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2020年度国外军工材料技术重大发展动向

2021年02月23日 16:11来源:未知手机版

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MULTI-FUN项目将聚焦新材料和新设备的开发,带来具有多功能性的设计

2021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“2020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80条发展动向中,遴选出以下10条重大技术动向,供决策机构、科研单位和广大读者参考。

3D打印技术成为复合材料低成本化的重要途径

纤维增强树脂基复合材料性能优异,但制造工艺繁杂且成本高昂。3D打印可以减少人力和加工成本,以更节能、更快速、更可靠的方式制造复合材料,同时减少结构缺陷。此外,3D打印不再需要特殊工具或模具,能够直接制造任何形状的纤维增强复合材料,因此可取代更复杂、耗时且昂贵的传统制造技术。随着技术的不断成熟,3D打印技术正推动实现复合材料的性能和成本的最优组合。

3D打印技术推动实现了结构功能一体化复合材料的制造。2020年4月,荷兰Brightlands材料中心利用3D打印技术开发出一种碳纤维增强复合材料零件,利用结构形变产生测量电阻变化这一特性实现了材料的“自感知”功能,这为实现飞机结构健康监测(SHM)能力创造了条件。3D打印技术可以非常精确地定位和定向连续碳纤维,因此,将纤维嵌入产品结构内部的选定方向和位置,使其在沿特定载荷路径提供所需强度和刚度的同时,还可发挥结构监测“传感器”的作用,多条纤维可在整个零部件中形成一系列不同类型的传感器。这些纤维“传感器”在测试过程中监控和收集结构载荷变化情况,将信息实时反馈,便于3D打印结构设计的优化。研究成果对于飞机结构健康监测意义重大,同时还有望进一步实现飞机结构重量的降低和飞行效率的提升。

连续碳纤维3D打印技术取得突破。热塑性复合材料和不连续短切纤维复合材料近年来已成功地实现3D打印,但受限于结构组成,得到的3D打印复合材料通常力学性能较差、使用温度较低。3D打印连续碳纤维与热固性聚合物构成的复合材料,能够提供更加优异的力学性能和热稳定性,过去受限于技术一直未能实现。2020年9月,美国特拉华大学开发了全新的局部平面热辅助3D打印技术,首次实现了连续碳纤维3D打印,可与热固性聚合物结合低成本、灵活地制造复合材料。局部平面热辅助3D打印技术通过精确掌握碳纤维温度,控制固化成所需形状液态聚合物的厚度和固化程度,无需后固化。与需要数十小时后固化的传统复合材料工艺相比,节省大量时间、成本和能耗。除此之外,研究团队还开发了机器人系统,包括独特接头和自动机械臂,可满足不同形状结构的制造需求。局部平面热辅助3D打印可以为许多行业提供快速、节能的制造方法。

多材料增材制造技术推动金属多功能化发展

将增材制造技术已在金属领域产生多项实际用例,并证明其显著优势。例如GE公司为LEAP系列航空发动机打造的燃油喷嘴,将原本需要20个金属零件组装而成的组件集成为一个增材制造部件,不仅减轻了25%的结构重量,还实现了耐用性的提升。传统的增材制造技术包含多种工艺,如粉末床熔融、定向能量沉积、冷喷涂等。但不同的工艺受限于原材料和设备等因素:如必须使用某种特定材料才能实现,且得到的零部件的尺寸和外形也受到限制,制造成本往往高居不下。

瑞典制造商特瑞堡密封系统公司推出的新型超高温密封件

2020年7月,为推进多材料、多工艺金属增材制造的融合发展,来自8个欧洲国家的21个工业制造和科学研究领域机构联合启动了一项名为MULTI-FUN的项目。该项目为期3年,由欧盟地平线2020创新计划资助,重点实现金属增材制造领域2个重要战略目标:一是通过使用集成多种功能特性的新型活性材料,显著提高金属增材制造产品的制造效率和综合性能;二是通过开发和使用具有创新性、高效性、经济性的增材制造技术,实现多材料、大尺寸、复杂结构的协同制造。该项目设置了四个具体目标:

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