美国防部国防高级研究计划局（DARPA）发布“保证耐久性独特结构” 寻求分布式增材制造解决方案。
3D打印的复杂无缺陷钨部件。
电冲击公司研发的碳复合材料3D打印机。
研究人员在ORNL制造示范工厂使用电子束熔化技术打印新合金验证部件。
2024年，先进军工材料技术作为新质生产力的典型代表持续支撑着装备的创新，带动着产业的发展，推进着经济的繁荣。人工智能与机器人、大数据的结合正掀起材料科学领域的第四次工业革命。各国正加快部署人工智能工具，布局材料数据库，并尝试用机器人自动合成和表征来开发新材料，缩短材料研发和验证时间。
2024年，增材制造在金属材料领域已走到了大范围应用的重要关口，核燃料组件、卫星支架、航空发动机的应用成为新的关注点，而太空在轨和远洋、深潜在舰打印为战场装备提供了即时修复的新途径；耐2760℃高温的高超声速飞行器气动蒙皮材料已达技术成熟；电子信息材料获得跨越式发展，世界首个石墨烯半导体器件问世，单晶金刚石和低密度氮化铝成为下一代超宽带隙半导体材料的发展重点。2025年1月，中国航空工业发展研究中心在北京组织专家开展了“2024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170余条发展动向中，遴选出以下十条重大技术动向，供决策机构、科研单位和广大读者参考。
美国DARPA提出分布式增材制造提高关键材料和结构部件寿命的新理念
增材制造部件的质量一致性是该项技术面临的重要瓶颈问题。传统的技术解决方案是通过工艺优化和材料性能测试，使单台设备能够重复生产性能稳定的部件。这通常需要几个月甚至几年的时间，成本常常超过数百万美元。2024年4月，美国国防预先研究计划局（DARPA）发布“保证耐久性独特结构”（SURGE）项目公告，寻求通过在生产过程中预测零件寿命，来加速关键结构件的分布式增材制造解决方案。该项目将融合现场传感技术、工艺建模和基于微结构的疲劳寿命方法，量化制造硬件的使用寿命，打破传统的部件资格认证方法。SURGE项目将分为两个阶段，第一阶段为24个月，第二阶段为弹性的24个月。第一阶段重点开发基本方法并进行实验验证，第二阶段则将这些方法应用于复杂部件并验证其技术转移性。SURGE计划将探索一种新方法，在生产过程中实时预测每个独特制造部件的使用寿命。如果成功，这种方法将基于增材制造过程中捕获的数据，直接对每个部件进行准确的寿命预测，而无需进行大量的前期过程认证。这将使得分布式增材制造成为可能，任何几何形状的部件都可以在全球任何地方的任何机器上生产，实现关键部件按需生产，同时保证部件在预期的服役条件下的使用寿命，并在生产需求高峰期扩展国防工业基地的生产能力。
美国橡树岭国家实验室3D打印出无缺陷钨部件和发动机用无裂纹高温合金部件
金属增材制造部件具有设计自由度高、研发周期短、材料利用率高、维护成本低等诸多优点，在航空航天领域具有传统制造方式无法替代的优势，这一点在面对复杂高精度零件、大尺寸复杂薄壁结构件时表现得尤为突出。钨的熔点是所有金属中最高的，非常适合用于聚变反应堆，但制造复杂的钨部件却是一项具有挑战性的过程。电子束增材制造对于复杂钨几何形状的加工很有前景。2024年5月，美国能源部橡树岭国家实验室使用电子束增材制造技术打印出首个具有复杂几何形状的无缺陷钨部件。纯钨在室温下易发生脆裂。为解决这个问题，团队开发了一种电子束3D打印机，可将钨逐层沉积成精确复杂的三维几何形状。该系统利用磁力引导的真空粒子流将钨粉熔化并粘合成固体金属物体。由于采用高真空外壳，电子束3D打印机可减少异物污染并限制残余应力的形成，最终成功打印出首个复杂无缺陷钨部件。
