点击蓝字关注我们
原文DOI：10.15541/jim20240401
引用本文：
CHEN G C, DUAN X M, ZHU J R, et al. Research Progress and Application Prospect for Advanced Ceramic Materials in Helicopter Special Structures. J. Inorg. Mater., DOI: 10.15541/jim20240401.
全文速览
本文回顾和审视了国内外直升机结构用先进陶瓷材料及其性能特征，从材料本征性能、耐久性、工艺性及全生命周期成本等多方面综合考虑，聚焦于发现和表征直升机结构特定区域如能量冲击防护、能量转换及腐蚀防护区等部位结构部件所需的先进陶瓷材料赋能技术。研究结果表明：
1.针对包括乘员座椅、油路管路系统及座舱透明件等在内的直升机高速动态能量冲击部位，需持续提升陶瓷材料的防护效率和制备效率，应建立陶瓷防护材料组分、制备工艺、显微结构、宏观力学性能与弹击防护失效机理之间的映射关系。研究重点应挖掘直升机装备高速动态能量冲击防护机理及防护材料抗弹击性能优化机制，并基于此，指导反应烧结可曲面一体化成型的非透明装甲陶瓷材料和多晶透明装甲陶瓷材料快速研发，在确保结构重量效率可控的前提下，提升未来垂直起降飞行器的战场生存力；
2.针对旋翼桨叶前缘防护等低能量冲击防护部位，应发展兼具轻质、金属材料的韧性和导电性及陶瓷材料的硬度和抗冲击性多多重优势的金属陶瓷复合涂层，且明确该涂层的施工方式不会对复合材料或轻合金结构基材产生热损伤和冲击损伤，以满足该防护部位雷击、砂尘和雨滴低能量冲击以及轻质高效综合防护性能和工艺施工性的需求。
3.对易暴露于发动机高温废气侵袭环境的直升机发动机整流罩和尾段蒙皮等热能冲击防护部位，应发展陶瓷基/树脂基混杂复合材料，优化热防护层寄生厚度和结构附加重量，以确保蒙皮承载层树脂基复合材料的结构完整性。
4.针对直升机智能旋翼和关键结构无线自供电健康监测系统等能量转换部位的迫切需求，应研发以基于微型压电陶瓷材料的柔性混合电子结构复合材料为代表的多功能复合材料，实现能量收集器、传感器、控制器和激励器与现有结构承载材料的有机结合，满足未来垂直起降飞行器智能旋翼和“无疲劳”及“零维护”发展目标的需求。
5.针对多功能复合材料技术飞速迭代发展与航空飞行器关键部位应用考核周期过长导致材料技术滞后的突出矛盾，应发展基于模型的系统工程方法(Model-based System Engineering, MBSE)支撑的垂直起降飞行器多功能复合材料数字试验验证技术，精准量化多功能复合材料虚实结合的指标需求，实现高效低成本装机验证。
6.针对腐蚀防护需求，基于有机无机杂化复合涂层工艺简单和绿色环保的优异特性，后续工作将重点拓展溶胶-凝胶涂层在舰载直升机起落架套筒等复杂形状和基材表面的高效耐磨腐蚀防护应用。
研究背景
“需求牵引，技术推动”。直升机技术发展需求推动了材料技术的进步，材料技术的提升又促进了直升机技术的持续优化。以防弹陶瓷、隔热陶瓷及陶瓷基复合材料等为代表的功能陶瓷材料正广泛应用于直升机能量冲击、热端和腐蚀防护区域结构件，以压电陶瓷块、压电陶瓷纤维复合材料等为代表的智能陶瓷材料在直升机结构健康监测及减振降噪等部件的应用越来越普及。但航空先进陶瓷材料的成型工艺、组分和微观结构的复杂性和离散性及其相对较低的断裂韧性，是困扰先进陶瓷结构部件设计、验证和寿命的主要挑战，也是限制其在直升机结构领域进一步扩大应用的瓶颈。为此，本文重点分析了用于能量冲击防护、能量转换及腐蚀防护的先进陶瓷材料的应用现状和发展趋势，同时研究了国内外在该领域的差距，明确了直升机特定结构用先进陶瓷材料的发展方向，这对于推动我国直升机装备和先进陶瓷的技术发展均具有显著意义。
本文亮点
