2023年度国外军工材料技术重大发展动向
2023年，在3D打印、人工智能和数据库等先进技术的综合助力下，铝合金、合金钢、高温合金等传统金属材料的性能再获升级；中熵、高熵合金等新概念材料更加具象化；隐身吸波材料、超硬材料、抗腐蚀涂层、防弹芳纶等关键战略材料纷纷展示出未来多场景装备应用潜力；氧化镓制备技术成本大幅降低，有望大面积应用，二维材料的进步为下一代电子器件开发奠定基础。
2024年1月，中国航空工业发展研究中心在北京组织专家开展了“2023年度国外军工材料重大动向”评选工作，本着重大性、先进性、引领性、基础性四大原则，从高性能金属材料、先进复合材料、特种功能材料、电子信息功能材料、关键原材料等五大领域共计200余条发展动向中，遴选出以下十条重大技术动向，供决策机构、科研单位和广大读者参考。
一、美国利用3D打印技术升级多种合金材料性能
增材制造具有快速、低成本、设备灵活的特点，是当前全球制造业的发展重点。美国铝合金、钢和钛合金等金属的增材制造技术持续快速发展，材料性能大幅提升，部分产品在飞机、火箭、舰船等领域获得应用。2023年5月，美国Elementum3D公司在美国陆军支持下开发出一种新型3D打印铝基复合材料A5083-RAM5，该材料内部各向同性且性能优异，在打印后无需进行热处理。传统A5083铝合金在采用激光粉末床熔融工艺时容易凝固开裂，不适用于基于熔融的增材制造工艺。
新材料在A5083铝合金的基础上添加5%体积分数的纳米陶瓷颗粒增强相，兼具A5083铝与陶瓷分散强化的高强度和高刚度。零件强度明显高于锻造A5083产品，屈服强度是应变硬化锻造A5083-H116的1.8倍；在应力消除状态下，屈服强度是锻造A5083-O的2.9倍。
2023年11月，美国奎斯泰克公司获得三项专为增材制造设计的合金新专利一是可打印的高强度、高韧性、低碳自回火马氏体钢，利用增材制造过程中的“自回火”现象来实现高性能，包括低温韧性，且无需任何后热处理。二是针对增材制造而改进的Al-Mg-Si铝合金，使其能够在构建过程中抵抗热撕裂，并在高温下保持卓越的机械性能。三是用于增材制造的专利铸造钛合金的改良版，比铸造Ti-6Al-4V保留了更高的强度和延展性。这些新型合金可在多种装备应用中实现更高性能。
二、美国首次利用实验观测到中/高熵合金的三维原子结构
不同于以一种元素为主、其他元素为辅的传统合金，中/高熵合金由多种含量相近的主元素组成，通过适当的合金成分设计，可获得高强度、耐高温、耐腐蚀等优异的材料性能。
2023年12月，美国加州大学洛杉矶分校使用原子级电子断层扫描成像技术，首次绘制出中/高熵合金（M/HEA）的三维原子结构，研究团队选择了基于NiPdPt的中/高熵合金纳米颗粒作为模型，包括六种由镍、钯和铂构成的中熵合金，和四种由钴、镍、钌、铑、钯、银、铱和铂构成的高熵合金。
团队使用原子电子断层扫描确定中/高熵合金纳米颗粒的3D原子位置，并定量表征了局部晶格畸变、应变张量、孪晶边界、位错核和CSRO。这是科学界首次将局部化学秩序与材料的结构缺陷联系起来的实验观察。该研究不仅可以扩展对这类材料的基本理解，还将为通过工程晶格畸变和局部化学秩序来定制中/高熵合金特性奠定基础。
三、美国和俄罗斯大力研发新型隐身材料
隐身材料是提高武器装备的战场生存力的关键，当前美国和俄罗斯为首的发达国家正在改进现役飞机和远程精确打击武器的隐身材料吸波性能，提高飞行器的隐身能力。
2023年3月，俄罗斯国家军火制造商（Rostec）公司宣布研制的复合材料能够吸收宽范围的雷达频率。该材料由带有金属芯的玻璃纤维组成，可吸收高达95%的雷达入射电磁辐射，适合制造飞机部件，但Rostec公司没有提及这种新型隐身材料是否会被用于苏-57或正在研发的苏-75Checkmate。
2023年9月，美国诺格公司表示，正准备对B-2A轰炸机进行一系列的现代化改进，包括集成最新的远程精确武器和升级飞机外表面的雷达波吸收涂层等。B-2A机身表面的专用隐身涂层，需要采用胶带形式，安装和维护难度大，成本高昂且劳动密集型。
