飞机、舰船、坦克、火炮等军事装备，通常要求能够在严重的盐雾潮湿环境和恶劣的气候下使用，并充分发挥其效能，但在这种服役环境中极易产生腐蚀缺陷问题。腐蚀已成为航空与军事装备事故的重要原因之一。克服因环境带来的腐蚀问题，发展先进的防腐材料和技术对于提高军事装备的质量和使用可靠性具有重大的现实
意义。

    1  仿生超疏水表面技术在军事领域的应用进展

    超疏水表面研究是生物、物理、材料等学科交叉的新兴仿生研究领域。表面粗糙结构是超疏水性质形成原因。Wenzel 与 Cassie-Baxter 模型分别描述了水滴是否渗入表面微结构时粗糙度对疏水性质的影响。两类超疏水表面可以具有较大的静态接触角却可以表现出完全不同的性质，不同的是水滴在固体表面如果处于 Wenzel 态则会表面出较大粘附力。而水滴在固体表面如果处于Cassie-Baxter 态则同时具备较小的滚动角。处于 Cassie-Baxter 态的超疏水表面称之为稳定超疏水表面（荷叶效应），目前对超疏水现象的研究目的是制备具有稳定超疏水性的仿生表面。

    超疏水表面的性能研究

   （一）防水性

    如果固体表面是稳定超疏水表面，则水滴在该表面上的静态接触角大于150°，同时滚动角小于 10°，较大的静态接触角意味着水滴在固体表面上的接触面积相对缩小，较小的滚动角意味着只要表面稍微倾斜水滴便会从固体表面上滑落，即使固体表面存在 d : fL、裂缝等间隙，超疏水表面球形水滴叶不会沿着间隙渗入固体内部。缩小的水滴与固体接触面积以及水滴极易从固体表面上滑落可以有效的隔绝固体表面与水的接触，因此制备具有超疏水表面的高压电网可有效减缓冬季覆冰危害。水滴不会沿着间隙渗入固体内部则可解决防锈漆因存在小孔、裂缝等问题引起的腐蚀。因此超疏水表面可以增强防锈漆的防氧化抗腐蚀能力。

    （二）自清洁

    类似荷叶的超疏水表面具有自清洁的特殊性质，这也是荷叶能够“出淤泥而不染”成为东方文化象征的原因。超疏水表面特殊的微结构使得污染物附着力降低，水滴在超疏水表面较小的滚动角使得雨水极易发生滚动并且带走污染物。使得表面保持干净。因此在高层摩天大楼玻璃表面制备超疏水表面可以减少维护清洁的成本。

    （三）减小流体阻力

    Cassie-Baxter 模型中。表面微结构中驻留大量空气是超疏水表面形成的原因。即水与超疏水表面的实际接触面是由液一固界面与液一气界面两种界面组成的。超疏水表面在流体中发生相对运动时。液一气界面的摩擦系数远远小于液一固界面的摩擦系数，因此超疏水表面在流体中运动的摩擦阻力会减小实现减小流体阻力的目的。制备超疏水表面的水管或者输油管道，减小流体在管道中运动的摩擦阻力。有望降低远程流体管道运输的成本。同时超疏水表面可以降低舰船的流体阻力，节约能源消耗。

    超疏水表面的军事应用进展

    超疏水表面防水、自清洁、水下减阻等特殊性质对军事武器装备未来的功能表面制备提供了新的解决方案，超疏水表面在军事装备尤其是在水面舰艇、潜艇、鱼雷等海军装备表面处理方面潜在应用价值巨大。

    （一）水下减阻

    水面与水下运动航行体受到的阻力远远大于相同情况下在空气中运动的阻力，在功率不变的情况下降低水下阻力可以提高航速，在航速不变的情况下降低水下阻力可以增大航程。虽然航行体受到的水下阻力构成比较复杂，但是表面摩擦阻力占到相当大的比例。尤其是潜艇鱼雷等完全浸没在水中运动的航行体。因此降低摩擦阻力对水下减阻具有重要意义也是水下减阻研究的重要领域之一。处于 Cassie-Baxter 态的超疏水表面驻留大量气体，航行体与海洋接触面实际由固一液界面与气一液界面两种界面组成。而气一液界面摩擦系数远远低于固一液界面的摩擦系数，超疏水表面实际采用气一液界面替代固一液界面的方式降低了航行体的水下阻力。超疏水表面驻留的气体易受到压力、水流等因素的影响随时间失去而无法获得补充，因此超疏水表面有效减阻时间与减阻效率同样是重要的减阻衡量指标。海洋航行体表面超疏水化处，虽然目前超疏水表面减阻的方式存在速度低、水深浅、时间短等限制条件。但依然是一种简单高效的水下减阻方式，一旦研究突破这些问题将会得到大规模军事应用。

    （二）海洋防腐

    海洋环境下金属很容易发生氧化腐蚀，无论是海军水面舰艇、潜艇、甚至是沿海或海岛上的陆地设施都受到氧化腐蚀的威胁。南海高温、高湿、高盐环境更是加剧了氧化腐蚀，对金属材料海军装备构成巨大的威胁。菲律宾非法搁浅在仁爱礁的登陆舰因无法返厂维护保养几乎已经锈通濒临解体。随着我国海军活动范围逐渐增大尤其是南海活动增多，海洋防腐日益迫切。目前金属防腐主要采用牺牲阳极或外加电源改变金属的电势分布、表面刷防锈漆等手段，成本较高且只能延缓腐蚀。不能根本解决问题。超疏水表面具有防水的性质，可以阻断水分与金属材质的接触从而缓解水面舰艇水线以上部分的氧化腐蚀难题。通过增加表面粗糙度方法制备环氧化合物超疏水表面涂层。既可以利用超疏水表面防水性质阻止水分沿着涂层缝隙进入形成孔蚀，又结合了环氧化合物作为防锈漆的致密隔水性能，达到更好的防氧化抗腐蚀的效果。

    （三）舰艇抗结冰

    低纬度寒区航行的水面舰艇甲板上浪以后很容易结冰，最终在舰艇表面形成覆冰现象。去年长期在温暖海域活动的韩国海军驱逐舰崔莹号赴俄罗斯符拉迪沃斯托克港访问。在寒区航行形成严重的覆冰现象，严重覆冰甚至改变了舰艇的重心造成舰艇倾斜面临倾覆危险。舰艇覆冰是海军长期存在的问题，但是到目前为止舰艇表面除冰的这种除冰方式消耗大量人力并且效率低下。超疏水表面防水性质可以提升舰艇表面的抗结冰的性质，对低纬度寒区航行的舰艇有重要意义。超疏水表面军事应用研究在国外已经展开，美国海军与空军对超疏水表面进行研发与装备。美国海军已经宣布将开始为水面舰艇披上一层由防水材料制成的保护外衣。这种外衣将保护舰上的传感器、武器系统以及其他暴露在外的装备以防被盐雾锈蚀侵害。同时可以节约因遭受腐蚀而进行维护消耗的时间与金钱。目前美国海军麦克福尔号驱逐舰已经使用了这种防水外衣，并且计划投资 620 亿采购 80 套实现每舰一套。同样作为美国空军实验室管理的小企业技术转移的一部分。海贝公司计划开发超疏水涂层，防止飞机腐蚀同时减少机翼表面冰集结的问题。

    超疏水表面的制备方法

    随着以荷叶效应为代表的自然界超疏水表面发现。人们逐渐认识到低表面能材料与微纳表面粗糙结构是超疏水性质形成的主要原因，同时人工制备仿生超疏水表面以实现特定的应用价值成为该领域研究的热点。目前已知的超疏水表面制备方式很多，根据其自身性质的不同主要可以区分为以下 3 大类。即：模板法、自下而上（Bottom—up）的化学合成法与自上而下（Top—down）的物理刻蚀法。

    （一）模板法

    模板法制备超疏水表面是指先获得特定微纳结构作为母版，再通过压印剥离的方式获得母版相反结构的样品。实现表面微纳粗糙结构制备的方法。首先，采用模板法可以直接克隆自然界已经存在的超疏水表面。获得与自然界完全相同微纳表面结构的表面。这是超疏水表面研究的重要制备方法。早期人们采用模板法通过两次 PDMS 压印成型的方式获得了与荷叶表面具有相同微纳结构的环氧聚合物超疏水表面。研究了超疏水性质对环氧聚合物作为防腐蚀涂料性能的改善。其次，制备可重复压印使用的模板可以减少直接微纳加工的次数降低表面微结构制备的成本，是一种低成本大规模制备超疏水表面的方法，在未来的实际应用中具有重要意义。通常采用超精加工或微纳加工工艺获得基于传统坚固材料具备一定微纳表面粗糙结构的模板，在其表面旋涂 PDMS 材料固化剥离后获得柔性超疏水表面，因为通常使用金属或硅片作为压印模板，可以多次重复使用降低超疏水表面制备的成本。同时模板也可以使用天然存在的非生物粗糙表面样品，例如以天然多孔的氧化铝为模板挤压获得超疏水的聚丙烯腈或聚乙烯醇纤维表面。

