新型多功能材料的發展及其在國防科技中的應用
毛彭齡
(上海玻璃鋼研究院有限公司，上海201404)
1 引言
各類新型結構和多功能復合材料在制造國防系統(包括兵器與地面車輛、軍用飛機、導彈與航天器、艦船、核武器及相關電子設施或設備)中組合進各種先進功能．使結構―功能或多功能材料及其相關材料已在設計與制備國防科技中得到廣泛應用。
新型結構和多功能材料主要包括：
(1)輕質高性能結構復合材料，目前研究重點是嵌入多功能器件的新型結構復合材料；
(2)多功能結構材料，包括聚合物、金屬、陶瓷等；
(3)有關粘結劑與涂層，各種功能則包括作動(控制位置、形狀或載荷)、電(提供絕緣或導電途徑)、熱(為進行熱傳導控制)、健康(為監測變形或損傷)、隱身(為管理電磁或可視信號)或自修復(為研制那些修理局部損傷的嵌入裝置)等。
新型結構和多功能材料的核心內容在于材料的結構(承載或支撐)功能與其它多種所需功能的有機結合與集成。結構―功能―體化材料是構成各類現代武器裝備的重要材料，它們在承載的同時還可實現某種其它特殊功能，如透波、吸波、防熱、抗核等，對實現武器裝備的高功率、高效率、輕質、高可靠、低信號特征具有重要意義，代表著包括聚合物、金屬、陶瓷等未來新的發展方向的多功能結構材料。
有關結構與多功能材料的新興設計與制備技術主要包括：
(1)計算機輔助材料設計：
(2)新型結構與多功能材料的選擇與分析技術；
(3)材料壽命預測技術；
(4)無損檢測與評價技術。
2 新型結構和多功能材料的發展
2.1 國防科技對新型結構和多功能材料的需求
國防科技需要那些比現有材料質量更輕、剛性更好、強度更高的材料，以及能夠長期暴露在高溫環境中而性能不會嚴重惡化的材料，它們是提高車輛或飛行器的可移動性、機動性、可運輸性和生存性所需的。
目前，國防科技需求已經把重點放在所有各類裝備和結構材料的全壽命成本上，智能材料一直受到極大的關注，近年來國防技術一直需要各種多功能材料，例如增強纖維能夠傳送電池電源的高強度和高剛度復合材料。所有在高溫下工作的裝置都需要能應對各種各樣設計需求的具有特種性能的材料，強度和剛度就是其中兩項性能，其它性能包括抗蠕變和抗疲勞性能，加上良好的抗氧化和耐腐蝕性。軍事系統包括飛機渦輪發動機和核反應堆都需要新型高溫材料。至2020年，材料研制的合理目標將是整個材料范圍內抗拉強度、蠕變強度和疲勞強度提高25%，而密度降低25%，而且需要能夠在約1000℃的溫度下保持抗氧化性不降低的材料；還需要具有與高溫合金同樣密度（不大于10g/cm3）、用于約1200~1400℃高溫的材料?？臻g構架、飛行器本體結構、筒狀殼體結構等也需要高模量材料。至2020年將需要許多模量提高20%~40%的材料，而這些模量目標很可能僅僅采用復合材料就能實現。
2.2 結構和多功能材料的發展現狀和趨勢
美國未來國防材料研究委員會結構和多功能材料小組著眼于新興材料與工藝和多功能性（健康監測、熱載荷消散和電磁輻射管理），特別關注用于未來研究的領域――多功能性與結構相結合的復合材料。該小組確定了4個研究與發展機會領域：
?。?）計算機輔助材料設計；
?。?）應用引起的材料變化；
?。?）復合材料設計與研制；
?。?）將無損檢測與評價并如初始設計。
該小組將本項研究的時間框架確定到2020年，關注點集中于期望在未來20~25年間其主要特性可能提高（20%~25%）的材料上，而復合材料要比均質材料可能性大得多。
上述4個機會領域的重點事多功能材料的設計。這些研究領域的投資所引起的進展將會產生許多所需的國防新材料，縮短研制周期，降低研制成本，節約研制所需的資源；將設計準則現代化；預測、測量和驗證多功能性；在使用過程中連續監測健康狀況、評價性能；預測剩余壽命，多功能性的概念覆蓋所有4個機會領域。這就需要使具有固有多功能性的材料的應用潛力擴大到大程度，也需要設計和制造具有主動多功能性的復合材料。
2.3 計算機輔助材料設計成為有效工具將縮短材料研制周期
計算材料科學在未來材料研究中占有重要的機會，因此計算機輔助材料設計是達到下列目的的佳機會領域：
?。?）設計更好的材料；
?。?）更好地了解材料的性能；
?。?）利用材料設計更好的結構；
（4）縮短從概念論證到完成的研制周期。
