2019年是材料技術(shù)飛速發(fā)展的一年。一邊是，傳統(tǒng)材料不斷改進(jìn)，支撐近、中期裝備應(yīng)用；另一邊，以量子材料、超材料、智能材料及其交叉學(xué)科為代表的新材料新技術(shù)發(fā)展迅速，不斷推進(jìn)著前沿材料創(chuàng)新。軍工材料是武器裝備發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，其技術(shù)發(fā)展既受裝備的需求牽引， 又遵循自身的科學(xué)發(fā)展規(guī)律。

2020年1月13日， 中國航空工業(yè)發(fā)展研究中心本著重大性、先進(jìn)性、前沿性、基礎(chǔ)性、共用性五大原則在北京組織專家召開了2019年度國外軍用材料重大動(dòng)向評選會(huì)。與會(huì)專家成立了評選小組，從高性能金屬材料、先進(jìn)復(fù)合材料、特種功能材料、電子信息功能材料、關(guān)鍵原材料等五大領(lǐng)域共45條發(fā)展動(dòng)向中遴選出了以下10條重大發(fā)展動(dòng)向，供決策機(jī)構(gòu)、科研單位和廣大讀者參考。

銅可強(qiáng)化3D打印鈦合金零部件

銅強(qiáng)化3D打印鈦合金零部件

增材制造的鈦合金，通常會(huì)在3D打印冷卻過程中形成柱狀晶體，易造成變形或裂紋。與鋁合金或其他常用金屬不同，目前并沒有已經(jīng)商用的鈦合金晶粒細(xì)化劑可供制造商用來有效地精細(xì)化微觀結(jié)構(gòu)，避免上述問題的發(fā)生。2019年12月，澳大利亞墨爾本皇家理工大學(xué)工程學(xué)院研究發(fā)現(xiàn)，3D打印鈦銅合金不需要任何特殊過程控制或其他處理方式， 就具有完全等軸的晶粒結(jié)構(gòu)。這意味著晶粒在各個(gè)方向上均等地生長產(chǎn)生牢固的結(jié)合，具有這種微觀結(jié)構(gòu)的合金可以承受更高的外部作用力，在制造過程中出現(xiàn)裂紋或變形等缺陷的可能性要小得多。新型合金可以提高制造商的生產(chǎn)效率， 并允許制造更加復(fù)雜的零部件，是解決鈦合金3D打印工程化應(yīng)用中材料組織結(jié)構(gòu)不均勻問題的重要技術(shù)途徑。

美歐高度關(guān)注稀土材料的開發(fā)和回收

英國伯明翰大學(xué)推出稀土回收項(xiàng)目，計(jì)劃在歐洲建立一條20噸級別的稀土磁性材料回收供應(yīng)鏈

美國國防部在2018年10月發(fā)布《評估并加強(qiáng)美國制造業(yè)、國防工業(yè)基礎(chǔ)和供應(yīng)鏈彈性》報(bào)告要求保障美國的稀土供應(yīng)。該報(bào)告明確了美國為這類材料提供強(qiáng)大且具有競爭力的供應(yīng)鏈的必要性。2019年8月，美國負(fù)責(zé)采辦和維護(hù)的國防部副部長勞德在一份新聞簡報(bào)中表示，美國與澳大利亞正商談聯(lián)合開設(shè)一家加工國防用稀土的工廠。該計(jì)劃旨在應(yīng)對中方主導(dǎo)全球稀土市場，并采取措施限制一系列軍用稀土出口的威脅，保障美國和澳大利亞的相關(guān)物資供應(yīng)。美方表示，美國保障稀土供應(yīng)的難點(diǎn)在于稀土加工的過程及相關(guān)設(shè)備，與澳大利亞合作是解決這個(gè)問題的有效舉措之一。澳大利亞國防部發(fā)言人證實(shí)，澳大利亞和美國在包括稀土在內(nèi)的關(guān)鍵礦產(chǎn)領(lǐng)域的合作從2018年就開始了。

