美國防部國防高級研究計劃局（DARPA）發布“保證耐久性獨特結構” 尋求分佈式增材製造解決方案。

  3D打印的複雜無缺陷鎢部件。

  電衝擊公司研發的碳複合材料3D打印機。

  研究人員在ORNL製造示範工廠使用電子束熔化技術打印新合金驗證部件。　

　　2024年，先進軍工材料技術作為新質生産力的典型代表持續支撐着裝備的創新，帶動着産業的發展，推進着經濟的繁榮。人工智能與機器人、大數據的結合正掀起材料科學領域的第四次工業革命。各國正加快部署人工智能工具，布局材料數據庫，並嘗試用機器人自動合成和表徵來開發新材料，縮短材料研發和驗證時間。

　　2024年，增材製造在金屬材料領域已走到了大範圍應用的重要關口，核燃料組件、衛星支架、航空發動機的應用成為新的關注點，而太空在軌和遠洋、深潛在艦打印為戰場裝備提供了即時修復的新途徑；耐2760℃高溫的高超聲速飛行器氣動蒙皮材料已達技術成熟；電子信息材料獲得跨越式發展，世界首個石墨烯半導體器件問世，單晶金剛石和低密度氮化鋁成為下一代超寬帶隙半導體材料的發展重點。2025年1月，中國航空工業發展研究中心在北京組織專家開展了“2024年度國外軍工材料重大動向”評選工作，本着重大性、先進性、引領性、基礎性四大原則，從高性能金屬材料、先進複合材料、特種功能材料、電子信息功能材料、關鍵原材料等五大領域共計170余條發展動向中，遴選出以下十條重大技術動向，供決策機構、科研單位和廣大讀者參考。

　　美國DARPA提出分佈式增材製造提高關鍵材料和結構部件壽命的新理念

　　增材製造部件的質量一致性是該項技術面臨的重要瓶頸問題。傳統的技術解決方案是通過工藝優化和材料性能測試，使單&設備能夠重復生産性能穩定的部件。這通常需要幾個月甚至幾年的時間，成本常常超過數百萬美元。2024年4月，美國國防預先研究計劃局（DARPA）發布“保證耐久性獨特結構”（SURGE）項目公告，尋求通過在生産過程中預測零件壽命，來加速關鍵結構件的分佈式增材製造解決方案。該項目將融合現場傳感技術、工藝建模和基於微結構的疲勞壽命方法，量化製造硬體的使用壽命，打破傳統的部件資格認證方法。SURGE項目將分為兩個階段，第一階段為24個月，第二階段為彈性的24個月。第一階段重點開發基本方法並進行實驗驗證，第二階段則將這些方法應用於複雜部件並驗證其技術轉移性。SURGE計劃將探索一種新方法，在生産過程中實時預測每個獨特製造部件的使用壽命。如果成功，這種方法將基於增材製造過程中捕獲的數據，直接對每個部件進行準確的壽命預測，而無需進行大量的前期過程認證。這將使得分佈式增材製造成為可能，任何幾何形狀的部件都可以在全球任何地方的任何機器上生産，實現關鍵部件按需生産，同時保證部件在預期的服役條件下的使用壽命，並在生産需求高峰期擴展國防工業基地的生産能力。

　　美國橡樹嶺國家實驗室3D打印出無缺陷鎢部件和發動機用無裂紋高溫合金部件

　　金屬增材製造部件具有設計自由度高、研發周期短、材料利用率高、維護成本低等諸多優點，在航空航天領域具有傳統製造方式無法替代的優勢，這一點在面對複雜高精度零件、大尺寸複雜薄壁結構件時表現得尤為突出。鎢的熔點是所有金屬中最高的，非常適合用於聚變反應堆，但製造複雜的鎢部件卻是一項具有挑戰性的過程。電子束增材製造對於複雜鎢幾何形狀的加工很有前景。2024年5月，美國能源部橡樹嶺國家實驗室使用電子束增材製造技術打印出首個具有複雜幾何形狀的無缺陷鎢部件。純鎢在室溫下易發生脆裂。為解決這個問題，團隊開發了一種電子束3D打印機，可將鎢逐層沉積成精確複雜的三維幾何形狀。該系統利用磁力引導的真空粒子流將鎢粉熔化並粘合成固體金屬物體。由於採用高真空外殼，電子束3D打印機可減少異物污染並限制殘余應力的形成，最終成功打印出首個複雜無缺陷鎢部件。

