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回顾:2020年度军工材料领域的十个重大事件

2020年是极不平凡的一年,新冠疫情肆虐全球,导致工业生产、科技发展均经受了前所未有的挑战,全球经济增长明显放缓。虽然如此,军工材料技术依然保持快速发展的态势,为武器装备的发展提供源源不断的创新动力。过去两年,我们连续推出了“国外军工材料技术重大发展动向”,通过回顾年度军工材料领域的十个重大事件,观察行业发展动向,研判未来军工材料的发展趋势,启发广大读者和科研工作者,提供探讨平台。两年以来,这项工作取得了不错的反响。2020年,复合材料、金属等结构材料及防弹、密封等功能材料在装备应用及前沿探索两个层面均有上乘表现;电子信息功能材料和制造技术不断发展;计算材料学和人工智能技术形成合力,使高熵合金、新型超硬合金等新材料发现进程加快。

2021年1月19日,中国航空工业发展研究中心在北京组织专家开展了“2020年度国外军工材料重大动向”评选工作,本着重大性、先进性、引领性、基础性四大原则,从高性能金属材料、先进复合材料、特种功能材料、电子信息功能材料、关键原材料等五大领域共计80条发展动向中,遴选出以下10条重大技术动向,供决策机构、科研单位和广大读者参考。

一、3D打印技术成为复合材料低成本化的重要途径

纤维增强树脂基复合材料性能优异,但制造工艺繁杂且成本高昂。3D打印可以减少人力和加工成本,以更节能、更快速、更可靠的方式制造复合材料,同时减少结构缺陷。此外,3D打印不再需要特殊工具或模具,能够直接制造任何形状的纤维增强复合材料,因此可取代更复杂、耗时且昂贵的传统制造技术。随着技术的不断成熟,3D打印技术正推动实现复合材料的性能和成本的最优组合。

图1 荷兰Brightlands材料中心开发了具有自感知功能的3D打印复合材料试验件(图片来源:Brightlands)

3D打印技术推动实现了结构功能一体化复合材料的制造。2020年4月,荷兰Brightlands材料中心利用3D打印技术开发出一种碳纤维增强复合材料零件,利用结构形变产生测量电阻变化这一特性实现了材料的“自感知”功能,这为实现飞机结构健康监测(SHM)能力创造了条件。3D打印技术可以非常精确地定位和定向连续碳纤维,因此,将纤维嵌入产品结构内部的选定方向和位置,使其在沿特定载荷路径提供所需强度和刚度的同时,还可发挥结构监测“传感器”的作用,多条纤维可在整个零部件中形成一系列不同类型的传感器。这些纤维“传感器”在测试过程中监控和收集结构载荷变化情况,将信息实时反馈,便于3D打印结构设计的优化。研究成果对于飞机结构健康监测意义重大,同时还有望进一步实现飞机结构重量的降低和飞行效率的提升。

图2 特拉华大学研究人员设计的新型3D打印方法示意图。其中加热装置接触并沿着碳纤维移动,产生动态温度梯度,触发分配液体聚合物在碳纤维结构中注入并固化。(图片来源:特拉华大学)

连续碳纤维3D打印技术取得突破。热塑性复合材料和不连续短切纤维复合材料近年来已成功地实现3D打印,但受限于结构组成,得到的3D打印复合材料通常力学性能较差、使用温度较低。3D打印连续碳纤维与热固性聚合物构成的复合材料,能够提供更加优异的力学性能和热稳定性,过去受限于技术一直未能实现。2020年9月,美国特拉华大学开发了全新的局部平面热辅助3D打印技术,首次实现了连续碳纤维3D打印,可与热固性聚合物结合低成本、灵活地制造复合材料。局部平面热辅助3D打印技术通过精确掌握碳纤维温度,控制固化成所需形状液态聚合物的厚度和固化程度,无需后固化。与需要数十小时后固化的传统复合材料工艺相比,节省大量时间、成本和能耗。除此之外,研究团队还开发了机器人系统,包括独特接头和自动机械臂,可满足不同形状结构的制造需求。局部平面热辅助3D打印可以为许多行业提供快速、节能的制造方法。

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