    （二）化学合成法

    化学合成法是对采用化学方式直接获得表面粗糙结构的所有方法的概括，包括溶胶一凝胶法、自组装法、化学沉积法、交替沉积等制备方法。化学合成法是一种至自下而上的表面微纳结构制备方法。其特点是采用特定的工艺设备让材料本身自发形成特定的仿生粗糙微结构，通常化学合成法制备的粗糙结构需要低表面能有机物的修饰进一步增强疏水效果。溶胶一凝胶法是一种两步制备的方式。溶胶通常是在溶剂中水解相应的氧化物来制备，在凝胶形成过程中。大量的溶剂会填充在网格中形成果冻状从而形成粗糙结构，例如在二氧化硅溶胶中加入二氧化硅纳米颗粒。自组装法是利用材料本身的特性形成表面粗糙结构，例如可以利用自组装的方式将二甲基氯化铵与硅酸钠的多层薄膜沉积在涂有二氧化硅粒子的基底上。化学沉积法类似于自组装法，利用化学反应本身的特性形成表面粗糙结构，根据沉积方法的不同分为化学气相沉积法与电化学沉积法。例如可以利用化学气相沉积的方法在硅表面沉积氨丙基三甲氧基硅烷形成氨基功能化表面，再以不同链长的脂肪酸修饰甚至可以调节表面湿润性。交替沉积法采用酸或电解等方式处理性质不同多层膜获得粗糙结构，例如交替沉积的聚烯丙基氨盐（聚阳离子）与聚烯丙酸（聚阴离子）多层膜在酸处理后会自然产生蜂窝多孔粗糙结构。化学合成法种类繁多，通常采用先获得粗糙结构再低表面能物质修饰的方法，这是一种针对性很强的方法。

   （三）物理刻蚀法

    物理刻蚀法采用物理方式对固体表面进行微加工实现特定的表面微结构。是一种自上而下的超疏水表面制备方法。物理刻蚀的方法工艺简单成熟，起步很早，早期物理刻蚀法主要是采用干法或湿法刻蚀硅片获得周期性阵列的方式及超疏水结构，但是成本高效率低的缺点限制了该方法的发展，近期物理刻蚀法发展迅速甚至获得金属超疏水表面以及将完全亲水材料表面超疏水化的重大成果。首先是激光刻蚀的方法进一步发展。通过超短飞秒激光脉冲轰击铜或钛金属，这些超高能激光脉冲会在金属表面刻蚀出大量细纹。在这些纹路上密集分布且高低不平的纳米结构改变了金属表面的湿润性质。其实是进一步改进了周期性阵列疏水表面单元结构，采用 T字型甚至是蘑菇型的异性结构设计，通过 MEMS 工艺制备的超疏水表面使得完全亲水的有机液滴呈现大于 150°的静态接触角。物理刻蚀的方法不同于上面提到的化学合成法依赖于表面材料涂层，物理刻蚀方法彻底改变了固体表面的性质。这种粗糙结构因为结合力问题随着时间脱落。

    未来趋势

    超疏水表面研究领域是典型的多学科交叉领域。虽然疏水理论很早就已经获得。但是直到 20 世纪末荷叶表面微结构的发现才开始被关注。超疏水表面研究目前是一个发展快速的研究领域，每年发表的相关文献数目在快速增长，超疏水表面理论、性质、制备、应用等得到了广泛而深入的研究。目前超疏水表面理论依然有待完善，制备工艺有待进一步提高并降低成本，制备表面的耐磨损性质也同样有待提高。一旦超疏水表面制备与耐磨损性质获得研究突破，有望在未来军事装备与国民经济上广泛应用。

    2  防霉技术在军用电子装备中的应用

    军用电子装备在整个寿命期内的贮存、运输和使用各个阶段均会遭受各种恶劣环境条件的作用。在经受长时间恶劣环境条件的作用后，组成电子装备的材料和结构必然会受到腐蚀和破坏，严重影响电子装备的使用寿命和作战效能。在各种恶劣环境条件中，作为生物环境条件的霉菌是引起军用电子装备腐蚀和破坏的一个重要因素。

    我国东南沿海、岭南地区、长江中下游地区、重庆、四川等地终年大部分时间温暖潮湿，霉菌极易在电子装备的面板、仪器仪表，绝缘材料、有机涂料、通信器材、印制板、非金属元器件、光学器材等各种材料和结构表面生长，进而产生霉变和腐蚀，造成它们性能劣化 ,元器件失效、结构破坏，部件失灵、功能丧失、光学器材无法使用等严重后果，有的甚至诱发严重事故，造成巨大的经济损失和军事损失。

    随着塑料、橡胶、涂料、密封材料、纺织纤维等材料在军事电子装备上的应用越来越多，霉菌对电子装备的腐蚀和破坏也将显得越来越突出。防霉技术越来越受到人们关注。本文就如何提高军用电子装备的防霉抗霉能力，防止或减少霉菌对它们的腐蚀和破坏谈谈自己的看法。

    产品长霉的条件

    产品长霉的前提是产品能为霉菌生长提供营养物质。产品为霉菌生长提供营养物质的途径主要有两种：一种是产品直接为霉菌生长提供营养物质，另一种是产品制造、运输、贮存和使用过程中，表面积聚的灰尘、污染的油污、汗迹和其他污秽作为霉菌生长的营养物质。霉菌的生长不仅需要营养物质，而且与温度、湿度、氧气等因素密切相关。温度在 25 ～ 35℃，相对湿度在90% ～ 100% 的条件最适宜霉菌的生长，相对湿度降至 80% ～ 86%，霉菌生长变得缓慢甚至停滞。当产品处于温暖潮湿的生长环境中，附着在产的表面的霉菌孢子开始萌发，发育成菌丝，菌丝利用营养物质进行生长，滋生的霉菌最终对产品造成不同程度的危害。消除或控制与霉菌生长密切相关的任何一个因素，霉菌生长就会受到极大的抑制产品也就不会受到霉菌侵蚀和破坏。

    防霉结构设计

    防霉结构设计是产品总体设计的组成部分。合理的结构设计能有效消除或减弱霉菌赖以生存的环境条件，抑制霉菌生长，从而提高军用产品的防霉抗霉能力，防霉结构设计应围绕着消除或隔离霉菌生长所需的营养条件和环境条件展开，包括消除和隔离可能附着在产品表面的营养源、控制或降低温度湿度条件，断绝霉菌生长条件。

    产品的结构设计的完整、简洁、流畅。所有的构件尤其是暴露在外的构件能避免积水藏灰，焊缝连接的位置不宜在顶部、且焊缝尽量连续；设计中应注重弧度的运用，零部件间的衔接可采用足够的圆弧过度，棱角和边缘可设计成圆角，这样既能避免应力腐蚀，同时又可便于产品的工艺防护处理，提高产品的镀涂覆工艺质量；对大容积的结构件，设计时应充分考虑设备的通风，强化空气流通功能，保持设备内空气干燥，防止产品或器件受潮或积水。

    密封设计是一种较为理想的防霉结构设计，只要需要和可能尽量采用密封设计。进行气密密封设计时，容器应采用永久性熔焊气密结构，局部采用的密封圈应选用永久变形小的硅橡胶“O”型圈，不允许密封圈有接缝，不能采用橡胶板、垫密封。为保证密封效果，往往还在密封壳体内充入惰性气体。军用产品中的高压期器件或部件、变压器、阻流圈、接插件、电路板以及有特殊要求的元器件往往还采用灌封处理，既能提高其防霉防腐性能，又提高了可靠性。

    选择抗霉材料

    如上所述，霉菌生长必需要营养物质。缺乏可利用的营养物质，霉菌也就无法生存。霉菌对军用电子装备的影响最主要的是通过对组成装备的材料直接侵蚀和破坏来实现的。对于不抗霉材料，霉菌可直接把材料中某些组分作为营养物质，侵蚀和破坏材料。对于抗霉材料，如金属材料和某些有机材料，霉菌无法从材料中获取营养物质，缺乏可利用的营养物质霉菌也无法生长。因此，为了提高军用产品的防霉抗菌能力，在产品设计时，在不改变产品性能和功能的前提下，应尽可能的选择抗霉材料，当不得不使用不抗霉菌材料时，则应对其进行适当的防霉处理，提高其抗霉能力。

