趙 丹，鄒嘉佳，管美章，范曉春

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230031)

1 軍事裝備的技術(shù)成熟度應(yīng)用現(xiàn)狀

根據(jù)英國(guó)國(guó)防部的定義[1]，技術(shù)就緒水平（Technology Readiness Levels，TRL，文中根據(jù)慣例稱之為技術(shù)成熟度）的概念為：TRLs是一組使用特定的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)界定技術(shù)成熟度的漸變等級(jí)，以評(píng)估將在研發(fā)系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)元素（Critical Technology Elements，CTEs）的成熟度并形成評(píng)估報(bào)告的過(guò)程[2]。通過(guò)確定與技術(shù)及系統(tǒng)集成相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)來(lái)為項(xiàng)目提供技術(shù)成熟度標(biāo)識(shí)，是國(guó)內(nèi)外普遍使用的技術(shù)管理工具。GJB 7688-2012《裝備技術(shù)成熟度等級(jí)劃分及定義》以及其配套評(píng)估程序GJB 7689-2012《裝備技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)程序》對(duì)適用于型號(hào)裝備的技術(shù)(軟硬件)、制造、管理的TRL進(jìn)行了詳細(xì)的劃分，目前國(guó)內(nèi)軍事裝備研究使用的TRL的標(biāo)準(zhǔn) (廣泛使用于總裝先進(jìn)制造項(xiàng)目管理、國(guó)防科工局配套項(xiàng)目等)如表1所示。

2010年以后，相關(guān)單位陸續(xù)對(duì)軍用裝備的TRL進(jìn)行了詳細(xì)描述和領(lǐng)域劃分，如GJB 8345-2015《裝備制造成熟度等級(jí)劃分及定義》以及其配套評(píng)估程序GJB 8346-2015《裝備制造成熟度評(píng)價(jià)程序》、GJB/Z 173《技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)指南》等不同領(lǐng)域的分標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

2 軍事裝備中電子材料的技術(shù)成熟度現(xiàn)狀

電子材料是型號(hào)產(chǎn)品電子裝備的基礎(chǔ)和基本組成，其技術(shù)成熟度對(duì)電子裝備的研制起著至關(guān)重要的作用，與電子型號(hào)產(chǎn)品的成熟度有著密切的關(guān)系。電子材料與型號(hào)產(chǎn)品技術(shù)成熟度之間的關(guān)系見(jiàn)表3[3]。新裝備的研發(fā)要求更高TRL的電子材料作支撐，而不會(huì)以并行開(kāi)發(fā)的方式同時(shí)開(kāi)展。以雷達(dá)為例，一款新型雷達(dá)裝備研制時(shí)處于TRL3的狀態(tài)，但電訊、結(jié)構(gòu)、工藝設(shè)計(jì)方案必然優(yōu)選已有的成熟產(chǎn)品(TRL9)、已在其他型號(hào)上有過(guò)驗(yàn)證經(jīng)歷的電子材料，在材料尚無(wú)成熟產(chǎn)品的情況下會(huì)選擇已有研究基礎(chǔ)、可穩(wěn)定小批量生產(chǎn)的材料(TRL＞6)。而雷達(dá)裝配轉(zhuǎn)入演示樣機(jī)階段，必須選擇總體單位認(rèn)可目錄內(nèi)的成熟產(chǎn)品(TRL9)。當(dāng)國(guó)內(nèi)沒(méi)有該材料的情況下，為了裝備的正常生產(chǎn)和使用，只能選擇相應(yīng)的國(guó)外產(chǎn)品。而在電子裝備或電子產(chǎn)品中，全球電子材料市場(chǎng)尤其是高端市場(chǎng)基本被杜邦公司、陶氏化學(xué)、默克集團(tuán)、三菱化學(xué)、信越化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社、東京應(yīng)化工業(yè)株式會(huì)社、住友化學(xué)等國(guó)際巨頭壟斷[4]。

表1 軍事裝備技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

表2 國(guó)軍標(biāo)不同領(lǐng)域的技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)指南