同样，高温合金裂纹敏感性高导致打印过程中会存在开裂问题。2024年10月，美国橡树岭国家实验室和国家能源技术实验室合作，3D打印了一种新型轻质无裂纹高温合金，该合金能够在承受极高温度的同时保持结构完整性，解决了以往高温合金难以避免的开裂问题。研究人员通过将七种元素掺杂在一种富含铌的复杂成分合金中，实现了合金的低密度，同时将工作温度提升到1315.5℃以上，这比该实验室之前开发的镍钴高温合金工作温度提高了至少48%。通过精细调整电子束熔融工艺，研究人员成功打印出了这种新型合金的测试部件。这一成果在解决合金裂纹问题的基础上实现了高熔点与低密度组合的突破，是金属材料3D打印的一个重要里程碑，有望使3D打印涡轮叶片更好地应对极端温度，进一步引发航空航天工业的变革。
欧洲开发出针对零下251℃超低温应用的新型铝镁钪合金
铝合金在增材制造过程中表现出极高的热裂纹敏感性，容易产生热裂纹和空隙等缺陷，导致严重损害其力学性能，限制其实际生产应用。当前已实现商业化的解决方案是在铝合金中添加硅元素，如AlSi10Mg、AlSi7Mg等铝硅系铝合金，但硅的加入会导致铝合金强度降低（约为220兆帕），难以满足航空航天领域高承力部件的性能要求。2024年8月，欧洲空客下属企业艾普沃克斯公司推出其第二代增材制造铝合金产品——斯卡姆合金CX，该合金专门为增材制造而设计，室温拉伸强度达到480兆帕，保持了轻质高强的优异性能，同时大幅提高了极端低温条件下的断裂韧性，在零下251℃（接近液氢温度）时的断裂韧性比上一代产品提高40%以上。斯卡姆合金CX的问世，进一步提高了铝合金增材制造部件在航空航天领域的应用潜力，尤其针对储氢容器等极端低温部位、深空探测等极端低温应用场景，该合金具有低密度、高强度、耐腐蚀等优异特性，有望替代传统7000系列变形铝合金，对持续推进航空航天装备高性能、轻量化发展具有重要意义。目前，艾普沃克斯公司正在开展该产品在低温储罐上的应用考核验证，并面向多种应用场景，开发多种衍生产品，如面向高温应用的斯卡姆合金HX和面向电气和热应用的斯卡姆合金EX。
美国利用3D打印世界上最大的碳纤维复合材料火箭结构
美火箭实验室公司率先在轨道火箭中使用碳复合材料，“中子号”是世界上第一个大型碳复合材料大型运载火箭。自动纤维铺放技术融合了自动化的精度和复合材料的灵活性，不仅彻底改变了人们对制造业的思考方式，还为各个行业的设计和应用开辟了新的途径。美火箭实验室公司通过使用自动纤维铺放系统实现了碳复合材料的快速制造。2024年10月，美火箭实验室公司使用一台重量为90吨的3D打印机制造出了世界最大的碳复合材料火箭结构。该3D打印机是由美电冲击公司研发的自动纤维铺放设备，高12米，每分钟可打印100米连续碳纤维复合材料。该设备具备30米横向移动能力，可沿不同方向逐层沉积碳纤维片，直到结构制造完成；并配备了自动化实时检测系统以监测生产缺陷。美火箭实验室公司综合了经过飞行验证的碳纤维复合材料技术、增材制造和自主机器人技术，加速了“中子号”火箭的制造进程，主要复合材料结构包括28米级间段、7米直径一子级、5米直径二子级贮箱，以及整流罩外壳等。使用传统的手工方法建造一个二级圆顶需要几周时间，而自动纤维铺放机器生产只需 24小时。预计在使用自动纤维铺放技术建造火箭结构时将节省超过15万小时，高效的生产能力将支撑起“中子号”火箭的高频率发射。此外，火箭实验室还将利用该设备生产现役“电子号”火箭一子级等结构，或用于生产用户所需的碳复合材料结构。
美国开发耐2760℃高温的高超声速飞行器气动蒙皮材料
高超声速飞行器气动蒙皮的温度随飞行速度加快而变高。碳纤维/碳氧化锆（C/ZrOC）是一种低烧蚀率的高超声速材料，具有成本低、可扩展性强、易于制造等特点，有助于克服高超声速导弹壳体在高速飞行中面临的高温挑战。2023年，美国MATECH公司成功生产了50千克陶瓷基复合材料，为今年的计划奠定了基础。2024年7月，美国MATECH公司与一家知名国防承包商签订合同，开发由C/ ZrOC材料制成的高超声速飞行器气动蒙皮，用于飞行测试。该材料已在多个政府实验室进行了测试，在极端压力条件下耐受温度最高达2760℃。在美国导弹防御局（MDA）的支持下，MATECH公司已将其C/ZrOC复合材料提升至高超声速和导弹防御应用的预审合格状态。除了用于高超声速防热结构外，MATECH公司的C/ ZrOC热防护系统还非常适合用于商用航天器上的可重复使用隔热罩。该公司表示，该系统足够坚固和坚韧，可以轻松加工并牢固地安装在航天器上，可为SpaceX星际飞船等应用带来巨大系统性改进，还可取代一次性烧蚀隔热罩，例如，“猎户座”上的PICA隔热罩。此外，MATECH公司的C/ ZrOC可承受月球返回和火星返回的极端热量。MATECH公司的C/ZrOC技术现已成熟并可供技术授权。
