DARPA材料科学与工程领域发展近况

本文由国防科技要闻（ID:CDSTIC)授权转载，作者： 郭洋

美国政府历来高度重视新材料发展，DARPA早在20世纪60年代末就创建了第一个跨学科材料实验室，并帮助建立了现代材料科学与工程学科，研究成果广泛应用于集成电路、太空望远镜、喷气发动机等领域，使美国始终处于材料技术发展的最前沿，为军事装备与技术发展提供了基础支撑。DARPA在今年5月11日举行的年度展示日上，展示了DARPA在材料科学与工程领域重点发展的项目。通过研究DARPA的展示项目及近年投资热点，可了解其在材料科学与工程领域的发展近况。

一、材料研发技术

1. 通用材料研发技术

（1）“从原子到产品”（A2P）项目

实验证明，许多常用材料处于纳米级尺寸时会表现出独特的“原子级”特性，如低熔点、高比热容等。如果能将这些特性应用到常用尺寸的产品中，将产生巨大的国防和经济价值。然而，当这些材料的尺寸增大到“产品尺度”时，如典型的厘米级部件，其在纳米尺寸下的优势特性就会消失。为解决这一难题，DARPA于2014年8月发出征询建议书，开始筹划A2P项目，并于2015年12月正式启动该项目。A2P项目目标是开发相关技术和工艺，将接近原子尺度的纳米级碎片组装成至少为毫米级尺寸的系统、部件或材料，并能保留纳米尺寸时具备的特性。DARPA计划通过两个步骤实现项目目标，即从原子级到微米级和从微米级到毫米级，项目计划3年完成。

（2）“微结构可控材料”项目

结构工程设计方法的革命性进步，使建造埃菲尔铁塔这样的建筑成为可能，并引领了摩天大楼时代的到来。埃菲尔铁塔采用的桁架结构可以像实心结构一样支撑相同的负重，但结构重量只有实心结构的十分之一。DARPA也想将这种大型工程的结构设计原理应用到材料微结构（晶粒级别）的构建技术中，以期显著提升材料性能，并为此启动了“微结构可控材料”（MCMA）项目。在该项目支持下，波音公司下属的HRL实验室于2011年开发出一种轻质金属镍气凝胶材料，具有独特的纳米级多孔及三维网格结构，密度仅为0.9毫克/立方厘米，一张该材料置于蒲公英上的图片曾入选了《自然》杂志年度十大图片。MCMA项目的最终目标是能够通过对微结构的控制定制材料，以满足特定任务需求（如高强度材料、吸能材料等）。

上述A2P项目和MCMA项目的新颖之处并非是材料本身，而是组成宏观材料的方式，既可以应用于金属镍，也可应用于其他元素构成的材料，属于通用材料研发技术。除此之外，DARPA还对某些具有特殊应用的材料开展了相关研究。

2. 特殊材料技术

（1）能量转换材料技术

在许多军用装备中，通过能量转换材料的作用，能量常由一种形式转化为另一种形式，如通信天线中无线电波转换为电信号、热电式发电机中热能变成电能以及电动机中电磁能变成动能。然而，目前新型能量转换材料的研究大部分处于实验室演示验证阶段，并未开发出新功能，且未能在军用装置和系统应用中体现出尺寸、重量和功率方面的优势。为解决该问题，DARPA于2015年1月启动了“能量转换材料”（MATRIX）项目，发展具有实用性的能量转换材料，提供革命性的军用能力。同时，项目还将开发创新模型和模拟工具，供工程师设计采用这些材料的相关装置使用。

（2）高压材料技术

研究表明，许多材料在高压条件下会发生形态变化（变为高压相态），并表现出比常压条件下更好的物理、化学及功能特性。此类高压材料可广泛应用于国防领域，例如：改进半导体电子器件、提供更强的装甲以及提升推进系统性能等。但在当前技术条件下，制备和稳定储存这些材料需要极高的压力（甚至高达数百万倍大气压），条件极为苛刻，实际应用困难。为此，DARPA于2012年1月启动“延伸固体”（XSolids）项目，一方面继续探索此类高压材料的特性，另一方面进行高压材料制备方法的研究，通过寻找稳定的中间态过渡、多步合成的方式制备目标材料，以避开超高压这样苛刻的制备条件，使高压材料能够得到实际应用。长久以来，新材料的研制大多是利用热化学领域的方法实现的，但如果“延伸固体”项目获得成功，未来高压化学技术将开启材料探索与开发的新纪元。

