21世纪是军事的世纪。在未来战争中,人类将在空间展开一场前所未有的、以开发利用空间丰富资源和争夺制天、制地、制海权为主要内容的大竞争,军用武器装备将会得到迅速发展。小编尽洪荒之力汇总了最前沿的军事装备、材料、技术等供大家参考。

新材料之王碳纤维是军事强国的必争之材

现代信息化战争既是高技术装备之战,也是高性能材料之战。碳纤维性能优异,外柔内刚,兼具电学、热学和力学等综合特性。它强度高、韧性好,可大幅提升现代武器装备系统作战性能。有着低密度、高强度、高模量、耐高温、耐严寒、耐摩擦、耐腐蚀、导电、抗冲击、电磁屏蔽效果好等一系列优越的性能,除了在民用工业(例如汽车制造、机械配件、体育用品、高铁零件等)有广泛的使用,也是极其重要的军事战略材料。

20世纪50年代初,美苏冷战,为解决武器隔热问题,美国开始研制碳纤维材料并得到应用。现在的军事领域,碳纤维主要用于制造战斗机、无人机、隐身材料、导弹隔热部件、装甲外壳、电磁屏蔽部件等。例如法国的“阵风”战斗机,它的机身、机翼、垂直安定面、升降副翼都采用了这种高性能材料,用量占到总结构材料的24%。英国的“台风”战机,全机表面70%使用了碳纤维复合材料。


国内碳纤维行业发展较晚,不过在国家政策的支持和经济发展的带动下,军工领域碳纤维材料的用量越来越多了。十三五计划中,更把碳纤维列为重点发展对象。


随着时代发展,军事材料正在向隐身、低能耗、高机动性方向发展,对于碳纤维材料的要求也越来越高。值得庆幸的是,碳纤维的性能有巨大的提升空间和潜力,作为军事强国的必争之材,需求量还将进一步上涨。

“黑色黄金”碳纤维

起源可追溯至1860年,由英国人瑟夫·斯旺在制作电灯灯丝中发明并获得专利。它是一种纤维状碳材料,呈黑色,质坚硬,是一种强度比钢大、密度比铝小、比不锈钢还耐腐蚀、比耐热钢还耐高温,又能像铜那样导电,具有电学、热学和力学等综合优异性能的新型材料,因其制造技术难度大、实用价值高,被业界誉为“黑色黄金”。


碳纤维“外柔内刚”,不仅具有碳材料的本质特性,又兼备纺织纤维的柔软和可加工性,是新一代高性能增强纤维。比头发丝还细几倍的碳纤维与树脂、碳、陶瓷、金属等基体经过特殊复合成型工艺制造,即可获得性能优异的碳纤维复合材料,能够广泛应用于航空、航天、能源、交通、军用装备等众多领域,是国防军工和民用生产生活的重要材料。

难上难 制造工艺复杂精细

20世纪50年代,为了解决导弹喷管和弹头耐高温、耐腐蚀等关键技术难题,美国率先研制出粘胶基碳纤维。1959年,日本近藤昭男发明了聚丙烯腈基碳纤维。由于碳纤维在军事领域凸显出提升武器装备性能的优异表现,引起了军事强国的高度重视。随后一些国家重点投入,不断研制出更高性能、更多品种的碳纤维。日本先后突破高强、高模性兼备等一系列关键技术难题,使所研制的碳纤维复合材料独具优异的抗疲劳性能和环境适应能力,其整体水平一路领先。


碳纤维看似简单,但其制造工艺十分复杂,是一项集多学科、精细化、高尖端技术于一体的系统工程,涉及化工、纺织、材料、精密机械等多学科领域,整个流程包含温湿度、浓度、粘度、流量等上千个参数高精度控制,稍有不慎就会严重影响碳纤维性能和质量稳定性,所以远非一般工艺技术所能媲美。


随着当今碳纤维及复合材料广泛应用,规模化生产成为其产业化发展的重大瓶颈。每个量级的生产虽原理相同,但对各种工艺参数精确控制难度却有极大不同,十吨级、百吨级的生产线,不能简单复制到千吨级,例如聚合反应产生大量的热,使得温度均匀性恒定性极难控制。正因如此,目前只有极少数国家能够稳定生产出高性能碳纤维,且核心技术长期主要掌控在日本和美国企业巨头手中。其中,日本的三家公司碳纤维生产能力就占世界四分之三,成为业界“巨无霸”。

