新材料技术在军工领域的应用

赵亮

摘要：材料是社会发展的物质基础和先导，而新材料则是社会进步的里程碑。军用新材料是新一代武器装备的物质基础，也是当今世界军事领域的关键技术。军用新材料技术则是现代精良武器装备的关键，是军用高技术的重要组成部分。新材料技术与其应用实践一直有着复杂的辩证关系，有时新材料技术的缺陷和不足束缚了我们的设计和实践，有时新材料技术的出现又激发了我们的创新和想象，更多的是新材料技术的成功应用实现了我们的梦想和渴望。

一、背景与意义

新材料，又称先进材料（Advanced Materials），是指新近研究成功的和正在研制中的具有优异特性和功能，能满足高技术需求的新型材料。材料技术是体现一个国家综合实力与技术创新的标志之一，是世界各国科技发展规划之中的一个十分重要的领域，它与信息技术、生物技术、能源技术一起，被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。材料高技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术，也是一个国家国防力量最重要的物质基础。国防工业往往是新材料技术成果的优先使用者，新材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。世界各国对军用新材料技术的发展给予了高度重视，加速发展军用新材料技术是保持军事领先的重要前提。

二、新材料技术束缚设计和实践

早在三千多年前，人们就已经掌握通过向一种金属里加入少量的其它金属元素熔炼后得到新合金材料，并提升原金属的性能。所以传统的金属合金，常常是基于一个主要元素（含量超过50%），并在此基础上添加少量的其他元素。但是传统的合金设计经验一直困扰着材料科学家——虽然在一种主要金属元素中添加少量的其它元素可以改善合金的整体性能，但随着元素添加的量的增加，到一定比例后会抵消它们带来的益处，这是因为传统的合金大都是多相的混合物，而合金元素种类过多会导致很多化合物尤其是脆性金属间化合物的出现，从而导致合金性能恶化。此外，也给材料的组织和成分分析带来很大困难。金属结构材料、陶瓷结构材料、高分子结构材料和复合材料等结构材料成为制约武器装备发展的瓶颈；隐身材料、防护材料、致密能源材料以及信息智能材料等功能材料成为热门的研究课题。

在过去的十年中，美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency）在氮化镓（GaN）技术发展方面上进行持续投资，期望通过新材料的应用研究实现以更高的频率、带宽和效率提供高功率射频信号。但是，现在越来越多的军事组件正在产生大量的射频信号，这造成了越来越拥挤的电磁环境，并且需要利用更高的工作频率——上升到毫米波频率。动态范围增强型电子和材料（DREaM）项目计划寻求利用新材料和新颖的器件结构来创建RF/mmW晶体管，以实现复杂电磁频谱中的非对称操作。为了实现其预期目标，项目将致力于通过开发非传统材料，集成新的器件结构并在晶体管布局上进行创新，以实现4倍更高的输出功率密度和100倍的创新，从而为各种放大器应用创建高动态范围的RF晶体管。

另外一项关于转导材料的研究。转导材料（MATRIX）在不同形式或域之间转换能量，例如将热转换为电能，或将电场转换为磁场。用这种材料制成的设备在军方进行了相关的应用，其中包括：用于电能收集，热管理和制冷的热电（热/电领域）；用于传感器、天线、执行器、微电机，可调射频和微波组件的多铁磁（磁/电域）；换能器、开关、传感器和控制设备中使用的相变材料（各种域）。尽管在提高某些应用的转导材料性能方面已经取得了重大进展，但是并不能转化为满足美国国防部需求的设备。转导材料项目的目标是通过在统一的研究和开发工作中整合各种建模、设计和制造，从而在材料和设备领域之间架起桥梁，将材料突破扩展到设备和系统级别。计划的主要重点是开发多尺度，多模式设计和工程工具，这些工具有可能加速转导材料技术在美国国防部的应用。

三、新材料技术激发创新和想象

美国陆军CCDC陆军研究实验室是发现、创新和孵化科学技术的主要机构之一，也是确保陆军装备技术在战争中占主导地位的主要力量之一。该实验室的首席科学家亚历山大·科特（Alexander Kott）博士指出未来的陆军机器人将成为世界上最强大的机器人。机器人可以用塑料制成人造肌肉进行武装。陆军研究人员与大学教授合作，研究了塑料纤维在扭曲和盘绕成弹簧时的反应。不同的刺激会使塑料纤维收缩和膨胀，模仿天然肌肉。该团队在聚合物科学和化学工程领域的专业知识帮助确定了最佳的材料性能值，以实现所需的人造肌肉性能指标，并帮助开发和实施了测量这些材料性能的技术。人造肌肉可能会提高机器人的性能，使我们未来的机械伙伴增强体力。

