四、新型核燃料向低铀化转变

高纯度贫铀是美国正在进行的国家核武器储备现代化的重要战略物资。然而，根据美国能源部国家核安全局的估计，贫铀原料供应非常有限，其目前的贫铀金属供应将在本世纪20年代末耗尽。美国国家核安全局也不具备将贫铀转化制造成武器部件所需的全部能力，而这些部件是核储备现代化所必需的。为减少对铀的依赖，寻找能够替代铀的材料，开发新型核燃料迫在眉睫。

2020年9月，美国能源部爱达荷国家实验室、德克萨斯州农工大学核工程与科学中心、清洁堆芯钍基核能公司三方合作研发了一种名为ANEEL的新型核燃料。这种燃料是由放射性金属钍和“高丰度低浓铀”（铀－235丰度在5％至20％范围内）组成的混合物，将在美国生产，计划出口至印度等新兴核电市场，最快可以在2024年投入商业使用。金属钍有较高的熔点和较低的工作温度，抗堆芯熔毁能力强于金属铀。这种新型核燃料燃耗很深，可在反应堆中停留的时间更长，燃料利用率更高。此外，相较传统的核燃料，新型核燃料使用了更少的铀，产生废物减少80％以上，“燃烧”时产生的钚也将进一步减少，有利于降低核燃料成本、防止核扩散、减少核废物处理。

五、超高温陶瓷打破4000℃耐温大关

高超声速飞行器机翼设计中将前缘的倒圆半径减小到几厘米，从而带来升力和可操纵性显著提升，同时减少空气动力阻力。但是，当飞行器往返大气层时，机翼蒙皮表面温度可达2000°С，其最外侧边缘部位甚至将达到4000°С以上。因此，开发耐高温材料和结构是当前高超声速飞行的发展重点，也是设计过程中面临的主要难点。

美国布朗大学曾预测，基于铪－碳－氮（Hf－C－N）体系的陶瓷材料理论上具有目前所有材料中最高的熔点，理论值为4200℃左右，具有杰出的导热性和抗氧化性。在此基础上，2020年5月，俄罗斯国立科技大学的科研人员使用自蔓延高温合成法，开发出基于铪－碳－氮体系的新型高温陶瓷材料，其化学式为HfC0．5N0．35。该材料不仅具有超过4000℃的熔点，其硬度达到21．3吉帕，高过目前最具应用前景的ZrB2／SiC（20．9吉帕）和HfB2／SiC／TaSi2（18．1吉帕）。新型陶瓷材料有望在飞机耐高温部件，如喷气发动机热端部件和高超声速飞机机翼前缘等部位应用，此外也可推广应用至其他航空航天装备、火箭导弹制造、特种军事技术设备等领域。

六、轻量化成为防弹材料的发展重点

典型的防弹衣主要由芳纶“凯夫拉”纤维、超高分子聚乙烯纤维制成，但为了提升防弹性能而不断增加的厚度和重量，造成防弹衣穿着舒适性降低，穿着者的机动灵活性和工作便捷性也受到较大影响。此外，直升机、运输机等航空装备对于防弹性能的要求越来越高，但受限于发动机性能，难以承受防弹结构无限的加厚加重。防弹材料高性能化、轻薄化，已成为该领域迫切需求和主流发展趋势。

英国和泰国合作推广使用了轻量化的石墨烯增强防弹衣。2020年4月，英国PlanarTech公司宣布与泰国IDEATI达成协议，推广应用其2AM系列石墨烯增强防弹背心和防弹板产品。2AM是一种由石墨烯和超高分子聚乙烯组成的复合材料，它利用了石墨烯可显著提升强度的特性来制造超轻型防弹衣。由2AM材料制成的A－10418产品，是目前市面上最薄（20毫米）、最轻（1．8千克）、且获得美国国家司法协会（NIJ）弹测认证合格的IV级独立防弹板。向复合材料中添加石墨烯纳米颗粒可有效的将独立防弹板背面变形程度（BFD）降低至仅11．3毫米。2AM系列产品已批量生产，并至少交付1000件供泰国皇家陆军使用。未来也有望在防爆盾、防弹舱门等产品中取得应用。