    印制线路板及组件、电缆高频插座头、电子产品的元件、部件及电子设备的密封常用硅橡胶、环氧树脂作为密封材料进行灌封；高压器件或部件、变压器、阻流圈、小电机定子等常用环氧树脂进行灌封来达到密封目的；夹层、铆接缝隙及其它结构的缝内或表面、密封防漏，以及使用密封垫圈密封，常用弹性橡胶和聚氨酯等作为密封材料。但环氧树脂，聚氨酯和弹性橡胶大多为不抗霉材料，使用前往往通过添加防霉剂来提高其抗霉能力。表 1 列出了对霉菌敏感性不同的材料，其中Ⅰ类属于不能为霉菌生长提供营养物质的材料，是抗菌材料：Ⅱ类属于不抗霉材料，选用时需要通过霉菌试验确定其抗霉程度后在一定防霉内使用：Ⅲ类为霉菌易感材料，不推荐使用。

    工艺防护

    工艺防护是提高军用电子装备环境适应性的有效措施。对军用电子设备中使用的金属和非金属材料表面镀覆金属层，或在基体材料表面的金属和非金属材料表面镀覆有机涂层，能显著提高军用电子设备耐受各种恶劣环境条件的适应能力，延长使用寿命。在表面处理工艺方法中，采用最普遍、最经济、最有效的涂覆有机层。

    涂料是一种以树脂或油脂制成的有机高分子为主体的胶体聚合物溶液涂覆于金属或非金属表面，形成坚韧、附着牢固并具有一定功能膜层的材料。涂料中增塑剂、纤维素、润滑油、稳定剂和着色剂以及某些树脂能为霉菌提供可利用的营养物质，在温暖潮湿的环境下，霉菌很容易在涂层表面生长，腐蚀和破坏涂层，使涂层失去防护或绝缘作用，从而降低电子设备的使用寿命，影响其性能。因此，使用涂层的军用电子设备，其抗霉能力强弱，主要取决于是否选用了防霉涂料。军用电子设备常用的防霉涂料见表 2。

    值得注意的是，涂料应当配套使用。底漆是涂层系统的最重要基础，用以涂料作为底漆应用在不同基材上则涂覆效果很不一样，与基材的附着力也不一样。涂料的配套使用要求底漆与基材材料之间以及底漆与面漆之间具有良好的结合力相互之间不产生不良反应。

    使用防霉剂

    使用防霉剂是防止材料和涂料霉变十分有效的方法。由于防霉剂抗菌谱比较宽，霉菌不容易对其产生抗性，因此被广泛使用。当军用电子装备因特殊需要必须选用不耐霉材料或涂料时，可通过使用防霉剂来提高他们的防霉抗菌性能。防霉剂的种类繁多，它们的性能和防霉效果各异。理想的防霉剂应当具有如下特点：

    （1）高效，广谱、长效；

    （2）低毒，对于人体无毒，无刺激，不产生过敏等作用，不污染周围环境；
 
    （3）具有良好的耐热性和耐候性；
   
    （4）物理化学稳定性好，难溶于水，适用较宽的 pH 值和温度范围；

    （5）溶解性，分散性优良，不影响材料或产品的基本性能和颜色；
 
    （6）使用方便，价格低廉。

    目前还不存在没有缺点的防腐剂。实践证明，多组分防霉剂混合使用其防霉效果比单组好，将防霉剂直接添加对到材料中是简单易行的方法，添加量也很容易控制，防霉时效也长，因此大多采用这种方法，但由于受材料、防霉剂的相容性及加工工艺的限制，防霉剂在材料或涂料中的分散性能稍差，其抗霉防霉性能受到一些影响。表 3 是目前防霉效果好、性能稳定、低毒、应用广泛的防霉剂。

    除此之外，采用通风排湿，使用干燥剂吸潮，密闭围封，降温以及化学药剂熏蒸等方法也能收到较好的防霉效果。

    结语

    防霉是军用电子设备的三防技术的重要组成部分。防霉结构设计和抗霉材料的优选是提高军用电子设备防霉性能的关键，必须纳入产品的总体设计当中并从设计阶段开始时考虑。工艺防护能有效提高军用电子设备环境适应能力，恰当地运用镀涂覆等表面处理工艺是提高电子设备结构和材料抗霉性能的重要手段。为了提高镀涂覆工艺质量，提高防护性能，必须对工艺技术的全过程进行严密的科学的控制和管理。在材料和涂料中添加防霉剂，一方面能抑制或杀死霉菌，另一方面又能改变或降低材料和涂料的性能，利弊兼有。为了更好地提高军用电子设备的防霉抗霉能力，应不断研究和开发新型抗霉材料，不断发展新工艺新技术，不断开发相容性好，性能更加稳定的高效无毒防霉剂。同时，在产品寿命期内恶劣环境条件，定期维护，抑制霉菌生长。

    3  美军武器装备材料自修复技术探秘

    在经典科幻电影《终结者》系列中，T-1000 型、T-X 型等反派机械杀手，以其冷酷无情的刺杀技能、无与伦比的技术装备、令人惊叹的变形特技给影迷朋友们留下了极其深刻的印象，特别是前所未见的自我修复能力至今仍使广大军迷们击节赞赏。电影往往映射着现实。随着高新科技的发展，美国军方所希望研制的智能武器是一种能够模仿生命系统、感知环境变化、实时作出反应，从而可与变化后的战场环境高度适应的复杂武器系统，而在这些智能武器的实际试用中，军方要求它们必须具备的一项重要功能就是自修复。虽然美军武器装备的自修复技术目前仍属于深度探索与初步应用阶段，与T-1000、T-X这些“终结者”相比仍然是“小巫见大巫”，但这并不影响其对该项技术的热衷与追求。

世界上第一种自修复新型塑料，能够像《终结者2》中液态金属机器人一样，
实验显示97%测试样本在两个小时内自动愈合

美军研发可自修复的生化防护服，并使用机器人进行测试

    生化防护服自修复

    顾名思义，自修复即物体在受损时能够进行自我修理、恢复原有属性，从而保持自身功能完整的一项新型技术。2015 年 11 月 19 日，美国陆军网站透露，美陆军纳蒂克士兵研究开发与工程中心、马萨诸塞大学洛厄尔分校与粹通系统公司（Triton）三家机构正在合作研发用于生化防护服的自修复技术。

    众所周知，穿上一套生化防护服的士兵能够与外界及神经毒气、病毒、细菌等诸多有害物质隔离；当士兵执行任务时，其生化防护服若被灌木、荆棘、树丛、石头或针状金属刺透，则会产生针孔大小的破损，虽然肉眼不易觉察，但如果真是在沾染地区活动，遭到像VX 等杀伤力极高的毒气，士兵很可能还没反应过来就会丧命。对于人体而言，划伤能使皮肤表面出现裂口、出血，但我们的身体有能力使其止血、结痂并愈合；为此，美国陆军引入同样的理念用于自修复面料或涂层，这种面料或涂层中含有微型胶囊修复流体，当面料或涂层因外力出现切口或破损时，就可以进行自我修复。根据防护服类型，自修复涂层可以是喷覆涂层或连续涂层。防护服自修复技术采用自修复微型胶囊进行间隙填补的创新方法，当微型胶囊被撕破时，它将被激活来修复切口、刺孔或破损处；当切口、刺孔或破损处被修复如初时，自修复涂层中含有的反应剂会解除因破损所带来的潜在危险或威胁。这种自修复技术有助于对致命的化学品、细菌和病毒建立物理屏障，从而为参战士兵提供及时、不间断的生化防护。

    自修复技术将使军服面料上的切口、裂口、破洞、刺孔能够快速自修复。这意味着军服的防护质量不再受破洞、刺孔等的影响。该技术将被应用到三军轻便一体化服装技术项目和三军飞行员防护套装项目中。其中，前者是基于一种携带活性碳球的无纺布料，特点是穿着舒适，透气干爽，但是不易于内嵌微型胶囊，为此必须在其表面喷涂微型胶囊和发泡剂。后者的防护机理是基于一种选择性渗透膜，当微型胶囊被嵌入到选择性渗透膜中或一个辅助性的反应式选择性渗透膜层内时，辅助性的反应式选择性渗透膜将充当自我修复的辅助性阻隔材料。战斗中，当薄膜破裂时，这些微型胶囊将自动打开，在大约 60 秒时间内修复破裂口，并借助于间隙填补技术进行裂口修补，从而有能力阻止化学制剂等有害物质。选择性渗透膜结构表现得像一种制剂屏障，但是允许汗液等温 / 热性水、气体排出，即湿气能够从人体被输送到防护服之外。

    军用车辆防锈自修复

    我们知道，美军武器装备大多是以金属制品为主，而金属锈蚀会给武器装备造成极大的危害。它会破坏武器装备的外表光泽与表面结构；若是机械配合件，锈蚀后会导致螺丝、螺母等配合件松动或者锈死；锈蚀中含有水、空气、电解质等，会加速武器氧化，进而造成损坏。据概略统计，美军每年因金属锈蚀而报废的军事设备与材料占总装备的5% 以上，而且金属锈蚀还会造成武器装备维修与保护费用的巨额增加。据美国国防部披露，美海军部门每年因锈蚀问题造成约 70 亿美元的巨大损失，其中有 5 亿美元用于修复锈蚀的海军陆战队地面车辆。为此，美国海军率先为军用车辆研发自修复防锈涂料添加剂。