2019年8月，英國伯明翰大學(xué)宣布，作為歐盟資助的地平線2020計(jì)劃中的重點(diǎn)項(xiàng)目——“循環(huán)經(jīng)濟(jì)環(huán)境下的稀土磁性材料可持續(xù)回收、再加工和再利用”（SUSMAGPRO） 的重要參研單位，獲得了超過400萬歐元的經(jīng)費(fèi)支持，建立從廢料中回收稀土金屬的試點(diǎn)設(shè)施。該回收設(shè)施將專注于回收由釹、硼和鐵制成的磁性材料，關(guān)鍵技術(shù)是磁性材料廢料的氫處理系統(tǒng)（HPMS）。傳統(tǒng)稀土金屬元素提取方法需要拆卸和去除磁性材料。HPMS工藝?yán)谩皻浔奔夹g(shù)，將磁性金屬合金分解成粉末， 該粉末易于與其余組分分離，從而節(jié)約大量的時(shí)間、勞力和成本。這種方法還可以實(shí)現(xiàn)在回收單一金屬元素的同時(shí)，處理多個(gè)其他組分。該項(xiàng)回收技術(shù)對于歐洲完成一條完整稀土磁性金屬材料回收供應(yīng)鏈的開發(fā)目標(biāo)具有里程碑意義。

日本推出首個(gè)耐高溫兼抗沖擊的雙馬碳纖維預(yù)浸料

帝人耐280℃高性能雙馬碳纖維預(yù)浸料

傳統(tǒng)雙馬預(yù)浸料存在兩方面難題：一是性能上，提升其耐高溫性能，通常會(huì)以犧牲其抗沖擊性能為代價(jià)；二是成形工藝上， 雙馬樹脂自身的流動(dòng)性也會(huì)加大模塑成形的難度。針對以上問題，日本帝人公司于2019年3月推出全日本第一款首款兼具高耐熱性和高耐沖擊性的碳纖維增強(qiáng)雙馬樹脂預(yù)浸料。該預(yù)浸料玻璃化轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到280℃，沖擊后壓縮強(qiáng)度（CAI）達(dá)到220兆帕，特別適用于生產(chǎn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件。同時(shí)，這款新的預(yù)浸料產(chǎn)品的線熱膨脹系數(shù)較小，能夠同時(shí)在低溫和高溫環(huán)境下保持較高的尺寸穩(wěn)定性。通過調(diào)整配方中的樹脂黏稠度，對樹脂在流經(jīng)模具中預(yù)制件時(shí)的速度進(jìn)行控制，帝人成功地縮短了雙馬預(yù)浸料的固化時(shí)間。

美國研制出輕量化大尺寸透明氧氮化鋁陶瓷裝甲

透明氧氮化鋁陶瓷裝甲視窗

透明陶瓷裝甲具有優(yōu)異防彈性能，重量和厚度僅為傳統(tǒng)防彈玻璃的一半，目前已裝備于美國陸軍黑鷹和支奴干直升機(jī)。2019年7月，在美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室以及美國國防部制造科學(xué)與技術(shù)計(jì)劃支持下，美國Surmet公司開發(fā)出一種氧氮化鋁（AlON）陶瓷粉末，經(jīng)過高溫高壓制成透明裝甲材料，具有優(yōu)異防彈性、耐沖擊性和耐久性。此前，最大的AlON視窗尺寸約0.26平方米。此次Surmet公司通過大量復(fù)雜的工序放大比例生產(chǎn)，得到了8平方英尺（約0.74平方米）的AlON視窗。研究人員表示， 新工藝制造的AlON視窗輕巧且耐用，可使美軍保持巨大作戰(zhàn)優(yōu)勢。鑒于AlON優(yōu)異的耐用性和抗沖擊性，NASA有意將其應(yīng)用于國際空間站的穹頂艙視窗。

美國和日本聯(lián)合開發(fā)結(jié)構(gòu)表面快速除冰除霜技術(shù)

銦錫氧化物薄膜用于結(jié)構(gòu)表面除冰

傳統(tǒng)的除冰除霜技術(shù)是將結(jié)構(gòu)表面上的所有冰或霜融化，其效率低下的最大原因是除冰除霜時(shí)所用的大部分能量都用于加熱系統(tǒng)內(nèi)部的其他組件，而不是直接加熱冰或霜， 這會(huì)增加能耗和相關(guān)系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。2019年9月，美國伊利諾伊大學(xué)厄本那-香檳分校和日本九州大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出一種新方法，通過在結(jié)構(gòu)材料表面涂一層銦錫氧化物薄膜（ITO），在冰和結(jié)構(gòu)表面交界處施加能量非常高的電流脈沖，形成水流層，使得表面冰或霜自然滑落。這種新技術(shù)只需要消耗不到傳統(tǒng)除冰除霜能源消耗的1%，且所需時(shí)間不到傳統(tǒng)除冰除霜時(shí)間的0.01%。測試過程在零下15.1℃至零下71℃的溫度梯度區(qū)間內(nèi)，分別模擬供熱、通風(fēng)、空調(diào)、制冷以及航空航天領(lǐng)域等使用環(huán)境。在所有測試項(xiàng)目中，該技術(shù)均以持續(xù)不到1秒電流脈沖實(shí)現(xiàn)了除冰除霜。該技術(shù)將是未來裝備防除冰領(lǐng)域的重要應(yīng)用方向。

