新材料技術在軍工領域的應用

趙亮

摘要：材料是社會發展的物質基礎和先導，而新材料則是社會進步的里程碑。軍用新材料是新一代武器裝備的物質基礎，也是當今世界軍事領域的關鍵技術。軍用新材料技術則是現代精良武器裝備的關鍵，是軍用高技術的重要組成部分。新材料技術與其應用實踐一直有著復雜的辯證關系，有時新材料技術的缺陷和不足束縛了我們的設計和實踐，有時新材料技術的出現又激發了我們的創新和想象，更多的是新材料技術的成功應用實現了我們的夢想和渴望。

一、背景與意義

新材料，又稱先進材料（Advanced Materials），是指新近研究成功的和正在研制中的具有優異特性和功能，能滿足高技術需求的新型材料。材料技術是體現一個國家綜合實力與技術創新的標志之一，是世界各國科技發展規劃之中的一個十分重要的領域，它與信息技術、生物技術、能源技術一起，被公認為是當今社會及今后相當長時間內總攬人類全局的高技術。材料高技術還是支撐當今人類文明的現代工業關鍵技術，也是一個國家國防力量最重要的物質基礎。國防工業往往是新材料技術成果的優先使用者，新材料技術的研究和開發對國防工業和武器裝備的發展起著決定性的作用。世界各國對軍用新材料技術的發展給予了高度重視，加速發展軍用新材料技術是保持軍事領先的重要前提。

二、新材料技術束縛設計和實踐

早在三千多年前，人們就已經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。所以傳統的金屬合金，常常是基于一個主要元素（含量超過50%），并在此基礎上添加少量的其他元素。但是傳統的合金設計經驗一直困擾著材料科學家——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，到一定比例后會抵消它們帶來的益處，這是因為傳統的合金大都是多相的混合物，而合金元素種類過多會導致很多化合物尤其是脆性金屬間化合物的出現，從而導致合金性能惡化。此外，也給材料的組織和成分分析帶來很大困難。金屬結構材料、陶瓷結構材料、高分子結構材料和復合材料等結構材料成為制約武器裝備發展的瓶頸；隱身材料、防護材料、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，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency）在氮化鎵（GaN）技術發展方面上進行持續投資，期望通過新材料的應用研究實現以更高的頻率、帶寬和效率提供高功率射頻信號。但是，現在越來越多的軍事組件正在產生大量的射頻信號，這造成了越來越擁擠的電磁環境，并且需要利用更高的工作頻率——上升到毫米波頻率。動態范圍增強型電子和材料（DREaM）項目計劃尋求利用新材料和新穎的器件結構來創建RF/mmW晶體管，以實現復雜電磁頻譜中的非對稱操作。為了實現其預期目標，項目將致力于通過開發非傳統材料，集成新的器件結構并在晶體管布局上進行創新，以實現4倍更高的輸出功率密度和100倍的創新，從而為各種放大器應用創建高動態范圍的RF晶體管。

另外一項關于轉導材料的研究。轉導材料（MATRIX）在不同形式或域之間轉換能量，例如將熱轉換為電能，或將電場轉換為磁場。用這種材料制成的設備在軍方進行了相關的應用，其中包括：用于電能收集，熱管理和制冷的熱電（熱/電領域）；用于傳感器、天線、執行器、微電機，可調射頻和微波組件的多鐵磁（磁/電域）；換能器、開關、傳感器和控制設備中使用的相變材料（各種域）。盡管在提高某些應用的轉導材料性能方面已經取得了重大進展，但是并不能轉化為滿足美國國防部需求的設備。轉導材料項目的目標是通過在統一的研究和開發工作中整合各種建模、設計和制造，從而在材料和設備領域之間架起橋梁，將材料突破擴展到設備和系統級別。計劃的主要重點是開發多尺度，多模式設計和工程工具，這些工具有可能加速轉導材料技術在美國國防部的應用。

