材料是航空武器裝備發展的物質基礎和技術先導。材料技術的不斷進步為航空武器裝備的改進改型和更新換代奠定堅實的基礎。2017年，國外軍用航空材料技術繼續保持穩步推進的步伐，在計算材料技術、複合材料多功能化、金屬結構材料、超高溫材料、航空器件材料領域取得較大進展。
一、人工智慧技術引領先進材料發展
材料進步是技術進步的重要因素，然而，材料的發現和開發過程卻「步履蹣跚」。目前的材料研究過程是以人為中心的，由人類的研究人員來設計、執行、分析和解釋實驗結果，然後再確定下一步該做什麼。2017年10月19日，美國《自然》期刊發表論文稱，新一代人工智慧阿法元無師自通，完爆前一代產品阿法狗100／0，實現人工智慧從0到1的重要轉變。該項目的重要意義在於，阿法元遠比阿法狗強大，因為它不再被人類認知所局限，也不再受制於人類經驗樣本空間大小的限制，能夠發現新知識，發展新策略。通過擺脫對人類經驗和輔助的依賴，類似的深度強化學習算法或許能更容易地被廣泛應用到其他人類缺乏瞭解或缺乏大量標註數據的領域。專家表示，這一新技術能夠用於解決諸如蛋白質摺疊和新材料開發這樣的重要問題。這為材料界人士開展計算材料科學與工程研究提供了借鑑與深入思考的方向：如何在缺乏大量標註數據的情況下，實現新材料的主動設計？
典型的例子是，作為計算材料科學與工程的領跑者，美國空軍研究實驗室自2013年開始利用人工智慧、數據科學、原位測試等技術，啟動可自主開展材料製備實驗機器人的研究項目。2016年10月，該實驗室開發出世界首套可自主開展材料製備實驗的機器人樣機—「自主研究系統」（AR—ES）。ARES能在材料製備迭代實驗過程中，自主學習並優化實驗設計確定最佳製備參數，使材料製備實驗效率提高百倍，大幅提高研發速度。將AR—ES投入單壁碳納米管的合成研究，結果顯示，ARES成功地學會並以預定速度生長單壁碳納米管。2017年，實驗室的主要工作在於驗證ARES系統在其他材料的適應性問題。ARES未來將廣泛參與以人為中心的科研、自主研發機器人、人一機合作等領域的工作。ARES之類的自主研發機器人，將構成人類理解能力的顛覆性進步，並以前所未有的速度研發複雜材料。
二、納米複合材料促進航空材料結構多功能化
航空材料的多功能化已成為航空武器裝備減重、系統集成需求發展的必然趨勢。納米材料的發展為航空材料的多功能化提供了一條切實可行的路線。為實現材料的多種功能集成，工程師一般通過複合的手段來實現。石墨烯和碳納米管是具備優異電、磁、熱性能的納米材料，與傳統樹脂基複合材料的集成已成為材料多功能化技術發展的重要途徑。
2017年6月，瑞典前沿材料有限公司宣布，由瑞典國家創新局（VIN—NOVA）資助的研究項目「用於長期和高溫應用的石墨烯改性複合材料」正式開始實施。該項目側重於石墨烯改性複合材料在航空航天領域的應用，並旨在通過使用來自瑞典前沿材料公司Woxna項目的石墨材料，開發石墨烯改性聚合材料。石墨烯改性材料可以提供在長期高溫和高濕度環境中保持穩定應用的聚合物複合材料，如飛機發動機部件，這種材料可以提供更輕的重量並提昇力學性能。該項目的目標是在系統級降低20％的飛行器重量，為輕質、高耐熱性和高耐用性的複合材料組件的應用鋪平道路。在高溫條件下耐久性的增強，可增加聚合物複合材料在飛機高溫部位的應用，替代原有的金屬結構件的。力學性能和潮濕環境中使用穩定性的提昇，也將擴大由該材料製成的產品或部件在較低溫度（溫度低於150℃）的連續活動部位的使用。