（3）薄膜材料技术

薄膜材料在国防领域有着广泛应用，如柔性电子器件、脑机接口界面以及防腐蚀旋翼叶片等。传统的薄膜沉积工艺需要在高温条件下完成，但存在如下问题：一方面超出基底材料的耐温极限；另一方面高温可能会造成基底材料和薄膜材料在接触面发生化学反应。为解决该问题，DARPA于2012年4月启动了“材料合成的局部控制”（LoCo）项目，旨在研发可在较低温度下实现薄膜沉积的工艺。DARPA认为薄膜沉积工艺的关键在于向沉积反应提供能量支持，而高温（热能）只是提供能量的一种方式，并非决定性因素。DARPA计划对薄膜沉积反应中的反应物通量、表面迁移等技术要点进行优化，最后组合成全新的低温薄膜沉积工艺。

3. 加速材料研发及应用转化进程的探索

根据美军现状，新材料从研发到应用于作战平台通常需要10年以上的时间，漫长的材料研发过程意味着开发人员只能依靠数十年前的过时材料来研制新型作战平台，而无法利用最先进的材料特性。为此，DARPA于2014年7月启动了“作战平台材料开发”（MDP）项目，旨在开发一套材料研发的新方法和新工具，将材料的开发周期压缩75%，即从平均10年或者更长的开发时间缩短为2.5年。为实现这一目标，MDP项目计划将材料科学与工程、集成计算材料工程（ICME）以及与作战平台开发相关的工程、设计、分析与制造等多个学科整合在一起，建立一个跨学科的研发模式。MDP项目的重点在于加速用于特定平台、能够满足已有作战任务需要的新材料开发，而不关注通用材料的开发，改变当前材料技术“分散推动式”的开发方式（例如A2P项目和MCMA项目），转为以作战平台设计和任务需求为牵引的“主动牵引式”的开发方式。

二、先进制造技术

在具备先进的材料之后，如何将其制备成满足使用需求的复杂产品或零件是亟需打通的下一个环节。为此，DARPA在先进制造技术方面也投入了大量精力，以增材制造技术作为发展核心，同时拓展其他先进制造技术。

1. “开放制造”项目

当前，增材制造技术（又称为3D打印技术）蓬勃发展，但技术仍处于起步阶段。增材制造产品面临的主要挑战是：它们通常由无数微米级的焊珠堆积而成，即使采用常见且高可靠度的合金，增材制造过程也会生产出具有很多不同“微结构”的材料，导致零件表现出不同的属性和行为。此外，不同机器设备生产的同一种零件也可能有相当差别，产品的可靠性和稳定性成疑。为克服这个弱点，DARPA启动“开放制造”（Open Manufacturing）项目，通过全面捕获、分析和控制增材制造过程中的变量，构建和演示验证快速鉴定技术，实现预测制成品特性的能力。这些技术的应用并不仅限于增材制造技术，而是任何类型的潜在新型制造方法。

该计划包括三项研究内容，其中两项专注于金属增材制造工艺，一项专注于复合材料增材制造工艺：①快速低成本增材制造（RLCAM），旨在预测采用镍基超合金粉末为原料并利用直接金属激光烧结（DMLS）工艺制成的材料的性能；②钛制造（tiFAB），旨在确定影响大型制造结构件（如机翼）质量的关键参数；③转化可靠组合结构（TRUST），现阶段采用增材制造技术生产的复合材料结构件需要同时使用粘结剂和紧固件以确保结构强度，这项工作旨在消除复合材料结构件对于紧固件的依赖，只采用粘结剂将复合材料连接成结构件，从而简化装配、减轻结构重量。

