芯片|2021年度国外军工材料技术重大发展动向( 三 )

高性能氧化物弥散强化合金可用于下一代核反应堆
核工业对反应堆部件材料的可靠性要求很高，要求材料必须具有良好的耐辐射性能、高温蠕变性能和抵抗空隙膨胀能力，这是因为材料在受到中子辐射时会形成空腔，从而导致机械故障。氧化物弥散强化合金具有良好的高温蠕变性能，在高温下保持刚度而不变形，大部分可承受1000℃的高温，但是传统的商用氧化物弥散强化合金存在一个缺陷，即在受到极端中子辐射时的抗空隙膨胀能力较弱。2021年3月，美国得克萨斯州A&M工程实验站、美国洛斯阿拉莫斯国家实验室和日本北海道大学联合开发出可用于核裂变与核聚变反应堆的下一代高性能氧化物弥散强化合金。新型氧化物弥散强化合金克服了这一问题，将纳米氧化物颗粒嵌入到马氏体金相组织中，最大地减少了空隙膨胀，由此产生的氧化物弥散强化合金能够承受每个原子高达400次的位移，在高温强度和抗溶胀性方面都是该领域开发得最成功的合金之一。
轻质复合弹壳将大范围替代黄铜弹壳
当前，美国陆军、海军和海军陆战队都在开展轻质复合弹壳替代传统黄铜金属弹壳的试验和验证。2021年5月，海军陆战队已完成12.7毫米复合弹壳子弹的实验室环境性能验证，准备开展战场试验。与传统的黄铜弹壳子弹不同，MAC公司采用塑料和黄铜相结合的弹壳，实现子弹减重25%，使普通步兵的弹药携带量从210发增至300发。此外，这种轻质子弹还具有更高的精度、初速和更好的弹道性能。使用复合弹壳子弹射击时，由于塑料的热传导性差，子弹的热量不容易传递给枪膛和枪管，可减少快速射击过程中枪管上和枪膛内的热量累积，减缓枪管材料的磨损和烧蚀，延长枪管的使用寿命。同时，枪管和枪膛内累积热量的减少，可以让步枪或机枪持续射击的时间更长。如使用M113速射机枪快速发射1500发黄铜弹壳子弹，会因枪管内热量过高导致子弹烤燃（温度过高足以点燃子弹内的弹药），自发开火；而使用M113速射机枪快速发射复合材料弹壳子弹时，枪管和枪膛内的温度比发射黄铜弹壳子弹时低20%，发射的子弹数量也增至2200发。如试验通过，海军陆战队可能采用12.7毫米复合弹壳子弹替代现役黄铜弹壳子弹，实现弹药减重。
新型二维耐磨材料备受太空飞行器青睐
与石墨烯类似，MXenes材料是一种金属碳化物二维材料，由钛、铝、碳原子层组成，每一层都有自身稳定的结构，层与层之间可以很容易地相互移动。2021年3月，美国密苏里州立科学技术大学与美国阿贡国家实验室对MXenes材料开展研究，发现这种材料在极端环境下的抗磨损和润滑性能优于传统的油基润滑剂，可作为“超级润滑剂”，减少未来类似“毅力号”探测器的磨损。研究人员模拟太空环境，对该材料的摩擦测试发现，钢球和涂覆二氧化硅圆盘间的MXene界面在“超润滑状态”下形成的摩擦系数从0.0067 最低可低至0.0017。当将石墨烯添加到MXene中时，取得了更好的结果。添加石墨烯将摩擦进一步降低了37.3%，将磨损降低了2倍，且不会影响MXene超润滑性能。MXenes材料能很好地适应高温环境，为未来极端环境使用润滑剂打开了新的大门。
美国首款2纳米制程芯片研发进展公布
半导体行业的持续挑战是同时制造更小、更快、更强大和更节能的微芯片。当今大多数为设备供电的计算机芯片都使用10纳米或7纳米工艺技术，部分制造商可生产5纳米芯片。2021年5月，美国IBM公司公布了全球首款2纳米制程芯片的研发进展。该芯片晶体管采用三层纳米全环栅（GAA）设计，利用最先进的极紫外光刻技术定义最小尺寸，晶体管栅长12纳米，集成密度将达到每平方毫米3.33亿个，可将500亿个晶体管集成在只有指甲盖大小的面积上。2纳米制程芯片与7纳米芯片相比，性能有望提高45%，能耗降低75%，能够将手机电池寿命延长四倍，手机只需充电一次就可以连续使用四天。此外，新制程芯片还可以大幅提高笔记本电脑性能，包括提升笔记本电脑的应用程序处理能力以及互联网接入速度。在自动驾驶汽车中，2纳米制程芯片可以提升物体检测能力和缩小反应时间，将极大促进半导体领域的发展，延续摩尔定律的传奇。IBM计划于2027年量产2纳米制程芯片。