金属基复合材料在航空领域的应用与发展

第一篇：金属基复合材料在航空领域的应用与发展

材料表面与界面

题 目：金属基复合材料在航空领域的应用与发展

学 院： 化学与化工 专业及班级： 无机121 年 级： 2012级 学生姓名： 严红梅 学 号： 1208110439 教

师：

张

煜

2014

年月

日

金属基复合材料在航空领域的应用与发展

严红梅

（贵州大学

无机121班）

【摘要】：介绍了金属基复合材料的构成、分类，以及性能特点分析了铝合金和钛合金复合材料的性能。讨论了金属基复合材料在航天器结构材料、热管理系统、电子封装、惯性器件、光学仪器和液体发动机中的典型应用。【关键字】 复合材料，金属基，性能，应用。

引言

金属基复合材料（简称 MMC）是以金属、合金或金属间互化物为基体、用各类增强相进行增强的复合材料。它是复合材料的一个分支。近代科学高新技术的迅速发展，特别是航空和航天应用技术的发展，对材料的要求越来越高。除了要求材料具有高强度、高模量、耐辐射、低热胀、低密度、可加工性外，还对材料的韧性、耐磨、耐腐蚀及抗蠕变等理化性能提出种种特殊要求，这对单一的某种材料来说是很难都具备的。必须采用复合技术，把一些不同的材料复合起来，取其所长来满足这些性能要求。金属基复合材料就是在这样的前提下产生的。这些年来 MMC得到了广泛关注，并在航空和航天工程中取得了应用的成果。据美国航天局预测：金属基复合材料将成为本世纪空间战、卫星和空间飞行器的主要结构材料[1]。正文

1金属基复合材料的分类

MMC 通常按增强相形态分为连续纤维增强 MMC 和非连续增强（颗粒、晶须、短切纤维）MMC两大类，最常用的增强纤维为碳纤维（Gr）、硼纤维、碳化硅（SiC）纤维、氧化铝（Al2O3）纤维。晶须和颗粒增强体有碳化硅、氧化铝、碳化钛（TiC）、氮化硅（Si3N4）等。MMC 也可以按金属基体类型分类，分为铝基、镁基、铜基、钛基、钛铝互化物基等 MMC。其中铝基镁基 MMC 使用温度在 450℃以下、钛基和钛铝互化物基 MMC 使用温度 450～700℃，镍基钴基 MMC 可在 1200℃下使用。铝基 MMC 是各国开发的重点，我国亦已列入相关计划。连续纤维增强 MMC 中由于纤维是主要承力组元，而且这些纤维在高温下强度很少下降，因此 具有很高的比强度和比刚度，在单向增强情况下具有很强的各向异性。其中连续纤维增强钛合金基复合材料，已成为竞争力很强的高温结构材料。由于制造工艺复杂，且有些长纤维（如硼纤维）价格十分昂贵，基体仍起到主要作用，其强度与基体相近，但刚度、耐磨性、高温性能、热物理性能明显增强，制造工艺也相对简单，技术难度较小，可以在现有冶金加工设

备基础上工业化生产，成本较低。例如，非连续纤维增强的铝基复合材料开发已比较普遍，但它的增强作用也主要是体现在重量的降低和刚度的提高。

2金属基复合材料的性能特点

金属基复合材料集高比模量、高比强度、优良导热和导电性、优良尺寸稳定性和耐高温性能于一体，是近年来复合材料研究的热点。其具体性能取决于所选金属基体和增强材料的特性、含量和分布。

比强度和比模量

基体和增强相的直接增强和基体组织变化产生的间接增强，显著地增强了材料的强度和刚性。在金属基体中加入体积份数 30～50%增强材料后，材料强度和模量就会有显著增大。和未增强金属材料的性能比较

导热性和导电性

由于金属基体在 MMC 中含量通常很高，体积份数一般为 50～70%，因此它仍旧保持金属材料所具有的良好导热和导电性。采用高导热性增强材料（如超高模量碳纤维）增强后复合材料导热率有时比纯金属还高，因此非常适合制作集成电路底板和封装件，将电子部件的热迅速散发出去。优良的导电性能，使它具有其它类型复合材料缺乏的波导功能。

尺寸稳定性

许多增强材料既具有很小的热膨胀系数（甚至是负值热膨胀系数），同时又具有很高的模量用这些材料增强的 MMC 可以使热膨胀系数明显下降，并且达到很高的模量，因此十分有利于航天部件在大幅度温度交变环境中，保持良好的尺寸稳定性，使部件实现高精度，高效率。

耐高温性能

MMC 高温性能通常优于金属材料，特别是在连续纤维增强时，由于纤维起主要承载作用，很多增强纤维在高温下强度很少下降，因此许多 MMC 的高温力学性能可保持到金属熔点，这和普通金属材料（如铝合金、钛合金）随着温度升高，强度迅速下降的特点形成鲜明对比。

可焊接性

MMC 可以采用传统的电弧焊（如气体保护焊）进行焊接，这是它和其它类复合材料加工性的显著区别。其焊接性能和基体合金类似，主要区别在于其熔池具有很高的粘度，在焊接横截面大的零件时，熔池的高粘度会阻碍零件焊透，因此必须开焊接坡口。MMC 的可焊性不仅可以用来连接结构件，而且用来补焊和修复铸件缺陷，使 MMC 具有更好的可加工性。

3在航天器上的应用

由于金属基复合材料强度、刚度、疲劳性能、热性能等良好的性质，在过去 30 年中已经受到了航天应用领域极大的关注。正如在参考文献中描述的，航空航天工业需要减轻太空推进系统和航天结构重量，金属基复合材料可提供一些潜在的优点来达到这个目的。此外，这种材料还经常伴随着良好的热传导性和低密度等特性，因此具有了高比强度和比刚度，低热膨胀系数(CTE)等优点，并且有可能根据特定应用要求来设计其性能。由于这些吸引人的性质，金属基复合材料已经被用在一些重要的航天应用中，包括航天飞机轨道器的结构管件、哈勃太空望远镜的天线波导竿，通讯卫星装置中的热管理。

结构材料

MMC 用作航天器结构材料，具有超过聚合物基复合材料的一系列性能优点（耐高温能力，老化性能、出气量、抗辐射和抗原子氧、抗热冲击、导热率、尺寸稳定性、表面缺陷敏感性等）。从上世纪 80 年代以来的一系列应用已经充分展示了它的效益。然而由于成本原因，直到现在它的应用仍限定在较小范围内。MMC 在航天中的最早应用是美国航天飞机，它的轨道器中段机身主隔框、翼肋桁架、框架稳定支柱、前起落架、制动拉杆支柱，共使用了 243 根 B/Al 复合材料管形支撑件，用体积含量 60%的单向硼纤维增强铝制成，纤维方向平行于外加载荷方向，刚度好，比铝合金减重 145kg，质量比铝合金轻 45%，效益十分显著（见图 11）。继后前苏联开发的“暴风雪”号航天飞机的卫星支架，也采用了 B/Al 管材焊接而成的桁架结构，轮廓尺寸 3m×3m，可同时放置三颗卫星。所用的硼纤维直径1400µm，在钨芯上用气相沉积法制成，断裂强度 3500MPa、弹性模量 400MPa。制成的复合材料桁架重 100kg，比钛合金轻 50～60kg，在性能方面和美国大体相当。

MMC 用作航天器天线、太阳电池阵桁架等结构也取得了成功。美国的哈勃太空望远镜的高增益天线杆结构，需要非常高的轴向刚度和极低的热膨胀系数，以保障反复出入太阳直射条件下保持尺寸稳定性。它采用 P100 超高模量碳纤维（体积分数 40%）增韧的铝 6061 基 MMC，采用扩散粘结工艺制造。杆长 3.66m，杆全长的尺寸偏差仅±0.15mm，确保了太空机动飞行时天线的方位。另外它还由于具有良好的导电性能，从而提供了波导功能，保障了航天器和天线反射器之间的电信号传输，整个部件比碳/环氧材料轻 63%。为先进太阳电池阵展开机构研制的非连续增强 复合材料可折叠大梁、中空长螺杆、特形螺母、导向摇臂，是 MMC 在航天器中的一个重要应用尝试。4.2 热管理系统和电子封装

火箭和卫星热管理系统是 MMC 的另一项重要应用，包括计算机芯片基片、大功率半导体设备和远程通信的微波元件封装。这类应用要求封装材料热导率在 4～7×10-6/K 范围