联合轻型战术车辆的外表涂料将具有类似于人体
肌肤的自愈合功能，从而防止车辆锈蚀

    2014 年 3 月 20 日，美国海军技术网报道称：美国海军研究局和约翰霍普金斯大学应用物理实验室联合开发了一种新的涂料添加剂，可以使海军陆战队“联合轻型战术车辆”等军用车辆的涂料具有类似于人体肌肤的自愈合功能，从而防止车辆锈蚀。

    这种粉末状添加剂称为“聚成纤维原细胞”，可以添加到现有的商用底漆中，它由填满油状液体的聚合物微球组成，一旦划伤，破损包膜处的树脂便会在外露的钢材外形成蜡状防水涂层，防止车辆表面锈蚀，这种技术特别适合在恶劣环境下使用的军用车辆。该项目开始于 2008 年，经过海军研究局三任项目经理的不懈努力，最终在该领域获得突破，通过了实验测试，并将技术转移至海军陆战队地面系统项目。此项目的研发是基于美国海军陆战队在《海军陆战队 2025 年远景与战略》中的承诺，即实现“装备后勤现代化，从而扩大远程作战能力，维持海上作战能力”。

    军用车辆腐蚀的主要原因是在舰艇上运输或储存过程中，受到了海洋盐雾环境的影响。为此，美军技术人员在实验室测试中将表面涂有涂层的钢材置于充满盐雾的房间内，结果表明：涂有聚成纤维原细胞涂层的钢材能够保持 6 周时间内不生锈。与其他的自我修复涂料相比，聚成纤维原细胞底漆能够防止军用车辆在各种环境下被腐蚀。该项目的首席科学家本克斯科介绍说：“我们不关心它对车辆是否美观，我们只关心如何防止腐蚀。”美国海军研究局远征机动作战与反恐作战部后勤研究项目负责人弗兰克弗曼也表示：“军用车辆防锈自修复技术能够降低维修费用，而更重要的是，它能够延长海军陆战队车辆在战场上的运用时间。”

    军用电子线路自修复

    物竞天择。自修复属于生物界在长期进化过程中所获取的一种自我防御能力。与此相类似，在一定人为干预的条件下，以金属芯为主的电子线路也会出现一种自我修复的能力，具有“生命”特征与“再生”机能。美军试图揭开电子线路自我修复的神秘面纱，因为这种能力一旦被军方所掌握，便可能派生出许多崭新功能，从而应用在军用电子线路的研制、生产、维修等诸多方面。

    对于武器装备中电子线路的自我修复能力，美军尝试通过人工干预来寻找最有效的金属材料。2013 年初，美科研人员就发现了一种使用液态金属和特殊聚合物来制造野战被覆线的方法，他们将铟和镓的液态合金以微型胶囊的形式放置于同样具有可延展功能的聚合物之中，当金属芯因外界压力破损时，该力同样会碾破若干个载有修复材料的微型胶囊，释放出的液态金属能及时填充在破损导致的间隙之中，从而使得电流或电信号重新恢复联通。

    实验结果表明，这种盛装液态金属的微型胶囊能“治愈”大部分测试电子线路，用时只需 1 微秒，几乎是瞬间即可让电压恢复到正常值。该自修复技术的重要意义有三：一是可以研制出寿命更长的可充电电池。眼下的可充电电池在多次重复使用后会因设备内部的损害中断电流而引发故障，一旦这个问题被解决，军用充电电池的寿命将大幅度延长，维护成本也将明显减少。二是可以将装甲目标受损部位迅速修复。美国五角大楼曾试验一项可自我修复的新材料，这种材料由镁、铝等金属与其他特殊元素混合构制，其内部呈泡沫结构，熔点相对较低。若用在坦克、步兵战斗车的外层表面，一旦遭到火箭弹等重型武器攻击，这种材料中的泡沫便会破裂，裂缝会被气流携带的金属液体迅速填补愈合，凝固后就能使“创口”愈合，恢复如初，仿佛《终结者》中的T-1000再现。三是这种液态金属电线可以供便携式无线设备使用。因为包裹在特殊材料中的液态电线，不仅可自我修复，还具备可根据其接收的无线电波来自我调整的能力。如果将这样的液态电线与小型录音设备相连，嵌置于重要战术工事之内，电线会随着压力变化而伸收，这样工事结构的安全性便可以被实时监测。

美国科研人员研制出具备自我修复能力的液态金属电线

防护装备自修复功能对美军一线士兵意义重大

    防御工事自修复

    防御作战中，为减少伤亡、阻敌进攻而在有利地形上构筑的筑城工事，我们称为防御工事，包括射击工事、交通工事和掩蔽工事。其中，射击工事有掩体、堑壕、火器座等；交通工事有暗壕、堑壕交通壕等；掩蔽工事有掩壕、掩蔽部、猫耳洞等。这些工事以钢筋混凝土材料建造时最为坚固。然而，战斗中，即使最坚固的防御工事也会遭到进攻方的猛烈轰炸，出现破损、裂纹等现象在所难免。为此，以美军为代表的西方军队开始研制自修复混凝土技术，相继出现了水泥基导电复合材料、水泥基磁性复合材料、损伤自诊断水泥基复合材料、自动调节环境温度 / 湿度的水泥基复合材料等。

    自修复混凝土是一种具有感应与修复性能的混凝土，是智能混凝土的初级阶段，但却是混凝土材料发展的高级阶段。由这种材料构建的混凝土结构出现裂纹或损伤后，可以进行及时而有效的修复与愈合。研究混凝土裂纹的自修复最早可以追溯到 1925 年，科技人员发现混凝上试件在抗拉强度测试开裂后，将其放在户外 8 年，裂纹竟然愈合了，而且强度比先前提高了 2 倍。后来挪威一名学者的研究也表明，混凝土在冻融循环损伤后，将其放置在水中 203 个月，混凝土的抗压强度有了 5% 的恢复。美国科研人员受生物界的启示，模仿动物的骨组织结构和受创伤后的再生、恢复机理，采用粘接材料和基材相复合的方法，使材料损伤破坏后具有自行修复和再生功能。

    目前，美国军方对钢筋混凝土裂缝实施修复进行了深入研究，并取得了一定实验性成果：他们在 100×100×200 毫米混凝土试件上预制裂纹，可以是表面裂纹也可以是穿透裂纹，然后将带有预制裂纹的试件浸泡在氯化镁溶液中，施加直流电源；在通电的前两个星期内，裂纹闭合速度最快，4 ～ 8 个星期后，裂缝几乎完全闭合。早在 20 世纪末，美军科研人员就将缩醛高分子溶液作为胶粘剂注入到玻璃空心纤维或者空心玻璃短管中并埋入到混凝土中，当混凝土结构在使用过程中出现裂纹时，短管内的修复剂流出渗入裂缝，通过化学作用而使修复胶粘剂固结，从而抑制开裂，修复裂缝。

    飞行控制自修复

    飞行控制系统是航空器在飞行过程中，利用自动控制系统，能够对飞行器的构形、飞行姿态和运动参数实施控制的系统。现代航空技术发展异常迅速，航空器的设计变得既精密又复杂，直接关乎操作可靠性、运行安全性的飞行控制系统也成为航空器当仁不让的核心技术。甚至可以说，操作面损伤、卡死或浮松等硬故障可能成为航空器飞行控制系统的致命问题。为此，飞行控制自修复作为发展智能飞行控制技术的重要组成部分，成为能够进行自主维修诊断、故障重构和主动实时告警的自动控制系统。

    20 世纪 80 年代，美国空军对在越南战争中的战斗机进行了统计分析后得出结论：若当时具有自修复技术，则会对提高战斗机的安全性、可靠性和生存能力具有重要意义。随后飞行控制自修复技术引起了世界范围内的广泛关注，美国空军遂将“自修复飞行控制系统设计”作为研究重点之一，尔后美国国家航空航天局首次提出自修复控制概念。1984 年之后，美国空军飞行动力学实验室开始实施自修复飞行控制系统（RESTORE）计划，洛克希德 ? 马丁公司将“自设计飞行控制器”用于RESTORE 计划，并在 F-16 飞机上试飞成功。目前，以美国为代表的航空技术先进国家已经对飞行自修复关键技术开展了大量研究和试飞验证，特别是基于在线神经网络和动态逆的自修复控制系统也由波音公司在 RESTORE 项目中进行研制，并以X-36飞机为载机成功试飞。2002 年，美军又明确提出研制具有故障自愈调控功能的无故障、少故障或免维修、少维修的新一代军用航空器自修复飞行控制系统，标志着飞行控制自修复技术已发展到更高的水平。由此可见，飞行控制自修复技术必将成为信息化时代战斗机与无人机系统的核心技术之一，并将备受美国、俄罗斯、英国等军事强国的高度重视。

