细说航空航天材料技术进展史

【编者按】材料是航空武器装备的物质基础。材料技术的进步不断推动着航空武器装备性能不断提升和升级换代。

碳纤维、铍铝合金、陶瓷耐热材料等关键材料技术不断突破技术瓶颈，性能获得大幅提升；同时，镓液态金属合金、超材料、石墨烯等前沿材料技术也在加快原理验证和工程应用研究。

材料是航空武器装备的物质基础。材料技术的进步不断推动着航空武器装备性能不断提升和升级换代。在先进复合材料、高性能金属结构材料、特种功能材料、电子信息材料等领域取得了重要进展，不断向高温化、智能化、微纳化和可设计化方向发展。

复合材料方向

碳纤维量产新工艺

2016年1月，由日本东丽、帝人、三菱丽阳和东京大学等组成的研究团队开发出在高温环境下不易熔化的丙烯纤维原料，它的好处是无须再进行防止熔化的准备工序，采用电磁波照射纤维直接加热从而替代传统的热压罐加热工艺，使碳纤维生产速度提高10倍。此外，新工艺还可使生产过程中的能源消耗和二氧化碳排放减半。

陶瓷复合材料革新

2016年8月，美国航空航天局（NASA）表示，在革命性航空概念项目的支持下，研究人员正研究陶瓷基复合材料（CMC）和防护涂层，以替代目前在航空发动机中应用的镍基高温合金。此外，日本石川岛播磨重工（IHI）与宇部兴产株式会社、标盾公司等，也将于2017年试制采用CMC的飞机发动机高压涡轮叶片。

采用新型合金制造的F-35光电系统的平台外壳

超低温自修复和可变形复合材料

2016年9月，研究人员首次发现一种能在超低温环境下实现材料裂纹自修复的新型复合材料，可用于飞行器或卫星等的纤维增强材料部件，实现部件在轨维修。-60℃条件下，自修复效率在玻璃纤维增强材料中达到100%。此外，康奈尔大学也成功研制出一种可变形复合材料，兼具自组装和自修复的特性。美国空军打算利用该材料制备小型无人机的变形机翼，使其能适应从空中到海洋的环境变化，尽量减少机翼损伤。

金属材料方向

轻质合金材料

2016年5月，美国轻质材料制造创新研究所启动了钛合金和铝锂合金项目，旨在通过改进计算模型，更好地预测发动机材料性能。

铍铝合金

铍铝合金属于双相金属，两相的熔点和固相温度相差627℃，难以铸造加工，一直以来只能粉末加工，组件价格昂贵，制造耗时报废率高，限制了合金的应用。2016年，洛克希德·马丁（洛马）与IBC先进合金等公司合作，开发出新型铝铍合金Beralcast，用专门的铸造工艺替代传统的粉末冶金，实现F-35光电瞄准系统的惯性平台外壳近净成形，预计可节省30%～40%的制造成本，并显著缩短制造周期。

新型铸铁材料

2016年1月，工程推进系统公司（EPS）通过采用强度更高的“紧密石墨铸铁”（CGI），设计出紧凑、轻重量、坚固耐用的航空柴油发动机。这种紧密石墨铸铁通过加入紧密的石墨颗粒对铁基体实现互锁，从而提高了强度和抗破裂性能。与普通灰口铁和铝合金相比，抗拉强度提高75%以上，硬度提高45%，疲劳强度则增长近一倍。目前该材料已用于EPS公司的发动机曲轴箱。

特种材料方向

宽频可调雷达吸波超材料

2016年2月，美国爱达荷州立大学利用液态镓铟锡合金替代固态金属制造超材料内部结构单元——开口谐振环，研发出一种新型柔性隐身超材料。该材料可在吸波频段8G～11GHz连续可调，RCS衰减40～60dB，与现役装备雷达吸波材料相比，隐身效能提高100倍。该成果为宽频可调吸波材料的研究开辟了一条全新技术途径。