三、新材料技術激發創新和想象

美國陸軍CCDC陸軍研究實驗室是發現、創新和孵化科學技術的主要機構之一，也是確保陸軍裝備技術在戰爭中占主導地位的主要力量之一。該實驗室的首席科學家亞歷山大·科特（Alexander Kott）博士指出未來的陸軍機器人將成為世界上最強大的機器人。機器人可以用塑料制成人造肌肉進行武裝。陸軍研究人員與大學教授合作，研究了塑料纖維在扭曲和盤繞成彈簧時的反應。不同的刺激會使塑料纖維收縮和膨脹，模仿天然肌肉。該團隊在聚合物科學和化學工程領域的專業知識幫助確定了最佳的材料性能值，以實現所需的人造肌肉性能指標，并幫助開發和實施了測量這些材料性能的技術。人造肌肉可能會提高機器人的性能，使我們未來的機械伙伴增強體力。

美國陸軍實驗室正在進行一項可以改變游戲規則的科學研究，利用一種特殊的材料吸收Wi-Fi、藍牙、蜂窩數據信號并將其轉化為電能。研究人員表示：今天，Wi-Fi在室內和室外環境中變得無所不在，并提供了一個豐富的、始終在線的射頻能量來源，目前缺少的是一種高效、靈活、隨時可用的能源獲取解決方案，這對于自供電系統來說是必不可少的。我們發現了一種可能填補這一空白的方法，并計劃用于未來戰爭中。該發明已經證明了在不使用任何電源線的情況下利用Wi-Fi、藍牙和毫米波（在一些5G無線通信系統中使用）產生功率的能力。由于這些材料和設備可以集成到士兵的健康和監控系統、顯示器、通信和傳感系統中，它有可能徹底改變士兵的態勢感知和戰備狀態。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是透明的，只有在設計用來顯示信息時才可見。陸軍實驗室表示：這項技術將改變戰場上的游戲規則，因為這種材料可以被制造成一種透明、靈活、自供電、原子厚度的系統芯片嵌入到智能紡織品中，這是以前從未實現過的。這些未來的系統將以微米大小、極輕的重量、極高的光學透明度為特色，為士兵提供實時情報，為所有地形的規劃/行動和安全做準備。它還可以全天候吸收無線電波進行自供電，而不需要額外的電力儲存設備。

四、新材料技術實現夢想和渴望

在合金體系設計上，與其往一個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。高熵合金通過適當的合金組成元素設計可擁有很多傳統合金所不具有的機械性能，更好的抗氧化性或耐腐蝕性，其發展可能會提升噴氣發動機的性能和燃油效率，以及極端環境下使用的機械部件在其他工業領域的應用。近年，高熵合金受到幾個主要軍事強國的高度關注，相關研究也取得了多項突破性進展，美國北卡羅來納州立大學研發了一種低密度高強度納米晶高熵合金，預估的材料強度重量比可媲美陶瓷材料，可有效節省交通運輸和能源領域對資源的消耗。美國橡樹嶺國家實驗室研發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，溶質擴散緩慢，具有良好的抗輻射能力，可作為第四代核反應堆的結構材料。此外共晶高熵合金在鍛造條件下具有優異的耐腐蝕性，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涂層的方式噴涂在航空發動機葉片、或其他刀具或模具表面上，確保基體的使用壽命及性能。

超材料是指一些具有人工設計的結構并呈現出天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料/人工材料。天然材料由非晶態（隨機）或結晶態（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件，從而可以自由選擇尺寸和圖案。基于超材料的天線利用亞波長結構來增強信號，可以幫助確保戰時指揮和控制，從而支持電磁機動戰。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，還增加了單個天線的頻率范圍。通過用電子掃描陣列（也成為相控陣）代替傳統的無線電天線。非熱超材料可以抵抗由于溫度波動而產生體積變化， 這是激光和其他光學系統必須保持精確對準的關鍵特性；負剛度和負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；對于帶有EO（光電）或IR（紅外）導引頭的精確制導武器，提高分辨率可以在更大范圍內識別目標，從而提高智能武器的能力。因此，它有望用于當前導彈防御系統、地面攔截器。此外，電磁超表面導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或飛機探測到。

五、結語

新材料技術必將持續積極影響著軍工領域的發展進步，未來的競爭是新材料的競爭。我們要在競爭中獲得領先優勢還須加強新材料研究開發和產業化方面的統籌規劃，鼓勵原始創新和自主創新，提高新材料的生產制造技術水平，提升表征技術分析能力，讓新材料技術不斷激發我們的憧憬和想象，讓新材料技術不斷實現我們的夢想和渴望，讓新材料技術在軍用領域發揮更大的作用。

（中國航發北京航空材料研究院）