把新材料引入國防系統受到的一項嚴重限制是研制周期太長，通常達15年之久，造成設計過程復雜化的原因是材料具有許多力學和物理性能。而新型材料研制中，一種性能的提高往往會引起另一種性能的降低，因而材料設計實際上是一種折衷過程，研制周期包括材料的順序合成、多種性能與組合的擴大試驗。而計算材料科學的建立，將可以用機理組成的材料模型取代目前有限元法(FEM)模擬中使用的經驗模型。從而形成一種預測工具，使材料設計人員能縮短實驗(室）合成和試驗階段的時問，從而縮短研制周期和降低研制成本，至少可達一個數量級。
關鍵問題是計算工具的開發，材料的性能是由電子的量子力學相互作用所確定的?，F在已能夠很好地建立由幾百個分子構成的系統在絕對零度下的這種相互作用的模型。未來20年。隨著計算速度的進展，將可以大大拓展這種能力。電子計算擴展成有用的組成模型是通過一系列各種尺寸的模型來實現的，材料建模過程近期的目標是能夠進行領域級別的預測計算。
今后20年計算機輔助材料設計的困難在于：多組元材料中平衡相穩定性的預測；熱機械處理(非平衡相變和顯微組織演變)的預測；力學行為如變形和斷裂的預測等。計算過程必須至少在前兩項預測中獲得成功，然后就能建立材料成分預測模型，從而實現壽命周期特性預測。
2.4 以模型為基礎預測壽命周期可大幅度降低研制成本
壽命周期設計的關鍵是建立一個復雜先進的系統模型，該模型能夠預測整個使用壽命周期內的系統性能與可靠性、系統成本以及系統安全。材料模型是建立系統模型的關鍵部分，利用材料模型可以選擇材料的成分和工藝。美國已開展了有關以模型為基礎的壽命周期預測研究，在研究時需要了解作用在工程材料上的各種現象如腐蝕、蠕變、應力與蠕變斷裂、電作動、輻射效應和長期高溫效應，以便研制原位與其它實時性能傳感器和建立以機理科學為基礎的特性模型。利用這樣的傳感器信息來預測材料的壽命周期特性。研究目標是建模和建立計算原理，從而對飛機、車輛、航天器或艦船等系統中單個部件進行以歷史為基礎的可靠性預測，可以大幅度降低工程裝置的維護成本并提高其安全和可靠性；同時多學科虛擬設計環境可以大幅度降低工程部件的設計與試驗、樣機建造、制造和應用成本，并加快研制速度。所期望的效益是在研究飛機工業獨立實例中使研制成本降低三分之一，研制周期縮短50％左右。
3 新型多功能材料具有各種實用的國防科技功能潛力
多功能材料除具有典型的結構功能――承載或定形外，還有其它功能，如作動、電、熱、健康、隱身或自修復。多功能材料的概念適用于各類主要材料，包括聚合物、金屬、陶瓷、復合材料以及“靈敏”或“智能”材料。
3.1 靈敏和智能材料有革新的進展
適應性結構使靈敏材料、傳感器網絡和計算與控制能力形成一體化。靈敏材料典型實例包括壓電材料、電致伸縮材料、磁致伸縮材料、形狀記憶合金(SMA)、仿生與導電聚合物、電致變色涂層和磁流體與電流體等。靈敏或智能材料在材料設計或應用方面將有革新性改進，在SMA(形狀記憶合金)方面，今后20年大的跨越將集中在具有磁性、薄膜與多孔顯微結構的SMA和SMA復合材料領域。電作動聚合物可以用于光與化學傳感器。也可用于作動器，它們無疑是具有巨大增長潛力的多功能材料，能夠在自修復復合材料中發揮作用。電流變體的固體液可控轉換特性使其具有廣泛的軍事應用潛力，可以解決如潛艇的隔音、消聲，直升機旋翼的共振與飛行控制，導彈低溫燃料的輸送及飛行穩定控制等一系列難題。近
年來磁流體研究活動增加。美國陸軍研究辦公室(ARO)資助的阻尼器研究可用于地面車輛懸浮系統、直升機系列炮減振器和直升機轉子系統：美國還利用磁流變體在瞬問即可實現液-固轉化的特性開發了軍人防彈內衣。
3.2 復合材料為材料設計與功能進展提供大機會
復合材料可以通過簡單地嵌入傳感器、作動器和其它元件獲得多功能性。近年來納米結構復合材料備受重視?？蓪⑻技{米管(CNT)或其它納米粒子植入基體材料，并以較低的含量(如l％或更低)達到滲透極限值。如果能夠控制、集成和組織納米級增強劑的定向和圖樣形成，那么通過網絡就能為復合材料賦予健康監測、監視和隱身的功能。特別是，聚合物納米級增強劑能夠改進基體性能，甚至達到提高壓縮強度的程度；而納米管的纏結網狀組織也可以增加材料的韌性。此外，對納米粒子如剝離的石墨和纖維素微絲的初步研究表明，這種成本極低的系統可以提供能與碳納米管相比的多功能性的提高。
