新材料技術(shù)在軍工領(lǐng)域的應(yīng)用

趙亮

摘要：材料是社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，而新材料則是社會(huì)進(jìn)步的里程碑。軍用新材料是新一代武器裝備的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今世界軍事領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。軍用新材料技術(shù)則是現(xiàn)代精良武器裝備的關(guān)鍵，是軍用高技術(shù)的重要組成部分。新材料技術(shù)與其應(yīng)用實(shí)踐一直有著復(fù)雜的辯證關(guān)系，有時(shí)新材料技術(shù)的缺陷和不足束縛了我們的設(shè)計(jì)和實(shí)踐，有時(shí)新材料技術(shù)的出現(xiàn)又激發(fā)了我們的創(chuàng)新和想象，更多的是新材料技術(shù)的成功應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了我們的夢(mèng)想和渴望。

一、背景與意義

新材料，又稱先進(jìn)材料（Advanced Materials），是指新近研究成功的和正在研制中的具有優(yōu)異特性和功能，能滿足高技術(shù)需求的新型材料。材料技術(shù)是體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力與技術(shù)創(chuàng)新的標(biāo)志之一，是世界各國(guó)科技發(fā)展規(guī)劃之中的一個(gè)十分重要的領(lǐng)域，它與信息技術(shù)、生物技術(shù)、能源技術(shù)一起，被公認(rèn)為是當(dāng)今社會(huì)及今后相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)總攬人類全局的高技術(shù)。材料高技術(shù)還是支撐當(dāng)今人類文明的現(xiàn)代工業(yè)關(guān)鍵技術(shù)，也是一個(gè)國(guó)家國(guó)防力量最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。國(guó)防工業(yè)往往是新材料技術(shù)成果的優(yōu)先使用者，新材料技術(shù)的研究和開發(fā)對(duì)國(guó)防工業(yè)和武器裝備的發(fā)展起著決定性的作用。世界各國(guó)對(duì)軍用新材料技術(shù)的發(fā)展給予了高度重視，加速發(fā)展軍用新材料技術(shù)是保持軍事領(lǐng)先的重要前提。

二、新材料技術(shù)束縛設(shè)計(jì)和實(shí)踐

早在三千多年前，人們就已經(jīng)掌握通過向一種金屬里加入少量的其它金屬元素熔煉后得到新合金材料，并提升原金屬的性能。所以傳統(tǒng)的金屬合金，常常是基于一個(gè)主要元素（含量超過50%），并在此基礎(chǔ)上添加少量的其他元素。但是傳統(tǒng)的合金設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)一直困擾著材料科學(xué)家——雖然在一種主要金屬元素中添加少量的其它元素可以改善合金的整體性能，但隨著元素添加的量的增加，到一定比例后會(huì)抵消它們帶來的益處，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的合金大都是多相的混合物，而合金元素種類過多會(huì)導(dǎo)致很多化合物尤其是脆性金屬間化合物的出現(xiàn)，從而導(dǎo)致合金性能惡化。此外，也給材料的組織和成分分析帶來很大困難。金屬結(jié)構(gòu)材料、陶瓷結(jié)構(gòu)材料、高分子結(jié)構(gòu)材料和復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)材料成為制約武器裝備發(fā)展的瓶頸；隱身材料、防護(hù)材料、致密能源材料以及信息智能材料等功能材料成為熱門的研究課題。

在過去的十年中，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency）在氮化鎵（GaN）技術(shù)發(fā)展方面上進(jìn)行持續(xù)投資，期望通過新材料的應(yīng)用研究實(shí)現(xiàn)以更高的頻率、帶寬和效率提供高功率射頻信號(hào)。但是，現(xiàn)在越來越多的軍事組件正在產(chǎn)生大量的射頻信號(hào)，這造成了越來越擁擠的電磁環(huán)境，并且需要利用更高的工作頻率——上升到毫米波頻率。動(dòng)態(tài)范圍增強(qiáng)型電子和材料（DREaM）項(xiàng)目計(jì)劃尋求利用新材料和新穎的器件結(jié)構(gòu)來創(chuàng)建RF/mmW晶體管，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜電磁頻譜中的非對(duì)稱操作。為了實(shí)現(xiàn)其預(yù)期目標(biāo)，項(xiàng)目將致力于通過開發(fā)非傳統(tǒng)材料，集成新的器件結(jié)構(gòu)并在晶體管布局上進(jìn)行創(chuàng)新，以實(shí)現(xiàn)4倍更高的輸出功率密度和100倍的創(chuàng)新，從而為各種放大器應(yīng)用創(chuàng)建高動(dòng)態(tài)范圍的RF晶體管。