隨著我國(guó)基礎(chǔ)科技能力的提升，裝備中的許多國(guó)外進(jìn)口材料逐步替換為具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)產(chǎn)材料，以滿足更高國(guó)產(chǎn)化程度、關(guān)鍵技術(shù)自主可控的更高要求。目前受國(guó)內(nèi)材料技術(shù)水平滯后于裝備應(yīng)用的實(shí)際情況，軍事裝備中新型電子材料的開(kāi)發(fā)多采用國(guó)外型號(hào)規(guī)格等效替代的方式，即參數(shù)指標(biāo)等于或優(yōu)于國(guó)外進(jìn)口材料，加工性能基本等同于國(guó)外進(jìn)口材料，替代后的裝備性能必須與替換前保持高度一致和穩(wěn)定。因此進(jìn)口替代材料的開(kāi)發(fā)受限條件更多，穩(wěn)定性和可靠性等指標(biāo)要求更嚴(yán)格，現(xiàn)有裝備技術(shù)成熟度等級(jí)劃分不能滿足進(jìn)口替代研發(fā)的特殊性、針對(duì)性和適用性要求。而對(duì)于材料的TRA，特別是應(yīng)用于電子信息裝備的電子材料的開(kāi)發(fā)流程卻遲遲沒(méi)有出臺(tái)，直至2018年國(guó)家才由工信部發(fā)布國(guó)標(biāo)《新材料技術(shù)成熟度等級(jí)劃分及定義》[5]。然而，民用領(lǐng)域材料開(kāi)發(fā)的TRA考核機(jī)制和軍事裝備中的電子材料進(jìn)口替代開(kāi)發(fā)流程也存在一定差異。因此，如何在裝備TRL較高的情況下，實(shí)現(xiàn)裝備使用電子材料的進(jìn)口替代并提升TRL存在巨大困難。

表3 電子材料與型號(hào)產(chǎn)品技術(shù)成熟度間的關(guān)系

電子材料具有品種多、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、個(gè)性化強(qiáng)等特點(diǎn)，產(chǎn)品的配方、加工技術(shù)以及工藝條件決定了產(chǎn)品性能和質(zhì)量。電子材料進(jìn)口替代的簡(jiǎn)易流程一般如圖1所示，從替代品的選型完畢到最終成熟替代產(chǎn)品(可在型號(hào)設(shè)備中直接替代使用)的產(chǎn)生，需要進(jìn)行多步使用驗(yàn)證測(cè)試。如半導(dǎo)體需要被設(shè)計(jì)才能使用于元器件，封裝材料也必須針對(duì)特定的半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和不同應(yīng)用領(lǐng)域的制作工藝形成元器件，元器件則必須被設(shè)計(jì)才能應(yīng)用于組件模塊表現(xiàn)出功能；無(wú)機(jī)、有機(jī)基板必須制作成電路板，才能實(shí)現(xiàn)電性能的貫通和元器件的承載；顯示材料必須先集成到終端產(chǎn)品，才能測(cè)試性能和考察使用壽命；焊接、粘接材料必須有被連接的兩個(gè)既有部分，才能聯(lián)通功能和進(jìn)行測(cè)試；輔材和磁性材料等原材料必須應(yīng)用于制備過(guò)程，經(jīng)受現(xiàn)有工藝流程的洗禮，之后的產(chǎn)品才能進(jìn)行表征和衡量……因此在電子材料進(jìn)口替代的過(guò)程中，如何找尋一種合理的TRA和TRL，快速有效地建立驗(yàn)證機(jī)制，提高國(guó)內(nèi)電子材料開(kāi)發(fā)的后端市場(chǎng)認(rèn)可度，對(duì)提高軍事裝備中的國(guó)產(chǎn)化程度，提升關(guān)鍵材料的自我保障能力具有重要意義。

圖1 進(jìn)口替代電子材料的開(kāi)發(fā)流程簡(jiǎn)圖

根據(jù)材料開(kāi)發(fā)的特殊性，國(guó)防科工局進(jìn)口替代(以下簡(jiǎn)稱軍品替代)、工信部發(fā)布的國(guó)標(biāo)(以下簡(jiǎn)稱國(guó)標(biāo))和航天材料產(chǎn)業(yè)界(以下簡(jiǎn)稱航天材料)分別制定了不同的材料開(kāi)發(fā)(替代)的TRL，如表4所示。