强中强 国防装备脱胎换骨

据外媒报道,傲视群雄的F-35战斗机首飞时间一推再推,其中一个很重要原因,就是超重。为破解这一难题,洛克希德?马丁公司采取了很多办法,最终采用多达35%的碳纤维复合材料才大幅降低了机体重量。所以从某种意义上说,是碳纤维复合材料成就了F-35战机。


如今,碳纤维复合材料不仅成为实现高隐身性能不可或缺的基础性材料,更成为衡量武器装备系统先进性能的重要标志。比如,由于X-47B、全球鹰、全球观察者、西风等飞行器应用碳纤维复合材料比例更高,使得其有效载荷、续航能力和生存能力均实现了新突破。


现役F-22战斗机一个最大特点,就是隐身性能好,而这与其大量使用碳纤维复合材料休戚相关。此外,F-117A战斗机、B-2隐身轰炸机等也都采用了碳纤维吸波材料,包括瑞典“维斯比”级巡逻舰舰体用的均为全复合材料,因而拥有了高隐身、高机动、长寿命等先进作战性能。


航天领域发展更是锱铢必较。如固体火箭发动机质量每减少1千克,射程就可增加16公里。所以,碳纤维复合材料被大量应用于美国“爱国者”导弹、“三叉戟”II、德国HVM超声速导弹、法国“阿里安”-2火箭、日本M-5火箭等发动机壳体,未来碳纤维更是发展小型化、高机动性、高精度、高突防能力先进战略性武器装备的重要基础。


新型高性能碳纤维复合材料,具有更好的稳定性和可靠性,目前在高超声速飞行器、国际空间站、先进卫星等装备系统中被大量应用。美国防部在“面向21世纪国防需求的材料研究”报告中强调,“到2020年,只有复合材料才有潜力使装备获得20-25%的性能提升”。

优中优 事关国家安全利益

外军认为,现代信息化战争既是高技术装备之战,更是高性能材料之战。


现代武器装备发展,隐身化、低能耗、高机动性、大载荷等趋势凸显,对碳纤维及复合材料性能要求越来越高。因此研制更高强度、更高模量的碳纤维和与之相匹配的高性能作战系统,已成为军事强国比拼尖端实力的重头戏。目前,发达国家正在碳纤维、先进树脂和制造技术三个方向上重点突进。


目前,碳纤维拉伸强度与模量在理论上和实验室中,存在着巨大的提升潜力和空间,因而激战正酣。


在树脂研究领域,重点发展高韧热固性树脂,能够提高武器装备部件的长效温度,并改善韧性、工艺性和耐湿热性能。而开发热塑性树脂,可显著提高武器装备抗冲击韧性和耐疲劳损伤性能。


现代先进的自动化制造技术,可实现构件三维模型到制造一体化集成,适于制造大尺寸和复杂结构件,可有效提高装备质量可靠性和降低成本,从而促进国防军工更好发展。


近年来,为适应我国国防建设发展需要,碳纤维及其复合材料已被列为国家重点支持的项目。专家认为,着眼未来建设完整自主的高水平产业链,努力把事关国家安全利益的核心技术真正掌握在自己手中,乃是实现兴国强军中国梦的必由之路。

对未来军工领域带来革命性影响的超材料

超材料是通过在材料关键物理尺寸上的结构有序设计,突破某些表观自然规律的限制,获得超出自然界原有普通物理特性的超常材料的技术。超材料是一个具有重要军事应用价值和广泛应用前景的前沿技术领域,将对未来武器装备发展和作战产生革命性影响。

新型材料颠覆传统理论

尽管超材料的概念出现在2000年前后,但其源头可以追溯到更早。1967年,苏联科学家维克托?韦谢拉戈提出,如果有一种材料同时具有负的介电常数和负的磁导率,电场矢量、磁场矢量以及波矢之间的关系将不再遵循作为经典电磁学基础的“右手定则”,而呈现出与之相反的“负折射率关系”。这种物质将颠覆光学世界,使光波看起来如同倒流一般,并且在许多方面表现出有违常理的行为,例如光的负折射、“逆行光波”、反常多普勒效应等。这种设想在当时一经提出,就被科学界认为是“天方夜谭”。