另外一項(xiàng)關(guān)于轉(zhuǎn)導(dǎo)材料的研究。轉(zhuǎn)導(dǎo)材料（MATRIX）在不同形式或域之間轉(zhuǎn)換能量，例如將熱轉(zhuǎn)換為電能，或?qū)㈦妶?chǎng)轉(zhuǎn)換為磁場(chǎng)。用這種材料制成的設(shè)備在軍方進(jìn)行了相關(guān)的應(yīng)用，其中包括：用于電能收集，熱管理和制冷的熱電（熱/電領(lǐng)域）；用于傳感器、天線、執(zhí)行器、微電機(jī)，可調(diào)射頻和微波組件的多鐵磁（磁/電域）；換能器、開關(guān)、傳感器和控制設(shè)備中使用的相變材料（各種域）。盡管在提高某些應(yīng)用的轉(zhuǎn)導(dǎo)材料性能方面已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，但是并不能轉(zhuǎn)化為滿足美國(guó)國(guó)防部需求的設(shè)備。轉(zhuǎn)導(dǎo)材料項(xiàng)目的目標(biāo)是通過在統(tǒng)一的研究和開發(fā)工作中整合各種建模、設(shè)計(jì)和制造，從而在材料和設(shè)備領(lǐng)域之間架起橋梁，將材料突破擴(kuò)展到設(shè)備和系統(tǒng)級(jí)別。計(jì)劃的主要重點(diǎn)是開發(fā)多尺度，多模式設(shè)計(jì)和工程工具，這些工具有可能加速轉(zhuǎn)導(dǎo)材料技術(shù)在美國(guó)國(guó)防部的應(yīng)用。

三、新材料技術(shù)激發(fā)創(chuàng)新和想象

美國(guó)陸軍CCDC陸軍研究實(shí)驗(yàn)室是發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新和孵化科學(xué)技術(shù)的主要機(jī)構(gòu)之一，也是確保陸軍裝備技術(shù)在戰(zhàn)爭(zhēng)中占主導(dǎo)地位的主要力量之一。該實(shí)驗(yàn)室的首席科學(xué)家亞歷山大·科特（Alexander Kott）博士指出未來的陸軍機(jī)器人將成為世界上最強(qiáng)大的機(jī)器人。機(jī)器人可以用塑料制成人造肌肉進(jìn)行武裝。陸軍研究人員與大學(xué)教授合作，研究了塑料纖維在扭曲和盤繞成彈簧時(shí)的反應(yīng)。不同的刺激會(huì)使塑料纖維收縮和膨脹，模仿天然肌肉。該團(tuán)隊(duì)在聚合物科學(xué)和化學(xué)工程領(lǐng)域的專業(yè)知識(shí)幫助確定了最佳的材料性能值，以實(shí)現(xiàn)所需的人造肌肉性能指標(biāo)，并幫助開發(fā)和實(shí)施了測(cè)量這些材料性能的技術(shù)。人造肌肉可能會(huì)提高機(jī)器人的性能，使我們未來的機(jī)械伙伴增強(qiáng)體力。

美國(guó)陸軍實(shí)驗(yàn)室正在進(jìn)行一項(xiàng)可以改變游戲規(guī)則的科學(xué)研究，利用一種特殊的材料吸收Wi-Fi、藍(lán)牙、蜂窩數(shù)據(jù)信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化為電能。研究人員表示：今天，Wi-Fi在室內(nèi)和室外環(huán)境中變得無(wú)所不在，并提供了一個(gè)豐富的、始終在線的射頻能量來源，目前缺少的是一種高效、靈活、隨時(shí)可用的能源獲取解決方案，這對(duì)于自供電系統(tǒng)來說是必不可少的。我們發(fā)現(xiàn)了一種可能填補(bǔ)這一空白的方法，并計(jì)劃用于未來戰(zhàn)爭(zhēng)中。該發(fā)明已經(jīng)證明了在不使用任何電源線的情況下利用Wi-Fi、藍(lán)牙和毫米波（在一些5G無(wú)線通信系統(tǒng)中使用）產(chǎn)生功率的能力。由于這些材料和設(shè)備可以集成到士兵的健康和監(jiān)控系統(tǒng)、顯示器、通信和傳感系統(tǒng)中，它有可能徹底改變士兵的態(tài)勢(shì)感知和戰(zhàn)備狀態(tài)。這種特殊的材料是一種革命性新材料—二硫化鉬，它只有幾層原子那么厚。它極薄的厚度使得用它制成的電子系統(tǒng)是透明的，只有在設(shè)計(jì)用來顯示信息時(shí)才可見。陸軍實(shí)驗(yàn)室表示：這項(xiàng)技術(shù)將改變戰(zhàn)場(chǎng)上的游戲規(guī)則，因?yàn)檫@種材料可以被制造成一種透明、靈活、自供電、原子厚度的系統(tǒng)芯片嵌入到智能紡織品中，這是以前從未實(shí)現(xiàn)過的。這些未來的系統(tǒng)將以微米大小、極輕的重量、極高的光學(xué)透明度為特色，為士兵提供實(shí)時(shí)情報(bào)，為所有地形的規(guī)劃/行動(dòng)和安全做準(zhǔn)備。它還可以全天候吸收無(wú)線電波進(jìn)行自供電，而不需要額外的電力儲(chǔ)存設(shè)備。