表4 材料開(kāi)發(fā)研制的TRL說(shuō)明

從表4中可見(jiàn)，三方均在材料開(kāi)發(fā)的特性上進(jìn)行了TRL的重新定義，但對(duì)不同階段對(duì)應(yīng)的TRL仍有差異。如TRL3階段，軍品替代和航天材料都只要求開(kāi)始初步實(shí)驗(yàn)，主要性能不需要已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，國(guó)標(biāo)卻已要求獲得具備主要性能的試樣。如TRL5階段，軍品替代和航天材料系統(tǒng)要求制備得到材料試樣，而國(guó)標(biāo)在TRL4階段時(shí)已經(jīng)要求獲得試樣。軍品替代和國(guó)標(biāo)在TRL6(環(huán)境驗(yàn)證)階段達(dá)到統(tǒng)一要求標(biāo)準(zhǔn)，后期TRL基本類似；而航天材料系的TRA中并未提及使用和環(huán)境驗(yàn)證，因此高TRL階段持續(xù)關(guān)注批產(chǎn)穩(wěn)定性。3種TRL的程度差異如圖2所示。

圖2 3種不同TRL的等級(jí)差異

比較而言，軍品替代的TRL劃分更適應(yīng)電子材料開(kāi)發(fā)替代進(jìn)口的研發(fā)流程，表5為根據(jù)前期經(jīng)驗(yàn)對(duì)此TRL等級(jí)描述的補(bǔ)充描述。

表5 進(jìn)口替代電子材料開(kāi)發(fā)研制的TRL說(shuō)明

3 微波復(fù)合介質(zhì)板的進(jìn)口替代TRA分析

為了將TRL定量應(yīng)用于進(jìn)口替代材料，通常將關(guān)鍵技術(shù)的成熟度量化加權(quán)，來(lái)評(píng)估同一材料不同技術(shù)狀態(tài)的成熟度。以微波復(fù)合介質(zhì)板為例，目前我國(guó)軍民企業(yè)均在大力研發(fā)進(jìn)口替代的產(chǎn)品，其TRL可由CTE的TRL及其影響權(quán)重加權(quán)平均得到[6]。具體計(jì)算公式為：

其中，TRL是微波復(fù)合介質(zhì)板的最終技術(shù)成熟度等級(jí)，n為涉及的CTE項(xiàng)數(shù)，CTE的TRLi表示第i項(xiàng)的CTE的TRL，權(quán)重i表示第i個(gè)CTE對(duì)應(yīng)的權(quán)重。單項(xiàng)CTE的TRL根據(jù)表5的規(guī)則進(jìn)行判定。CTE的權(quán)重根據(jù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)、行業(yè)專家、TRA人員對(duì)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)項(xiàng)目影響程度的三方意見(jiàn)綜合確定。