内，以保证和半导体材料及陶瓷基片的热导率匹配。非连续增强 SiC（体积份数≥50%）/Al 基复合材料具有优异的匹配性。已成为当前最佳的热管理材料。从 90 年代起已在一系列先进航天器上正式应用。如美国“摩托罗拉”公司的“铱星”，“全球定位系统”（GPS）“火星探路者”和“卡西尼”深空探测器等，取代以前采用的高密度低导热率 Cu/W 合金后，重量减轻约 80%，无论是军事效率，还是经济效益和社会效益都十分可观。MMC 本身不会漏气，而且可用焊接的连接工艺确保连续处密封，这为制成密封舱体提供了先决条件，并在电源半导体封装、微波模型上得到应用。DSCS-III 军事通信卫星等，使用了超过 23kg 的镍基复合材料用于微波封装。已研发生产的石墨颗粒增韧的铝复合材料，除了具有高的比导热率外，热膨胀系数明显降低，且各向同性，将使不连续增韧铝复合材料电子封装在太空应用中继续得到发展。

液体火箭发动机

采用 MMC 对于减轻液体火箭发动机重量和降低成本都具有显著作用，目前已受到各国重视。美国国防部和航空航天局联合提出的一项为时 15 年的改进航天推进系统性能的（IHPRPT）中，提出要使液体发动机推重比提高 60%，成本降低 20%。采用 MMC 是其重要措施之一，已开展了一系列研制和演示试验。重点是下列三类部件用的铝基复合材料。第一类是在中温下有很高刚度的部件，如法兰盘、推力室、夹套、支承结构，模量>220GPa，目前使用的是 Ni 基超级合金；第二类是较高温度下工作（≯260℃）的部件，如涡轮转和定子、外壳、高温推进剂管线等。单级泵材料强度要求为 862MPa，目前为 Ni 基超级合金；第三类是低温推进剂泵部件，包括泵体、叶轮、导流轮、导流片等，需要采用可以在-244℃下工作、强度范围 675MPa，延伸率>6%，密度<4g/cm3，热膨胀系数较低且可控的 MMC 材料代替目前的锻造 Ti 合金。目前正在根据上述目标开发各种铝基复合材料，并采用近净形加工方法。其关键技术在于控制颗粒体积份数和均匀分布。研究中的有颗粒和短纤维增强铝基 MMC，前者强度已达到 620MPa 的较高水平。针对液氧泵和管线部件的相容性要求，正在研制铜基 MMC 材料，要求 260℃下强度达 413MPa，密度<7.5g/cm3。在某些发动机部件中还正在开发镍基 MMC。【结论】

金属基复合材料已在航天系统中使用，如航天飞机轨道器和哈勃太空望远镜。虽了解各种金属基复合材料的工艺/特性的关系中得到了一系列的进展，但金属基复合材料工艺复杂，制造成本高，仍然没有被航天业广泛地接受。在发展新的航天系统中成本已经成为不得不考虑的因素，因此在将来开发时，必须集中在价格适宜、质量高的材料。另一方面，金属基体

优秀的任性和良好的耐空间环境性能是 MMC 具有优异性能的基础，加之它在很大程度上可以借鉴或沿用金属材料和树脂基复合材料工艺技术，这都决定了 MMC 在航天领域更加广阔的应用前景。

参考文献

[1]赵渠森，先进复合材料手册，机械工业出版社，2002 [2]周涛，包套锻造快速凝固耐热铝合金的组织与性能，粉末冶金技术，2004 年，1 期： [3]李晓宾，金属基复合材料的性能和应用，热加工工艺，2006，16 期：71~74 [4]李瑞祥，复合材料在太阳电池阵展开机构上的应用，宇航材料工艺，2001 年,5 期： [5]崔岩，碳化硅颗粒增强铝基复合材料在航空航天应用，材料工程，2002 年，6 期： [6]李晴昊，颗粒增强型金属基复合材料的研究进展，空间科学技术，1997 年，7 期： [7]陈华辉,邓海金,李明,林晓松.现代复合材料[M].北京:中国物资出版社,1998 [8]崔岩.碳化硅颗粒增强铝基复合材料的航空航天应用[J].材料工程,2002,(6)[9]樊建中,姚忠凯.颗粒增强铝基复合材料研究进展[J].材料导报.1996,11,(3)[10]张洪立,许奔容,周海丽.铝基复合材料在惯性导航仪表中的应用分析[J].宇航材料工艺,2001,(3)[9]我国航空复合材料技术发展展望.航空制造工程.1卯 [12]张国定,赵昌正.金属基复合材料.上海交通大学出版社.1996

第二篇：浅谈金属有机化学的发展与应用

浅谈金属有机化学的发展与应用

Development and application of metal organic chemistry

摘要：

随着科学技术的不断发展以及交叉学科的不断出现, 金属有机化学这一新兴学科也逐渐发展起来。其研究的重点是碳-disciplines continue to emerge.Metal Organic Chemistry this emerging disciplines gradually developing.The focus of their research is carbon--Key metal compounds form, nature and application.Its development has broken the traditional organic and inorganic chemistry boundaries, and theoretical chemistry, synthetic chemistry, catalysis, chemical structure, biological, inorganic chemistry, polymer science interweave together, become one of the areas of modern chemistry frontiers.Metal organic compounds are widely used in medicine, agriculture, industry and other fields 关键词：

金属有机化学 Metal Organic Chemistry；金属有机化合物 organometallic compound；发展 development；应用 Application 前言：

纵观金属有机化学发展史，其特点是——有趣又有用，有趣在于其具有多样性和意外性，因此，有人说：金属有机化学的历史是一部充满意外发现的历史。最早的金属有机化合物是1827年由丹麦药剂师Zeise用乙醇和氯铂酸盐反应而合成的；比俄国门捷列夫1869年提出元素周期表约早40年，与有机合成之父合成尿素几乎同一时期（1828年）.金属有机化合物是金属与有机基团以金属与碳直接成键而成的化合物 ；因而，金属与碳间有氧、硫、氮等原子相隔时，不管该金属化合物多么象有机化合物，也不能称为金属有机化合物。

金属有机化学是有机化学和无机化学交叠的一门分支课程，主要讲述含金属离子的有机化合物的化学反应、合成等各种问题。因此具有广阔的发展前景与广泛的应用方向。

一、金属有机化合物的组成：

金属有机化合物，就是碳原子和金属原子直接相连的化合物。最早的金属有机化合物，比如格式试剂。而叔丁醇钾之类的化合物，由于是金属跟氧相连的化学结构，所以其不属于金属有机化合物的范畴。广义的金属有机化合物，将硫、硒、碲、磷、砷、硅、硼等带有金属性质的 非金属都算成金属，实际上已经超越了经典金属有机化合物的范畴。但是由于元素有机化学和金属有机化学有着千丝万缕的联系，将其混 在一起也不致引起太大的混乱

二、金属有机化学的分类：

1、金属有机化合物的合成及其性质

研究者专门合成金属有机化合物，并研究这些化合物（通常是晶体）的物理学性质及其在材料学、高分子科学上的应用。

2、金属有机合成化学

研究者专门研究金属有机化合物在合成中的应用，虽然也合成金属有机化合物，甚至设计配体，但是目的在于探究其在有机合成学上的作用。主要是催化性能，有时也会有计量的金属有机化合物参与反应。

三、金属有机化学的发展前景 进入到21世纪，环保成为了人们不可避免的话题，能源的大量消耗与污染的大量产生让沉浸在发展工业生产中的人们意识到周边生活环境的改变，意识到自身对环境的污染与破坏，意识到环保应该成为最重要的目标之一。过渡金属的催化的高选择性能使金属有机化学能够扮演原子经济性的主要角色。同时绿色化学的12条准则可以通过金属有机化学达到。

化学的分支之一材料化学是当今的热门学科，随着科技的发展与进步，对材料的需求越来越高且越来越复杂，应用金属有机化合物作为催化剂合成电子材料、光学材料和具有特种性能的无机材料将是大有作为的。同时金属有机化合物本身作为材料也是研究的热点，也具有广泛的应用前景。

以人工固氮和人工太阳能为主体的模拟生物功能来实现对能源和的可持续利用是21世纪能源方面研究的热点及前沿。实现这一过程的核心问题是模拟并应用自然界中植物用于固氮和转换太阳能的酶和叶绿素，而酶的大部分和叶绿素是金属有机化合物。