英国马歇尔与奎奈蒂克合作推出新一代军用装甲材料。2020年8月，英国马歇尔航空航天与防务集团与英国奎奈蒂克（QinetiQ）公司签订了独家合作协议，销售和安装C－130“大力神”最新一代机型的轻型装甲——LAST Armor LWA。这种装甲由高强度聚乙烯制成，比目前在C－130J上应用的LAST装甲解决方案轻约380千克，仅为旧款LAST装甲重量的一半，能够为机组人员提供同等的防护性能。在装甲表面涂覆环保涂层后，即使在最恶劣的环境下，装甲也可以保持化学惰性不腐蚀。由于结构轻质，可显著节省飞机燃料，减少了对飞机重心的影响，使C－130－30变体机型具有完整的载荷能力。同时，在定期维护或者作为独立部件使用时，装甲可快速轻便的安装和拆卸，确保以最佳状态完成飞行任务。

七、新一代飞机超高温防火密封件可在315℃下工作

专用防火密封件主要应用于飞机机身、吊架、反推力装置和发动机等部件中，其主要作用是防止在正常工作条件下气流从机体内特定的工作区域扩散至其他区域。对于飞机来说更加重要的一点是，使用专用防火密封件可预防由机内局部失火引发的更大事故，它可抑制火势向机体其他部位蔓延，保证飞机在起火后仍拥有至少15分钟的缓冲时间安全着陆，确保人身安全。因此，专用防火密封件耐热温度越高，可承受发动机内的极端环境温度越高，理论上意味着飞机发动机性能越强，飞机的安全系数越好。

2020年5月，瑞典制造商特瑞堡密封系统公司推出了一款超高温密封件，可在－40℃到＋315℃或更高的温度下工作，远超过其上一代产品。新一代超高温密封件的全寿命周期为60000个飞行周期，克服了高温下聚硅氧烷易松弛、易压缩形变的固有特性，可在更高温度的飞机发动机部位中使用。在热浸试验中，新一代超高温密封件的性能优于其他防火密封件。在所有测试条件下，其性能损失均比要求的标准值至少低15％。特瑞堡利用专有技术，使新型密封件能够适应任何几何形状，同时进一步减轻了结构重量并有效减少了零件数量，简化了装配过程，可直接对目前正在使用过程中的密封件产品进行替换。这款防火密封件的问世意味着飞机制造商可开发出性能更强、燃油效率更好的航空发动机，更好的落实可持续发展。

八、台积电和三星在硅半导体3纳米工艺上同台竞技

摩尔定律是对半导体行业发展规律的总结，在过去的数十年里一直对该行业的发展起到指引和推动作用。但随着器件性能的提升、尺寸的缩小，晶体管特征尺寸已经达到原子级别，晶体管中的载流子将不受控制，短沟道效应、热电子效应、漏电流增大等问题越来越严重。技术难度的增加和成本的急剧增长，使得先进工艺制程的研发速度逐渐放缓。目前14纳米及以下的工艺大多采用立体结构，即鳍式场效晶体管（FinFET）。但这种结构的前道工艺已接近物理极限，如继续微缩，电性能的提升和晶体管结构上都将遇到诸多问题。

图 10 三星在3纳米芯片量产工艺中率先使用全环绕栅极晶体管架构（图片来源：Ezone）

2020年1月，三星电子宣布计划在全球范围内率先实现3纳米芯片量产制程工艺，以确保其在半导体市场的技术优势。三星计划较为激进放弃FinFET晶体管技术，率先采用基于全环绕栅极（GAA）晶体管架构的3纳米技术。同5纳米制程工艺相比，该技术能使芯片的理论面积缩小35％、能耗降低50％、性能提高30％。三星自2002年起一直在开发闸极全环工艺技术，通过使用纳米片设备制造出了多桥－通道场效应管，确保减少功率泄漏，改善对通道的控制，这是缩小工艺制程的基本步骤。这种设计可实现更高效的晶体管设计，并具有更小的整体制程尺寸，从而在5纳米FinFET工艺上实现了每瓦性能的巨大提升。新工艺的实现还需要对显影、蒸镀、蚀刻等一系列工程技术进行革新，且为减少寄生电容还需导入替代铜的钴、钌等新材料。首批面向智能手机和其他移动终端的3纳米芯片将于2020年进行测试，并于2021年批量生产。对高性能芯片改进型产品，如图形处理器和封装到数据中心的人工智能芯片，将在2022年实现批量生产。