随着传统材料设计思想的局限性日渐暴露,显著提高材料综合性能的难度越来越大,材料高性能化对稀缺资源的依赖程度越来越高,发展超越常规材料性能极限的材料设计新思路,成为新材料研发的重要任务。2000年,首个关于负折射率材料的报告问世;2001年,美国加州大学圣迭戈分校的科研人员首次制备出在微波波段同时具有负介电常数和负磁导率的超材料;2002年,美国麻省理工学院研究人员从理论上证实了负折射率材料存在的合理性;2003年,由于超材料的研究在世界范围内取得了多项研究成果,被美国《科学》杂志评为当年全球十项重大科技进展之一。此后,超材料研究在世界范围内取得了多项成果,维克托?韦谢拉戈的众多预测都得到了实验验证。


现有的超材料主要包括:负折射率材料、光子晶体、超磁材料、频率选择表面等。与常规材料相比,超材料主要有3个特征:


一是具有新奇人工结构;


二是具有超常规的物理性质;


三是采用逆向设计思路,能“按需定制”。


负折射率材料具有介电常数与磁导率同时为负值的电磁特性,电磁波在该介质中传播时,电场强度、磁场强度与传播矢量三者遵循负折射率螺旋定则,因此存在负折射效应、逆多普勒效应、逆切仑科夫辐射和理想透镜等多种奇特物理现象。负折射率材料的实现使人类具备了自由调控电磁波的能力,这对未来的新一代通信、光电子/微电子以及隐身、探测、强磁场、太阳能和微波能利用等技术将产生深远的影响。


光子晶体是指具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构,是一种介电常数周期性分布的电介质复合结构,可以阻止某一种频率的光波在其中的传播。由于光子晶体具有固有的频率选择特性,被认为是未来的半导体,对光电子、光通信、微谐振腔、集成光路、红外/雷达隐身等领域将产生重大影响。

部分超材料示例

“电磁黑洞”是一种采用电磁超材料制造的人工黑洞,能够全向捕捉电磁波,引导电磁波螺旋式行进,直至被黑洞吸收,使基于引力场的黑洞很难在实验室里模拟和验证的难题迎刃而解。这一现象的发现,不仅将为太阳能利用技术增加新的途径,产生全新的光热太阳能电池,还能应用于红外热成像技术,大幅度提高红外信号探测能力。


频率选择表面是由大量无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列结构,由周期性排列的金属贴片单元或在金属屏上周期性排列的孔径单元构成。其可对不同频段的入射电磁波进行有选择性的发射或传输,已被广泛应用于微波天线和雷达罩的设计中,也可用于反射面天线的负反射器,以实现频率复用,提高天线的利用率。

巨大价值引发全球关注

超材料研究的重大科学价值及其在诸多应用领域呈现出的革命性应用前景,使其得到了美国、欧洲、俄罗斯、日本等国政府,以及波音、雷神等机构的强力关注,现在已是国际上最热门、最受瞩目的前沿高技术之一。2010年,美国《科学》杂志将超材料列为21世纪前10年自然科学领域的10项重大突破之一。当前,国外的研究领域己涉及超材料基本原理和特性、超材料实验验证、超材料设计、超材料加工制造和超材料的应用。


美国国防部长办公室把超材料列为“六大颠覆性基础研究领域”之一,美国国防部专门启动了关于超材料的研究计划;美国空军科学研究办公室把超材料列入“十大关键领域”;美国最大的6家半导体公司英特尔、AMD和IBM等也成立了联合基金资助这方面的研究。欧盟组织了50多位相关领域顶尖的科学家聚焦这一领域的研究,并给予高额经费支持。日本在经济低迷之际出台了一项研究计划,至少支持两个关于超材料技术的研究项目,每个项目约为30亿日元(约合1.5亿人民币),同时将超材料列为下一代隐形战斗机的核心关键技术。


