)展的熱點。熱防護材料將向以下四個方向發(fā)展：（1）降低密度、減輕質(zhì)量；（2）更高溫度、更大應用范圍；（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(fā)展。開發(fā)滿足新型航天器性能要求且對環(huán)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(nèi)的制備已可實現(xiàn)，但因為成本昂貴，大多數(shù)研究還處于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(shù)領域總體發(fā)展趨勢是：繼續(xù)尋找最佳石墨烯制作方法和改進已有的制作工藝；進一步制作出尺寸更大、質(zhì)量更高的石墨烯材料；并不斷降低石墨烯的制作成本。另外，石墨烯材料還將是超越和取代硅基CMOS的新一代半導體材料。石墨烯薄膜形態(tài)與當前的硅平面工藝兼容且能夠大規(guī)模集成，在微納米電子方面將可能代替硅基CMOS，有望在芯片和集成電路領域引發(fā)一場革命。據(jù)專家預測，未來5到10年，石墨烯將成為“后硅時代”的新潛力材料，并將引導價值數(shù)萬億美元的新興產(chǎn)品。

7.5 超材料

超材料技術(shù)目前還處于實驗室到產(chǎn)品的中試階段，距離大規(guī)模產(chǎn)業(yè)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制。從工作頻段來說，超材料的頻段目前還只能達到紅外。為了更好地實現(xiàn)隱身功能，波段起碼應該覆蓋完整的可見光范圍；同時也需要克服其各向異性的特點，來實現(xiàn)更大范圍內(nèi)對光的控制。

（2）超材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。目前實驗室僅掌握了二維平面上超材料的制造工藝，而三維空間中的立體超材料還未實現(xiàn)；表面工藝也僅局限在極小的區(qū)域上，距大規(guī)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(yōu)化及相關(guān)模擬仿真方法。

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

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