    4  军事装备封存技术一览

    在和平时期，世界各国都储备有大量的军事装备，以满足战争时期急剧扩大的装备需求，并为战时军事装备扩大生产赢得时间。这些装备大都是以封存的方式储备起来，运用一定的技术手段和库存场所进行保管，保持装备处于良好的技术状态，一旦需要就可以在尽可能短的时间内投入使用。军事装备封存对于做好战争准备，应对突发事件，威慑潜在对手等都显得意义重大。

    军事装备封存

    军事装备封存，是将暂时或长期不用的各式装备进行科学化包装和储存，避免因为与水、空气、湿气、臭氧、酸碱等外在环境接触后，造成锈蚀、损坏与零件不正常损耗，以降低装备维护成本，延长装备使用寿命，确保装备随时处于战备可用状态。尤其是高温、高湿、高盐分的环境，对装备无形的破坏更为严重，为延长装备的寿命、确保战斗力，必须对暂时不用的装备进行必要的封存包装。

    装备封存的对象主要有两类：一是较长时间不予动用的装备。不同任务的部队对各类装备平时动用的数量、比例、使用范围等，都规定有具体标准。在保证平时战备、执勤等任务的基本需要的前提下，对于较长时间不予动用的装备，应按要求进行封存。二是虽然因为各种原因退役，但还具有较长剩余寿命期的装备，如装备更新换代所导致的老装备退役，这些装备同样具有一定的使用价值，可以在紧急情况下重新使用，这些装备也是以封存的方式保管。此外，一些较早退役的装备封存起来，还可以用于为其他在役装备提供维修所用的零部件。

    装备是由金属材料和非金属材料组成的。所有这些材料的性能能否保持稳定，都受外界环境条件的影响。影响金属材料性能的主要因素有水分、盐分、微生物等，影响最大的因素是水分。影响非金属材料性能的主要因素是氧气、可见光、霉菌等。几乎所有装备发生的质量变化都与储存环境的温度、湿度和氧气浓度有着密切关系。相对湿度较小，金属的腐蚀速度就越慢，相反，当相对湿度达到临界湿度时，锈蚀速度明显增大。储存环境中的氧气浓度越小，非金属件的老化越慢。此外，当水分和氧气都存在时，温度越高，金属和非金属材料的性能衰变越快。装备封存的基本要求是通过控制相对湿度、氧气含量、温度等，以减缓金属锈蚀和非金属件的老化、霉变。

    实践表明，装备如果不采取必要的封存措施，很快就会腐蚀、老化，微生物的长期作用，也会造成复杂装备金属和非金属部件的霉变，最终导致整套装备的失效。尤其是高温高湿高盐环境，装备性能的降低或丧失情况更加严重。目前，国内外装备长期封存中主要控制温、湿度的范围是所谓的“三七线”，即温度不高于 30℃，相对湿度小于 70%。

    各国都重视

    装备封存对于保存国家军事潜力、合理利用装备、提高军事装备经济效益等都有着重大意义。世界各国对此都非常重视。一是为战争发生时提供所需装备。与平时比较，一旦发生战争或突发事件，装备的需求就会急剧增加，遂行作战任务和各类军事行动需要及时补充足够的装备。其中平时封存的装备是应急装备供给的主要来源。为此，世界各国都非常重视装备封存，强调紧急情况下能够快速恢复战备，即装备封存要有“解封快速有效”、 “不影响装备效能”、 “及时能用”等特性要求。二是退役装备封存起来，在需要的时候可以再次启用，重新发挥作战效能。1991 年的海湾战争中，美国就启用了二战后封存起来的“衣阿华”级战列舰。三是用于军事训练和装备试验，在提高训练的逼真性和装备试验效果方面发挥作用。美军曾将F-100超级佩刀式战斗机改装成 FQ-100 型无人靶机，将 QF-4“鬼怪”飞机改装成武装无人机，用于武器试验。英国曾把250 架流星飞机改成靶机，用于英国“海标枪”导弹试验鉴定。四是用于拆件修复。同一类型的装备经常是分批次退役，但由于技术或装备换代等原因，这种装备可能不再生产，原有装备的零部件生产终止。这样已退役装备往往就会成为在役装备维修用的零部件来源。

    装备封存技术

    装备封存是一项复杂的综合技术，尤其是大型装备，例如舰艇、飞机、坦克、导弹等，它们不仅有机械设备、电气设备，还有电子设备和光学仪器等。这些不同类型装备，对自然环境的适应性有较大差异。因此，对于不同的装备、在不同的地区封存，应当采取不同的封存技术，才能达到封存的预期目的。对于同一大型装备，甚至要用综合运用多种封存技术。欧美先进国家对于装备封存技术与材料，多年来一直不断进行研究和改良，以期降低成本，强化其实用性及效率，从一支枪上的小零件，大到战车、航空装备或军舰都是封存技术发展应用的对象，目前已经发展出多种效果十分显著的装备封存技术。

    防锈油脂封存技术。有两种方法，即防锈脂和防锈油封存。防锈脂封存是把润滑油热融后，涂覆在装备的金属表面，形成 1-3mm 厚的油层，使武器装备金属表面与腐蚀介质隔离，从而达到防锈目的。其防锈能力取决于油层的厚度和致密性，采用此技术封存的武器装备在高温 （30-400℃ ）、高湿 （ 相对湿度 80%） 条件下，不能起到长期可靠的防锈作用，且封存有效期短，不能快速启封。防锈油封存是在防锈脂封存基础上发展起来的新方法。它的防锈效果比防锈脂封存有了明显的提高。但封存武器表面仍有薄薄的油层，其膜层通常在10-20?m，因此，采用防锈油封存的武器装备在战时启封时，仍需要时间除油，影响了部队的快速反应能力。

    真空封存技术。这是装备封存技术的新发展，广泛应用于封存武器、弹药、车辆等装备，可有效改善潮湿环境对装备储存的不利影响。其原理是将真空护罩覆盖于装备器材上，加入干燥剂并加压密封保存，阻止水汽进入包装内，形成的装备储存环境相对湿度40%左右。真空封存法所需技术、人员都非常少，装备解封后40分钟内可完成作战准备。但采用真空封存时，如果干燥剂失效，需打开真空袋更换干燥剂，因此增加了工作时间与难度。另外，真空护罩材料通常不具有抗臭氧、紫外线与润滑的功能，故抽真空后放置于室外时，外罩材料容易因压力差而导致疲软、龟裂，而破坏原真空效果。

    除湿封存技术。空气中的湿度是金属和非金属材料腐蚀、霉变的重要条件，也是影响装备电子部件性能的最大因素。金属部件锈蚀和非金属部件霉变、老化的原因都与空气中的相对湿度、氧气含量、其它带有腐蚀性的气体、杂质和温度等有直接关系，如果把要封存的装备同周围的大气隔离开来，并人工创造一个比较理想的环境，防止和控制装备的腐蚀、霉变、老化是完全可能的。除湿封存就是利用干燥剂，干燥空气、去除或减少封存装备空间内的水分，使空气湿度在规定范围内的封存方法。这种方法广泛应用于各种装备的封存保管中，成本较低，工艺简单。

    气相封存防锈技术。这是最先由美军开发出来的一种装备封存技术。美军要求军用物资和车辆装备的封存包装，在世界任何地方、任何时候以及面临各种可能的恶劣环境条件下，解封后应随时处于可用状态。依据美军提出的需求，厂商开发出气相封存防锈技术。该技术是在密闭的封存空间内，放置一定量的气相缓蚀剂或涂有气相缓蚀剂的气相缓蚀纸和气相塑料防锈薄膜，缓蚀剂在常温下不断缓慢挥发，形成一定的蒸汽压，充满整个密闭空间内部，甚至武器装备的缝隙，在武器装备的金属表面形成一层保护膜，能有效地抑制武器装备金属部件锈蚀。当封存各种军事装备时，可依据封存条件、需求、时限等，放置或添加不同数量的缓蚀剂，并以特制包装材料包裹，以保护军事装备中金属类、非金属类及各种合金的零部件，即使包装破损或处于高潮湿环境中，仍可达到全面的防蚀效果。这种技术的最大优点为干式封存法，不需要使用传统的重防锈油，解封后不需清理油脂，立即可以恢复战备，相较其他封存方法操作简单迅速，节省人力。