1. 本文明确给出了国内直升机特定结构在先进陶瓷材料应用上相比国外的差距：经过70多年的技术发展，国产直升机装备已基本构建牌号齐全且可立足于国内自主保障的铝、钢、钛和复合材料等结构材料体系。然而，针对未来垂直起降飞行器在电动化、智能化、绿色环保和低成本应用方面的需求，轻质陶瓷-韧性材料复合及微型压电陶瓷多功能材料的研究尚处于实验室小样制备的原理性探索阶段。同时，由于国内长期重材料研制轻材料应用，新材料开发与实际装备需求长期割裂，导致未来垂直起降飞行器智能化发展所需的新型特种功能材料关键技术储备不足。特别是以信息功能陶瓷材料为核心的智能材料，在智能服饰、智能手机等高端市场快速发展，几乎以每3年隔代发展的技术代差形式快速迭代。但在垂直起降飞行器为代表的航空飞行器结构智能监测等领域，必须通过严苛的机械性能、功能性能和耐环境性能等综合考核验证，如何破解智能材料与航空飞行器应用考核之间的周期匹配问题，避免技术应用滞后是亟待解决的课题。
2. 针对国内直升机特定结构在先进陶瓷材料应用上存在的差距，明确了未来直升机特定结构先进陶瓷材料发展方向：以能量冲击防护部位、能量转换部件及腐蚀防护区域为代表的直升机特定结构部位，未来应重点发展反应烧结可曲面一体化成型的非透明装甲陶瓷、多晶透明装甲陶瓷、可与环氧树脂基基材兼容的金属陶瓷复合涂层、陶瓷/树脂基混杂复合材料、高性能微型压电陶瓷薄膜功能器件，柔性混合电子结构复合材料、与环氧树脂基复合材料兼容的纤维增强吸波陶瓷基复合材料，以及新一代高性能耐磨腐蚀防护用溶胶-凝胶涂层等先进陶瓷材料。同时，需要大力构建直升机装备高速动态能量冲击防护机理，以及防护材料抗弹击性能优化机制，发展基于MBSE的垂直起降飞行器多功能复合材料数字试验验证技术，以实现上述先进陶瓷材料的快速研发和直升机特定结构的上装应用。
图文导读
图1 多功能复合结构构成及未来垂直升力应用
美军未来垂直升力（Future Vertical Lift, FVL）项目于2009年由美军国防部批准开展，根据计划，FVL由多军种联合开展研制，最终替换美军现役的UH-60“黑鹰”、AH-64“阿帕奇”及OH-58“基奥瓦勇士”等多个直升机型号。2014年美陆军依托FVL平台提出了““Fatigue-Free” Platforms: Vision for Army Future Rotorcraft”（“零疲劳”平台：陆军未来旋翼飞行器愿景）概念，该概念以既能实现结构承载又能实现自供电自传感自控制自激励的多功能复合结构为物质基础发展基于直升机结构状态自感知的实时健康监测技术。多功能复合结构的技术进步与压电陶瓷材料微型化息息相关，基于微型化压电陶瓷材料的能量收集器、传感器、控制器和激励器可与结构复合材料复合制备多功能复合材料，实现与结构材料集成的同时又对结构材料既定性能不产生影响。如图1所示。
图2 未来直升机概念FCX001及智能旋翼技术
图3 未来旋翼飞行器高效旋翼用形状自适应桨叶愿景
智能化作为未来直升机的重要特征之一，也是引领直升机技术发展的重要方向。美国贝尔公司提出了的未来直升机概念方案FCX-001，采用智能变形旋翼技术，综合大数据、机器学习及智能材料等技术实现旋翼桨叶的外形主动变形，可在不同飞行环境和状态均保持良好性能水平，如图2所示。欧美在清洁航空计划中开展的高效旋翼用形状自适应桨叶（Shape Adaptive Blades for Rotorcraft Efficiency, SABRE）项目，以AW169型机为验证平台，研发柔性混合电子结构复合材料等为代表的智能材料，实现智能旋翼桨叶各剖面位置外形实时变化，将直升机性能进一步提升至极致，如图3所示。
表1中列出的直升机特定结构部位所需的先进陶瓷材料，国内技术成熟度各不相同。如多晶透明装甲陶瓷及溶胶-凝胶涂层等大多数先进陶瓷材料在研制和供应侧均已相对成熟，后续工作将在直升机特定结构部位需求侧开展应用验证到材料改进等多轮迭代的工程化工作。但是，针对直升机关键结构状态自感知自激励所需的柔性混合电子结构复合材料等多功能智能复合材料仍处于起步探索阶段。