　　同樣，高溫合金裂紋敏感性高導致打印過程中會存在開裂問題。2024年10月，美國橡樹嶺國家實驗室和國家能源技術實驗室合作，3D打印了一種新型輕質無裂紋高溫合金，該合金能夠在承受極高溫度的同時保持結構完整性，解決了以往高溫合金難以避免的開裂問題。研究人員通過將七種元素摻雜在一種富含鈮的複雜成分合金中，實現了合金的低密度，同時將工作溫度提升到1315.5℃以上，這比該實驗室之前開發的鎳鈷高溫合金工作溫度提高了至少48%。通過精細調整電子束熔融工藝，研究人員成功打印出了這種新型合金的測試部件。這一成果在解決合金裂紋問題的基礎上實現了高熔點與低密度組合的突破，是金屬材料3D打印的一個重要里程碑，有望使3D打印渦輪葉片更好地應對極端溫度，進一步引發航空航天工業的變革。

　　歐洲開發出針對零下251℃超低溫應用的新型鋁鎂鈧合金

　　鋁合金在增材製造過程中表現出極高的熱裂紋敏感性，容易産生熱裂紋和空隙等缺陷，導致嚴重損害其力學性能，限制其實際生産應用。當前已實現商業化的解決方案是在鋁合金中添加硅元素，如AlSi10Mg、AlSi7Mg等鋁硅係鋁合金，但硅的加入會導致鋁合金強度降低（約為220兆帕），難以滿足航空航天領域高承力部件的性能要求。2024年8月，歐洲空客下屬企業艾普沃克斯公司推出其第二代增材製造鋁合金産品——斯卡姆合金CX，該合金專門為增材製造而設計，室溫拉伸強度達到480兆帕，保持了輕質高強的優異性能，同時大幅提高了極端低溫條件下的斷裂韌性，在零下251℃（接近液氫溫度）時的斷裂韌性比上一代産品提高40%以上。斯卡姆合金CX的問世，進一步提高了鋁合金增材製造部件在航空航天領域的應用潛力，尤其針對儲氫容器等極端低溫部位、深空探測等極端低溫應用場景，該合金具有低密度、高強度、耐腐蝕等優異特性，有望替代傳統7000系列變形鋁合金，對持續推進航空航天裝備高性能、輕量化發展具有重要意義。目前，艾普沃克斯公司正在開展該産品在低溫儲罐上的應用考核驗證，並面向多種應用場景，開發多種衍生産品，如面向高溫應用的斯卡姆合金HX和面向電氣和熱應用的斯卡姆合金EX。