以低介電常數(shù)的微波復(fù)合介質(zhì)板的國(guó)產(chǎn)化替代開(kāi)發(fā)為例，分別從原材料、配方、工藝、測(cè)試4個(gè)環(huán)節(jié)選取5種具有關(guān)鍵特性的CTE進(jìn)行量化考核。首先需要面臨原材料的性能控制，尤其是對(duì)作為介電主要成分的PTFE乳液的性能均一性和穩(wěn)定性的控制，否則以此為基礎(chǔ)的配方、工藝均受原材料性能的波動(dòng)而產(chǎn)生較大離散。此CTE對(duì)配方確定之初的性能和大批量生產(chǎn)時(shí)的批次穩(wěn)定性影響很大。其次，關(guān)鍵配方確定后，需要對(duì)指定比例的填充陶瓷顆粒進(jìn)行有效的偶聯(lián)改性，商用單一偶聯(lián)劑無(wú)法較好地達(dá)到低量、高效、快速的偶聯(lián)效果，而復(fù)配偶聯(lián)劑的配方構(gòu)成、成分選型、偶聯(lián)水解和改性機(jī)理需要進(jìn)行細(xì)致的探索，并在達(dá)到穩(wěn)定工藝調(diào)控的狀態(tài)下確定可實(shí)施的工藝窗口邊界條件。但該CTE在配方固化、技術(shù)突破、生產(chǎn)條件穩(wěn)定之后的重要性逐漸下降。無(wú)論在小批量實(shí)驗(yàn)還是穩(wěn)定化生產(chǎn)，均一、穩(wěn)定的微波復(fù)合介質(zhì)板基礎(chǔ)膠液都是產(chǎn)品成功的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，小試通過(guò)簡(jiǎn)易裝置和手工操作可以達(dá)到滿足性能的混合狀態(tài)，對(duì)小試產(chǎn)品的影響相對(duì)略低；而對(duì)中試、批量生產(chǎn)環(huán)節(jié)，混合穩(wěn)定性技術(shù)需要解決設(shè)備、參數(shù)、環(huán)境的協(xié)調(diào)，對(duì)產(chǎn)品一致性的影響很大。小試中在未固化的工藝參數(shù)和流程中，可以通過(guò)篩取獲得理想性能的局部樣品，因此包含溫度、壓力、時(shí)間的熱壓工藝曲線的影響程度較低。但在材料、配方穩(wěn)定之后，工藝的可靠、穩(wěn)定運(yùn)行直接影響批量產(chǎn)品的成品率和生產(chǎn)效率。微波復(fù)合介質(zhì)板的關(guān)鍵性能測(cè)試缺乏可快速實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備，因此在需要測(cè)試大量數(shù)據(jù)的小試轉(zhuǎn)中試階段如何獲取可信數(shù)據(jù)成為制約項(xiàng)目進(jìn)度的主要問(wèn)題之一。此項(xiàng)技術(shù)解決后，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的重要性隨之降低。綜上所述，低介電常數(shù)的微波復(fù)合介質(zhì)板的國(guó)產(chǎn)化替代開(kāi)發(fā)項(xiàng)目開(kāi)展前、開(kāi)展中期(關(guān)鍵性能滿足指標(biāo)的試樣)、完成后的TRL如表6所示。

從表6中可見(jiàn)，項(xiàng)目實(shí)施前，型號(hào)使用規(guī)格的國(guó)產(chǎn)微波復(fù)合介質(zhì)板的TRL只有1。經(jīng)過(guò)各個(gè)CTE的攻克，偏重于性能的提升而非工藝穩(wěn)定時(shí)，制備出關(guān)鍵性能滿足指標(biāo)、可穩(wěn)定重復(fù)測(cè)試的試樣時(shí)，符合TRL4研究室環(huán)境仿真驗(yàn)證可行的要求。最終項(xiàng)目結(jié)題時(shí)，CTE的權(quán)重更偏向批量穩(wěn)定，綜合計(jì)算得到的TRL與TRL7試驗(yàn)批工藝流程穩(wěn)定可靠一致。

表6 進(jìn)口替代微波復(fù)合介質(zhì)板開(kāi)發(fā)研制的TRL說(shuō)明

4 結(jié)論

技術(shù)成熟度等級(jí)是研發(fā)過(guò)程有效的風(fēng)險(xiǎn)管理工具和市場(chǎng)推廣利器。文章分析比較了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)行的幾種TRL對(duì)電子材料開(kāi)發(fā)的適用性，并根據(jù)電子材料的技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)在國(guó)外進(jìn)口替代電子材料開(kāi)發(fā)過(guò)程的TRL進(jìn)行了補(bǔ)充定義。使用基于CTE權(quán)重的TRA，以微波復(fù)合介質(zhì)板的進(jìn)口替代研發(fā)為例進(jìn)行了技術(shù)成熟度評(píng)價(jià)，經(jīng)過(guò)加權(quán)平均后的TRL與軍品替代的判斷等級(jí)基本符合。

[1]AOF Technology Management Policy.Information and Guidance on the Technology Management aspects of UK MOD Defence Acquisition version 1.0.1[S].2008-11[2009-12-25].

[2]Office of the Director,Defense Research and Engineering(DDR&E).Technology Readiness Assessment (TRA)Deskbook[S/OL].2009-9-9[2009-9-15].

[3]彭勃.航空材料技術(shù)成熟度等級(jí)劃分與評(píng)價(jià)方法研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2016(22),66-67.

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