目前聚合物基自修復復合材料已成為研究熱點，主要方法包括液態纖維法、微膠囊法和熱可逆交聯反應法。材料的自修復增加了熱固性聚合物廣泛應用于電子以及航空航天等領域的可靠性和使用壽命，由于可減輕像濕氣膨脹和腐蝕開裂等有害環境的影響，可使結構件的使用壽命增加2~3倍。聚合物基復合材料自修復的突破能產生一大批結構用自修復聚合物、復合材料和膠粘劑。自修復也同樣適用于包括陶瓷、玻璃之類的大范圍脆性材料。在自修復研究中還有金屬基復合材料(其中包括SMA)，智能材料結構有可能通過采用SMA來設計具有很高損傷容限和自修復能力的材料，SMA能在由裂紋引起的應力集中下經歷相變。
耐火聚合物可用作復合材料的基體材料。在飛機、航天器、艦船和其它車輛上使用這些材料將會降低重量和提高安全。當采用耐火基復合材料制造的飛機燃燒時，這類材料將會降低石墨纖維釋放到空氣中的危害。
3.3 粘結劑與涂層用途廣泛將會取得顯著進展
粘結劑與涂層在軍事系統中用于部件連接、密封、防熱或隔熱、利用光刻蝕形成圖樣。以及增強功能和制造能力。粘結荊也用于各類復合材料的基體材料，包括固體推進劑和炸藥以及高溫結構材料。我們可以充滿信心地期望在今后發展的20年中，這一領域將會取得顯著進展。
目前人們可以利用現代化儀器來設計粘結劑系統，表面化學改性也得到廣泛應用。從改善粘合的表面涂層到改變表面化學組成的化學反應。利用光刻蝕方法能夠設計表面形狀特征，這種特征能控制浸潤性并促進粘結。預計高溫粘結劑和密封劑將會取得顯著的進展，而有機，無機材料的混合也將擴大粘結劑系統的應用。復雜電路中的芯片需要有可修復的粘結劑系統。
用于各種軍事系統的涂層材料近年來獲得很大發展，包括用于艦船的新型環保防腐防污涂料(尤其是納米涂料)、用于地面兵器的智能涂層、用于飛行器發動機高溫環境的防熱涂層、用于各種武器裝備的隱身(吸波)涂層等。
3.4 無損檢驗與評價
將無損檢驗(NDI)，無損評價(NDE)納入材料與結構的初始設計中，將為所有新型結構的連續健康監測創造條件。嵌入結構的傳感器的尺寸必須很小，因而將需要許多新型傳感器。而且將需要便攜式先進能源，如x射線和中子源。以允許對結構進行現場評價，有時還需要在熱結構中置入一些能源，這將能實時發現來自材料(特別是多功能材料)系統的信息，
而這種信息將支持工程設計與研制所有階段的管理決策。
4 優先發展的新型結構和多功能材料領域
計算材料設計與預測計算機輔助材料設計的目標，是通過把組成模型集成到使用有限元法計算的框架結構中來實現新材料的研制。為了建立用于各類材料的隨時間、溫度和尺寸變化的材料模型，必須描述級數據(電子、原子、位錯和顯微結構)，在研制前就要預測材料性能。這將不僅降低材料成本，也將加速材料研制，特別是加速把新材料和材料系統引入國防科技系統。
使用引起的材料變化這是一個革新的概念，其基本原理是“材料和結構應當基于實際使用中的功能而不是材料的初始性能來設計”，因而必須了解材料性能和特性隨時間發生的變化。其優點是：在設計階段通過虛擬工程和模擬降低材料和系統的研制成本，并加速其研制進度，從而獲得更佳特性和更長壽命的設計。因此，必須擴大材料應用的科學基礎：必須更好地了解非平衡材料和結構；必須預測使用中的載荷，從而要求新的以模型為基礎的壽命周期感知與預測。
一些多功能均質聚合物有可能用作結構復合材料的基體(相)，使復合材料的強度、韌性、剛度、密度、耐環境與耐高溫性均獲得20％~25％的改善，從而導致國防科技系統的靈活性、機動性、可生存性和可運輸性的提高。新型多功能復合材料的發展前途無量，種類繁多，可以產生未來國防科技系統所需要的各種功能。至少在概念上，可以通過采用多功能基體和多功能增強劑來設計具有各種級別多功能性(三功能、四功能、五功能等)的幾乎數目無限的復合材料。一些實例可能包括：基體中含有對熱、電或力學應力敏感的微膠囊的復合材料；在基體中加入微孔結構的泡沫材料；改進的單層隱身涂層；具有光電效應的軍服布料在易殺傷部位織人凱芙拉防彈織物等。
隨著新型多功能材料研究的日趨成熟和它們在現代國防科技中應用的逐漸完善，也必將推動其在民品領域中的廣泛推廣和發展。