　　美國利用3D打印世界上最大的碳纖維複合材料火箭結構

　　美火箭實驗室公司率先在軌道火箭中使用碳複合材料，“中子號”是世界上第一個大型碳複合材料大型運載火箭。自動纖維鋪放技術融合了自動化的精度和複合材料的靈活性，不僅徹底改變了人們對製造業的思考方式，還為各個行業的設計和應用開闢了新的途徑。美火箭實驗室公司通過使用自動纖維鋪放系統實現了碳複合材料的快速製造。2024年10月，美火箭實驗室公司使用一台重量為90噸的3D打印機製造出了世界最大的碳複合材料火箭結構。該3D打印機是由美電衝擊公司研發的自動纖維鋪放設備，高12米，每分鐘可打印100米連續碳纖維複合材料。該設備具備30米橫向移動能力，可沿不同方向逐層沉積碳纖維片，直到結構製造完成；並配備了自動化實時檢測系統以監測生産缺陷。美火箭實驗室公司綜合了經過飛行驗證的碳纖維複合材料技術、增材製造和自主機器人技術，加速了“中子號”火箭的製造進程，主要複合材料結構包括28米級間段、7米直徑一子級、5米直徑二子級貯箱，以及整流罩外殼等。使用傳統的手工方法建造一個二級圓頂需要幾週時間，而自動纖維鋪放機器生産只需 24小時。預計在使用自動纖維鋪放技術建造火箭結構時將節省超過15萬小時，高效的生産能力將支撐起“中子號”火箭的高頻率發射。此外，火箭實驗室還將利用該設備生産現役“電子號”火箭一子級等結構，或用於生産用戶所需的碳複合材料結構。

　　美國開發耐2760℃高溫的高超聲速飛行器氣動蒙皮材料

　　高超聲速飛行器氣動蒙皮的溫度隨飛行速度加快而變高。碳纖維/碳氧化鋯（C/ZrOC）是一種低燒蝕率的高超聲速材料，具有成本低、可擴展性強、易於製造等特點，有助於克服高超聲速導彈殼體在高速飛行中面臨的高溫挑戰。2023年，美國MATECH公司成功生産了50千克陶瓷基複合材料，為今年的計劃奠定了基礎。2024年7月，美國MATECH公司與一家知名國防承包商簽訂合同，開發由C/ ZrOC材料製成的高超聲速飛行器氣動蒙皮，用於飛行測試。該材料已在多個政府實驗室進行了測試，在極端壓力條件下耐受溫度最高達2760℃。在美國導彈防禦局（MDA）的支持下，MATECH公司已將其C/ZrOC複合材料提升至高超聲速和導彈防禦應用的預審合格狀態。除了用於高超聲速防熱結構外，MATECH公司的C/ ZrOC熱防護系統還非常適合用於商用航天器上的可重復使用隔熱罩。該公司&&，該系統足夠堅固和堅韌，可以輕鬆加工並牢固地安裝在航天器上，可為SpaceX星際飛船等應用帶來巨大系統性改進，還可取代一次性燒蝕隔熱罩，例如，“獵戶座”上的PICA隔熱罩。此外，MATECH公司的C/ ZrOC可承受月球返回和火星返回的極端熱量。MATECH公司的C/ZrOC技術現已成熟並可供技術授權。

　　美國推出世界首個石墨烯半導體器件

　　石墨烯作為一種具有高電子遷移率、優異的導熱性及機械強度的二維材料，其獨特的電子結構和高導電性使其成為未來電子器件發展的重要材料。石墨烯的應用潛力不僅體現在超高速晶體管、柔性電子器件和透明導電膜等方面，還包括高性能傳感器和存儲器等領域。然而，儘管石墨烯在理論上展現出巨大優勢，但在現有理論下，石墨烯被歸類為半金屬，意味着它不會表現得像半導體，阻礙了在傳統半導體中的應用。石墨烯應用於電子設備中需具有一定的帶隙以便通過電場打開和關閉。2024年1月，美國佐治亞理工學院和天津大學合作，成功克服了石墨烯零帶隙的難題，將電子遷移率降低到了可與硅相媲美的水平，在單晶碳化硅襯底上開發出世界上首個石墨烯半導體器件，有望提升電子産品的效率和性能。研究人員在單晶碳化硅襯底上開發了類半導體石墨烯，帶隙為0.6電子伏特，是一個遷移率高於硅的二維半導體。通過在碳化硅晶圓上採用特殊熔爐技術，研究人員成功生長出外延石墨烯，即在碳化硅晶面上單層生長石墨烯。在恰當的製備條件下，這種外延石墨烯能與碳化硅形成化學鍵合，展現出半導體特性。此外，它能夠承受高電流的衝擊，並且在高溫環境下保持穩定，不會發生分解。製備工藝包括約束控制昇華爐，半絕緣的碳化硅芯片在氬氣氛圍的石墨坩堝中進行退火，石墨烯形成的溫度和速率受到精確控制，且硅從坩堝中的逃逸速率起着關鍵作用。新型類半導體石墨烯作為一種結晶良好的二維半導體，具有顯著的帶隙和高遷移率。這一創新突破標誌着更小、更快電子設備的實現成為可能，同時預示着量子計算領域的新應用，代表了半導體行業在利用石墨烯材料的電氣優勢方面邁出一大步。

