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2020年度国外军工材料技术重大发展动向(2)

block 新型超轻不锈钢较传统不锈钢减重约20%

      钢是全球工业化进程中的核心材料,其年产量超过18亿吨。但钢制结构的腐蚀造成的直接经济损失超过2.5万亿美元。为了满足以化工为代表的重点行业对于材料机械性能和良好耐腐蚀性能的要求,不锈钢取得了良好的发展。基于铁-铬、铁-铬-碳和铁-铬-镍体系开发的传统不锈钢,至少含有10.5%质量分数的铬,尽管发展取得了巨大成功,但也迫使不锈钢重量不断增加。同时,由于铬和镍等关键元素较为昂贵,还带来了巨大的环境和成本负担。因此发展轻量化的不锈钢对于可持续发展具有重要意义。传统的超轻钢材一般是在钢中添加轻合金元素铝实现的,但过量的铝会导致脆性问题,因此铝含量通常不能超过10%。

      为了解决这一问题,2020年11月,在韩国国防事业厅军民合作振兴院军民两用技术开发项目的支持下,韩国科技信息通信部下属的韩国材料研究所与浦项产业科学研究院合作,对钢种的碳、锰、铬等元素的添加量进行了优化,在添加超过11.5%的铝同时提升钢的韧性,将传统不锈钢7.9~8.0克/立方厘米的密度降低至6.3~6.5克/立方厘米,得到了减重超过17%的超轻质不锈钢,同时还兼具超高强度(>1GPa)和高延展性(>35%)。由于没有添加昂贵的镍,超轻质不锈钢确保了价格竞争力。此外,通过添加铬,钢表面形成了铝和铬含量较高的致密氧化层,确保其耐腐蚀性与400系不锈钢相当。这项研究从全新的合金设计角度出发,既突破了传统不锈钢的重量限制,同时也解决了超轻质钢材的易腐蚀和脆性问题,意义重大。新型超轻质不锈钢将优先应用于汽车、造船等行业,有望进一步提高燃油效率,降低二氧化碳排放。

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。

关于3D打印不锈钢的详细信息,请参考3D科学谷发布的《不锈钢3D打印白皮书》。

block 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℃,其最外侧边缘部位甚至将达到4000℃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。

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颗粒形式的钍,这种放射性金属材料保持强劲增长势头,将替代部分铀成为新型核燃料中的重要组成部分。

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