在多个项目的支持下,超材料技术取得了一系列新进展。例如,美国能源部劳伦斯·伯克利国家实验室与加利福尼亚大学合作完成了负折射率材料太赫兹频率特性的研究探索;美国加利福尼亚大学完成了利用负折射率材料精确控制光线速度和方向的研究;美国普渡大学和诺福克州立大学合作完成了负折射率材料对光线吸收的研究;2013年以来,美国陆军和普渡大学研究了在特定的电磁频谱波段具有光谱选择性的新型等离子体隐身材料;美国劳伦斯·伯克利国家实验室的研究团队制造出了全球首个非线性零折射率超材料,通过这种材料的光在各个方向都会得到增强;2014年,法国国家科学研究中心和法国波尔高等化学物理学院的研究人员通过结合物理化学组成和微流体技术,研发出了第一个三维超材料。

使用超材料的隐身衣

在超材料应用方面,有关国家和机构近年来启动了多项研究计划。如DARPA实施的负折射率材料研究计划;美国杜克大学开展的高增益天线超材料透镜研究,以及可升级和可重构的超材料研究等。此外,还有近百家美国企业获得小企业创新计划和企业技术转移资助计划资助,对超材料技术进行了大量研究和产品转化。目前,超材料领域已初步形成的产品包括超材料智能蒙皮、雷达天线、吸波材料、电子对抗雷达、通信天线、无人机载雷达等。

神奇功能改变未来作战

超材料因其独特的物理性能而一直备受人们的青睐,在军事领域具有重大的应用前景。近年来,超材料在隐身、电子对抗、雷达等领域的应用成果不断涌现,展现出巨大应用潜力和发展空间。


隐身是近年来出镜率最高的超材料应用,也是迄今为止超材料技术研究最为集中的方向,如美国的F-35战斗机与DDG1000大型驱逐舰均应用了超材料隐身技术。未来,超材料在电磁隐身、光隐身和声隐身等方面具有巨大应用潜力,在各类飞机、导弹、卫星、舰艇和地面车辆等方面将得到广泛应用,使军事隐身技术发生革命性变革。超材料实现隐身与传统隐身技术的区别是,超材料使入射的电磁波、可见光或声波绕过被隐藏的物体,在技术上实现真正意义上的隐身。


在电磁隐身方面,2006年,美国杜克大学与英国帝国学院合作提出了一种微波频段的电磁隐身设计方案,这种设计方案由10个同心圆筒组成,采用矩形开口环谐振器单元结构,实验结果证实负折射率材料用于物体的隐身是可行的。2012年,美国东北大学采用掺杂钪的M型钡铁氧薄片和铜线组合,设计和试验了可在33~44吉赫兹电磁波段实现可调的负折射率材料。美国雷神公司开发了“透波率可控人工复合蒙皮材料”,该材料采用嵌入了可变电容的金属微结构频率选择表面,通过控制加载在可变电容上的偏置电压,可以改变频率选择表面的电磁参数,从而实现材料透波特性的人工控制,可应用于各种先进雷达系统和下一代隐身战机的智能隐身蒙皮。


在光学隐身方面,2012年,加拿大超隐形生物公司发明了一种名为“量子隐身”的神奇材料。它能使周围光线折射而发生弯曲,从而使其覆盖的物体或人完全隐身,不仅能“骗”过人的肉眼,在军用夜视镜、红外探测器的探测下也能成功隐身。这种材料不仅能帮助特种部队在白天完成突袭行动,而且有望在下一代隐形战机、舰艇和坦克上应用。2014年,美国佛罗里达大学的研究团队研制出一种可实现可见光隐身的超材料,实现这一技术突破的关键是利用纳米转移印刷技术制造出一种多层三维超材料。纳米转移印刷技术可改变这种超材料的周围折射率,使光从其周围绕过而实现隐身。


在声隐身方面,2011年,美国杜克大学卡默尔教授的团队开发出一种二维声学斗篷,能使10厘米大小的木块不被声波探测到。2014年3月,杜克大学制造出世界上首个三维声学斗篷,它是一种利用声隐身超材料制成的声隐身装置,能使入射声波沿斗篷表面传播,不反射也不透射,实现对探测声波的隐身。三维声学斗篷由一些具有重复排列小孔的塑料板组成,能在3千赫兹的声波下表现出完美的隐身效果,验证了声学斗篷应用于主动声呐对抗的可行性。此外,美海军自主开发一种名为“金属水”的潜艇声隐身技术,制造一种六角形晶胞结构的铝材料,并将其纳入潜艇艇壳外覆盖的静音材料内,实现对声波引导,达到隐身目的。声隐身超材料技术的发展将对潜艇等水下装备的隐身产生变革性影响,有可能改变未来水下战场的“游戏”规则。