四、金属有机化学的应用

1.在工业中，金属有机物被大量用作石油化工、精细化工、高分子化工中的催化剂。用丙烯、水喝一氧化碳为原料，在八羰基合二钴催化下经氢甲酰化生成丁醛替代了乙醛的醇醛缩合法。金属有机化学的发展为工业提供了一系列高活性、高选择性的新型催化剂，还为在分子水平上的现代化催化理论提供了科学依据。

2.在农业中，有机锑、汞等药物用作除草剂、有机磷用作杀虫剂，具有高效、低毒、低残留、广谱的特性，是目前应用广泛的农药之一 3.在生活中，金属有机物也有重要作用。如二戊铁，其最具前途的应用是航天工业及固、液、气体燃料中作节能添加剂。将其按千分之一的比例加入燃料中，可节能5-10%，同时清除30-70%因燃烧产生的烟雾，是很好的环保用品。

4.在新、特药研究中，曾用有机锑化合物消灭了血吸虫病和治疗黑热病、治愈了血吸虫病患者76万人，黑热病患者60万人。人们还发现某些金属茂类化合物具有抗癌活性。

5、在二次能源中，地球上贮藏的煤和石油开采过度，预计到2020年，由太阳能转换器提供的能量将占世界能量需求的10-15%。而将太阳能转化为能贮、可运输的化学能之前景也很诱人，可以以水和大气为原料生产燃料和化工料，氢气、烃、一氧化碳、醇等产品，其中可以光解水产生氢气最令人感兴趣，氢是最具前途的二次能源，具有密度小、燃烧值大、无污染等优点，原料谁在地球上贮量极大。目前最具前途的方法仍是光解水，而用来吸收光能的金属有机物，作为光敏剂种类之一，具有广阔应用前景。

总结：

发展金属有机化学不仅具有重要的科学意义，还和开辟新能源、开发新型化学和反应、研究新的合成方法、探索生命现象本质、合成新材料、试制抗癌药物和其他特效药物，以及保护环境等一系列当前世界上最重要的科研课题，都有着时分密切的关系。目前金属有机化学已成为无机化学、有机化学和理论化学研究的共同研究对象，具有巨大的发展潜力和辉煌的应用前景。

参考文献：

何仁编著.配位催化与金属有机化学.R.布里斯罗著.化学的今天和明天 陆熙炎主编.金属有机化合物的反应化学 王延吉、赵新强主编.绿色化学催化过程与工艺 黄耀曾.漫谈金属有机化学

第三篇：金属基复合材料的发展现状及展望

《复合材料》课程论文

任课教师 曹鹏军

题目：金属基复合材料的发展现状及展望

班级: 金属材料工程 学号: 2010444174 姓名: 耿坤峰 成绩:

评语: ________________________________

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金属基复合材料的发展现状及展望

耿坤峰

（重庆科技学院冶金与材料工程院系

401331）

摘要：金属基复合材料【1】是以金属或合金为基体，并以纤维、晶须、颗粒等为增强体的复合材料。其特点在力学方面为横向及剪切强度较高，韧性及疲劳等综合力学性能较好，同时还具有导热、导电、耐磨、热膨胀系数小、阻尼性好、不吸湿、不老化和无污染等优点。介绍了金属基复合材料的研究及应用现状。介绍了金属基复合材料的分类、性能特点，并总结了其主要应用。对于大批量生产的复合材料来讲，轧制方法复合具有比其它方法有更多的适用性和经济性。

关键词：金属基复合材料；分类；性能；制备工艺；发展趋势；应用

1前言

随着现代科学技术和现代工业的发展,单一的金属或合金已很难完全满足其对材料综合性能的要求,因而近年来新型复合材料

【2】

受到世界各国的普遍重视。自20世纪80年代以来,美国每年耗资10亿美元专门用于研究开发新材料,其重点之一就是金属复合材料。目前美国复合材料的研制和生产居世界领先的地位。金属复合材料是利用复合技术使两种或两种以上物理、化学、力学性能不同的金属材料结合成一体制备的。金属复合材料在保持母材金属特性的同时还具有“相补效应”可以弥补各自的不足,经过恰当的组合从而获得优异的综合性能。复合材料的力学性能和功能,可以根据实际需要,通过适当选材和优化设计来获得。复合材料广泛应用于航空、航天、汽车、运输、桥梁、民用建筑、体育设施及国防建设等诸多领域。

现代科学技术对现代新型材料的强韧性，导电、导热性，耐高温性，耐磨性等性能都提出了越来越高的要求。与传统的金属材料相比，金属基复合材料具有较高的比强度与比刚度，而与高分子基复合材料相比，它又具有优良的导电性而耐热性，与陶瓷材料相比，它又具有较高的韧性和较高的抗冲击性能。这些优良的性能决定了它从诞生之日起就成了新材料家庭中的重要一员。

2金属基复合材料的发展历史

金属基复合材料(MMC)

【3】

是多功能复合材料的一种。它是一类以金属或合金为基体,以金属或非金属线、丝、纤维、晶须或颗粒状组分为增强相的非均质混合物,其共同点是具有连续的金属基体。金属基复合材料有着悠久的历史,在土耳其发现的公元前7000年的铜锥子,在制造过程中经过反复锤打与拓平,非金属夹杂物被拉长,从而产生类似纤维增强的效果。近代金属基复合材料的研究始于1924年Schmit关于铝Π氧化铝粉末烧结的研究工作。在30年代,又出现了沉淀强化理论,并在以后的几十年中得到了很快的发展。到60年代,金属基复合材料已经发展成为复合材料的一个新的分支。到80年代初,日本丰田公司首次将陶瓷纤维增强铝基复合材料用于制造柴油发动机活塞,从此金属基复合材料的研制与开发工作得到了异乎寻常的发展。土耳其的S.Eroglu等人用等离子喷涂技术制得了NiCr2Al/MgO2ZrO2功能梯度涂层。目前,尽管在制造成本和工艺上存在很大的问题,但金属基复合材料已经引起有关部门的高度重视,特别是航空航天部门推进系统使用的材料,其性能已经达到了极限。因此,研制工作温度更高、比刚度和比强度大幅度增加的金属基复合材料,已经成为发展高性能结构材料的一个重要方向。

90年代后期，由于电子产品发展迅速，要求同时具有高热传导能力和低膨胀特性的电子元件构造装配材料的量迅速增加，于是低膨胀、高强化与高热传导的金属基体合理匹配的金属基复合材料备受重视；同时也需要强度高，耐电弧冲蚀，导电率高的电接触用复合材料。

复合材料已经成为当代材料领域中一个重要发展方向，地位越来越重要。到20世纪90年代初，先进复合材料的世界总产量已经达到300万吨，在许多领域特别是航空航天领域显示了极其重要的地位。西方国家把先进复合材料列为战略材料，列入为数有限的国家重点研究和发展项目，列入不准许输出的新材料。

3金属基复合材料的分类和性能

金属基复合材料【4】除力学性能优异外，还具有某些特殊性能和良好的综合性能，应用范围广泛。依据基体合金的种类可分为：轻金属基复合材料、高熔点金属基复合材料、金属间化合物基复合材料。按增强相形态的不同可划分为：连续纤维增强金属基复合材料、短纤维增强金属基复合材料、晶须增强金属基复合材料、颗粒增强金属基复合材料、混杂增强金属复合材料。以下从基体、增强体以及复合材料的性能应用等方面，分别予以评述。3．1合金基体复合材料性能

铝、镁、钛、铜合金及金属间化合物合金是目前应用广泛、发展迅速的轻金属合金。用其制成的各种高比强度、高比模量的轻型结构件广泛地应用于航天、航空和汽车工业等领域。

铝基复合材料具有轻质、高强、高韧性、导热性较好的性能特点，且铝基复合材料适用的制备方法多，易于塑性加工，制造成本低。与铝基复合材料相比，镁基复合材料最大的优点是质量更轻，多用于航天、空间等对构件质量有严格要求的高技术领域。铜的导电性、导热性和塑性在金属中名列前茅，属于廉价金属，但在铜中加入增强体可提高其强度、刚度、耐热性和降低热膨胀系数，所以铜基复合材料有良好的导热性可有效地传热散热，能减少构件受热后产生的温度梯度，主要用于电力工业和半导体工业。铝基复合材料在温度高于300℃后，其强度迅速下降，极限工作温度约350℃，相比之下，钛基复合材料比铝基复合材料有更高的耐热性，但成本明显高于铝基复合材料，因此，钛基复合材料应用领域主要集中于飞行器及发动机的耐热零部件。3．2增强体金属基复合材料