　　美國能源部利用超薄鎂涂層降低超導量子材料介電損耗

　　擴大基於傳輸量子位的超導量子電路需要大幅提高量子位的相干時間。近年來，鉭已成為傳輸量子位的極具前途的候選材料，在相干時間方面超越了傳統同類材料。然而，暴露在大氣中的鉭金屬表面易被氧化生成非晶氧化鉭層，導致介電損耗，減少量子位的相干時間。2024年2月，美國能源部布魯克海文國家實驗室和西北太平洋國家實驗室合作開發出一種使用超薄鎂涂層抑制鉭金屬表面非晶氧化物形成的新方法，有效降低超導量子材料的介電損耗，改善鉭金屬的超導性能。布魯克海文國家實驗室和西北太平洋國家實驗室合作提出，在真空條件下利用磁控濺射法在鉭金屬薄膜表面沉積超薄鎂涂層（厚度3納米），可顯著抑制鉭氧化物的生成，並改善鉭金屬的結晶度。鎂金屬涂層改善了鉭薄膜的超導性能，超導性和磁化強度的轉變更快，且轉變溫度更高。此外，該方法有望擴展到其他超導量子材料（如鈮等），為實現大規模、高性能量子計算系統鋪平道路。

　　美國開發低成本高效回收鋰工藝

　　隨着科技和新能源産業的發展，鋰需求不斷增加，美國製造業中僅有2%的鋰來源於國內開採，回收鋰的重要性日益顯現，從礦場、油田和廢舊電池浸出的廢液中提取鋰，可有效減少原始資源的消耗和廢物的産生。傳統鋰提取方法存在能耗大、周期長、成本高等問題，開發新的鋰提取技術有助於提高提取過程的效率，降低生産成本。2024年5月，美國橡樹嶺國家實驗室開發出一種低成本、高效率的鋰回收技術。與傳統方法相比，新方法能夠在更寬pH範圍（5~11）內和更低的溫度（140℃）下工作，同時僅需使用1/3的材料和能源，顯著減少了溫室氣體的排放。首先，在鋰化過程中，研究人員使用氫氧化鋁粉末作為吸附劑，從溶劑中提取鋰離子，形成穩定的層狀雙氫氧化物；隨後，在脫鋰過程中，研究人員使用熱水處理層狀雙氫氧化物，使其釋放鋰離子並再生吸附劑。該吸附劑的效率近乎完美，從2克和20毫升鹽水溶液中每克吸附劑可捕獲37毫克鋰。這比之前用於提取鋰的結晶三水鋁石高出約5倍。鋰被視為能源轉型的關鍵材料之一，尤其是在全球向低碳經濟轉型的大背景下，鋰的需求將進一步上升。該技術有望極大提升鋰的提取效率和産量，縮短生産周期，降低鋰電池的原材料成本，進而推動整體産業鏈的成本控制。隨着鋰提取技術的進步，可確保能源轉型所需的鋰資源得到充分供應，並減少鋰提取過程對環境的負面影響。