新型隐身涂层被称为磁性雷达吸波材料（MagRAM），无需专用隐身涂层胶带，减少了每年数千小时的维护需求。诺格公司将该项目命名为“导电表面上方的磁性雷达吸波材料”，希望能扩展到整个B-2A机队。考虑到技术的延续性和共享性，该隐身涂层极有可能应用到B-21轰炸机。
美国新一代轰炸机B-21首架原型机
四、日本东丽公司推出新型高强度碳纤维产品T1200
高性能碳纤维被广泛应用于航空航天等武器装备，是制造复合材料的战略原材料。1986年，东丽开发了当时世界上强度最高的碳纤维T1000，此后一直在高性能碳纤维领域处于全球领先地位。
近年来，随着各国对高强度碳纤维的需求不断上升，日本东丽公司始终走在行业的最前端。东丽通过不断推进T1100碳纤维工程化、商业化应用进程，进一步扩大了碳纤维的潜力。
2023年10月，东丽通过改进其专有的纳米级纤维结构控制技术，设计并制造具有高韧性的碳纤维内部结构，推出世界上强度最高的碳纤维产品TORAYCAT1200，抗拉强度达到8.0GPa，拉伸模量达到315Gpa。与2014年推出的T1100碳纤维相比，抗拉强度提升了10%以上，是目前强度最高的碳纤维。
东丽公司表示，T1100碳纤维是当前工程应用中抗拉强度最高的碳纤维产品，可以进一步减轻碳纤维增强复合材料的结构重量，在航空和航天领域将发挥重要作用，也可用于高尔夫球杆等运动、休闲设备中。
五、美国研发航空航天增材制造专用超高性能复合材料
与传统的复合材料制造工艺相比，复合材料连续纤维3D打印技术具有快速成型、低成本等优点，是复合材料技术的发展新趋势。当前复合材料3D打印技术处于发展初期，标准缺失和精度控制困难造成打印出来的零部件存在表面翘曲的问题。
将Vega材料与Markforged的FX20打印机的连续纤维增强技术结合，在不牺牲强度的情况下提供更高的设计灵活性，实现替代部分金属铝或聚醚醚酮组件，扩展了连续纤维3D打印在航空航天制造中的用途。Vega材料将在航空航天、电动垂直起降、用于在恶劣环境中使用的机器人末端执行器或装配夹具等领域具有极大的应用潜力。
六、美国杜邦公司研发出新型防弹材料
芳纶纤维具有高强度、高模量、耐高温等性能，广泛用于火箭发动机壳体、航空气瓶、航空结构件及军用产品领域。芳纶纤维是防弹衣的主要材料，为了应对更大损伤，一般会增加芳纶层数，但这会增加防弹衣重量和降低士兵灵活性。
2023年5月，美国杜邦公司宣布，已完成下一代芳纶纤维的研制，并与合作伙伴使用这种新材料设计和制造符合所有体型和尺寸的防弹装甲。
下一代芳纶纤维采用新型化学结构和制造工艺，在不降低防护能力的同时可提高士兵的灵活性；采用的新型聚合物使其结构更坚固，在具有相同防护能力的同时可减重30%，且具有阻燃、耐温、耐熔性，在高达500°C的温度下可防熔化和点燃。该材料未来可广泛应用于士兵防护、直升机装甲防护等领域，减轻装备重量，增加机动性能。
七、瑞士开发荧光防腐涂层大大提升金属材料耐腐能力
据估计，世界各国每年用于防腐的投资总额可达2.5万亿美元，约占全球国内生产总值的3.5%，舰船、舰载机等武器装备面临严重的腐蚀问题。
2023年2月，瑞士苏黎世联邦理工学院开发出一种可用于防腐的聚亚苯基亚甲基聚合物材料，可有效保护金属材料，尤其是铝免受腐蚀。该研究涉及的聚亚苯基亚甲基聚合物是一种具有特殊耐热性和疏水性的荧光聚合物，可与涂料混合、加热，进行表面喷涂并固化。
涂层厚度仅环氧树脂等传统涂层的十分之一，无法发出荧光的区域便显示为裂缝或小孔，更为重要的是其具备自修复能力，耐久性优良，在产品报废时还可以完全去除并回收后多次重复利用，回收率高达95%，环保的同时还能够减少材料浪费、降低成本。目前研究人员已为该材料申请专利，后期将寻找行业合作伙伴，以进一步开发可量产的产品。
八、超硬陶瓷材料发展为极端环境装备应用构建技术基础
