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“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条发展动向中，遴选出以下十条重大技术动向，供决策机构、科研单位和广大读者参考。

一、美国空军成功验证连续纤维3D打印机翼翼梁

图1连续复合材料公司利用连续纤维3D打印的翼梁组件（来源：连续复合材料公司）

年4月，美国连续复合材料公司利用其专利的连续纤维3D打印技术(CF3D)，成功打印了2个2.4米长、1.8千克重的碳纤维复合材料翼梁组件，完成了美国空军研究实验室为期两年的机翼结构制造设计（WiSDM）合同。该项目优化了定向结构纤维，成为了使用定制的CF3D材料解决方案的成功案例，对于昂贵的航空航天结构零件制造具有重要意义。

二、欧盟试制最大热塑性复合材料飞机机身结构件试制

图2荷宇航展示的“多功能机身演示器”8.5米长下机身蒙皮（来源:荷宇航）

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。

年6月，荷宇航联合团队表示，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。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。

三、碳纤维玻化剂复合材料实现结构疲劳的逆转

图3上：0、15和40%应变下的玻化剂，显示交联网络断裂；下：键促进加速中的交联（左）和修复酯交换（右）活性原子（来源：美国华盛顿大学）

图4研究人员展示的真实和模拟的玻化剂复合材料（来源：美国华盛顿大学）

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。年碳纤维增强树脂基复合材料的市值可达到亿美元，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。

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。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。

四、碳/碳化硅纤维可耐°C超高温度

图5包裹在碳化硅中的碳纤维细丝的显微照片（来源：先进陶瓷纤维有限公司）

由约翰霍普金斯大学应用物理实验室领导的美国宇航局“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。

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°C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），扩展了目前碳纤维材料°C的上限，在°C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。

五、高性能氧化物弥散强化合金可用于下一代核反应堆

年3月，美国得克萨斯州AM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次的位移，在高温强度和抗溶胀性方面都是该领域开发的最成功的合金之一。

图6极端辐照条件下的合金（图片：盖蒂图片社）

六、轻质复合弹壳将大范围替代黄铜弹壳

图7复合材料弹壳子弹（来源：美国得克萨斯州真实速度公司）

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。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发增至发。

七、新型二维耐磨材料备受太空飞行器青睐

图8MXene的层状结构使其成为一种很有前途的固体润滑剂（来源：ACSNano）

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。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。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。

八、美国首款2纳米制程芯片研发进展公布

图9IBM公司展示的2纳米晶圆

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，可将亿个晶体管集成在只有指甲盖大小的面积上。IBM计划于年量产2纳米制程芯片。

九、美国开发高热传导率之半导体材料可抑制芯片发热

年6月，美国加州大学洛杉矶分校利用新半导体材料结合于高功率计算机芯片，成功地抑制芯片的发热，进而提高计算机性能。

图10电子芯片封装中的热管理示意图（来源：加州大学洛杉矶分校）

图11原子分辨率下氮化镓-砷化硼异质结构界面的电子显微镜图像。（来源：加州大学洛杉矶分校）

十、铋材料攻克二维沟道材料晶体管实用化关键难题

图12台积电将半金属材料铋成为2纳米走向1纳米的秘密武器（来源：MIT）

年5月，由美国麻省理工学院牵头，台积电公司等参与的联合研究团队，证实使用半金属铋并结合两种材料之间的适当排列，可降低导线与器件的接触电阻从而消除该问题，有助实现半导体1纳米以下的艰巨挑战。MIT团队发现在二维材料上搭配半金属铋的电极，能大幅降低电阻并提高传输电流。台积电技术研究部门随后将铋沉积制程进行优化，最后台湾大学团队运用“氦离子束微影系统”将元件通道成功缩小至纳米尺寸。在使用铋为接触电极的关键结构后，二维材料电晶体的效能，不仅与硅基半导体相当，且与目前主流的硅基制程技术相容，有助于未来突破摩尔定律极限。该技术突破将解决二维半导体进入产业界的主要问题，是集成电路能在后摩尔时代继续前进的重要里程碑。

此外，利用计算材料学，开发新的算法，加速更多新材料的发现也是当前材料领域发展的热点。如年1月，美国能源部所属的艾姆斯实验室，在《自然计算科学》发志上发表了一篇关于“布谷鸟搜索”算法的文章，这种新算法可以将搜索高熵合金的时间从数周缩短几秒钟。美国桑迪亚国家实验室开发出的机器学习算法，速度比普通方法快了4万倍，使材料技术设计周期缩短近一年。

（文章作者，中国航空工业发展研究中心胡燕萍）