金属基复合材料的增强体是一些不同几何形状的金属或非金属材料。目前，其增强相已有很多，重要的有氧化铝纤维、硼纤维、石墨(碳)纤维、SiC纤维晶须；颗粒型的有SiC、碳化硼、图化钛等；丝状的有钨、铍、硼、钢等。金属基复合材料按其增强材料的几何形态可划分为以下几类。

3.2.1连续纤维增强金属基复合材料。

纤维增强金属基复合材料【5】是利用无机纤维(或晶须)及金属细线等增强金属得到质量轻且强度高的材料，纤维直径从3～150μm(晶须直径小于1μm)，纵横比(长度／直径)在102以上。

3.2.2短纤维增强金属基复合材料。作为金属基复合材料增强体的短纤可分为天然纤维制品和短切纤维。天然纤维主要是一些植物纤维和菌类纤维索等，长度一般为35～150mm；短切纤维一般是由连续纤维(长纤维)切割而成长度1～50mm，用于金属基复合材料短纤维增强体的材料主要有Saffil－Al2O3、Al2O3－SiO2、SiC等。

3.2.3晶须增强金属基复合材料。

晶须是指在特定条件下以单晶的形式生长而成的一种高纯度纤维，其原子排列高度有序，几乎不含晶界位错等晶体结构缺陷，有异乎寻常的力学性能。作为金属基复合材料的增强体使用的晶须使用做多、性能较好的是SiC、SiN4晶须，成本最低的是Al2O3·B2O3晶须。

3.2.4颗粒增强金属基复合材料。

颗粒增强金属基复合材料是利用颗粒自身的强度，其基体起着把颗粒组合在一起的作用，颗粒平焊接材料均直径在1μm以上，强化相的容积比可达90％。常用作金属基复合材料增强体的颗粒主要有：SiC、Al2O3、TiC、TiB2、NiAl、Si3N4等陶瓷颗粒，以及石墨颗粒、甚至金属颗粒。

3.2.5混杂增强金属复合材料。

对上述四种单一的增强形式进行有机的组合就形成了混杂增强。增强体的混杂组合可分为三种：颗粒－短纤维(或晶须)、连续纤维－颗粒、连续纤维－连续纤维。在短纤维或晶须的预制件中，易出现增强的粘结、团聚现象，颗粒的混入可以解决这一问题。

4金属基复合材料制备工艺方法

由于金属材料熔点较高，同时不少金属对增强体表面润湿性很差加上金属原子在高温状态下很活泼，易与多种增强体发生反应，所以金属基复合材料【6】的复合工艺比较复杂和困难，这也是金属基复合材料的发展受到制约的主要原因。4.1粉末冶金复合法

粉末冶金复合法基本原理与常规的粉末冶金法相同，包括烧结成形法，烧结制坯加塑法加成形法等适合于分散强化型复合材料(颗粒强化或纤维强化型复合材料)的制备与成型。该方法在铝基复台材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。4.2铸造凝固成型法

铸造凝固成型法是在基体金属处于熔融状态下进行复合。主要方法有搅拌铸造法、液相渗和法和共喷射沉积法等。铸造凝固成型铸造复合材料具有工艺简单化、制品质量好等特点，工业应用较广泛。

4.2.1原生铸造复合法

原生铸造复合法(也称液相接触反应合成技术Liquid Contact Reaction:LCR）是将生产强化颗粒的原料加到熔融基体金属中，利用高温下的化学反应强化相，然后通过浇铸成形。

4.2.2搅拌铸造法

搅拌铸造法也称掺和铸造法，是在熔化金属中加人陶瓷颗粒，经均匀搅拌后浇入铸摸中获得制品或二次加工坯料，此法易于实现能大批量生产，成本较低。该方法在铝基复合材料的制备方面应用较广，但其主要缺点是基体金属与强化颗粒的组合受限制。

4.2.3半固态复合铸造法

半固态复合铸造法是从半固态铸造法发展而来的。通常金属凝固时，初生晶以枝晶方式长大，固相率达0.2％左右时枝晶就形成连续网络骨架，失去宏观流动性。

4.2.4含浸凝固法

含浸凝固法是一种将预先制备的含有较高孔隙率的强化相成形体含浸于熔融基体金属之中，让基体金属浸透预成型体后，使其凝固以制备复合材料的方法。有加压含浸和非加压含浸两种方法。含浸法适合于强化相与熔融基体金属之间润湿性很差的复合材料的制备。

4.2.5离心铸造法

广泛应用于空心件铸造成形的 离心铸造法，可以通过两次铸造成型法成形双金属层状复合材料，此方法简单，具有成本低、铸件致密度高等优点，但是界面质量不易控制，难以形成连续长尺寸的复合材料。

4.2.6加压凝固铸造法

该方法是将金属液浇注铸型后，加压使金属液在压力下凝固。金属从液态到凝固均处于高压下，故能充分浸渗，补缩并防止产生气孔得到致密铸件。铸、锻相结合的方法叉称挤压铸造、液态模锻、锻铸法等。此法最适合复杂的异型MMCs。

4．3 喷射成形法

喷射成形叉称喷射沉积(Spray Forming)，是用惰性气体将金属雾化成微小的液滴，并使之向一定方向喷射，在喷射途中与另一路由惰性气体送出的增强微细颗粒会合，共同喷射沉积在有水冷衬底的平台上，凝固成复合材料。4．4 叠层复合法

叠层复合法是先将不同金属板用扩散结合方法复合，然后采用离子溅射或分子束外延方法交替地将不同金属或金属与陶瓷薄层叠合在一起构成金属基复合材料。这种复合材料性能很好，但工艺复杂难以实用化。4．5 原位生成复合法

原位生成复合法也称反应合成技术，最早出现于1967年前用SHS法合成TiB:／Cu功能梯度材料的研究中。金属基复合材料的反应合成法是指借助化学反应，在一定条件下在基体金属内原位生成一种或几种热力学稳定的增强相的一种复合方法。

5金属基复合材料的应用及发展趋势

5.1金属基复合材料的应用

目前应用的复合材料主要有金属基、无机非金属基和高分子基三大类。但是由于金属基复合材料价格昂贵，主要用于航空航天和军事领域，一般工业领域不多见。而由于铝基复合材料的优良的综合性能，使得铝基复合材料在金属基复合材料中应用最为广泛。

5.1.1铝基复合材料的应用

硼纤维增强铝基复合材料

【7】

是实际应用最早的金属基复合材料，美国和前苏联的航天飞机中机身框架及支柱和起落拉杆等都用该材料制成。硼-铝复合材料还用做多层半导体芯片的支座的散热冷却板材料，硼-铝复合材料的导热好，热膨胀系数与半导体芯片非常接近，能大大减少接头处的疲劳。硼-铝复合材料的应用前景宽广，可用作中子屏蔽材料，还可用来制造废核燃料的运输容器和储存容器、可移动防护罩、控制杆、喷气发动机风扇叶片、飞机机翼蒙皮、结构支承件、飞机垂直尾翼、导弹构件、飞机起落部件、自行车架、高尔夫球杆等。

碳化硅晶须增强铝基复合材料用于制造导弹平衡翼和制导元件，航天器的结构部件和发动机部件，战术坦克反射镜部件，轻型坦克履带，汽车零件，如活塞、连杆、汽缸、活塞销等，飞机的机身地板和新型战斗机尾翼平衡器。碳化硅增强铝基复合材料可用来制造卫星及航天用结构材料，如卫星支架、结构连接件、管材，各种型材，导弹翼、遥控飞机翼、飞机零部件等。

5.1.2钛基复合材料的应用

SiC纤维增强钛基复合材料的发展最初是以超高音速宇航器和先进航空发动机为主要目标。因为用它制造的波纹芯体呈蜂窝结构，在高温下具有很高的承载能力和刚度及低的密度，使其成为航天飞机发动机理想的候选材料。但是由于制作工艺复杂、成型工艺困难和原材料昂贵使得它的推广应用很困难。美国建立了SiC纤维增强钛基复合材料生产线，已为直接进入轨道的航天飞机提供机翼、机身的蒙皮、支撑梁及加强筋等构件。