2. “微工厂”项目

除了增材制造技术外，“开放制造”项目还在发展其他先进制造技术以支持国防需求。作为其子项目，“微工厂”（MicroFactory）使用上千个类似昆虫的微型机器人（体型小于一美分硬币）协同工作，高效组装桁架结构。这些微型机器人由低成本磁性材料制成。将它们放置在特制的印刷电路板上，向电路板输入电流，进而产生磁场，以此驱动这些微型机器人工作。机器人间相互独立，有些负责搬运结构组件，有些负责涂抹粘结剂，有些则扮演巡视员的角色，实时检验建造工程的质量。目前该技术已经进行了概念演示验证，成功制备了约12英寸大小的桁架结构，未来可用于快速生产军用先进电子器件、为小型无人机系统建造机翼等。“微工厂”项目的最终目标是能够以较低成本精确组装出可实用的宏观零件。

三、先进设计技术

由上可知，DARPA研发的先进材料往往具备看似矛盾的优异性能，如轻质高强度等。另一方面，增材制造等先进制造技术也使得原先不可能完成的产品变为可能。但新材料和制造技术的进步也使得未来产品的功能和结构高度复杂化。而现有的设计技术已然被旧式的材料和制造技术所禁锢，无法在利用新材料和先进制造技术的过程中将所有变量同时优化。因而，出现了新材料和先进制造技术与设计能力缺失之间的不匹配。为解决这一问题，DARPA于2016年4月宣布启动“变革设计”（TRADES）项目，主要目标是开发新型设计工具的算法，以充分利用新材料和先进制造技术的优势。例如，对于战机蒙皮的设计，若采用现有设计工具需将目标分块设计，然后拼接组合，而采用新型设计工具可以对目标实现整体设计、统筹优化，并利用3D打印技术整体成型。

四、DARPA材料科学与工程领域发展特点

1. 材料研发方面突出“设计”的特点

新材料是国防现代化的先导和重要物质基础，是提高武器装备性能、增强国防实力的重要保障。但当前依靠混合、加热、组合等传统批量生产方法开发的材料很多已不能满足当今对功能材料的需求，取而代之的是A2P、MCMA、LoCo等从微观层次构建新材料的方法。因此，从DARPA在材料研发技术方面的项目组合可以看出，材料科学研究正从宏观向纳米尺度转变，从传统的材料加工工艺向原子结构构建研究转变，预示着材料科学发展即将进入“设计师时代”。最终目标是通过控制材料的微观结构定制具备所需性能的独特材料。

2. 材料研发方面实施面、点结合，突出军事应用特点

由前所述，A2P和MCMA项目强调的是组成宏观材料的方式，而并非材料本身。两者作为普适的材料研发技术，虽然具有极广泛的应用面，但并非能够包打天下。因此，DARPA还开展了MATRIX、XSolids、LoCo等特殊应用领域材料的开发，作为对A2P和MCMA项目的补充，形成了面、点结合的材料研发布局。此外，针对美军应用需求，DARPA还启动了MDP项目，将重点放在用于特定作战平台、能够满足现有作战任务需要的新材料开发上，并力图将军用材料的开发周期压缩75%，使军事装备始终能够得到最先进材料的支持，突出了鲜明的军事应用特色。

3. 整个材料科学与工程体系协调发展，避免短板效应

材料、制造技术以及设计技术作为材料科学与工程学科的三个支点，都发挥着至关重要的作用。在材料研发技术领域，DARPA专注于从微观层面开展新材料研发，全力向“设计师时代 ”迈进。与此同时，DARPA力推的增材制造等先进制造技术发展迅猛，实用化进程加快。在材料科学与工程领域，这两个方面的技术进步通常更受关注，而对于设计技术的研究则存在明显的弱化。但正如前文所述，现有设计技术受限于旧式的材料和制造技术思维，已无法充分发挥新材料和先进制造技术的优势，而DARPA设立TRADES项目的目的，就是希望其能成为新材料和先进制造技术之间的纽带，避免由于设计技术的落后造成短板效应。由此可见，DARPA谋求在先进材料、先进制造技术以及先进设计技术三个领域协同发展，使三者联结成一个有机的整体，共同支撑DARPA在材料科学与工程领域的领先优势。