除了传统意义上的隐身,最近超材料在触觉隐形上也有了新的突破。2014年,德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究人员利用机械超材料制成触觉隐形斗篷。这是一种全新的隐身技术,可以欺骗人体和探测设备的传感器。这种触觉隐形斗篷由超材料聚合物制成,具有特殊设计的次微米精度的晶体结构。晶体由针尖相接触的针状锥组成,接触点的大小需精确计算,以满足所需的机械性能。利用这种超材料制造的隐形斗篷可以屏蔽仪器或人体的触觉,如用隐形斗篷覆盖住放在桌面上的一个突出物体,虽然可见突出物,但用手抚摸时无法感到物体突出,就像抚摸平整的桌面一样。该技术虽然还在纯粹的基础物理研究阶段,但是将会为近几年的国防应用开辟一条新路。


天线与天线罩是超材料的另一个用武之地。国外众多实验表明,将超材料应用到导弹、雷达、航天器等天线上,可以大大降低天线能耗,提高天线增益,拓展天线工作的带宽,有效增强天线的聚焦性和方向性。


天线方面,雷神公司研发了超材料双频段小型化GPS天线,通过精确的人工微结构设计,可提升天线单元间的隔离度,减少天线原件之间的电磁耦合,从而使天线的带宽得到大幅拓展,其可应用于对天线尺寸要求苛刻的飞机平台与个人便携式战术导航终端。2011年2月,洛克希德·马丁公司与宾夕法尼亚大学联合开发了一种新型电磁超材料,可用于在喇叭形卫星天线上,使产品体积更小,制造成本更低,并能够显著提高航天器天线的性能。2014年,英国BAE系统公司开发出一种可用于无人机通信的超材料平面天线,可使电磁波在透过平面天线后进行聚焦,在实现对电磁波聚焦的同时保留了平面天线的宽带性能,克服了传统抛物面天线变为平面天线所带来的带宽损失、低增益等问题,同时可实现一个天线替换多个天线,减少天线的数量。这一技术突破可能使飞机、舰艇、卫星等天线的设计产生划时代的变革。


雷达天线罩方面,在美国海军的支持下,美国公司成功研发出雷达罩用超材料智能结构,并应用于美军新一代的E2“鹰眼”预警机,大幅提高了其雷达探测能力。通过采用超材料的特殊设计,该项目提供了解决传统雷达罩图像畸变的问题,同时这种超材料电磁结构质量轻,方便后期的改装和维护,极大提高了E2“鹰眼”预警机的整体性能。


导弹天线罩方面,美国雷神公司研制了基于超材料的导弹天线罩,可以使穿过导弹天线罩的电磁波不产生有效折射,有效提高导弹打击精度。


用于制作光学透镜的超材料,可以制作不受衍射极限限制的透镜、高定向性透镜以及高分辨能力的平板型光学透镜。其中不受衍射极限限制的透镜主要应用于微量污染物质探测、医学诊断成像、单分子探测等领域;高定向性透镜主要应用于透镜天线、小型化相控阵天线、超分辨率成像系统等领域;高分辨能力的平板型光学透镜主要应用于集成电路的光学引导原件等领域。2012年,美国密西根大学完成一种新型超材料透镜研究,可用于观察尺寸小于100纳米的物体,且在从红外光到可见光和紫外光的频谱范围内工作性能良好。

结语

超材料的重要意义不仅体现在几类主要的人工材料上,最主要的是它提供了一种全新的思维方法—人们可以在不违背物理学基本规律的前提下,获得与自然界中的物质具有迥然不同的超常物理性质的“新物质”。“一代材料,一代装备”,创新材料的诞生及发展必将会催生出新的武器装备与作战样式。诞生不久就受到全世界拥趸的“超级材料”能否成为下一个新材料传奇?不禁令人无限地遐想和期待。

石墨烯的军事用途之科技前沿发展

石墨烯是已知的最薄、最坚硬的纳米材料,它几乎完全透明,质轻且具有良好的柔韧性和超强的导电、导热性,在微电子、光电子和新材料等高技术军事领域有巨大的应用潜能。欧美等发达国家投入了大量资金,重点开展石墨烯在超级计算机、高灵敏传感器、便携电子器件和先进防护材料等与国防密切相关领域的战略性开发,以期占据军事前沿技术的制高点。