5.1.3镁基复合材料的应用

镁合金材料【8】具有密度小、比强度和比刚度高、良好的尺寸稳定性和优良的铸造性能，正成为现代高新技术领域中最有希望采用的一种复合材料，其综合性能优于铝基复合材料。此外，这种材料还具有优良的阻尼减振、电磁屏蔽等性能，在汽车制造工业中用作方向盘减振轴、活塞环、支架、变速箱外壳等，在通讯电子产品中的飞机、便携计算机等也用做外壳材料。SiC晶须增强镁基复合材料可用于制造齿轮，SiC和Al2O3颗粒增强镁基复合材料由于耐磨性好，可用于制造油泵的泵壳体、止推板、安全阀等零件。镁合金复合材料由于其优异的力学性能和物理性能已经显示出广阔的用途。5.2金属基复合材料研究趋势

(1)简化制备工艺,降低制备成本，始终是研究热点之一。

(2)目前金属基复合材料【9】的强化机制研究还不是很成熟，学术观点各有所见,很难达成共识。应加强对强化机制的研究，探讨复合材料的凝固过程，研究增强相与基体的微观作用机理，进一步推动金属基复合材料的发展。

(3)润湿性问题一直困扰研究金属基复合材料的学者，给实际制备复合材料带来很大的困难。目前，有些学者研究了铝基复合材料的润湿性，并取得了一定的进展。但对钢基复合材料的研究却很少，国内目前尚未见报道。如果想制备优良的钢基复合材料，润湿性问题尤显重要。

(4)研究的重点侧重于增强体与基体的结合界面及增强体在基体中的分布，却忽略了基体自身的性能。基体本身的性能对复合材料的影响也至关重要，性能优越的复合材料同样要求有性能优越的基体，因此应加大对基体和增强体性能同步提高的研究。

6结束语

由此看来,金属基复合材料研究较早,但关键处还有待突破;而表面复合金属基复合材料虽研究较晚,但由于具有相对简单的复合工艺和较低的造价等特性,正受到越来越多的重视。尽管金属基复合材料有于广大科研人员的继续努力。相信在不久的将来,金属基复合材料一定会在众多的材料家族中占有举足轻重的一席之地。我国金属基复合材料的研究起步仅落后于美、日等国不到五年。鉴于国际上金属基复合材料尚未大规模生产，因此目前差距不大。目前主要集中在以轻金属（如铝、镁、钛）等为基体的复合材料研究，少量研究致力于铜、铁、铅基体的复合材料。增强的形式包括连续纤维、短纤维、晶须和颗粒。鉴于国际的发展趋势侧重于非连续的颗粒、晶须和短纤维方面，因此我国的研究也早已转向这方面。但在关于其理论基础性研究的理论深度上与国外有一定的差距，特别是在原子、分子水平上深入认识界面的结构方面不够，这主要是缺少先进的分析表征手段和物理学家的介入不够有关。另外，复合材料可持续发展及其实用化降低成本的要求使金属基复合材料的再生问题显得尤为重要，应该加强对金属基复合材料的再生研究工作。

参考文献

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第四篇：金属有机化学的产生、发展及应用

金属有机化学的产生、发展及应用

——一门交叉学科的兴起

摘要：按时间顺序分阶段介绍了金属有机化学这门交叉学科的产生、发展及发展规律、在实践中的应用，以及从中体会到的学科的研究方法，并通过其前沿问题对其未来发展做作了展望。

关键词：金属有机化学 学科发展历史 发展规律 未来展望 研究方法

著名的物理学家普朗克曾说过：“科学是内在的整体。它被分解为单独的部门不是取决于物质的本质，而是取决于人类认识的局限性。”作为“中心的，实用的和创造性的科学”的化学，其发展过程中由于客观条件所限制而形成的认识上的局限性同样理所当然地导致了其内部学科的分化。但是人类认识的进步是必然的历史趋势，同时，科学技术的高度分化和高度综合的整体化趋势也促成了当初分化了的学科之间的交叉和渗透。金属有机化学作为化学中无机化学和有机化学两大学科的交叉从产生到发展直到今天逐渐地现代化，它始终处于化学学科和化工学科的最前线，生机勃勃，硕果累累。

化学主要是研究物质地组成、结构和性质；研究物质在各种不同聚集态下，在分子与原子水平上的变化和反应规律、结构和各种性质之间的相互关系；以及变化和反应过程中的结构变化，能量关系和对各种性质的影响的科学。金属有机化学所研究的对象一般是指其结构中存在金属－碳键的化合物。在目前为止人类发现的110多种化学元素中，金属元素占绝大部分，而碳元素所衍生出的有机物不仅数量庞大，而且增长速度也很快，将这两类以前人们认为互不相干的物质组合起来形成的金属有机化合物不仅仅是两者简单的加和关系，而应是乘积倍数关系。其中的许多金属有机化合物已经为人类进步和国民生产做出了特殊的贡献，更重要的是，金属有机化学是一门年轻的科学，是一座刚刚开始发掘的宝藏，发展及应用潜力不可估量。下面就按时间顺序来说明金属有机化学产生和发展及其规律以及在实践中的应用，并探讨学科的研究方法。

一.金属有机化学的产生与基本成形阶段（1823～1950年）1827年，丹麦药剂师蔡司（W.C.Zeise）在加热PtCl2/KCl的乙醇溶液时无意中得到了一种黄色的沉淀，由于当时的条件所限，他未能表征出这种黄色沉淀物质的结构。现已证明，这个化合物为金属有机化合物。蔡司可能不会想到，他无意中得到的这第一个技术有机化合物标志着的无机化学与有机化学的交叉学科金属有机化学的开端竟然比德国化学家维勒（F.Wohler）由无机化合物合成有机物尿素而首次在无机化学与有机化学这个当初人们认为不可逾越的鸿沟之间架起桥梁还要早一年。

第一个系统研究金属有机化学的首推英国化学家福朗克兰（E.Frankland）。起初，他把他制得的一些化合物错误地认为是他所想要“捕捉”的自由基，但实际上得到的是金属有机化合物。难能可贵的是，当他后来发现他得非所愿时，不但没有气馁，反而更深入地研究了这种“新奇”的化合物，总结出了金属有机化学的定义。

1899年，法国化学家格利雅（V.Grignard）在他的老师巴比尔（P.Barbier）的引导下，在前人研究的基础上发现了镁有机化合物RMgX并将它用于有机合成。这是本阶段金属有机化学发展的最重要的一页。他所发现的新试剂开创的新的有机合成方法在如今仍被广泛应用。由于他的卓越贡献，1912年，他获得了诺贝尔化学奖，这也是第一个获得诺贝尔奖的金属有机化学家。当时格利雅得知自己获奖后，曾写信强烈要求评审委员会让他与他老师巴比尔一起分享此奖，遗憾的是他的提议遭到了拒绝。

1922年美国的米基里（T.Midgeley）发现了四乙基铅及其优良的汽油抗震性。于是1923年便在工业上大规模生产用来作汽油抗震剂，这是第一个工业化生产的金属有机化合物，但后来铅严重影响儿童智力发育的发现给这种“优良”的抗震剂判了死刑，现在基本上已经被淘汰。

工业上第一次用金属有机化合物作为催化剂的配位催化过程是1938年的德国Ruhrchemie化学公司的罗伦（Ｏ.Rolen）发现的氢甲基化反应，以此开创了金属有机化学中的著名的羰基合成及配位催化学科。

综观这一时期金属有机化学的发展，有以下特点：

1.以经验积累为主，同时由于社会需要的推动，金属有机化学开始初步地应用于工业生产中，转化为现实生产力。无论是蔡司的偶然，还是福朗克兰的无意，但最终是他们奠定了金属有机化学发展的基石，都处于金属有机化学发展的感性认识阶段。可以说，偶然性中有必然性，而金属有机化学发展的必然性通过一件件的偶然发展表现出来。同时社会需要的强大推动力使得偶然发现的具有某些实用价值的金属有机化合物迅速地工业化并广泛应用，这种在不成熟的理论条件下的工业化无疑为“技术悖论”发挥其作用提供了滋生的温床。

2.以开创性工作居多，以提供后续发展的理论起点见长。学科交叉的最初一步这层窗户纸通常是偶然中被捅破的。虽然迈出的这第一步在理论上看来极不完善，在实践上也没有指导意义，但它是具有开创性，就象在人类进化过程中第一只直立行走的类人猿迈出的第一步。同时，在当时的客观条件下，那些科学家很难就他们的发现进行更进一步的分子水平上的结构检测，从而不能将其上升到由宏观到微观，再由微观反过来影响宏观的方法高度，但其所积累下来的宝贵经验成为下一阶段研究的理论的起点。