    由于封存成本低，效果好，封存方法简单，解封速度快，适于长期封存和短期封存，该项技术还在以色列、印度、丹麦、马来西亚、新加坡、菲律宾等十余国军队得到应用。甚至国际上知名制造商如波音、通用、劳斯莱斯等多家，也采用这项技术作为维护、封存、保养、延寿装备或相关零部件方法。意大利也将此技术运用于战斗机封存作业。该项技术已经成为目前世界各国军队普遍看好应用的一种非常有效的防锈封存技术。

    其他常用的装备封存方法还有除氧封存、充惰性气体封存、抽真空封存等。除氧封存是指在封存空间内采用除氧剂和氧浓度指示剂，使氧气浓度减少到腐蚀、霉变、老化进行极为缓慢以达到封存预期目的的封存方法，特别适用于精密光学镜头和精密仪器等。充惰性气体封存是指在封存空间内充入干燥的氮气等惰性气体，以达到防止金属生锈、减缓非金属老化和霉变的目的，能够广泛应用于各种体积和形状的装备。抽真空封存是指用抽空泵抽取封存空间内的空气的封存方法。主要适用于较小型装备和无真空膜盒的装备。

    结语

    随着声、光、电、精密机械元器件等在高技术装备上的广泛应用，装备封存技术也有了更高的标准和要求。封存也不再局限于防潮、防霉、防锈、防震等方面，而且还要有防静电、防电磁干扰等功能。美、日等国家目前都在进行抗电磁封存包装的研究。进入21世纪后，我军装备进入了一个新的发展阶段，新技术、新材料、新工艺和新成果在装备中大量使用，装备的性能显著提高。这些都要求封存的方法必须符合装备的新特点和性能，加强封存技术和封存材料的研究和运用势在必行。为改变我军军品包装与武器装备发展不配套的现状，提高武器装备及器材封存包装的技术水平，2005 年我国曾举办过一次“武器装备及器材封存包装新技术成果交流展示会”，所展示的封存包装技术涵盖了军械、装甲、军用光学、雷达备件、弹药包装等多个装备技术领域，涉及到保养集成技术、信息化管理、集装化运输以及气相防锈、防静电阻隔、改性塑料、收缩拉伸等包装新技术、新材料和新工艺。这些成果基本满足了我军武器装备及器材对封存包装技术的多功能防护要求，尤其是在野战、野外储存、运输、使用、管理等条件下防护保障的需求。未来随着新装备封存技术的推广和运用，我军装备封存技术将会迎来更好的发展前景。

    5  高端装备关键构件的纳米热喷涂涂层研究进展

    热喷涂是工业领域中应用非常广泛的表面层改性技术，早在 20 世纪 50 年代，热喷涂技术就用于航空发动机上的热障涂层、封严涂层、抗高温烧蚀涂层、耐磨损涂层。纳米热喷涂涂层技术是纳米材料和热喷涂技术的结合和综合应用，长期以来都作为一个特殊的应用领域受到美国军方的重视，这是因为舰船、飞机和陆上装备都面临着极端的服役条件。如今，纳米热喷涂技术已成为热喷涂技术新的发展方向，特别在目前的国际和周边环境下，发展纳米热喷涂技术更是刻不容缓的强国强军的需要。

    纳米结构耐磨抗蚀陶瓷涂层

    磨损、腐蚀、疲劳是机械零部件的三大主要失效形式。

    80% 的机械零部件废弃于材料的磨损失效，世界上生产的一次能源有 1/3以上消耗于摩擦磨损。根据《中国腐蚀调查报告》的资料，我国近年来的年腐蚀损失约占国民经济生产总值的 5%，估计腐蚀造成的直接经济损失在 1 万亿元以上。

    中国工程院相关统计表明我国因为磨损和腐蚀造成的损失约占 GDP的 9.5%。

    20 世纪末，美国纳米集团英佛曼公司采用王铀教授发明的纳米技术制造出具有十分优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能的纳米陶瓷涂层。如所开发出的纳米结构AI 2 O 3 /TiO 2 陶瓷涂层具有比目前广泛使用的商用美科130涂层优异的强韧性能、耐磨抗蚀性能、抗热震性能及良好的可加工性能。这一在世界上首获实际应用的热喷涂纳米结构涂层技术被美国海军称为一项革命性的先进技术，并已被广泛应用于军舰、潜艇、扫雷艇和航空母舰设备中的数百种零部件上（包括潜艇上的进气和排气阀件，潜艇舱门支杆，航空母舰用电机和油泵的轴，扫雷艇上的主推进杆，气体透平机的螺旋泵转子和燃料泵部件等）。

    2001 年，该技术获得被美国媒体誉为应用发明诺贝尔奖的世界研究开发百项奖和美国国防部军民两用先进技术奖。

    作为一种绿色环保技术，这种纳米陶瓷涂层不仅可以替代有污染的电镀铬工艺，而且可以大幅度提高材料的表面性能和机械装备的寿命，大大地降低了能耗，因而用途广泛。

    这种涂层比普通涂层的结合强度更高，而且可以和所覆盖的材料一起变形。这一点对在极端环境和战争中工作的武器系统来说是很重要的，比如将会受到深水炸弹袭击的潜水艇。由于应用此技术可降低潜水艇、舰船和航行器的总成本，因此其军事应用前景良好。

    现在，该技术发明人王铀已将先进纳米陶瓷涂层技术带回、移植于国内并进一步创新。2006 年 11 月 30 日，中国船舶重工集团公司规划发展部在西安主持召开了“高性能精细纳米陶瓷喷涂材料研究”项目验收暨技术鉴定会，以著名科学家张立同院士为主任委员的委员会评审认为该项目技术先进，取得了多项创新成果，成功解决了陶瓷涂层韧性低和抗热震能力差的两大难题，与处于世界领先水平的美国海军在用的热喷涂纳米结构陶瓷粉体材料相比，主要性能达到了同等水平。如所开发出的纳米结构氧化铝／氧化钛陶瓷涂层比目前广泛使用的商用美科 130 涂层有着高出 3 ～ 10 倍的耐磨性，高出１倍的抗蚀性，高出１倍左右的断裂韧性，高出1 ～ 2 倍的结合强度和抗热震性能，高出 5 ～ 10 倍的疲劳抗力。

    研究表明，在常规涂层中，裂纹沿着喷涂沉积材料之间形成的片层边界扩展。而在纳米陶瓷涂层中，裂纹是沿着固化过程中形成的纳米材料内部扩展，直到遇到涂层中因部分熔融或未熔融形成的纳米结构的微米尺度大颗粒，裂纹才发生偏转，或中止于大颗粒处。

    施加于纳米涂层的应力可以通过正常方式形成的微裂纹予以缓解，当这些裂纹扩展很远之前或与其他裂纹连接之前就已经被钝化，从而使得纳米陶瓷涂层较常规陶瓷涂层的性能更加优异。

    这种纳米结构陶瓷涂层用途广泛，可以应用的零部件包括（但不局限于）：潜水艇和舰船零部件、汽车和火车零部件、航空器零部件、金属轧辊、印刷卷辊、造纸用干燥轧辊、纺织机器零件、液压活塞、水泵、内燃机和汽轮机零部件、阀杆、阀门、活塞环、汽缸体、销子、传动轴、支承轴、支撑板、挺杆、工具模具、轴瓦、重载后轴柄、凸轮、凸杆、密封件等。

    无疑，这种高性能纳米陶瓷热喷涂涂层材料可大幅度提升我军海军舰船装备和我国海洋装备的作战能力和现代化水平。

    纳米结构双陶瓷热障涂层

    众所周知，航空发动机的“心脏病”问题一直是困扰中国航空工业发展的瓶颈。能在高温、高压和高速条件下可靠稳定工作是对现代航空发动机性能提出的最基本要求。其中，高性能水平的叶片集先进的材料、成型工艺、冷却技术、涂层于一体。

    在工业和信息化部 2014 年发布的工业强基专项重点方向中高端装备基础能力提升之工业零部件表面强化用高性能稀有金属涂层材料中共列出 7 个种类的涂层，其中就有 2 个涉及到航空发动机热障涂层材料，要求高隔热涂层复相陶瓷材料熔点高于2000k，1200℃（100h）无相变，热导率低于 1.2W/（mK）。

    作为一种先进的陶瓷涂层材料，热障涂层被广泛应用在飞机（包括舰载机）发动机、涡轮机、汽轮机叶片上，保护高温合金基体免受高温氧化、腐蚀，起到隔热、提高发动机进口温度、发动机的流量比和推重比作用。

    有资料表明，一级涡轮叶片表面涂上陶瓷热障涂层后，可使冷却空气流量减少 50％，比油耗减少１％～２％，叶片寿命提高４倍。2002 年 N.P.Padture在 Science 中撰文写道：

    热障涂层在提高发动机、涡轮机、汽轮机热效率以及服役寿命的所有耐高温材料中具有无可替代的作用。

    随着军用航空发动机的快速发展，涡轮发动机的推重比越来越高，涡轮前进口温度也越来越高。比如，国外新型军用航空发动机的涡轮进口温度已达1538～1871℃，而设计推重比15～20发动机的涡轮前进口温度将达到2077℃以上。