實際上，利用碳納米管提昇複合材料的導電性，從而替代防雷擊銅網的研究已接近實用化。2017年1月，英國薩里大學、布里斯託大學和龐巴迪公司合作研發出一種在碳纖維表面生長碳納米管的新技術，該技術可提高傳統複合材料的電導率和熱導率。研究人員利用化學氣相沉積工藝，在敏感溫度的碳纖維基板上生長出大面積、高質量的碳納米管。碳納米管在複合材料表面緊密排列，與樹脂基體緊密結合，起到上漿劑的作用，且不容易降解，電流可傳輸貫穿整個複合材料，實現傳感器、能量收集裝置以及通信天線等功能集成到複合材料內部，並保持複合材料部件的結構完整性。雖然這項工作並非第一次將碳納米管納入樹脂基複合材料，但卻是第一次直接取代上漿劑。這種碳納米管改性的碳纖維增強樹脂基複合材料可以將小型電子配件納入其中，且具有一定的自我修復能力，在航空航天領域將有著廣泛的應用價值，如提供更好的飛機除冰方法，使飛機在一定巡航高度產生的燃料蒸汽最小化，並替代現有防雷擊附加銅網，減輕飛機重量。
三、高熵合金展現未來軍事應用前景
傳統的合金通常包含1～2種主要金屬元素和少量其他金屬和元素，而高熵合金是由多種近似等量的金屬混合而成的，更輕、更強，更耐熱、耐腐蝕和耐輻射，甚至還具有獨特的力學、磁、電特性。近年來高熵合金的優越性能和應用前景引發了美國軍方以及材料界的關注，有關高熵合金的研究目前在全世界範圍內發展迅速，高熵合金有潛力成為未來結構和功能材料發展的遊戲規則改變者。美國空軍正在針對「可澈底變革飛機結構製造」的新一代材料研究項目進行資助。牠們授予了北得克薩斯工程學院一份價值90萬美元的合同，用以開發多相高熵合金。這種新一代的材料有望通過其力學性能提昇（包括在高溫下和室溫下的疲勞性能和蠕變性能），從本質上提昇飛機結構部件的性能。研究人員計畫使用計算工具，將傳統合金中的多相結構與高熵合金進行結合，以此來提昇合金性能，發展新一代可提昇飛機或其他應用領域結構性能的材料。此外，在美國能源部和美國國家科學基金的資助下，2017年5月，美國史丹佛大學的科研人員發現，高壓可能是生產高熵合金的關鍵。史丹佛大學的科研人員利用金剛石砧壓槽，在55吉帕的高壓下使用錳、鈷、鐵、鎳、鉻等常用金屬成功製成了具有六方密堆晶格（HCP）結構的高熵合金，而且撤去壓力後六方密堆晶格仍能保持完整。科研人員推測是高壓克服了原子間的磁力，觸發了六方密堆晶格的形成，同時還發現通過緩慢加壓可以增加合金中六方密堆晶格的數量。由於科學家尚未發現可以精確控制組分原子排列和堆積結構的方法，目前科學家們僅創建出兩種堆積結構的高熵合金—體心立方和面心立方，還不能離開實驗室投入實際應用。
四、超高溫材料持續突破溫度上限
高超聲速飛行意味著飛機將以馬赫數5以上的速度飛行，即至少為聲速的5倍。當飛機以這種速度飛行時，大氣中空氣摩擦非常強烈，產生極高的熱量，溫度可高達2000～3000℃，可能氧化和熱燒蝕飛機或飛彈的結構，對結構完整性造成嚴重影響。為解決這個問題，在航空發動機和高超聲速飛行器（如火箭，多次使用的航天器和防禦飛彈）中需要使用超高溫陶瓷材料（UHTC）。但是，當前傳統的超高溫陶瓷材料技術還不能滿足在極限速度和溫度下飛行的相關熱燒蝕的要求。為此，2017年9月，美國空軍裝備司令部下屬的美國空軍研究實驗室向美國集創（II）公司授予了一份價值230萬美元的科研合同，開發滿足熱性能要求的高超聲速飛行器材料。該公司此前與國防部和NASA聯合開展過高超聲速飛行器熱防護系統的科研工作。美國空軍研究實驗室材料與製造部設立該項目的目的是為未來高超聲速飛行器儲備可用的材料及其加工工藝技術。美國空軍在2018財年預算中計畫投入3180萬美元用於高溫材料的研發，同時也計畫提昇一次性高超聲速飛行器所用材料的製造技術。2018財年預算材料同時披露了可重複使用和一次性使用高超聲速飛行器的相關科研計畫細節，其中包括一種有限壽命的高超聲速偵察探測監視飛機。