为加速直升机复杂服役环境结构状态自感知自激励智能材料的关键技术突破。针对微型压电陶瓷存在的驱动电压过高、能量转换效率和许用应变偏低等问题，在2027年前，需突破低驱动电压、高韧化可弯折陶瓷及高许用应变和高能量转换效率的柔性微型压电陶瓷薄膜器件工程化制备技术，并应用于直升机自供电无线结构健康监测系统；在2030年前，需实现基于柔性微型压电陶瓷薄膜器件与结构材料复合的柔性混合电子结构复合材料制备，并成功验证其结构承载性能和能量转换功能性能；在2035年前，需完成基于柔性混合电子结构复合材料的状态自感知自激励结构设计、制备及数字化验证，并批量化装机应用，如图4所示。
图4 自感知自激励智能材料现状和关键技术发展规划
总结与展望
未来直升机向垂直起降飞行器转型发展的产业化趋势日益明显，垂直起降飞行器的技术发展特征包括高速化、电动化、智能化、绿色环保和低成本化，以信息功能陶瓷材料、硅基多材料体系融合集成和超宽襟带半导体等为代表的功能材料，将是未来垂直起降飞行器电动化和智能化的关键使能技术。
同行评议
先进陶瓷材料在直升机中有着重要的应用，该文对直升机各部位对先进陶瓷材料的需求和相关材料的发展进行了综述，并指出了国内外在这方面的发展差距，以及未来的技术发展方向。综述内容很有意义，文章结构合理，内容充实，数据丰富。
作者简介
通讯作者：贾德昌，哈尔滨工业大学教授/博士生导师，世界陶瓷学院院士，国家杰出青年基金获得者、国家级高层次人才、百千万人才工程国家级人选等，国家级有突出贡献中青年专家、国务院特贴专家，担任“先进结构功能一体化材料与绿色制造技术”工业和信息化部重点实验室主任、中国硅酸盐学会特种陶瓷分会副理事长、中国机械工程学会工程陶瓷专业委员会副理事长、哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所所长等职务。主要从事先进陶瓷与陶瓷基复合材料及应用等方面的科研与教学工作。主持和参与国家自然科学基金、863、重大专项和重点研发计划等各类科研课题50余项。研制出具有自主知识产权多个体系新型复相陶瓷及陶瓷基复合材料，攻克工程化应用中的技术难关并成功应用；获国家技术发明二等奖1项，省部级科技奖励一等奖6项，1项参研成果入选中国高校十大科技进展。
第一作者：谌广昌，博士, 中国直升机设计研究所正高级工程师，哈尔滨工业大学兼职博士生导师，北京理工大学及河北工业大学专硕行业导师，英国诺丁汉大学航空实验室复合材料研究中心访问学者。2007年哈尔滨工业大学特种陶瓷研究所毕业进入中国直升机设计研究所工作至今，先后负责旋翼飞行器材料需求分析与应用验证、旋翼飞行器技术创新发展等工作。
课题组介绍
哈工大特种陶瓷研究所成立于2002年5月，研究方向以航天航空和国防需求为主，包括多功能防热陶瓷基复合材料、先进结构陶瓷及复合材料、高温与超高温陶瓷、特种功能陶瓷涂层与表面改性、信息功能陶瓷与薄膜、生物陶瓷材料与涂层等。哈工大特陶所目前有教授/研究员14人、副教授/副研究员6人、博士后3人，形成一支以名誉所长周玉院士为总带头人、以所长国家杰青/国家高层次人才贾德昌教授、省杰青洪堡学者叶枫教授、洪堡学者欧阳家虎教授、国家高层次人才王玉金和新世纪优秀人才王亚明教授为主要带头人，以一批青年教师为骨干的学术梯队，承担国家自然科学基金群体项目/重点/面上项目、科技部重点研发计划、国防重点项目等200余项，成果获国家技术发明二等奖2项、省部级一等奖10余项。哈工大特陶所每年招收硕士生40余人、博士生30余人，热烈欢迎有志于献身国家重大科技需求事业的优秀青年学子报考。
期刊介绍
《无机材料学报》创刊于 1986 年，主要报道内容包括结构陶瓷材料、信息功能材料、能源与环境材料、生物材料等方面的最新研究成果 , 设有研究论文、研究快报(英文)、综述、观点评述、研究亮点和科技进展版块，目前已被SCI-E、EI、Scopus、CA、CSTPCD、CSCD、CNKI、CJCR等数据库收录，入选 “高质量科技期刊分级目录——材料科学-综合类”T1区和“无机非金属领域高质量科技期刊分级目录” T1区期刊。
点“阅读原文”了解更多