　　美國確定下一代超寬帶隙半導體材料的兩個重點發展方向

　　高質量的超寬帶隙材料是實現先進電子産品的關鍵，應用方向包括高功率射頻開關、雷達和通信放大器、高壓電源開關、極端環境下的高溫電子産品以及深紫外LED和激光器，支撐着價值數十億美元的系統市場。2024年9月，美國國防高級研究計劃局（DARPA）設立了UWBGS（超寬帶隙半導體）計劃，推動下一代半導體技術的發展。目前該項目重點資助兩個方向：一是英國E6公司利用其在大面積化學氣相沉積聚晶金剛石和高質量單晶金剛石合成方面的專業知識來實現4英寸設備級單晶金剛石基板。二是日本斯坦利電氣美國子公司海克斯科技開發100毫米直徑的低缺陷密度氮化鋁襯底，提升高頻高壓電子設備的性能。這兩項技術均交由雷神公司來開發基於金剛石和氮化鋁技術的超寬帶隙半導體，從而提高傳感器和其他電子應用中的功率傳輸和熱管理，有望徹底改變半導體電子器件。

　　金剛石具有化學和輻射惰性、高載流子遷移率、熱傳導和寬電子帶隙等特性，有提高半導體器件性能的潛力，可減小整體尺寸、重量和功耗。E6公司與高功率半導體公司ABB合作，製造出了首款高壓塊狀金剛石肖特基二極管。此外，該公司最近還利用其位於美國俄勒岡州波特蘭的核心技術，完成了先進化學氣相沉積設施的建設和調試，該設施由可再生能源提供動力。E6公司尺寸大於4英寸的多晶金剛石晶片已經應用於電信基礎設施和國防領域，既可用作最先進硅芯片的EUV光刻中的光學窗口，又可用作高功率密度硅和氮化鎵半導體器件的熱管理應用。此外，海克斯科技則有望建立氮化鋁從晶體生長到襯底精加工的全産業鏈線，全面提升超寬禁帶半導體生産能力。氮化鋁襯底直徑擴展至100毫米將極大提升器件産能、性能和可靠性。未來如能成功實現量産，將有效推動下一代器件的技術發展，廣泛應用於商業和國防領域。

　　人工智能模型與機器人、大數據的結合正推動新材料的開發

　　當前人工智能模型與機器人、大數據的結合正掀起材料科學領域的第四次工業革命。各國正加快人工智能工具的部署、材料專業數據庫的建設，並開展機器人自動合成和表徵的開創性嘗試。2024年5月，日本國立材料科學研究所宣布啟動一項人工智能項目，旨在通過材料的電子顯微鏡圖像預測材料特性和壽命。該項目將利用半個多世紀以來積累的材料可靠性評估數據提升材料、設備和基礎設施的可靠性評估水平。2024年5月，加拿大多倫多大學利用“自主實驗室”技術，在幾個月內合成並測試了1000多種潛在的有機固態激光器材料，並成功發現了至少21種高性能候選材料，極大地加速材料研發進程。2024年9月，美國能源部橡樹嶺國家實驗室開發了一個創新的人工智能模型，旨在快速識別可用於核聚變反應堆中屏蔽材料的新合金。研究人員通過生成人工智能模型，確定了三種潛在的新合金候選元素，並對其進行了測試。這項研究不僅標誌着核聚變設施材料科學的進步，還展示了人工智能在材料發現和設計中的潛力。

　　2024年10月，美國商務部宣布開展一項公開競賽，擬出資1億美元資助人工智能驅動的可持續半導體材料自主實驗項目，加速新材料與新工藝的發現、設計、合成和部署，以及培養滿足行業技術、經濟和可持續發展目標所需的研究人員，確保美國國內半導體製造業的長久繁榮。2024年12月，美國斯克裏普斯研究所、美國能源部勞倫斯伯克利國家實驗室和其他幾家合作機構已成功應用機器學習技術加速薄膜電容器材料的發現。該方法用於篩選近50000種化學結構的數據庫，從而確定了一種具有破紀錄性能的化合物。可以看出，人工智能已經成為加速材料研究和開發的潛在變革性方法。（胡燕萍　陳濟桁　徐冬翔　馬筱逸）