此外，英國在超高溫材料方面也取得了長足進步。2017年7月，英國曼徹斯特大學與中國中南大學合作，設計並製造了一種新的碳化物塗層，與現有的超高溫陶瓷材料相比，這種塗層可耐高達3000℃的高溫，具有非常明顯的優勢。新型的陶瓷塗層名義成分為Zro8Tio．2C0.74B0.26，是採用反應熔滲法和包埋法在碳／碳複合材料上製備得到的，兼具碳化物的耐高溫性能和硼化物的抗氧化特性。塗層還經過了碳／碳複合材料進行了增強，使得這種塗層不僅強度高，同時還對材料表面的消蝕降解具有極強的抵抗力。研究表明，這種陶瓷塗層在2000～3000℃下的耐燒蝕性優於硼化鋯、碳化鋯等目前常用的超高溫陶瓷材料，且在高達3000℃的環境下，其材料損耗率比傳統的碳化鋯陶瓷2500℃時低12倍以上。這種新型陶瓷塗層將為高超聲速客機、航天飛行器等國防領域帶來新的變化。高超聲速飛行器面臨的最大挑戰之一是如何保護關鍵零部件，如前緣、燃燒室和機頭尖端部位，以便使得這些部位在極端溫度條件下，以及在飛行過程中，能夠抵抗嚴重氧化和強烈空氣摩擦帶來的熱侵蝕。
五、材料技術推進美國空軍多電子器件更新換代
電子材料是目前空軍關注的重點。美國空軍研究實驗室作為引領全球的先進空軍技術開發者，近年來聚焦于液態金屬天線、雷射防護材料、柔性電子器件材料的研究。
（一）美國空軍研究實驗室驗證自適應多頻液態金屬天線
2017年6月，美國空軍研究實驗室稱其正在研製液態金屬天線，有望解決軍用飛機上因配裝多種不同頻率的天線造成的系統構造複雜以及信號間相互干擾的問題。研究人員通過對鎵合金進行成分設計，並加入銦、錫、硒、碲等元素，成功將液態金屬的熔點降至—28℃，以滿足裝備實際應用的環境需求。這種液態金屬天線在70兆赫～7 吉赫的範圍內，工作頻率可按需調節，避免了多個天線互相干擾造成的效率降低，可實現「以一替
多」、精簡飛機通信設備、減重的目的。下一步研究人員將致力於實現這種新型材料與傳統半導體技術的集成，在MQ—9等無人機上進行試驗，計畫在7～10年內應用，全面提昇美軍集成電子電路系統及天線的效率。目前，該技術已完成了實驗室的試驗驗證，步入技術轉化階段。
（二）美國空軍研究實驗室支持開展「藍色系統生存能力雷射材料」計畫
2017年5月，美國空軍研究實驗室與UES公司簽訂了價值4470萬美元的「藍色系統生存能力雷射材料」（LaMBSS）合同，旨在研究材料的相互作用和對外部刺激的響應，以保護美國和盟軍的傳感器與軍事系統不受雷射器和雷射武器的影響。UES公司的工作包括以下幾個方面：表徵並試用多種材料；分析雷射器對材料、結構和傳感器的要求，並提供先進雷射強化材料和技術；開展實驗分析材料老化現象，評估雷射效應對元件系統的影響；先進結構合金和金屬間化合物、輕金屬合金、陶瓷和陶瓷基複合材料的表徵和建模。該項目預計2023年6月完成。
（三）美國空軍研究實驗室和哈佛大學聯合開發出柔性電子材料和設備混合3D打印新技術
2017年10月，美國空軍研究實驗室和哈佛大學維斯研究所聯合開發出一項稱為「混合3D打印」的新技術，採用增材製造將柔性、導電油墨集成在基板材料上，創建可拉伸的柔性電子設備。工藝流程可分為以下幾步：首先，以柔性的、摻銀的熱塑性聚氨酯作為原料，利用3D打印機在聚氨酯電路基板上列印出電路軌跡；然後，採用一種「拾取一放置方法」，利用中空的3D打印機噴嘴和真空系統，精準地將微控芯片和LED燈拾取並放置在柔性材料基板上。經過測試，列印出的混合電子設備即使在從原始尺寸拉伸超過30％後也能夠保持原有功能。這項技術在空軍領域上具有很大應用
潛力，特別是在快速成形技術、可穿戴電子設備、傳感器和人體機能監測等方面。美國空軍實驗室的研究人員還對實驗室的工藝方法進行測試，並正在研究使用相同方法將天線和傳感器構建到結構中的可能性。儘管目前相關材料和方法還處於初期階段，但該技術未來潛在的應用空間巨大。
（航空工業資訊中心 陳亞莉 胡燕萍）