丹麥在利用石墨烯制造電子器件方面取得突破

氮化硼保護(hù)層下的石墨烯超小洞陣列結(jié)構(gòu)示意圖

石墨烯在制造晶體管和光電器件應(yīng)用上面臨的最大挑戰(zhàn)之一就是如何排列石墨烯結(jié)構(gòu)從而構(gòu)造出“誘導(dǎo)帶隙”。為解決這個(gè)問題，2019年2月，丹麥技術(shù)大學(xué)的研究人員首先將石墨烯封裝在另一種二維材料六方氮化硼中。六方氮化硼是一種非導(dǎo)電材料，用于保護(hù)石墨烯的固有特性。隨后，使用一種被稱為電子束光刻的技術(shù)，刻蝕出一系列密集排列的超小孔，精細(xì)地針對保護(hù)層氮化硼和它下面的石墨烯層進(jìn)行自主樣式設(shè)計(jì)。這些小孔的直徑約為20納米，每個(gè)孔的間距僅有12納米。每個(gè)小孔邊緣的粗糙度小于1納米（十億分之一米）。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將使得通過這樣小尺寸石墨烯器件的電流比目前所能達(dá)到的水平還要高1000倍。研究人員通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使得某些石墨烯結(jié)構(gòu)中最微妙的量子、電子效應(yīng)，在設(shè)計(jì)的密集孔隙排列組成樣式中留存了下來，從而實(shí)現(xiàn)了對石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)的控制，向創(chuàng)造尺寸極小的新電子產(chǎn)品邁出了一大步。

臺積電有望在2020年上半年實(shí)現(xiàn)鍺硅電子器件5納米工藝

臺積電5納米制程工藝產(chǎn)品將瞄準(zhǔn)AI和5G方面的應(yīng)用

臺灣積體電路制造股份有限公司于2019年12月在舊金山舉行的IEEE國際電子器件會(huì)議上宣布，臺積電的5納米工藝有望在2020年上半年實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。與該公司利用193納米浸入式光刻技術(shù)制造iPhoneX處理器的7納米工藝相比，新工藝采用了13.5納米波長的極紫外光刻技術(shù)，光刻步驟節(jié)省3步以上，器件速度提高15%，器件功率效率提高30%。芯片性能提升的部分原因在于，臺積電公司首次在晶體管內(nèi)采用了鍺硅“高電子遷移率溝道”。目前，該工藝處于風(fēng)險(xiǎn)評估階段， 將其用于芯片設(shè)計(jì)后最初的靜態(tài)存儲器的平均良率約為80%，后期良率有望得到快速提升。

美發(fā)現(xiàn)二碲化鈾超導(dǎo)材料或可成為量子計(jì)算機(jī)中的“硅”

UTe2的晶體結(jié)構(gòu)及相關(guān)材料數(shù)據(jù)

拓?fù)浣^緣體內(nèi)部是絕緣的，但表面呈現(xiàn)超導(dǎo)特點(diǎn)，由此引出的“拓?fù)涑瑢?dǎo)體”，則為量子計(jì)算機(jī)的邏輯電路設(shè)計(jì)提供了相對有效的材料。目前人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了很多種超導(dǎo)材料，大多數(shù)超導(dǎo)體是自旋單線態(tài)。2019年9月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院與馬里蘭大學(xué)、艾姆斯國家實(shí)驗(yàn)室等聯(lián)合研究發(fā)現(xiàn)了一種新型超導(dǎo)體UTe2（二碲化鈾）具有一種罕見的自旋三重態(tài)，UTe2對磁場有異常高的抵抗力，能極大程度地減小量子計(jì)算中極易產(chǎn)生的誤差。UTe2的特殊表現(xiàn)可能使其在新興的量子計(jì)算機(jī)行業(yè)極具吸引力， 很可能克服工業(yè)中的“量子退相干”問題， 制造出可以讓這種計(jì)算機(jī)的內(nèi)存存儲開關(guān)（即為量子比特）運(yùn)行足夠長時(shí)間的元件，以便在它們失去作為一個(gè)整體運(yùn)行的微妙物理關(guān)系之前完成一次運(yùn)算。這種材料有望扮演量子計(jì)算機(jī)中“硅”的角色，進(jìn)一步推動(dòng)量子計(jì)算機(jī)的發(fā)展。