    7％ ±1％（质量分数）Y 2 0 3 稳定的 ZO 2 （即 8YSZ）材料被用作热障涂层材料已应用几十年。尽管研究表明纳米8YSZ 涂层效果更佳，但随着对发动机、涡轮机性能要求的提高，这种体系的热障涂层已不能适应更高温度下工作，特别是在 1125℃以上会导致涂层过早失效。为了满足未来先进航空发动机对TBC 更苛刻的性能要求，各种关于 TBC的新材料和新工艺得到了快速发展。

    由于锆酸盐系列材料耐高温、热导率低、线膨胀系数大，决定了它在耐高温热障涂层的潜在应用。因此，主要的发展趋势是采用锆酸盐系列材料替代现有的8YSZ 材料作热障涂层，尤其是含锆酸盐的双陶瓷热障涂层被认为是未来发展长期使用温度高于 1200℃的最有前景的涂层结构之一。但目前的研究还主要是针对锆酸盐陶瓷块体材料进行，还没有能用于纳米结构热喷涂涂层的锆酸盐粉体。

    为让我国的飞机拥有健康强劲的心脏，哈工大纳米表面工程研究室在纳米陶瓷热障涂层方面潜心研究多年，成功研发出一种能够解决我国航空发动机发展瓶颈的纳米结构双陶瓷型热障涂层材料技术，比现行的涂层有更好的高温性能。研究者首次成功制备出可喷涂的锆酸镧 LZ 纳米结构团聚体粉末（简称ｎ－LZ），并将它们分别与 ZrO 2 － 8％（质量分数）Y 2 O 3 （8YSZ）纳米团聚体以双层方式喷涂成纳米结构 n-LZ/8YSZ 双陶瓷型热障涂层，并与传统微米结构的8YSZ 单陶瓷型热障涂层和纳米结构的8YSZ 单陶瓷型热障涂层进行对比，研究它们的相关高温性能。研究表明，纳米结构的双陶瓷型热障涂层的隔热效果明显好于其他涂层，与相同厚度的纳米结构单陶瓷型 8YSZ 热障涂层相比，隔热效果大约提高了 35％，与相同厚度的传统微米结构单陶瓷型 8YSZ 热障涂层相比，隔热效果提高了 70％以上。此外，纳米结构的双陶瓷型热障涂层具有比其他两种涂层更好的抗热震性能和高温抗氧化性能。

    这一成果的重要性和意义在于将突破目前我国航空发动机热障涂层材料不能在温度 1200℃以上使用的限制，为我国发展高端发动机提供了技术支撑。

    纳米改性 MCrAIY 合金涂层

    MCrAIY（M=N/Co/Ni+Co）涂层具有抗高温氧化及热腐蚀性能好、塑性较好、与基体热膨胀系数相近、对基体性能影响较小、成分可调等优点，广泛用于发动机、涡轮机叶片等热端部件的高温防护。MCrAIY 系列涂层可作为热障涂层的结合层，或作为单独的涂层应用到航空发动机及燃气机上，也可直接用作1000℃左右环境下的耐高温热障工作涂层，及用作抵抗 800 ～ 1100℃条件下的高温氧化、硫化腐蚀和冲蚀等破坏的高温防护涂层。这种涂层可以延长超合金部件的使用寿命。

    在工业和信息化部 2014 年发布的工业强基专项重点方向中，高端装备基础能力提升之工业零部件表面强化用高性能稀有金属涂层材料中列出７个种类的涂层，其中就要求多组元 MCrAIY涂 层 材 料：O、N、C、S 总 和 不 高 于500×10 -6 ，结合强度不低于 50MPa，1050℃水淬不低于50次，1050℃（200h）完全抗氧化级。

    研究表明，纳米改性可使涂层截面显微硬度提高，比未改性涂层提高 30％以上。纳米改性涂层的结合强度显著提高，如表 2 所示。

    纳 米 改 性 后，NiCrAIY 涂 层 在1000℃时的热震循环寿命可达 105 次以上，比未改性涂层提高了 23.5％。可见纳米改性可以明显提高 NiCrAIY 涂层的高温失效抗力。

    通常，稀土的加入可以使增重减少50％以上，即加入稀土可以提高涂层的抗高温硫化能力１倍以上。

    替代镀硬铬的纳米改性金属陶瓷涂层

    WC-Co 基金属陶瓷热喷涂涂层是一类重要的高性能涂层，由于具有良好的硬度和韧性，广泛用于增强基体金属的耐磨性能及对磨损部件进行修复，如飞机起落架、舰船上的球阀和柱塞、液压支撑杆等。研究表明，航空发动机零件的工作条件较为恶劣（高温、高转速、振动、高负荷），又受到粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损等几种类型的磨损，发动机性能和使用寿命受到影响。比如在钛合金压气机叶片的阻尼台表面上喷涂一层 0.25mm 厚的碳化钨涂层，叶片寿命可由 100h 延长到上万小时。

    近年来，随着国际上环境问题日益突出，开发新的环境友好型涂层技术以替代传统的电镀硬铬成为必然趋势。由于现有的热喷涂技术比电镀硬铬更加高效、清洁，且其成本基本与之相当，并呈不断降低趋势，具有巨大的开发与应用前景。其中，超音速火焰喷涂（HVOF）技术喷涂效率高，而且其喷涂的涂层结合强度高（大于 70MPa）、孔隙率低（小于 1％），成为最主要的替代电镀硬铬技术。

    1999 年 6 月起，由美国国防部、加拿大国防部、加拿大工业部等共同启动开展了“确认 HVOF 喷涂 WC-Co 和WC-Co-Cr 替代飞机起落架上的镀硬铬层”的联合攻关项目。目前，波音和空客飞机的起落架都采用了 HVOF 喷涂Ｗ C-Co 和 WC-Co-Cr 以替代原来使用的镀硬铬层。但在国内，还没有成熟的纳米结构 WC-Co 涂层制备技术。

    近年来，研究者对替代镀硬铬层的WC-Co 和 WC-Co-Cr 涂层进行了纳米改性，收到了较好的效果。研究表明，适量纳米的加入使 WC-12Co 涂层的显微硬度和结合强度显著提高，并有效抑制了 WC 颗粒的脱碳，使组织细化。当纳米改性剂含量在 1.5％（质量分数）时，涂层的硬度提高 42％，磨损体积减少 43％，耐磨性明显提高。

    最近的研究工作表明，随着纳米改性剂含量的增加，WC-10Cc-4Cr 涂层的硬度和抗摩擦磨损性能显著提高。

    结语

    通过十几年的研究开发，可以对纳米热喷涂涂层性能提高做出以下简要概括：

    （１）采用特殊的纳米粉体处理技术，制造出利于热喷涂的纳米结构陶瓷粉体，开发出的纳米结构氧化铝／氧化钛陶瓷涂层比目前广泛使用的商用美科130 涂层有着高出 3 ～ 10 倍的耐磨性，高出 1 倍的抗蚀性，高出１倍左右的断裂韧性，高出 1 ～ 2 倍的结合强度和抗热震性能，高出 5 ～ 10 倍的疲劳抗力。（２）成功制备出可喷涂的锆酸镧LZ 纳米结构团聚体粉末（简称 n-LZ），并将它们分别与 ZTO 2 -8％（质量分数）Y 2 O 3 （8YSZ）纳米团聚体以双层方式喷涂成纳米结构n-LZ/8YSZ双陶瓷型热障涂层。与传统微米结构的 8YSZ 单陶瓷型热障涂层和纳米结构的 8YSZ 单陶瓷型热障涂层相比，纳米结构 n-LZ/8YSZ双陶瓷型热障涂层的隔热效果、热震性能和高温抗氧化性能显著提高，可以长期用于 1200℃以上环境。

    （３）纳米改性可使 NiCrAIY 涂层显微硬度提高，比未改性涂层提高 30％以上。纳米改性涂层的结合强度显著提高，可达到 60MPa 以上。纳米改性后，NiCrAIY 涂层在 1000℃时的热震循环寿命可达 105 次以上，比未改性涂层提高了23.5％。

    （４）对替代镀硬铬层的 WC-Co和 WC-Co-Cr 热喷涂涂层进行了纳米改性，发现适量纳米的加入使 WC-12Co涂层的显微硬度和结合强度显著提高，并有效抑制了 WC 颗粒的脱碳，使组织细化。当纳米改性剂含量在 1.5％（质量分数）时，涂层的硬度提高 42％，磨损体积减少 43％。纳米改性甚至可使WC-Co-C 涂层的耐磨性提高约 10 倍。