3.在研究方法上，虽然这一时期整个化学的研究环境比较艰苦，再加上金属有机化合物对空气对水比较敏感，常常化学家花了九牛二虎之力眼看就要得到产物了，但一不小心见一下空气，整个实验都白费！曾经有一个金属有机化学家说几乎每一个当时的从事金属有机的人都有过几次这样“只有哭鼻子”的经历。但就在这样艰苦的实验条件下，当时金属有机化学的奠基者们没有气馁，并善于观察，从偶然中找到必然。油浴分析条件差，对物质判断的失误是常事，但人们能从错误中总结，善于从失误中找到教训，错误或失误有其必然的价值，往往能得到种瓜得豆的效果。

二.金属有机化学的飞速发展阶段（1951－20世纪90年代初）1951年鲍森（P.L.Pauson）和米勒(S.A.Miller)的并非预期的实验结果，偶然地发现了二茂铁，由此引发的对金属有机化学原有理论上挑战揭开了金属有机化学发展的新序幕。这个发现是有里程碑式意义的。有了挑战就意味着有了进步的可能，即“穷则变，变则通。”凭着威尔金森（G.Wilkinson）和伍德沃德(R.B.Woodward)的智慧以及费舍尔（F.O.Fisher）辛勤工作，借助当时X射线衍射，核磁共掁，红外光谱等物理发展而提供的先进的检测技术手段，二茂铁的结构得以确认为三明治夹心结构。这个具有美妙而富有创意构型的分子不光使波澜不惊发展着的金属有机化学变得激流澎湃，同时也给理论化学中的分子轨道理论的发展提供了研究平台。

同时金属有机在工业生产的应用好像也不甘示弱，1953－1955年德国化学家齐格勒（K.Ziegler）和意大利化学家纳塔(G.Natt)发现了著名的乙烯、丙烯和其它烯烃聚合的Ziegler－Natt催化剂。这又是善于从偶然的事件中看到隐藏在后面的规律并成功应用于工业生产的成功事例。它能使得乙烯在较低压力下得到高密度的聚乙烯。高密度的聚乙烯在硬度、强度、抗环境压力开裂性等性能上都比原有的在高压下聚合得到的低密度聚乙烯好，较适合生产结构工业制品和生活用品，加上低压法生产相对高压法生产聚乙烯容易得多，因此聚乙烯工业得到了突飞猛进的发展，聚乙烯很快成为产量最大得塑料品种。随后在此基础上发展起来的定向聚合技术，不仅使高分子材料的生产上了一个台阶，而且也为配位催化作用开辟了广阔的研究领域，为现代合成材料工业奠定了基础。同时，这一发现还是高分子科学发展的一个重要里程碑，因为它标志着人类第一次可以在实验室内从乙烯、二乙烯及其其他单体合成过去只有生物体内才能合成的高分子。

1958年，德国Wacker Chemie化学公司的施密特(J.Smidt)实现了在钯催化下乙烯氧化合成乙酸的著名的瓦克工艺。施密特的特殊贡献不在于发现了什么新的化学反应，而是将以前发现的大家熟知的两个化学反应有机地巧妙“组合”在了一起，产生了“1+1>2”效应。同时他用钯代替汞作催化剂而消除了其对环境的污染危害。另外，瓦克工艺地发展使价廉的乙烯取代了价格昂贵、工业能耗高的乙炔成为化学工业的基础原料。

在金属有机开始蓬勃发展的背景之下，研究工作更需要研究者之间的合作与交流。于是1963年的一届金属有机化学国际会议在美国辛辛纳提州（Cincinnati,Ohio）召开，并开始出版金属有机化学杂志。

从此，金属有机化学的发展全方位开始欣欣向荣起来。20世纪60年代末期，大量新的、不同类型的金属有机化合物被合成出来。同时物理学的发展为其提供了更为先进的检测手段，使得通过对它们结构的测定而发现了许多新的结构类型。典型的代表就是1965年威尔金森（G.Wilkinson）合成了铑－膦配合物及发现了它优良的催化性能。由伍德沃德(R.B.Woodward)领导下的B12合成的成功宣告人类可以合成任何自然界存在的物质。进入20世纪70年代，科学家们逐渐归纳形成了一些金属有机化学反应的基元反应，从这些基元反应有发展成一些合成上有应用价值的反应。可以这么说，60年代金属有机化合物的合成、结构以及X－射线晶体结构的研究是70年代金属有机化合物在催化和合成中应用的前奏。这些反应往往是温和的，具有选择性的。例如，Monsanto公司的鲍里克(F.E.Paulik)实现了甲醇羰化制乙酸，而且这还是典型的绿色化学反应过程。凯姆（W.Keim）发现了镍配合物催化乙烯齐聚合成α－烯烃的SHOP工艺，开创了均相催化复相化的成功先例，解决了催化剂与产物分离的难题。

到20世纪70年代末，结合金属有机化合物的催化和选择性这两个性质发展成了催化的不对称合成。Monsanto公司的诺尔斯(W.Knowles)合成了治疗帕金森病的特效药L-Dopa，开创了不对称催化的新纪元。这又是人们利用金属有机化合物的某些优良特性，然后放大、组合来为人类造福。自然界存在的许多化合物是有手性的，也就是说它本身与它的镜像不能完全重合，就像人的左右手一样。拿药物分子来说，他的空间构型的某一种形式才对疾病有效，其他的构型没有疗效，或者药效相反，甚至对人体有害。震惊了欧洲的“反应停”事件就是很好的例子。如何得到我们想要的那种构型呢？金属有机化合物有了用武之地。金属有机化合物就像我们人的一只手，当它与药物分子反应时，就像人握手一样，两只右手或两只左手握在一块比一左手和一右手握在一起匹配，于是通过设计的金属有机化合物催化剂得到我们所需要的药物分子。这一学科经过20世纪80年代的经验积累，到了20世纪90年代有了飞速的发展。对其作出了卓越贡献的三位科学家诺尔斯(W.Knowles)、沙普勒斯（K.B.Sharpless）和野依良治也于2001年获得了诺贝尔化学奖。

这一时期的金属有机化学的发展有以下特点：

1.作为化学的热点学科之一，它在理论和实践上都有了长足的发展完善。50年代后的20多年期间，共有8位化学大师由于在金属有机化学研究中的成就尔获得诺贝尔化学奖。在20年期间内诺贝尔奖如此集中地授予同一三级学科是史无前例的。

2.在研究方法上有复杂到简单，再由简单到复杂。面对20世纪50、60年代积累起来的繁纷复杂的金属有机反应，化学家通过分类，归纳最终与70年代发现了金属有机化学反应的几个基元反应，然后，将这几个基元反应通过演绎的方式来指导以后金属有机化学反应的发现和工业化生产，促成了70年代后半期金属有机化学相关反应大规模的工业化生产及不对称催化的形成。

3.由理论研究到工业化生产的现实生产力转变的时间跨度变得愈来越短。往往是某一个具有价值的反应过程从实验室发现到完善、再到工业上的小试中试、最后到工业化生产实现要不上五年的时间，甚至更短。而这一过程过去则需要几十年或者更长。这一时期的化学家不光想着发现新的反应或化合物和结构，他们更关心和看重他们的发现的反应对实践的指导作用和所发现的物质的用途及工业化的实现。

4.在研究方法上，化学家成功应用新的检测手段为我所用，善于从前辈的丰富的经验积累中升华出理论，并将理论重新应用于实践，得到新的问题，在解决新问题的同时有进一步发展了理论。

三.金属有机化学的前沿问题及未来展望

1.环保 20世纪90年代末，化学面临着环境问题的严重挑战，原子经济性（指原料分子中究竟有百分之几的原子转化成所需要的产物）成了绿色化学的主要内容。过渡金属催化的高选择性能使金属有机化学能够扮演这个重要角色。同时绿色化学的12条准则中的大部分可以借助金属有机化学达到。比如预防环境污染、使用安全的助剂、提高能源经济性、减少衍生物、新型催化剂的开发等。这需要化学家，环境学者与专家的密切协作。

2.材料 应用金属有机机化合物作为催化剂合成电子材料、光学材料和具有特种性能的无机材料将是大有作为的。同时金属有机化合物本身作为材料也是研究的热点并又广阔的应用前景。这方面需要化学家、物理学家、材料科学家、技术专家的密切合作。