更细小更节能运算速度更快的石墨烯芯片

石墨烯将提高计算机的存储和运算能力,减小体积,降低能耗


计算机是武器火控系统的核心,其数据处理和存储能力决定着弹道计算和快速打击的精准度。石墨烯器件制成的计算机速度比硅基微处理器高1000倍达太赫兹,在装备设计制造模拟、战场模拟、核爆模拟以及情报分析有重要意义,另外石墨烯器件还具有尺寸小、耗能低、发热量少等特点。为此,美国国防高级研究计划局早已将开发尺寸更小、计算能力更快的石墨烯基微电子装置列入研究计划。


目前,石墨烯晶体管尚不能完全用于计算机,还需要深入研究克服数据开关、石墨烯的工业加工修饰等各项难题。2015年7月,以美国密歇根理工大学为首的研究团队在陆军研究实验室的支持下,通过将石墨烯与氮化硼纳米管杂化组合,创建了一种具有高开关比(比已有的石墨烯开关高几个数量级)的新型数字开关材料,为未来制造更快、更小的计算机提供了前提。2015年7月30日,西班牙AIMEN技术中心的研究人员报道了利用激光加工石墨烯的技术,单脉冲激光仅需几皮秒就能对石墨烯进行快速精确地切割、添加分子或外接官能团。另外,美国海军研究实验室的科学家也利用氢化处理技术使石墨烯获得磁性,该技术可通过调节氢原子的数量改变磁场强度,在微电子领域有大规模制备磁性石墨烯的潜力。


石墨烯将提高传感器的灵敏度,促进微型化


石墨烯具有优异的光学性能,经加工还可获得高灵敏度的磁学、热学和力学特性,是制备新型轻薄传感器最有潜质的材料。


欧美等发达国家高度重视军用石墨烯传感器的研发。位于美国麻省理工学院的士兵纳米技术研究所把利用石墨烯技术开发具备高灵敏度、可调光谱选择性和快速响应特性的新一代红外夜视系统列为研究目标。2014年,美国密歇根大学研究者将石墨烯夹入镜片之间,构建了一种能捕捉可见光和红外线的传感器。镜片可做成比手指甲更小,结合于隐形眼镜中,未来这种智能隐形眼镜应用于士兵可获得夜视能力。2015年7月,国防高级研究计划局和陆军研究实验室资助美国东北大学制备了一种硼、氮、氧掺杂的石墨烯基二维材料,赋予了石墨烯热敏性和超感光性,有助于开发体积更小、携带灵活的红外热像仪和超灵敏光探测器。2015年8月,瑞士洛桑联邦理工学院的研究者宣称正在开发可拾获一个光子的石墨烯超感光探测器,这种探测器对从近红外到X射线的宽光谱范围都有响应,比常规的硅基光电探测器灵敏度高上千万倍,可用于军用夜视系统、太空望远镜,乃至光量子计算机。

美国马里兰大学开发的基于石墨烯传感器的可看穿墙的眼镜

石墨烯将提高装备的防护性能和隐身能力


石墨烯具有优越的力学性能,在抗弹防护方面具有广泛的应用前景。2014年,美国莱斯大学在国防威胁降低局的支持下进行了石墨烯抗冲击研究,发现石墨烯受到硅石球高速冲击时能迅速分散冲击力,吸收入射能量的能力比钢强十倍,是凯芙拉纤维的两倍。将石墨烯与其它轻质高强材料复合,有望获得高性能轻型装甲系统。2015年5月,意大利特伦托大学的研究人员发现石墨烯能显著增强蜘蛛丝的强度,复合丝可达天然蛛丝强度的3.5倍,是单兵防弹衣的高性能材料。


鉴于石墨烯的轻质高强特性和热、电性质,石墨烯还可用于隐身防护领域。2013年,美国加州大学制备了石墨烯基红外隐身涂层,通过改变反射光的波长来实现红外隐身。这种材料可大面积涂覆于结构和平台表面,实现军事伪装。另外,欧洲防务局于2015年6月举行专题研讨会,聚焦石墨烯在复合材料防护体系和自适应伪装涂层方面的应用潜力。