Kymeta公司的超材料天线

新型防冰材料

2016年5月，在美国空军科学研究办公室和卡森直升机公司的资助下，赖斯大学发明了超薄、高导电石墨烯条带的商业化生产工艺，并利用该工艺制备了具有导电性能的复合材料，帮助雷达罩和玻璃除冰。直升机旋翼桨叶的涂层试验表明，在-20℃时，叶片上形成的冰厚约1cm，只需将0.5W/cm2功率密度的小电压作用于涂层，就能使热传导到表面除冰。该涂层可以实时有效地对飞机、输电线路和其他表面除冰，比目前在机场使用的二元醇化学品更环保。此外，美国休斯顿大学于11月开发出一种具有“磁性光滑表面”的新材料，在-34℃下有效防冰，可用于任意表面防冰，有望大幅提升飞机和能源设施的防冰性能。

耐高温陶瓷材料

2016年8月，俄罗斯研究人员开发出一种基于碳化硅和二硼化锆的陶瓷混合物构成的多层陶瓷结构材料，预计能够耐受3000℃的极端温度的考验，可用于提升喷气发动机燃烧室的温度，还能在空间飞行器再入大气层时起到隔热作用，或者用于制造测量发动机温度的传感器保护罩。12月，英国帝国理工大学的研究团队发现碳化钽和碳化铪材料组成的化合物（80%钽和20%铪）熔点可达到3905℃，为未来极热环境的应用铺平道路，如下一代超声速飞行器的热防护板、核反应堆的燃料包壳。

自清洁、抗反射、防微生物涂层

2016年9月，西班牙巴斯克地区大学联合美国圣何塞IBM艾尔玛登研究中心，开发了一种能防微生物附着、自清洁且抗反射的涂层。该涂层表现出的相分离性能能显著降低微生物粘附。自清洁功能是通过将具有疏水性能的无机硅纳米粒子喷涂在丙烯酸涂层上实现的，形成了超疏水表面还具备很好的强度和韧性。抗反射性能是通过引入多孔结构，使涂层的有效反射率低于基材实现的；同时，为了降低孔结构对涂层机械性能的影响，研究人员确定了最佳的孔隙率范围。

碳热沉材料

2016年8月，联合技术航空系统（UTAS）公司为美国空军475架F-15战斗机提供新的轮胎和刹车。新碳刹车采用了专利碳热沉材料，比目前的刹车系统寿命长4倍；新的轮胎采用无螺栓锁环设计，大幅降低维修时间和成本，并减少部件数量，提升了F-15战斗机机队的性能和表现。

电子材料方向

超材料天线

2016年3月，Kymeta公司表示其mTenna超材料天线已经进入了军工市场。mTenna天线能够自动校准，在飞行中调整对电磁波的接收，其制造工艺类似于液晶显示器或智能手机玻璃屏幕，成本仅为1.5万～2.5万美元，显著低于相控阵天线和电扫天线。此外，该天线仅消耗10W的功率，收发合置，重约18kg，可单人携带。

二维氮化镓半导体材料

2016年8月，美国宾夕法尼亚州立大学材料科学家采用石墨烯封装的方法，利用迁移增强封装生长（MEEG）技术，将镓原子添加到两层石墨烯之间，然后加入氮气引发化学反应，生成封装在石墨烯中的超薄片层氮化镓，首次合成二维氮化镓材料。这种材料具有优异电子性能和强度，将对电子行业产生变革性影响。

镓液态金属合金

2016年5月，美国空军披露其正在进行镓液态金属合金(GaLMA)射频电子研究项目。GaLMA由液态金属、镓及其他导电金属组成，具有轻质、构型可变的特点，对于严格限制尺寸、重量和功率的平台有重要意义，可以延长飞行时间、提高负载能力、减少飞机传统射频结构造成的空气动力学阻力。基于GaLMA的液态电子对于传统射频电子而言，是一种全新的方法和完全不同的材料形式，可以使天线和电接触点物理可移动，且可重新布置，所以电子元件的形状和功能能够随任务需求而变化。

透明强磁性材料

10月9日，日本研究人员开发出一种透明强磁性纳米颗粒薄膜材料，由纳米级磁性金属颗粒铁钴合金和绝缘物质氟化铝混合制成，有望用于在飞机挡风玻璃上直接显示油量、地图等信息的新一代透明磁性设备，为包括电、磁及光学设备在内的产业带来革新性的技术发展。

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