3.能源 以人工固氮及人工太阳能为主体的模拟生物功能来实现对能源的可持续性利用是21世纪能源方面研究的热点及前沿。实现这一过程的核心问题是模拟并应用自然界中植物用于固氮和转化太阳能的化学物质酶和叶绿素。而酶的大部分和叶绿素是金属有机化合物。金属有机化学在新能源利用方面责无旁贷也将大有作为。当然化学家还需要与生物学家，工程技术专家的共同协作。4.健康 生命最宝贵，而维持健康及治疗疾病的药物的研究与开发将是21世纪研究的热点。金属有机化合物不仅可以通过其催化性能来实现手性药物的合成，而且过去有机锑对血吸虫病、顺铂对癌症的优良疗效预示着金属有机化合物本身就是药物的大宝库。这需要免疫学家、放射学家、酶化学家的通力协作。

总之，在新的检测手段的强力支持下，在市场需求的不断拉动下，在可持续发展的大背景下，金属有机化学将成为新世纪环保、材料、能源及人类健康等方面研究开发的热门学科，其发展应用前景不可限量。

四.总结

作为一门交叉学科，金属有机化学自产生之日起，在社会需求的推动，本身问题的解决的拉动下，目前已成为化学中最活泼的学科之一。在它的发展过程中不仅屡次打破人们认识上的范式，而且在实现工业化过程中大大促进了生产力的发展。在新的世纪里，金属有机化学与新的具有活力的学科再次交叉，必将在环保、材料、能源和人类健康方面做出新的贡献。

参 考 资 料

1.何仁编著.配位催化与金属有机化学.北京：化学工业出版社，2002 2.R.布里斯罗著.化学的今天和明天：一门中心的、实用的和创造性的科学.北京：科学出版社，1998 3.陆熙炎主编.金属有机化合物的反应化学.北京：化学工业出版社，2000 4.王延吉，赵新强编著.绿色催化过程与工艺.北京：化学工业出版社，2002 5.黄耀曾.漫谈金属有机化学.中国教育星教育资源库及平台

6.王佛松，王夔等主编.展望21世纪的化学.北京：化学工业出版社，2000 7.周嘉华，倪莉著.造化之功：再显辉煌的化学.广州：广东人民出版社，2000 8.袁翰青，应礼文.化学重要史实.北京：人民教育出版社，1989 9.刘则渊.现代科学技术与马克思主义.大连：大连理工大学研究生院，2001 陈昌曙主编.自然辩证法概论新编.沈阳：东北大学出版社，2001

第五篇：2015年DARPA航空领域发展总结

2015年darpa在航空领域实施了数十个项目，涉及的研究领域包括体系作战、装备新概念、航电、通信、网电空间和机载武器等。受篇幅和darpa信息披露所限，本文仅统计和分析该局公布的航空领域的主要研究项目。

表1-4分别统计了2015年darpa在航空领域发布的跨部门公告（baa）、授予的项目合同、取得重要进展的项目和即将转化的项目。从统计结果可看出，2015年darpa在航空领域的成果颇丰，并特别重视探索与体系作战、机载系统和机载武器相关的先进技术。（见表1-表4）

darpa重视探索在强对抗环境中作使用航空技术

2009年以来，美国先后提出“重返亚洲”和“亚太再平衡”战略，把主要作战对象重新设定为中、俄等潜在竞争大国，并且正在打造一支聚焦高端作战能力、兼顾全谱作战任务的新型联合部队。而在2014年，美军又提出“第三次抵消战略”，试图以国防科技创新为核心，提升美军军事优势，增强对大国的慑止和制胜能力。以美军顶层战略为牵引，darpa在2015年3月公布的最新一版发展战略报告――《服务于国家安全的突破性技术》中明确指出，该局在航空领域的发展目标为保持美军在强对抗环境中的空中优势。为此，darpa正在实施以下各类技术探索项目，以落实战略报告的发展目标。

探索分布式作战技术，设计全新空中作战样式

“分布式作战”是美军着眼于未来强对抗环境而探讨的全新作战样式，主要思想是将昂贵大型装备的功能分解到大量小型平台上，并通过自主、协同等技术达到相同或更高的作战能力。与目前空战作战样式相比，采用大量具有分布式协同作战能力的小型无人机可大幅降低任务成本，提高作战灵活性，而且大量的目标可使敌方防御系统产生“饱和”而无法全部应对，即便无人机群会受到部分损失，但作为整体仍可完成作战任务。目前，darpa是美军分布式作战技术的主要研发机构，其正在围绕机体平台、开放式系统架构、协同作战、战场管理等各个维度，为美军探索这种全新空中作战样式。

“小精灵”项目2015年darpa推出了“小精灵”项目，该项目将发展小型无人机群的空中发射和回收技术；小型、可升级、可支持多机合作的有效载荷技术；精确的相对导航技术；先进的计算建模技术；可变几何外形的存储技术；紧凑的推进系统技术和高速数字式飞行控制技术，最终将开展演示验证试飞工作。

“体系集成技术试验”（sosite）项目sosite项目着重探索开放式体系架构技术，目标是以美军现有能力为基础，把单一装备的空战能力分布在大量可互操作的有人和无人平台上，实现各种先进机载系统和机载武器的即插即用，极大提升分布式作战的灵活性。

“拒止环境中的协同作战”（code）项目code项目通过发展先进算法和软件，探索分布式作战无人机的自主和协同技术，使无人机群可在一名操作人员的管理下协作完成发现、跟踪、识别和攻击目标等任务。

“分布式作战管理”（dbm）项目dbm项目聚焦发展先进算法和软件，提高任务自适应规划和态势感知等能力，帮助履行战场管理任务的飞行员进行快速且合理的决策，确保在强对抗环境中更好地执行分布式作战等复杂军事任务。

探索强对抗环境中使用的通信、组网、导航和雷达技术

强对抗环境中的电磁干扰和网电攻击，可导致通信中断与降级、gps信号丢失、isr信息无法获取、激光指示器失去作用等问题，使战机看不清、听不真，难以获取空中优势。目前美国已认识到该问题的严重性，―方面表示在十多年反恐战中使用的通信、导航等技术在大国对抗中难有作为，另一方面又大肆鼓吹中国和俄罗斯强大的电子战能力，为获取经费造势。目前，darpa启动了多个相关研究项目，探索在强对抗环境中使用的通信、组网、导航和雷达等技术，为提升美军空中力量的看不见的“内力”打牢技术基础。

“100gbps射频高速链路”（100g）项目100g项目旨在设计、制造和试验与光纤能力相当的机载通信数据链，并可在远距离传播过程中有效穿透云、雨、雾等各种天气环境。该数据链通信速率为100gb/s，配装高空长航时飞机时的对空作用距离200千米，对地作用距离100千米。

“满足任务最优化的动态适应网络”（dynamo）项目dynamo项目通过发展网络动态适应技术，使美军各独立设计的空基网络在面对敌方主动电子干扰时，仍可在一定安全等级下开展及时、高速通信，使配装专有传感器的某型飞机能够顺利向其他型号的有人/无人平台发送和接收信息，确保满足复杂的分布式作战任务所需。

“强对抗环境中的空间、时间和方位信息”（stoic）项目stoic项目通过开发包含精确定位、导航和皮秒等级授时技术在内的多功能通信系统原型，实现降低或取消对gps的依赖。该项目能够使分布式作战平台具备协同目标定位、协同导航、自主空中加油和碰撞规避等功能。

“雷达自适应对抗”（arc）项目arc项目旨在发展基于模块化、开放式和可拓展的软件处理技术，使美军空基电子战系统在复杂电磁环境下，能够基于空中可观测信号，理清友军、敌军和中立的发射机，并针对快速变化且未知的雷达威胁进行对抗及效果评估。

探索自主能力常规灵巧弹药、高超声速武器、激光武器技术

美军评估认为，其目前的机载武器多为精确制导炸弹或空地导弹（包括亚声速巡航导弹），应对没有强大防空武器的地区性国家和反恐分子游刃有余，但是在面对拥有现代一体化防空能力的军事大国时，便显得捉襟见肘，因此急需装备全新的机载武器为介入强对抗环境提供支持。目前darpa正从自主能力常规灵巧弹药、高超声速武器和激光武器等多角度发力，为美军塑造全新的空基打击能力。