一种高性能超级电容器电极材料


据悉,一种高性能超级电容器电极材料--氮掺杂有序介孔石墨烯。该材料具有极佳的电化学储能特性,可用作电动车的“超强电池”。超级电容器,是介于传统电容器和电池之间的一种电化学储能装置。由于具有功率密度高、循环寿命长、安全可靠等特点,现已广泛应用于混合电动汽车、大功率输出设备等多个领域。如何让超级电容器兼具高功率、高能量,长期以来科学家并没有找到理想材料。

石墨烯防弹衣更轻巧防护能力更强

结语


石墨烯已成为军事尖端技术所依托的明星材料,其成果一旦商业化,将给军事装备和民用产品带来巨大变革,如石墨烯基超级计算机、微型红外夜视镜、超灵敏探测器和超薄可折叠显示屏等。

国内外军工领域里3D打印的影子

古语云:“不积跬步,无以至千里;不积小流,无以成江海。”千里之路需要一步步走出来,这里强调的是累积的重要性。说到累积,这里让人想到一项技术:3D打印。这是一项特殊的技术,与传统的“减材制造”不同,它是一种“增材制造”法,就是把材料逐层的叠加,从底层到上层,这样逐层的制造、逐层增材,慢慢会成为一个3D打印的成品。


当今时代,“3D打印技术”成了科技新闻报道中的高频词汇,甚至被英国《经济学人》杂志预测为“将推动新一轮工业革命的来临”。因其数字化、智能化的先进“复制”能力而备受青睐,这项技术在被民用化的同时,也逐渐成为国防和军工领域备受欢迎的“新贵”。

3D打印技术已经应用于造价高昂的战斗机


3D打印技术应用于舰载机

3D打印技术已运用于军事和航空航天领域,造价高昂的战斗机、舰载机等也都能通过“打印”出炉了。那么,3D打印在各国军工领域都帮了什么忙呢?


3D打印用于美国B-52战机部分老化部件的改进


美国俄克拉荷马州的Tinker空军基地是Oklahoma市空军后勤中心(OC-ALC)的所在地,同时也是美国空军装备司令部(AFMC)的飞机、发动机、导弹、软件和航空电子设备的管理和维护中心。它的职责就是,管理着美国各个军事舰队的飞机和技术的开发,包括各种配套组件、开发作战飞机程序、测试设备和工业自动化软件等,简单来说,任何军事飞机或者与军事飞机相关的东西,空军后勤中心都有责任确保它继续飞行或者安全。

美国:3D打印助力作战后勤保障


美国B-52战机外观图

为维护飞机和提高飞机的战斗力,如今美国空军和OC-ALC正在开发一项战略计划:将把3D打印技术纳入其当前的空中力量,维持任务的每一方面。OC-ALC欲利用3D打印技术优化工作流程,包括增材制造飞机发动机零部件和3D打印由第76软件维护组设计的现代电子元器件。

其实,OC-ALC的计划只是美国空军数个物流综合体中正在开发类似计划中的一个,除此之外,美国还拥有包括乔治亚州的Robins空军基地和犹他州的Hill空军基地等。每个基地都将开发针对综合体的计划,将3D打印技术融入其飞机维护和开发能力中。增材制造技术的纳入,对后勤运营将产生巨大的作用,可大大提高整个军事基地维护飞机的能力。


2014年1月,一架采用了3D打印技术生产的零件的“狂风”(或译为“旋风”)战斗机完成试飞,并被英媒认为是航空制造领域大规模使用3D打印技术的标志性事件。英国航空航天系统公司指出,成功试飞的飞机的3D打印部件包括驾驶舱无线电防护罩、起落架防护装置以及进气口支架。这些部件均在英国皇家空军一个军事基地生产和组装,该公司称,这是装配3D打印部件的战斗机首次试飞成功。


这些3D打印的零部件制造成本很低,有的甚至低于100英镑(1英镑约合1.64美元)。在维修和更换部件方面,3D打印技术有望在未来4年内为英国皇家空军节省120万英镑。此外,3D打印技术使这些零部件的生产地点不再受到限制,如果把这些3D打印机送到前线,直接进行零部件的加工和维修,将会大大提高英国空军的作战能力。