美国推出世界首个石墨烯半导体器件
石墨烯作为一种具有高电子迁移率、优异的导热性及机械强度的二维材料，其独特的电子结构和高导电性使其成为未来电子器件发展的重要材料。石墨烯的应用潜力不仅体现在超高速晶体管、柔性电子器件和透明导电膜等方面，还包括高性能传感器和存储器等领域。然而，尽管石墨烯在理论上展现出巨大优势，但在现有理论下，石墨烯被归类为半金属，意味着它不会表现得像半导体，阻碍了在传统半导体中的应用。石墨烯应用于电子设备中需具有一定的带隙以便通过电场打开和关闭。2024年1月，美国佐治亚理工学院和天津大学合作，成功克服了石墨烯零带隙的难题，将电子迁移率降低到了可与硅相媲美的水平，在单晶碳化硅衬底上开发出世界上首个石墨烯半导体器件，有望提升电子产品的效率和性能。研究人员在单晶碳化硅衬底上开发了类半导体石墨烯，带隙为0.6电子伏特，是一个迁移率高于硅的二维半导体。通过在碳化硅晶圆上采用特殊熔炉技术，研究人员成功生长出外延石墨烯，即在碳化硅晶面上单层生长石墨烯。在恰当的制备条件下，这种外延石墨烯能与碳化硅形成化学键合，展现出半导体特性。此外，它能够承受高电流的冲击，并且在高温环境下保持稳定，不会发生分解。制备工艺包括约束控制升华炉，半绝缘的碳化硅芯片在氩气氛围的石墨坩埚中进行退火，石墨烯形成的温度和速率受到精确控制，且硅从坩埚中的逃逸速率起着关键作用。新型类半导体石墨烯作为一种结晶良好的二维半导体，具有显著的带隙和高迁移率。这一创新突破标志着更小、更快电子设备的实现成为可能，同时预示着量子计算领域的新应用，代表了半导体行业在利用石墨烯材料的电气优势方面迈出一大步。
美国能源部利用超薄镁涂层降低超导量子材料介电损耗
扩大基于传输量子位的超导量子电路需要大幅提高量子位的相干时间。近年来，钽已成为传输量子位的极具前途的候选材料，在相干时间方面超越了传统同类材料。然而，暴露在大气中的钽金属表面易被氧化生成非晶氧化钽层，导致介电损耗，减少量子位的相干时间。2024年2月，美国能源部布鲁克海文国家实验室和西北太平洋国家实验室合作开发出一种使用超薄镁涂层抑制钽金属表面非晶氧化物形成的新方法，有效降低超导量子材料的介电损耗，改善钽金属的超导性能。布鲁克海文国家实验室和西北太平洋国家实验室合作提出，在真空条件下利用磁控溅射法在钽金属薄膜表面沉积超薄镁涂层（厚度3纳米），可显著抑制钽氧化物的生成，并改善钽金属的结晶度。镁金属涂层改善了钽薄膜的超导性能，超导性和磁化强度的转变更快，且转变温度更高。此外，该方法有望扩展到其他超导量子材料（如铌等），为实现大规模、高性能量子计算系统铺平道路。
美国开发低成本高效回收锂工艺
随着科技和新能源产业的发展，锂需求不断增加，美国制造业中仅有2%的锂来源于国内开采，回收锂的重要性日益显现，从矿场、油田和废旧电池浸出的废液中提取锂，可有效减少原始资源的消耗和废物的产生。传统锂提取方法存在能耗大、周期长、成本高等问题，开发新的锂提取技术有助于提高提取过程的效率，降低生产成本。2024年5月，美国橡树岭国家实验室开发出一种低成本、高效率的锂回收技术。与传统方法相比，新方法能够在更宽pH范围（5~11）内和更低的温度（140℃）下工作，同时仅需使用1/3的材料和能源，显著减少了温室气体的排放。首先，在锂化过程中，研究人员使用氢氧化铝粉末作为吸附剂，从溶剂中提取锂离子，形成稳定的层状双氢氧化物；随后，在脱锂过程中，研究人员使用热水处理层状双氢氧化物，使其释放锂离子并再生吸附剂。该吸附剂的效率近乎完美，从2克和20毫升盐水溶液中每克吸附剂可捕获37毫克锂。这比之前用于提取锂的结晶三水铝石高出约5倍。锂被视为能源转型的关键材料之一，尤其是在全球向低碳经济转型的大背景下，锂的需求将进一步上升。该技术有望极大提升锂的提取效率和产量，缩短生产周期，降低锂电池的原材料成本，进而推动整体产业链的成本控制。随着锂提取技术的进步，可确保能源转型所需的锂资源得到充分供应，并减少锂提取过程对环境的负面影响。
