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航空航天和国防先进材料发展趋势

时间: 2023-11-22 01:47:29 |   作者: 新闻中心

  人类历史的发展表明,材料是社会持续健康发展的物质基础和先导,而先进材料则是社会进步的里程碑。为此,材料技术一直是世界各国科技发展规划之中的一个十分重要的领域,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。同时,先进材料技术还是支撑当今人类文明的现代工业关键技术,也是一个国家国防力量最重要的物质基础。航空航天和国防先进材料,是新材料技术成果的优先使用者,先进材料技术的研究和开发对国防工业和武器装备的发展起着决定性的作用。航空航天和国防先进材料是新一代武器装备的物质基础,也是当今世界军事领域的关键技术。先进材料可用于广泛的领域,从更轻、更灵活的飞机和新兴的高超音速武器系统,到个人防护设备和使用防护解决方案,能够大大减少风险和损害的恶劣危险环境。预计最具破坏性的影响将来自能量收集、伪装、结构和人员健康监测等功能的先进材料集成。

  一是锂离子 (Li-ion) 的主导地位和石墨烯的引入。锂离子电池 (LIB) 正在成为储能的关键,锂离子动力电动汽车的一直增长导致锂离子技术的进步和锂基电池价格的稳步下降。虽然锂离子电池比其他电池储能技术更受欢迎,但考虑到其在电动汽车、无人水下航行器 (UUV) 和电网中的广泛部署,石墨烯的引入可能会彻底改变储能技术的方式被利用。石墨烯是一种碳基材料,它只有一个原子厚,可用来制造电池,重量轻、耐用、适用于高容量储能、充电速度快。最近,三星高等技术学院 (SAIT) 和首尔国立大学化学与生物工程学院的研究人员合作设计了一种用于锂离子电池的石墨烯涂层,可将充电速度提高五倍,并将电池容量提高 45%单位体积内的包含的能量更大。

  二是3D打印的普及。3D 打印已被证明是一种出色的制造解决方案,可用来生产比其他类似的传统制造部件所含材料少得多的组件和部件。这是因为通过增材制造能够正常的使用更少的材料来创建物品,并能构建具有极大强度的极其复杂的几何形状,尽管所用材料的密度降低了。尤其是在航空航天领域,但在整个国防领域,减轻重量对于在速度和容量等方面实现高性能至关重要,但在有效载荷、燃料消耗、排放、速度和安全性等其他要素方面也是如此。这种认识正在引领航空航天和国防工业在其最新产品中寻找应用,从座椅框架到空气管道。最近的一个例子是空中客车A350 XWB(双发远程宽体客机)。空中客车公司与斯特塔西(Stratasys)合作,为 A350 XWB制造了 1,000 多个单独的 3D 打印产品。斯特塔西使用一种称为 ULTEM 9085 的极强热塑性塑料,一直提供其机器来制造坚固、符合火焰、烟雾和毒性(FST)标准且具有非常出色强度重量比的组件。

  三是纤维增强聚合物的广泛应用。碳纤维增强复合材料 (FRP) 已成功用于军用飞机、无人机 (UAV)、海军舰艇和武器等应用,这些材料已开始用来制造机身、门、机翼和尾翼等飞机部件,特别是由于它们的轻质和耐用性而吸引了航空航天工业。最近,在开发具有自愈特性的碳纤维增强聚合物方面取得了进展,这些特性能检查对复合材料的伤害影响,尤其是在飞机设计和组装中至关重要。由于碳纤维比钢更坚固、更坚韧、更轻,因此重量更轻,有助于提高燃油效率。事实上,由于碳纤维的强度是普通钢的10倍,但重量仅为普通钢的四分之一,因此用作汽车部件的碳纤维复合材料有望减轻车辆重量。消费者受益于具有更加好燃油经济性的轻型车辆以及更大质量车辆带来的所有安全优势。

  四是人工智能技术。材料科学也受益于人工智能/机器以及研究和教育中的主动学习,机器学习提供了通过发现数据中的新模式和关系来获得对材料的新见解的能力。例如,为了创造下一代技术,美国 (US) 空军研究实验室 (AFRL) 的研究人员正在使用机器学习、AI和自主系统来成倍地提高材料发现的速度并降低技术成本。美国空军研究实验室(AFRL) 的自主研究系统 (ARES) 等平台用AI和机器学习进行自主实验,旨在优化碳纳米管的合成,这对于下一代能源技术具有巨大潜力。

  五是机器人系统。下一代机器人有望为制造企业来提供新的选择,以提高效率并应对高成本和熟练工人等挑战。在未来几年,预计在生产环境中直接和与人类合作的机器人将增加使用气动代替机械动力的软机器人的使用,降低能源需求并提高总体安全性。在工业4.0环境中使用机器人,着重关注互连性、自动化、机器学习和实时数据,将慢慢的变多地导致“关灯”或“黑暗工厂”生产概念,其中活动和材料流量完全自动处理。

