四、高超声速飞行器用高温材料迈向3000摄氏度

2018年1月，欧洲导弹系统公司（MBDA）披露了适用于英国/法国未来超音速和高超声速武器的高温材料持续研究项目细节。MBDA公司的开发方向之一是耐温高达3000℃的纤维增强型高温陶瓷复合材料，当前重点是使用HfB2粉浸渍的碳纤维预成型坯料，随后用化学气相浸渗工艺来生产高温陶瓷复合材料。MBDA公司表示，在样品厚度为12.5毫米的样品上进行的氧乙炔焊接实验表明，该材料具有优异的热保护性能。此外，另一个项目研究小组正对射频透明陶瓷或射频透明陶瓷复合材料在500～1000℃温度范围的不同选择进行探索，应用可能包括数据链路天线罩，雷达高度计窗口和导引天线罩。2018年12月，为了应对高超声速飞行器前缘部位热问题，DARPA宣布了其高超声速飞行器材料系统和表征（MACH）项目。MACH计划将包括两个技术领域：第一个领域旨在开发并加快完全集成的被动热管理系统的成熟，通过可扩展的近净制造和先进的热设计来冷却前缘；第二个技术领域将专注于下一代高超声速材料研究，应用现代高保真计算能力，为未来高超声速飞行器的前缘冷却应用开发新的被动和主动热管理概念、涂层和材料。MACH计划寻求热工程和设计、先进计算材料开发、材料体系设计、制备和测试（包括高温金属、陶瓷及其复合材料的近净制造）、高超声速前缘设计和性能以及先进的热防护系统方面的专业知识。

图4 高超声速飞行器前缘部位面临恶劣的极端热环境

五、黑硅超材料可实现近乎完美的红外隐身

人体或车辆引擎等有温度的物体，会以红外线的形式发热。红外热影像仪通过热感原理有效显示热源，即使在夜间或大雾环境中，也能帮助无人机准确寻找到目标。2018年6月，美国威斯康辛大学麦迪逊分校开发了一种超薄红外隐身薄片。这种薄片采用黑硅材料制成，以硅作为衬底，通过利用微小的银制颗粒刻蚀进入超薄固体硅表面，从而形成茂盛且更细长的纳米线。纳米线和银颗粒都有助于吸收红外光。衬底上还散布着微小的空气通道，可以防止隐形薄板在吸收红外线时过快产生热量。在厚度小于1毫米时，这种薄片可吸收约94％的红外光。这种隐身薄片可在中波长到长波长红外波段范围内使被遮挡的物体或人在红外探测器中更容易地实现隐身，几乎无法被察觉到。新型隐身薄片相比其他的热屏蔽技术有着显著的改进。

图5 黑硅超材料可使人和车完美多米红外探测器

六、核反应堆燃料元件包壳和包层材料取得突破

锆合金是核反应堆燃料元件包壳的主要材料，但在700℃以上和水蒸气发生反应产生热量和氢气，不利于核电站在发生事故情况下的安全性。2018年1月，俄罗斯莫斯科工程物理研究院核研究大学研发了用同位素改性钼作为锆合金替代品，用于制造核燃料元件包壳的技术。俄罗斯利用离心同位素分离技术制造同位素改性的钼合金，其热中子俘获截面与锆相似甚至更小，具有大幅提高核电站安全性的潜力。在聚变堆包层材料方面，钒合金具有广阔应用前景。钒合金由92%的钒、4%的铬和4%的钛组成，与常用的耐热钢相比，它具备聚变堆包层所需的各种特性，但钒合金管件在加工过程中容易断裂，并且在管道焊接之后也容易出现断裂。导致这一问题的原因主要是空气和原料中夹杂了碳、氮、氧等杂质。2018年12月，日本国家聚变科学研究所的科研人员在真空或惰性气体中生成一种高纯度钒合金NIFS-HEAT-2，显著改善了合金的延展性，从而克服了钒合金在加工时和焊接后断裂的问题。

图6 核反应堆燃料元件包壳金属材料

七、液态电池可为飞机提供安全、清洁和安静的推进动力

较常规锂电池，液态电池具有能量存储功能非爆炸性、充电速度快的特点，但由于泵送液体的能量储存材料溶解量受到限制，导致液态电池能量密度较低。2018年8月，在NASA资助下，美国阿贡国家实验室及其创业公司Influit Energy将纳米颗粒悬浮在水基液体电解质中，通过表面处理使纳米粒子浓度达到80％，制成了活性材料比例达65％的纳米电燃料（NEF）电池，较活性材料只有35％的固体锂离子电池，能量密度提高到1.5倍以上。该技术使液体能够在一个装置中充电，并在另一个装置中放电，从而将能量和功率分离。充电后的液体可以采用跟航空燃油相似的方式进行储存，实现液体快速重新加注，而不是在飞行间隔中采用较为缓慢的电池充电方式。目前，NEF液态电池原理样件的功率水平为每平方厘米若干毫安级。如果获得资助，该研究成果将在2020财年提供第一代NEF技术，电流密度达到100mA/cm?，系统级比能量达到125 Wh/kg或350Wh/L，性能优于锂离子电池。由于NEF没有火灾危险，并且可以快速加油，因此适用于航空于冷却电池和电机，且对飞机油箱无尺寸和形状要求，为飞机提供安全、清洁和安静的推进动力。

图7 活性纳米颗粒从油箱输送、流经离子交换膜实现发电