图 11 台积电3纳米工艺制程芯片预计将在2022年下半年量产

作为目前芯片制造行业的“领头羊”，台积电也公布了自己的3纳米战略。2020年4月，台积电正式披露了其3纳米工艺技术细节，晶体管密度高达2．5亿／平方毫米。采用台积电7纳米极紫外光刻工艺的麒麟990 5G芯片的晶体管密度约为0．9亿／平方毫米，3纳米工艺晶体管密度是7纳米的3．6倍。在性能提升方面，台积电5纳米比7纳米性能提升15％，能耗降低30％。然而，预计3纳米比5纳米性能提升10％～15％，能耗降低25％～30％；在晶体管密度方面，台积电表示3纳米工艺较5纳米提高了1．7倍，晶体管密度高达2．5亿／平方毫米。与三星不同，在技术方面，台积电评估了多种方案，认为现行的鳍式场效应晶体管（FinFET）技术在成本及能效上更佳，首批3纳米芯片仍将采用FinFET技术。此外，台积电还表示，3纳米的研发符合预期，并没有受到疫情影响，预计在2021年进入风险试产阶段，2022年下半年正式量产。

九、新型稀土金属提纯方法有望解决美国进口依赖问题

图 12 使用配体辅助色谱法从煤灰、废旧磁铁中提纯稀土金属，确保电子产品关键材料的充足供应。（图片来源：普渡大学）

全球稀土金属市场总量达40亿美元，随着新电子产品、飞机、舰船、电动汽车的计算机芯片、发动机磁铁和其他关键产品的发展，稀土金属需求量还在持续增长。但地球上的稀土资源有限，难以确保可持续发展。2020年5月，美国普渡大学经过10年研发，提出一种具有自主知识产权的提取和净化工艺——使用配体辅助色谱法从煤灰、废旧磁铁和原矿中，安全、有效地净化和提纯稀土金属，且不影响环境，使美国能够在国内创造一个更稳定、更可靠的稀土金属来源。传统提纯稀土元素的方法为两相液－液萃取法，该工艺需要使用成千上万个串联或并联的混合沉降器单元，同时还会产生大量有毒废物。普渡大学开发的新工艺使用两区配体辅助置换色谱系统和一种新的区分离方法，可生产出纯度为99％的稀土金属。研究人员表示，该工艺有望解决美国一直以来因稀土金属过于依赖进口而产生的供应链隐患。

十、人工智能技术推进新材料研发进程

人工智能技术的发展加快了多种材料的成分设计，其中超硬材料和高熵合金的发展成为其中亮点。

图 13 W－Mo－B体系在0K时的三元相图（图片来源：Skoltech）

2020年9月，俄罗斯斯科尔科沃科学技术学院使用人工智能计算方法成功预测出几种由钨、钼、硼三种主元素组成的新型超硬材料。长期以来，科学家对二元材料进行了深入的研究，性能的进一步提升进入瓶颈期，为了设计新型材料，现在越来越频繁地加入第三种主元素，以期通过增加材料系统复杂性的方式来提升材料性能。研究人员开发出一种名为USPEX的进化算法（人工智能算法中的一种），成功预测了钨－钼－硼材料体系中的超硬三元化合物结构，与二元化合物相比显示出更好的硬度与断裂韧性，其中一些材料属于高熵合金。这项研究为寻找新型超硬硼化物材料奠定了基础。高熵合金一般由相等或相似比例的四种或更多元素组成，理论上可以组合出无限种合金组合，并且具有出色的机械、热、物理和化学性能，目前已开发出多种耐腐蚀、耐高温、耐低温、高强度合金。但是新型高熵合金的设计往往基于反复试验，需要花费大量时间和高额成本。2020年11月，韩国浦项科技大学开发了一种使用人工智能进行高熵合金相位预测的技术。研究团队开发的人工智能技术在模型优化、数据生成和参数分析等三个方面进行了深度学习，可提高高熵合金相位的可预测性和可解释性。研究结果有望大大减少现有新材料开发过程所需的时间和成本，未来可用于开发新的高熵合金。

（中国航空工业发展研究中心  胡燕萍，陈济桁，黄培生，刘代军）

本篇供稿：系统工程研究所