四、新材料技術(shù)實(shí)現(xiàn)夢(mèng)想和渴望

在合金體系設(shè)計(jì)上，與其往一個(gè)主要金屬元素中添加其他元素制備有序的合金，不如以等比例含量或近似等比例含量直接混合五種或更多的元素，以得到無(wú)序度更高的多元單相混合合金，這類合金被命名為高熵合金。高熵合金通過適當(dāng)?shù)暮辖鸾M成元素設(shè)計(jì)可擁有很多傳統(tǒng)合金所不具有的機(jī)械性能，更好的抗氧化性或耐腐蝕性，其發(fā)展可能會(huì)提升噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能和燃油效率，以及極端環(huán)境下使用的機(jī)械部件在其他工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。近年，高熵合金受到幾個(gè)主要軍事強(qiáng)國(guó)的高度關(guān)注，相關(guān)研究也取得了多項(xiàng)突破性進(jìn)展，美國(guó)北卡羅來納州立大學(xué)研發(fā)了一種低密度高強(qiáng)度納米晶高熵合金，預(yù)估的材料強(qiáng)度重量比可媲美陶瓷材料，可有效節(jié)省交通運(yùn)輸和能源領(lǐng)域?qū)Y源的消耗。美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一種抗輻照高熵合金，在輻照條件下，合金的輻射降解程度較低，溶脹較小，溶質(zhì)擴(kuò)散緩慢，具有良好的抗輻射能力，可作為第四代核反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料。此外共晶高熵合金在鍛造條件下具有優(yōu)異的耐腐蝕性，可用于制造船舶螺旋槳，高速切削工具，將其制成棒狀和粉末狀，通過等離子噴涂或熱噴涂工藝可將高熵合金以保護(hù)涂層的方式噴涂在航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、或其他刀具或模具表面上，確?；w的使用壽命及性能。

超材料是指一些具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料/人工材料。天然材料由非晶態(tài)（隨機(jī)）或結(jié)晶態(tài)（圖案化）的小元素-原子和分子組成。使用人工材料，我們可以用宏觀的元素代替構(gòu)件，從而可以自由選擇尺寸和圖案?；诔牧系奶炀€利用亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)信號(hào)，可以幫助確保戰(zhàn)時(shí)指揮和控制，從而支持電磁機(jī)動(dòng)戰(zhàn)。使用超材料不僅減小了天線的尺寸，增加了輸出功率，改善了方向性，還增加了單個(gè)天線的頻率范圍。通過用電子掃描陣列（也成為相控陣）代替?zhèn)鹘y(tǒng)的無(wú)線電天線。非熱超材料可以抵抗由于溫度波動(dòng)而產(chǎn)生體積變化， 這是激光和其他光學(xué)系統(tǒng)必須保持精確對(duì)準(zhǔn)的關(guān)鍵特性；負(fù)剛度和負(fù)泊松比超材料理論上可以吸收和重定向沖擊，可用于諸如防爆頭盔等裝備中；對(duì)于帶有EO（光電）或IR（紅外）導(dǎo)引頭的精確制導(dǎo)武器，提高分辨率可以在更大范圍內(nèi)識(shí)別目標(biāo)，從而提高智能武器的能力。因此，它有望用于當(dāng)前導(dǎo)彈防御系統(tǒng)、地面攔截器。此外，電磁超表面導(dǎo)彈外殼還可能改變下一代快速打擊武器，使其避免被綜合防空系統(tǒng)或飛機(jī)探測(cè)到。

五、結(jié)語(yǔ)

新材料技術(shù)必將持續(xù)積極影響著軍工領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)步，未來的競(jìng)爭(zhēng)是新材料的競(jìng)爭(zhēng)。我們要在競(jìng)爭(zhēng)中獲得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)還須加強(qiáng)新材料研究開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面的統(tǒng)籌規(guī)劃，鼓勵(lì)原始創(chuàng)新和自主創(chuàng)新，提高新材料的生產(chǎn)制造技術(shù)水平，提升表征技術(shù)分析能力，讓新材料技術(shù)不斷激發(fā)我們的憧憬和想象，讓新材料技術(shù)不斷實(shí)現(xiàn)我們的夢(mèng)想和渴望，讓新材料技術(shù)在軍用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。

（中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院）