韩国3D打印在军机部件上的应用


说起韩国,这个在军事上几乎不被人重视的国家,在3D打印方面也是有所作为的。今年6月份,韩国空军使用的F-15K战机发动机遭到损坏,其发动机上的钛合金的涡轮护罩与钴合金的空气密封件需要修复,他们想要找到一种既耐久又可靠的方法使部件升级的同时,又不牺牲任何质量。


这次维修,韩国空军选择使用3D打印技术,为此他们找到了德国3D打印机制造商利用专门的DMT技术很快就完成了对发动机护罩和密封件的修复工作。DMT技术的工作原理主要是用高功率激光熔化金属粉末,被认为是最新和最具前景的3D打印技术之一,几乎能够立即修复好韩国军机的部件。


操作过程中,金属粉末被连续馈送到3D打印机中,并被激光均匀熔化,然后再重新冷却为固体,DMT技术保证不会出现泄露故障,3D打印部件也能够提供卓越的机械性能,因此,3D打印将韩国主力战机F-15K时刻保持在最佳状态,可以有足够的信心随时面对像朝鲜这样一个令人精神紧张的对手。


俄罗斯3D打印无人机“水鸭”


说起俄罗斯的军事实力,几乎妇孺皆知,由于继承了前苏联的70%的军事实力,所以其军工科技水平除了美国几乎无人能及。其3D打印技术实力也是不容忽视的。

今年6月份,《透视俄罗斯》曾报道,国营企业俄罗斯技术集团公司以3D打印技术制造出一架无人机样机,重3.8公斤,翼展2.4米,飞行时速可达100公里,续航能力1~1.5小时。该公司用两个半月的时间实现了从概念到原型机的飞跃,实际生产耗时仅为31小时,制造成本不到20万卢布。


这款无人机的独特之处在于,无需任何特殊起降场地,可在任意表面起降,不论雪地还是排水沟。在6000米高度飞行时的操控范围可达2500公里,有效载荷300公斤,可搭乘2~3名乘客或行李或者携带检测、监控设备。这款无人机的气垫可在飞行模式下进行回收,可用于向难以抵达的灾区运送物质,也可用于军事行动,例如搭载小型制导导弹、高精度炸弹等进攻性武器,还可执行侦查任务。


中国3D打印“大飞机”零部件


3D打印技术对于国防、航空等重点领域高端复杂精细结构关键零部件的制造起到了很大作用,为其提供了应用的支撑平台。我国在这一领域并不落后于其他发达国家,相反,在一些高精尖的军工领域甚至还处于领先地位。

其中,2015年9月3日纪念抗战胜利70周年的大阅兵上展示的国产战机中,就有一部分飞机的零部件采用了3D打印技术。


3D打印在国产大型客机C919的应用


2016年,中国曾对外宣布一项关于国产大型客机C919的一个制造细节:该客机部件采用了激光成型件加工中央翼线条,其中,最大尺寸为3070mm,最大变形量则小于0.8mm,整个力学性能通过飞机厂商的测试,其材料性能、结构性能、零件取样性能、大部段强度全部满足国产大型客机C919的设计要求,包括疲劳性能在内的综合性能,也优于传统的锻造技术。而且,3D打印出来的零部件强度一致性为2%,优于厂商5%的技术指标要求。

未来战争中,利用3D打印技术,无论是武器装备,还是军需物资,都可能实现“DIY”,即由作战人员在战地自助生产行动所需的装备物资。


3D打印在阿富汗战争中的应用


众所周知,后勤补给是战场上最易受到攻击的薄弱环节,战斗机隐身涂层材料技术全解密5阿富汗战争期间,美军曾经动用了大量作战力量以确保补给畅通和保障人员安全,美军认为,如果当时使用了3D打印机与战场网络、无人驾驶运输直升机或者汽车相结合的话,就可以彻底解决这一问题,通过3D打印技术现场制造出能够满足实际所需的食品、药品和装备,从而实现其后勤保障的革命性变化。

可见,只要技术足够成熟,未来战场上需要的一切,3D打印几乎都能满足,有了这种“克隆”后勤物资的“移动兵工厂”,战时可快速补充作战消耗。


作者:王元

来源:《腐蚀防护之友》