金刚石是目前自然界公认的最硬材料，被广泛应用于微电子、光子、激光技术、电离辐射探测器等领域，但材料本身的脆性限制其更广泛应用。因此，科学家们长期致力于探索足够坚硬且坚固韧性的材料，以将其推广应用于极端温度、高压力、高速、高辐射环境中。
2023年12月，瑞典林雪平大学、苏格兰爱丁堡大学针对氮化碳材料开展实验研究，将不同形式的氮、碳前驱体置于70~140GPa压力、1500℃高温环境中加热，合成了三种新型氮化碳化合物：t/14-C3N4、hP126-C3N4和t/24-CN2。通过粒子加速器对原子结构分析，基于上述化合物开发出的氮化碳新材料具有三维四面体结构，不仅比立方氮化硼弹性更好，其硬度甚至超过金刚石，同时还兼具压电、光敏、高能量密度、温度稳定性和可回收性，有望成为航天器蒙皮、光敏探测器或强大切割工具的选材目标。
九、日本研发出半导体材料氧化镓的低成本制备方法
当前氧化镓面临晶体制备难度大、生长速率慢、成本高的问题。2023年10月，日本东京农工大学与大阳日酸CSE公司开发出了新一代功率半导体“氧化镓”的低成本制备方法，利用气体供应原料，在基板上制造晶体，可减少设备的维护频率，降低运营成本。
新制法是“有机金属化学气相沉积（MOCVD）法”，通过在密闭装置内充满气体状原料，在基板上制造出氧化镓的晶体，可以制成传统“氢化物气相外延（HVPE）法”无法实现的高频器件。
新制法将晶体的生长速度提高到了每小时约16微米，达到原来的约16倍。除了立式结构的功率器件外，新制法还可以制造“高电子迁移率晶体管（HEMT）”这种横式结构，有利于通信设备的高频工作。这一成果有望推动氧化镓功率器件量产技术的实际应用，大阳日酸CES公司正准备设备的商用化。
十、二维材料展现下一代电子设备应用前景
二维材料由于其本身结构优势及优异电学性质，在先进半导体领域具有巨大应用潜力，实现应用的关键在于与传统硅基半导体兼容制造工艺的研发进程。
2023年1月，美国圣路易斯华盛顿大学研究团队采用过渡金属二硫族化物半导体材料，逐层生长了晶圆级的单畴异质结过渡金属二硫族化物，解决了高质量二维材料生长中的挑战，为大规模生产高质量二维材料奠定了基础。
日本九州大学则推出一种合成多层六方氮化硼（hBN）的新策略，通过传统化学气相沉积的方法，将含有六方氮化硼前驱体的气体沉积在铁镍合金金属基板表面，再利用电化学分层材料转移技术，将均匀的六方氮化硼层转移到石墨烯上，实现了高质量多层六方氮化硼材料的合成，促进了石墨烯基电子器件设备的发展。
2023年2月，美国宾夕法尼亚州立大学纳米科学中心的研究团队，使用限制异质外延生长了两个原子层镓膜，利用分子束外延生长了拓扑绝缘体薄膜，并在两种膜层之间插入一层外延石墨烯，成功构建了拓扑绝缘体/超导体异质结构(Bi,Sb)2Te3/Gr/Ga，其结构内部具备稳定的、邻近效应诱导的超导间隙。
这意味着这种限制异质外延和分子束外延的合成方法，为研究新型超导和磁性异质结构打开了大门，有望为实现量子计算机的规模化应用找到一种可实现晶圆级量产的材料体系。
此外，长期以来，研发新材料一直面临高成本、低效率的难题。实验合成法费时费力，成功率低。
人工智能（AI）具有高效处理海量、高维、复杂数据的能力，可以赋能高通量、自动化、智能化实验，对新材料进行智能设计和筛选，大幅提高实验效率并降低成本。
近来AI驱动的材料科学研究在学界业界发展迅猛。2023年最为亮眼的就是，美国谷歌DeepMind通过深度学习、计算机视觉、大数据等，开发出AI驱动的平台——材料探索图形神经网络（GNoME），已可以自行发现和合成新无机化合物。同时，劳伦斯伯克利国家实验室开发出一种自动实验室（A-Lab）系统，仅用17天独自创建41种新材料，并利用GNoME数据评估预测材料的稳定性，加速新材料自动合成，实现了用最少的人工投入快速发现新材料。
展望2024年，人工智能技术和大数据技术的结合可能会给人类在探索新材料的征途中带来更多的惊喜。