美国陆军实验室正在进行一项可以改变游戏规则的科学研究，利用一种特殊的材料吸收Wi-Fi、蓝牙、蜂窝数据信号并将其转化为电能。研究人员表示：今天，Wi-Fi在室内和室外环境中变得无所不在，并提供了一个丰富的、始终在线的射频能量来源，目前缺少的是一种高效、灵活、随时可用的能源获取解决方案，这对于自供电系统来说是必不可少的。我们发现了一种可能填补这一空白的方法，并计划用于未来战争中。该发明已经证明了在不使用任何电源线的情况下利用Wi-Fi、蓝牙和毫米波（在一些5G无线通信系统中使用）产生功率的能力。由于这些材料和设备可以集成到士兵的健康和监控系统、显示器、通信和传感系统中，它有可能彻底改变士兵的态势感知和战备状态。这种特殊的材料是一种革命性新材料—二硫化钼，它只有几层原子那么厚。它极薄的厚度使得用它制成的电子系统是透明的，只有在设计用来显示信息时才可见。陆军实验室表示：这项技术将改变战场上的游戏规则，因为这种材料可以被制造成一种透明、灵活、自供电、原子厚度的系统芯片嵌入到智能纺织品中，这是以前从未实现过的。这些未来的系统将以微米大小、極轻的重量、极高的光学透明度为特色，为士兵提供实时情报，为所有地形的规划/行动和安全做准备。它还可以全天候吸收无线电波进行自供电，而不需要额外的电力储存设备。

四、新材料技术实现梦想和渴望

在合金体系设计上，与其往一个主要金属元素中添加其他元素制备有序的合金，不如以等比例含量或近似等比例含量直接混合五种或更多的元素，以得到无序度更高的多元单相混合合金，这类合金被命名为高熵合金。高熵合金通过适当的合金组成元素设计可拥有很多传统合金所不具有的机械性能，更好的抗氧化性或耐腐蚀性，其发展可能会提升喷气发动机的性能和燃油效率，以及极端环境下使用的机械部件在其他工业领域的应用。近年，高熵合金受到几个主要军事强国的高度关注，相关研究也取得了多项突破性进展，美国北卡罗来纳州立大学研发了一种低密度高强度纳米晶高熵合金，预估的材料强度重量比可媲美陶瓷材料，可有效节省交通运输和能源领域对资源的消耗。美国橡树岭国家实验室研发了一种抗辐照高熵合金，在辐照条件下，合金的辐射降解程度较低，溶胀较小，溶质扩散缓慢，具有良好的抗辐射能力，可作为第四代核反应堆的结构材料。此外共晶高熵合金在锻造条件下具有优异的耐腐蚀性，可用于制造船舶螺旋桨，高速切削工具，将其制成棒状和粉末状，通过等离子喷涂或热喷涂工艺可将高熵合金以保护涂层的方式喷涂在航空发动机叶片、或其他刀具或模具表面上，确保基体的使用寿命及性能。

超材料是指一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料/人工材料。天然材料由非晶态（随机）或结晶态（图案化）的小元素-原子和分子组成。使用人工材料，我们可以用宏观的元素代替构件，从而可以自由选择尺寸和图案。基于超材料的天线利用亚波长结构来增强信号，可以帮助确保战时指挥和控制，从而支持电磁机动战。使用超材料不仅减小了天线的尺寸，增加了输出功率，改善了方向性，还增加了单个天线的频率范围。通过用电子扫描阵列（也成为相控阵）代替传统的无线电天线。非热超材料可以抵抗由于温度波动而产生体积变化， 这是激光和其他光学系统必须保持精确对准的关键特性；负刚度和负泊松比超材料理论上可以吸收和重定向冲击，可用于诸如防爆头盔等装备中；对于带有EO（光電）或IR（红外）导引头的精确制导武器，提高分辨率可以在更大范围内识别目标，从而提高智能武器的能力。因此，它有望用于当前导弹防御系统、地面拦截器。此外，电磁超表面导弹外壳还可能改变下一代快速打击武器，使其避免被综合防空系统或飞机探测到。

五、结语

新材料技术必将持续积极影响着军工领域的发展进步，未来的竞争是新材料的竞争。我们要在竞争中获得领先优势还须加强新材料研究开发和产业化方面的统筹规划，鼓励原始创新和自主创新，提高新材料的生产制造技术水平，提升表征技术分析能力，让新材料技术不断激发我们的憧憬和想象，让新材料技术不断实现我们的梦想和渴望，让新材料技术在军用领域发挥更大的作用。

（中国航发北京航空材料研究院）