“高能液体激光区域防御系统”（hellads）项目darpa在hellads项目中正与afrl联合开发一型功率等级达150千瓦的战术级机载激光器，以对抗火箭弹、炮弹、迫击弹、巡航导弹、飞机和地对空导弹等各类目标。该项目的打靶试验即将在新墨西哥州白沙导弹靶场进行。

darpa牵头与军种共同推进有重大型号背景的项目

2015年，darpa除了开展各类前沿性技术探索，还与军种联合实施了一些具有重大型号背景的研发项目，例如远距反舰弹项目、六代机技术演示验证机项目等。国防部和各军种寄希望于依托darpa丰富的研发经验、独立于军种的特殊地位和非常规的采办流程，实现重大型号背景项目快速转化为采办项目或直接投产列装。

“远距反舰弹”（lrasm）项目为了对付“反介入/区域拒止”环境中日益严重的海上威胁，美军急需获得跨越式的先进反舰作战能力。2008年在美海军没有周详发展计划的情况下，国防部要求darpa启动由其牵头、海军参与的lrasm项目，并采用创新的采办策略，绕过常规采办流程，加速进攻型反舰导弹的型号研制。likasm项目主要开展大型机载武器自主技术的研发，配装的综合传感器可使导弹在复杂电磁环境中具备独立的导航飞行、规划航路、捕获目标和识别目标薄弱点进行攻击的能力，大幅降低了对isr、数据链和gps依赖，在敌方先进对抗手段面前具备了精确杀伤能力。

目前，为加速推进重大项目型号的技术发展，darpa可以在常设技术办公室之外成立临时的专项办公室统筹项目实施。因此针对lrasm项目，darpa与美海军、空军共同组建了lrasm部署专项办公室（ldo）。值得注意的是，ldo是darpa有史以来的首个以型号研制为目的办公室。这一方面说明lrasm很有可能通过非常规的采办流程，在darpa直接转化为型号列装；另―方面表明该局拥有高度灵活的体制机制。根据美军安排，lrasm导弹计划于2018年和2019年分别配装空军b-1b轰炸机和海军f/a-18舰载战斗机服役。

第六代战斗机演示验证机项目（aii-x）2015年初，美国防部要求darpa抓总，空、海军配合实施第六代战斗机（以下简称六代机）技术演示验证机项目（aii-x）。该项目自2016财年起将为美空、海军分别发展平台不同但技术通用的两型技术演示验证机。针对aii-x项目，darpa与美海军、空军共同组建该局的第2个临时专项办公室，即航空航天专项办公室（apo）。目前，apo已为美军的六代机初步识别出了升级的隐身技术、先进的组网技术、可靠的导航技术、主被动防御技术和电子战技术等通用技术。在apo的领导下，将对上述技术开展集成验证，以实现六代机关键技术成体系、上水平地发展，加快美军六代机关键技术的发展和转化进程。

几点看法

darpa重新聚焦前沿军事技术探索

darpa的使命任务虽为探索前沿军事技术，但其技术聚焦方向并非一成不变，而是不断在近期需求和远期需求之间频繁波动。当美国卷入局部战争时，darpa会更多聚焦当下战争所需，发展可满足近期作战需求的技术。在美国着眼大国对抗时，darpa将根据竞争对手的实际情况探索相应的前沿军事技术。例如在越战期间，darpa主要发展满足作战所需的各种技术；而冷战高峰期，darpa在“第二次抵消战略”中针对苏联探索并转化了隐身和精确制导等前沿军事技术。在21世纪初开始的10余年的反恐战争期间，darpa又开始聚焦各类反恐技术的发展，以致美国舆论批评时任局长托尼?特瑟背离了darpa的使命。目前随着美国军事战略又一次转向大国对抗，特别是在提出了“第三次抵消战略”之后，darpa又开始重新聚焦前沿军事技术的探索和转化。可以预期，darpa将秉承在上一次抵消战略中发挥重要作用的优良传统，结合美军的未来作战需求和竞争对手的装备情况，力求实现技术突袭，为持续确保美军的技术优势发挥重要作用。

darpa在航空领域的发展特点总结

通过对darpa当前研究项目的梳理可发现，该局在航空领域的发展体现出无人机能力拓展、多路径探索自主技术、注重强对抗空域协同技术和聚焦战术级高速打击武器技术等特点。而这在一定程度上也代表了美军空中作战力量的未来发展趋势。

在无人机领域，darpa即将开展多个无人原型机的试飞工作，相比于传统的中/高空长航时无人机，它们将进一步拓展未来无人机的作战范围和样式。例如“战术侦察节点”（tern）项目正在发展可在小型舰艇上垂直起降的中空长航时察打一体无人机技术，如顺利转化，将使美军数百艘水面舰艇具备使用长航时无人机的能力，显著变革海上航空力量的发展和运用；“可重构嵌入式航空系统”（ares）项目着重探索货运无人机技术，使运输类无人机成为无人机领域未来的重点发展方向之一。“小精灵”项目聚焦可执行分布式作战的小型无人机技术，将使未来空战样式发生翻天覆地的变化。

在自主技术领域，目前美军高度重视自主技术的发展，美国防部把自主武器列为“第三次抵消战略”中五大战略投资领域之一，而美空军也把自主技术列入未来五大改变游戏规则的技术。目前，darpa正在全力推进自主技术发展，分别围绕自主导航、自主识别和自主规划等技术领域安排了多个项目，以探索各种技术路径的可行性，一旦突破了某条路径，便可使美军装备的自主能力得到快速发展。例如在自主导航领域，除stoic和sectr项目外，darpa还安排了“适应性导航系统”（ans）、“微型定位、导航、授时技术”（micro-pnt）、“量子辅助传感与读出”（quasar）、“超快激光科学与工程”（pulse）等数个不同技术路径的项目，力求通过全面探索冷原子干涉陀螺仪、微机电系统、高精度原子钟、超短脉冲激光、被动捷联式电光/红外传感器等各种技术，为美军提供不依赖gps的可靠的定位、导航和授时服务。在协同技术领域，目前美军提出的作战云、分布式作战、分布式杀伤等作战概念均属于协同作战范畴，而高级的有人/无人作战编组也入选全新抵消战略的战略投资重点。与美空军目前着力打通五代机和四代机之间的通信，确保f-22a融入空战体系不同，darpa在协同化方面探索得更远，即着重发展强对抗环境下的协同技术，为美军赢得未来空战提前布局。该局正通过code、dynamo等项目探索先进的软件和算法，确保美军各空中作战平台在遭到电磁干扰和网电攻击时仍可具备安全组网和通信等功能，实现在强对抗环境中有效执行联合作战任务。

在高速打击武器技术领域，dapra正在攻克战术级高超声速武器和激光武器技术。在高超声速技术方面，区别于美陆军和俄罗斯等国研发的使用弹道导弹发射的战略级高超声速助推滑翔弹，dapra正在发展可配装在战斗机上的战术级高超声速助推滑翔技术，并力求在2020年左右转为在册采办项目。弹头的小型化和空基发射方式将极大降低采购成本，显著增加采购数量和作战灵活性。激光武器技术方面，战术级机载激光武器具有杀伤时间短和发射次数多等特点，将是在强对抗环境中使用的重要装备。但受平台起飞重量和振动的影响，高功率战术级机载激光武器的研制难度较大。目前美空军的“自保护高能激光器验证”（shield）项目正在发展数十千瓦功率等级的机载激光武器技术，而darpa牵头的hellads项目的功率等级为150千瓦，这使该局在战术级机载激光武器领域处于行业领先地位。

我国应做好积极防范措施

从以上分析可看出，随着我国的迅速崛起和被美国列为主要假想敌，darpa在美国全新军事战略的指导下，有史以来第一次开始针对我国发展前沿军事技术，这应引起我国的高度重视。为了防范与应对，我国首先应做好情报预警工作，其次要大力探索符合我国国情的前沿军事技术。

在情报预警工作方面，一是要密切跟踪darpa的战略发展报告，理清投资重点，总结战略发展方向；二是要分析darpa着眼大国对抗所实施的研究项目，深入剖析技术途径及对作战产生的影响。最后综合以上梳理darpa的技术发展趋势及技术谱系，为我国提早做出应对措施做好情报准备；在开展前沿军事技术探索方面，随着国防科技水平与国外军事强国差距逐步缩小，跟踪研仿模式已不符合我军新时期的发展需求。因此我国也应效仿darpa，提出并探索适合我国国情的前沿军事技术。这不仅可为研制未来先进作战装备做好技术铺垫，还可在―定程度上对美国的“第三次抵消战略”实施反抵消，降低美军对我国的强大军事威胁。