美国确定下一代超宽带隙半导体材料的两个重点发展方向
高质量的超宽带隙材料是实现先进电子产品的关键，应用方向包括高功率射频开关、雷达和通信放大器、高压电源开关、极端环境下的高温电子产品以及深紫外LED和激光器，支撑着价值数十亿美元的系统市场。2024年9月，美国国防高级研究计划局（DARPA）设立了UWBGS（超宽带隙半导体）计划，推动下一代半导体技术的发展。目前该项目重点资助两个方向：一是英国E6公司利用其在大面积化学气相沉积聚晶金刚石和高质量单晶金刚石合成方面的专业知识来实现4英寸设备级单晶金刚石基板。二是日本斯坦利电气美国子公司海克斯科技开发100毫米直径的低缺陷密度氮化铝衬底，提升高频高压电子设备的性能。这两项技术均交由雷神公司来开发基于金刚石和氮化铝技术的超宽带隙半导体，从而提高传感器和其他电子应用中的功率传输和热管理，有望彻底改变半导体电子器件。
金刚石具有化学和辐射惰性、高载流子迁移率、热传导和宽电子带隙等特性，有提高半导体器件性能的潜力，可减小整体尺寸、重量和功耗。E6公司与高功率半导体公司ABB合作，制造出了首款高压块状金刚石肖特基二极管。此外，该公司最近还利用其位于美国俄勒冈州波特兰的核心技术，完成了先进化学气相沉积设施的建设和调试，该设施由可再生能源提供动力。E6公司尺寸大于4英寸的多晶金刚石晶片已经应用于电信基础设施和国防领域，既可用作最先进硅芯片的EUV光刻中的光学窗口，又可用作高功率密度硅和氮化镓半导体器件的热管理应用。此外，海克斯科技则有望建立氮化铝从晶体生长到衬底精加工的全产业链线，全面提升超宽禁带半导体生产能力。氮化铝衬底直径扩展至100毫米将极大提升器件产能、性能和可靠性。未来如能成功实现量产，将有效推动下一代器件的技术发展，广泛应用于商业和国防领域。
人工智能模型与机器人、大数据的结合正推动新材料的开发
当前人工智能模型与机器人、大数据的结合正掀起材料科学领域的第四次工业革命。各国正加快人工智能工具的部署、材料专业数据库的建设，并开展机器人自动合成和表征的开创性尝试。2024年5月，日本国立材料科学研究所宣布启动一项人工智能项目，旨在通过材料的电子显微镜图像预测材料特性和寿命。该项目将利用半个多世纪以来积累的材料可靠性评估数据提升材料、设备和基础设施的可靠性评估水平。2024年5月，加拿大多伦多大学利用“自主实验室”技术，在几个月内合成并测试了1000多种潜在的有机固态激光器材料，并成功发现了至少21种高性能候选材料，极大地加速材料研发进程。2024年9月，美国能源部橡树岭国家实验室开发了一个创新的人工智能模型，旨在快速识别可用于核聚变反应堆中屏蔽材料的新合金。研究人员通过生成人工智能模型，确定了三种潜在的新合金候选元素，并对其进行了测试。这项研究不仅标志着核聚变设施材料科学的进步，还展示了人工智能在材料发现和设计中的潜力。
2024年10月，美国商务部宣布开展一项公开竞赛，拟出资1亿美元资助人工智能驱动的可持续半导体材料自主实验项目，加速新材料与新工艺的发现、设计、合成和部署，以及培养满足行业技术、经济和可持续发展目标所需的研究人员，确保美国国内半导体制造业的长久繁荣。2024年12月，美国斯克里普斯研究所、美国能源部劳伦斯伯克利国家实验室和其他几家合作机构已成功应用机器学习技术加速薄膜电容器材料的发现。该方法用于筛选近50000种化学结构的数据库，从而确定了一种具有破纪录性能的化合物。可以看出，人工智能已经成为加速材料研究和开发的潜在变革性方法。（胡燕萍 陈济桁 徐冬翔 马筱逸）