    如今，利用先进的热喷涂技术能够制备出各种性能优异的涂层，随着纳米相关技术不断取得突破，可以用纳米材料制备出常规材料无法获得的全新的高性能涂层，可以满足飞机、舰船等各种高端装备关键构件所需的强韧、耐磨、抗腐、热障等性能需求。面对目前的国际和周边环境，一定要清醒地认识到：必须走自主创新的科技强军之路。否则，落后就要挨打！所以发展纳米热喷涂技术正是刻不容缓的强国强军的需要！

     6  如何让航母在强腐蚀海水中驶得更远？

    航空母舰 （ 航母 ）——作为海上大型军舰、路上机场航站、空中飞机的集合体，海空力量的融合体，发展至今，航空母舰已是现代海军不可或缺的武器，也是海战最重要的舰艇之一。

    航空技术发展在很大程度上依赖于材料进步，“一代材料、一带装备”是材料推动航空技术进步的真实写照。

    航母是一项复杂的巨系统工程，包括船体、动力设备、管路及附件设施、甲板、电力设备、船舱以及舰艇、战斗机等装备。因此，所使用的材料种类繁多，工作环境复杂，腐蚀破坏因素急剧增加。

    航母服役环境极其苛刻

    腐蚀环境特点如下：

    （1）风高浪大，海况险恶；

    （2）海洋环境温差大、高湿、干湿交替、高盐雾等加速了材料老化、腐蚀进程；

    （3）海水、泥沙、油气、酸、碱、辐射等腐蚀介质种类多，水、液、气、海生物共同作用；

    （4）遭受波浪碰击、冲击、振动、热偏移、船货漂移、飞机起落、武器反冲击以及机械设备运转载荷等多种载荷共同作用。

    腐蚀是影响材料长期性能的最重要因素。一个系统的腐蚀失效故障有可能影响全舰功能的发挥。然而，对于航母来说，腐蚀控制是一个复杂的系统工程。

    航母材料腐蚀防护及控制特点

   （1）腐蚀环境多样，防护要求高，防腐设计难度大

   （2）材料选择系统组成复杂，设备数量多，腐蚀故障影响大
   
   （3）舱室结构复杂，防腐施工空间小，修理难度大材料是推动航母技术发展的基础。

    材料的性能水平高低很大程度上影响各个系统的功能，进而决定了航母的性能水平。因此要求航母用材料必须具有高强度、高韧性，抗海水腐蚀，防磁耐高温和耐冲击能力，抗微生物腐蚀，高止裂性能等。

    目前，一系列高性能先进材料在航母关键部件中广泛应用，推动着航母工程的发展，包括：

    1、特种合金钢

    2、先进钛及钛合金

    3、单晶高温合金

    4、先进复合材料（钛合金复合材料、树脂基复合材料、陶瓷基复合材料、陶瓷及纳米热障涂层等 ）

    5、甲板防滑、防腐涂料等。

    美国航母用特种钢

   （1）HY 系列镍 - 铬 - 钛合金钢，耐蚀性、强度、焊接性、成型性与机加工性优异，如 HY-80、HY-100 钢，是制造航母、核潜艇最佳钢材。

   （2）HSLA 系列高强度、高韧性结构钢。HY-80 钢用于建造大型水面舰艇，如驱逐舰、巡洋舰和航空母舰等，尼龙兹级核动力航母主要结构材料之一。

   （3）HSLA-100、HSLA-115 钢，HSLA-100 是一种低碳、铜沉淀强化尖端低合金钢。已应用于美国新建航母壳体和核潜艇，核动力航母“斯坦尼斯”

    号 （CVN-74），以及航母 CVN-78 的飞行甲板。

    俄罗斯 AK 系列镍铬加钛合金钢，堪称世界上屈服强度最高的材料，可达1000MPa，可用来制造航母和深潜核潜艇。

    航母用特殊材料

    航母用钛及钛合金

   （1）其高强度、可焊性和耐腐蚀性广泛应用于核潜艇、深潜器等舰艇结构设备 ;

   （2）抗空泡剥蚀和耐疲劳性能优异，如Ti75合金等，广泛应用于螺旋桨、往复式盐水泵 、舷侧双座双球阀阀杆材料；

   （3）比其他合金更优异的耐海水蚀性能，高比强度、低密度，广泛应用于传热管、冷却管 ;

   （4）抗海水、Cl - 及高温下应力腐蚀。如 Ti31 钛合金等，广泛应用于冷却器、换热器、管路等，钛换热器污堵系数仅为 0.95 ～ 0.99。

    单晶高温合金

    单晶高温合金凭借其蠕变强度、热疲劳强度、抗氧化性能和抗腐蚀特性，广泛应用于涡轮叶片、涡轮盘等结构材料中。

    碳纤维复合材料

    碳 / 碳复合材料具有质量轻、模具高、比强度大、热膨胀系数低、耐高温、耐热冲击和耐腐蚀等优异性能，是世界战斗机发动机先进国家为未来战斗机发动机热端部件研究和发展的新型高温结构材料。美国已经将碳 / 碳复合材料应用于 F100 发动机的加力燃烧室喷嘴，还计划将其应用于 F119 发动机的排气喷管 ; 法国已经将它应用于 M53 发动机加力燃烧室的喷油杆、隔热屏和调节片。目前，人们正在研究和解决其高温抗氧化性能差的问题。

    陶瓷热障涂层

    陶瓷基复合材料具有低密度、耐高温、耐腐蚀和耐烧蚀等优点，耐温高达1370 ～ 1480℃，是战斗机发动机燃烧室/ 加力燃烧室火焰筒、涡轮转子 / 静子叶片、加力燃烧室火焰稳定器、排气喷管调节片等部件的极好候选材料。目前，金属纤维增强的陶瓷基复合材料、碳纤维增强的陶瓷基复合材料和陶瓷基复合材料已经开始应用于 M53 和 M88 发动机上。

    第 4 代陶瓷热障涂层以及第 5 代纳米热障涂层也逐步替代等离子喷涂涂层成功应用在战斗机发动机涡轮叶片等高温部件上，实现内外超级热障性能，如JT9D 战斗机。

    航母甲板防滑防腐涂料

    飞行甲板涂料不但要承受舰载机尾钩的冲击和阻拦索的研磨，飞机、车辆和人员的碾压，还要遭受潮湿盐雾的海洋大气环境侵蚀，以及甲板清洁剂与油污的腐蚀。

    近年来，国外开展了非晶态金属基涂料、高耐久性防滑涂料、单层快干防滑涂料等多种新型防滑涂料的研究工作，以期进一步提高防滑涂料的耐腐蚀、抗高温等性能，减少使用维护工作量。

    DARPA 开发出耐高温抗冲击防滑涂料可解决 MV-22“鱼鹰”运输机和未来F-35B 联合攻击机在两栖舰飞行甲板起降时舰载机高温尾流喷射带来的甲板变形问题；海军研究实验室 （NRL） 正致力于开发出更长寿命、耐高温的下一代非环氧类防滑涂料；美国奥斯汀公司新推出一种利用玻璃纤维加强“抓牢”防滑复合材料，含有韧化剂，不含易挥发的有机化合物，也不含毒剂和致癌化合物，主要用于起降落区。“抓牢”涂层可承受 15000 次阻拦着舰。

    石墨烯防腐涂料

    随着石墨烯的火热，石墨烯防腐涂料也逐渐出现在了人们面前。虽然还没应用到航母这种超大型军事装备上，但目前已大规模应用于海船、海上风电塔筒等海上设备的防腐。这种新型防腐涂料填补了国内外将石墨烯运用于防腐领域的空白。石墨烯作为人类已知最硬、最薄的纳米新材料，相信在不久后，其防腐涂料就能大规模应用到航母等大型军事装备的防腐领域。

    案例：舰载机腐蚀防护

    米格 29-K 舰载机采用高防腐蚀性的海军 RD33K 发动机，采用无烟燃烧室和一种新型抗腐蚀蒙皮，并增加可折叠的空中受油装置。

    美国著名的F-14“雄猫”舰载战斗机、FA-18 机身均采用高抗腐蚀涂层。美国也用了多种材料防止飞机腐蚀，其中例如采用铝皮包减少腐蚀趋向，改善涂层附着力。使用卓越弹性和耐久性的聚氨酯面漆。聚硫化物密封剂和铬酸盐底漆被用于连接表面和链条密封，以减少水侵入。

    如何让航母行得更远 ?

    （1）加大新材料的研发力度，提高结构材料、管路材料的防腐性能 ;

    （2）加强海水系统腐蚀、污损规律及控制技术研究 ;
 
    （3）研发长效防腐防污涂料、高性能飞行甲板涂料 ;
 
    （4）提高材料腐蚀、老化机制评价手段，从总体设计、施工控制、仿真、实验、检测与评估等方面全方位开展航母腐蚀控制技术方案研究 ;

    （5）编制航母及舰载设备腐蚀控制设计、建造、维护修理指南。