比利時(shí)索爾維公司推出高溫聚醚醚酮聚合物材料

KetaSpire PEEK XT分子結(jié)構(gòu)

2019年10月， 索爾維公司推出了KetaSpire PEEK XT聚合物材料， 這是行業(yè)內(nèi)首款高溫聚醚醚酮（PEEK）。與標(biāo)準(zhǔn)PEEK相比，KetaSpire PEEK XT的玻璃化溫度提高了20℃，達(dá)到了170℃，熔融溫度也提升了45℃。該材料具有更高的高溫強(qiáng)度和剛度，160℃下的拉伸模量提高400%，拉伸強(qiáng)度提升近50%。KetaSpire PEEK XT中醚與酮之比為2:1，與其他高溫聚酮相比更具化學(xué)性。此外，KetaSpire PEEK XT在250℃時(shí)顯示出比標(biāo)準(zhǔn)PEEK更好的電性能，介電強(qiáng)度提高了50%，體積電阻率也提高了一個(gè)數(shù)量級。KetaSpire PEEK XT可以在全球范圍內(nèi)滿足純凈的、30%的玻璃纖維和30%的碳纖維增強(qiáng)的注塑成型和擠塑等級使用要求，也可以以細(xì)粉形式用于壓塑成型， 同時(shí)支持以粗粉形式進(jìn)行配混。這些樹脂均具有優(yōu)異的加工性能、熔融穩(wěn)定性和高溫耐化學(xué)性，適用于航空航天、電氣/電子、涂料、汽車工業(yè)等。

人工智能在新材料成分、性能預(yù)測方面成果卓著

機(jī)器學(xué)習(xí)算法主導(dǎo)的人工智能技術(shù)正加速材料研發(fā)

傳統(tǒng)研發(fā)方法識別新材料，特別是用于下一代應(yīng)用的高性能材料需要大量的試驗(yàn)試錯(cuò)及實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。因此，研究人員總是在尋找捷徑和方法來縮短傳統(tǒng)材料發(fā)現(xiàn)的時(shí)間。

2019年2月，新加坡南洋理工大學(xué)與美國麻省理工學(xué)院、俄羅斯斯科爾科沃理工學(xué)院的一項(xiàng)聯(lián)合研究表明，利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以預(yù)測材料應(yīng)變時(shí)性能的變化情況。研究人員利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，在六維應(yīng)變空間高精度地預(yù)測了不同的應(yīng)變量和方向?qū)兜挠绊?，從而確認(rèn)最節(jié)能的應(yīng)變路徑，將金剛石轉(zhuǎn)化為更為高效的半導(dǎo)體。此前麻省理工學(xué)院研究人員已經(jīng)在某些硅芯片中引入了一定程度的彈性應(yīng)變。在某些情況下，即使結(jié)構(gòu)發(fā)生1%的變化，也可以使電子更快地穿過材料，從而將設(shè)備的運(yùn)行速度提高50%。利用AI人們可能發(fā)現(xiàn)更多電子信息功能材料及特性，這些材料可以廣泛大量的用于通信、信息處理和能源領(lǐng)域中。

2019年12月，日本東京理工大學(xué)創(chuàng)造了一種獨(dú)特的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，由正向和反向預(yù)測兩個(gè)不同的預(yù)測步驟組成，從一個(gè)世界上最大的聚合物數(shù)據(jù)庫PloyInf中抽取聚合物傳熱特性的小數(shù)據(jù)集，識別新的導(dǎo)熱高分子材料。該方法能夠識別導(dǎo)熱聚合物——特別是三種被選擇用于合成和加工的導(dǎo)熱聚合物——并預(yù)測具有高性能。測試證實(shí)，這種新型聚合物的熱導(dǎo)率高達(dá)每米0.41瓦/米開爾文——比典型的聚酰亞胺高80%。這種導(dǎo)熱新材料可用于在一些關(guān)鍵的電子和其他應(yīng)用中替代金屬，更具成本效益。這項(xiàng)研究展示了在輔助尋找高性能材料方面，人工智能提供的解決方案比傳統(tǒng)方式更具優(yōu)勢。