芯片|2021年度国外军工材料技术重大发展动向( 二 )

欧盟试制最大热塑性复合材料飞机机身结构件
热塑性复合材料能够达到钢/铝等传统材料相同的强度与耐用性；同时大幅缩短机体生产/维护周期，显著减重减排。热塑性复合材料是欧盟“洁净天空”2项目开发下一代机身结构的主要验证材料。2021年6月，荷兰宇航联合团队表示，有望制成“多功能机身演示器”（MFFD）最大结构组件（8.5米长下机身蒙皮），显著推进“洁净天空”2项目进展。在项目中，联合团队的目标是研究如何将不同的制造过程有机融合，使结构性/非结构性组件完美集成。为此，联合团队应用新材料，尝试制造了飞机的下机身组件。在制造过程中，联合团队应用了NLR 最先进的自动纤维铺设技术，下半部分原位固化，上半部分通过热压罐固化，充分了解/验证了热塑性复合材料和自动纤维铺设技术对于制造飞机蒙皮、加强筋/底梁/机舱/舱门等结构件方面的通用性。这一开创性试验项目的成功，开创了大型热塑性复合材料结构件制造的先河。虽然在成本方面，热塑性复合材料件较传统热固性材料件更贵，但从长期收益来看，新材料更具优势。热塑性复合材料比热固性材料轻，基体材料更坚韧，抗冲击损伤能力更强；另外，热塑性复合材料零件结合时，只需要进行加热即可有效连接，无需使用传统紧固件，整体集成性和轻量化优势显著。
碳纤维玻化剂复合材料实现结构疲劳的逆转碳纤维增强树脂基复合材料比金属表现出更好的比强度和刚度，但易发生疲劳失效。2024年碳纤维增强树脂基复合材料的市值可达到310亿美元，但用于检测疲劳损伤的结构健康监测系统的成本可能高达55亿美元以上。为了解决这个问题，研究人员正探索用于阻止裂纹在材料中扩展的纳米添加剂和自修复聚合物。2021年12月，美国华盛顿大学伦斯勒理工学院和北京化工大学的研究人员提出了一种具有玻璃状聚合物基体的复合材料，可逆转疲劳损伤。该复合材料的基体是由常规环氧树脂和被称为vitrimer（玻化剂）的特殊环氧树脂组成。玻化剂与普通环氧树脂相比，关键区别在于当加热到临界温度以上时，发生可逆交联反应，具有自我修复的能力。即使在100000次损坏循环后，也可以通过定期加热到略高于80℃的时间来逆转复合材料中的疲劳。此外，利用碳材料在暴露于射频电磁场时发热的性质，可取代传统加热器的使用，用于有选择地修复组件。该方法解决了疲劳损伤的“不可逆”性质，且可以几乎无限期地逆转或推迟复合材料疲劳引起的损伤，延长结构材料的使用寿命，降低维护和运营成本。
碳/碳化硅纤维可耐3500℃超高温度
由约翰霍普金斯大学应用物理实验室领导的美国航空航天局“星际探测器”概念研究将是第一个探索太阳系以外空间的任务，要求以更快的速度行进并且比任何其他航天器都要远。为了能够以非常高的速度到达非常长的距离，星际探测器可能需要执行“奥伯斯机动”，这将使探测器靠近太阳摆动，并利用太阳的引力将探测器弹射到深空。为了实现这一目标，需要研发一种轻质、超高温材料，用于探测器的太阳能防护罩。2021年7月，美国高温材料开发商先进陶瓷纤维有限公司和约翰霍普金斯大学应用物理实验室合作开发出一种轻质、超高温的陶瓷纤维，能够承受3500℃的高温。研究人员通过直接转化工艺将每根碳纤维长丝的外层转化为金属碳化物如碳化硅（SiC/C）。研究人员采用火焰测试和真空加热对样品进行测试，这些材料显示出轻质、低蒸气压材料的潜力，扩展了目前碳纤维材料2000℃的上限，在3500℃的温度下仍可保持一定的力学强度，未来有望用于探测器的太阳防护罩。