  六是轻质结构。所有航空航天系统都需要减轻重量以提高燃料效率并降低温室气体排放。轻质材料有助于增加飞机和无人机的航程和有效载荷,同时降低燃料消耗,这两者都是长期降低经营成本的关键。军队正在寻找新的高强度、非常轻的材料,这些材料可以与主要结构集成在一起,并可保护战车免受未来武器的侵害。此外,轻质弹道材料的发展的新趋势是推动国防当局采购新一代个人防护设备的重要的因素之一。因此,各国正专注于制造更好的解决方案,例如防弹垫、轻型防护服、战斗头盔、防雷靴和阻燃制服,为地面部队提供舒适性和增强保护。

  未来几十年,材料和制造的进步将对航空和国防产生重大影响。先进材料和制造将在未来几十年产生重大影响,在寻求更轻、更坚固和更耐用结构的持续愿望的推动下,新的金属和合金将用于国防和商业环境。

  一是绿色/清洁能源和节省本金的因素。市场要求需要减轻材料的重量,以提高燃料效率并减少温室气体排放。鉴于燃料成本上升和环境问题,飞机结构中对轻质材料的需求持续不断的增加,以提高商业飞行性能。

  二是受中美贸易战的影响。中国的工业计划之一“中国制造2025”针对人工智能、量子计算、机器人、无人驾驶汽车、高性能医疗设施、高科技船舶部件、先进材料和其他对国防工业至关重要的新兴起的产业,而美国上一届政府将“中国制造2025”计划中的政策视为安全问题。2019年10月,美国将28家中国公司列入贸易黑名单,禁止它们在未经政府批准的情况下从美国公司购买技术。但这种方法在生物材料、陶瓷和复合材料等先进材料的制造和加工以及印刷电路板与半导体的生产中可能反而会适得其反。

  三是共同采购和研发费用分摊。由于新技术需要大量投资,因此分担平台和系统开发的成本预计将成为一种趋势。此外,鉴于与需求范围相关的资金有限,在国家之间启动共同采购能够更好的降低采购和生命周期成本。英国和澳大利亚的联合努力计划就是这样一个例子,它使各国可以通过新的资金机会在连接技术方面寻求进一步创新,以将先进材料集成到军事平台上。

  先进材料为航空航天和国防工业提供了重要的运营优势,先进材料具备解决国防挑战和更好地使武装部队应对未来机遇和威胁的巨大潜力,它们能提供经济高效且可靠的解决方案,以提高机动性、生存能力和效率。

  一是缺乏对大型复合装备的指导。国际海事组织 (IMO) 针对大型复合材料船舶发布的海上人命安全 (SOLAS) 法规缺乏指导。尽管复合材料为造船业提供了许多与钢相比的优势,但消防安全和法规方面的挑战慢慢的变成了使用障碍。目前,涉及复合造船的法规仅适用于500吨以下的船舶(长度约为 25米)。国际海事组织计划在2021年对复合材料船舶的指南做评估,目前,FIBRESHIP和RAMSSES这两个欧洲财团正在该领域开展很重要的活动,由378 个成员组成的欧洲海上轻型应用网络 (E-LASS)。

  二是对环境能够造成的影响。首先,欧盟低碳排放战略主要是基于流程和服务的能源效率;其次,关于推广可再次生产的能源发电;第三,关于可再次生产的能源的高效和优化存储,以最好能够降低损失。越来越严格的全球环境标准和燃油经济性法规,越来越一定要通过使用轻质材料代替高强度钢或铝来减轻车辆质量。预计军事系统的材料和工艺对环境(包括生态系统和人类健康)的负面影响尽可能小。另一个重要问题是开发新的先进材料时应尽可能考虑回收和再利用。在为残留物提供安全解决方案的同时,材料回收和废物再利用/升级技术是必要的。增材制造技术将有利于回收、重新设计和重塑材料制造。回收不一样的材料组件,以更低的生产所带来的成本生产具有竞争力的、高度定制的产品,可以产生新的业务活动。

  三是国防组织协调。北大西洋公约组织 (NATO) 和欧洲防务署 (EDA) 等国防组织在简化涉及部队结构、汇集和共享、研发、标准化和采购的流程方面发挥着及其重要的作用。在先进材料领域,在先进材料关键领域开展了多项EDA项目。陆军步兵作战装备 (CEDS) 可行性研究涉及自适应伪装、建筑方法和软弹道保护等项目。在化学、生物、放射和核 (CBRN) 联合资本预算中,PROSAFE 项目探索了使用纳米纤维提高渗透性;PATCHBOND项目在研究改进的修复方法和结构健康监测方面做出了显着的努力;ALOA项目已经探索了先进的低可观测材料,目前正在ALOMAS项目下进一步研究。CERAMBALL项目致力于为士兵提供更轻的弹道保护,而ECOCOAT和CCNS等项目则专注于环保涂料。这些组织将允许其成员访问其他合作伙伴的经验教训信息,并改进其部队结构、培训和系统采购。此外,北约或欧洲防务署可以建议其成员制定军事系统及其组件(例如无线电、计算机、软件等)的设计和制造标准。

  注:此文根据英国研究咨询机构全球数据《航空航天和国防先进材料》专题研究报告中编辑的摘录。不代表蓝海长青智库观点。


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