美國海軍高級(jí)將領(lǐng)幾年前曾批評(píng)稱，生銹正成為最大的敵人。如今這句話的“含金量”還在上升。近日社交媒體上流傳的照片顯示，不僅是美海軍艦艇上的斑斑銹跡引發(fā)廣泛批評(píng)，戰(zhàn)斗機(jī)的情況也同樣不堪。無論是先進(jìn)的F-35隱形戰(zhàn)斗機(jī)，還是戰(zhàn)力出眾的F-15E重型戰(zhàn)斗機(jī)，全都出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕情況。專家指出，裝備的生銹問題，反映出美軍從冷戰(zhàn)時(shí)期的“以戰(zhàn)備為中心”轉(zhuǎn)變?yōu)楹推綍r(shí)期的“以部署為中心”，在這個(gè)過程中，美軍的戰(zhàn)斗準(zhǔn)備開始“長期、不可阻擋地下降”。
近日有外媒報(bào)道，美國海軍研究局與約翰·霍普金斯大學(xué)聯(lián)合開發(fā)出一種新的涂層添加劑，用于軍用戰(zhàn)術(shù)車輛的維修與保養(yǎng)。新的涂層添加劑被稱為“聚成纖維原細(xì)胞”，由填滿油狀液體的聚合物微球組成，抗腐蝕性較強(qiáng)，可以添加到現(xiàn)有的涂層底漆中使用。當(dāng)車輛表面受損時(shí)，受損處周邊涂層中的聚合物微球會(huì)自動(dòng)破裂，釋放油狀液體，在暴露的金屬材料外面形成蠟狀防水層，從而有效防止車輛表面銹蝕，讓車輛保持良好外觀。
涂層作為金屬基材表面保護(hù)和防腐的功能性材料，已在人類生活和生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在軍事領(lǐng)域，涂層更是被視為提升武器裝備性能和延長使用壽命的重要技術(shù)手段之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過60%的武器裝備非戰(zhàn)斗損失可歸因于材料腐蝕。
比如，海洋環(huán)境中的鹽霧會(huì)加速材料的電化學(xué)腐蝕過程，沙漠地區(qū)的高溫和風(fēng)沙會(huì)加劇材料的磨損和氧化，極地低溫環(huán)境可能導(dǎo)致材料變脆，降低其抗沖擊性能。這些環(huán)境因素對(duì)武器裝備的耐久性和可靠性構(gòu)成嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。與此同時(shí)，技術(shù)發(fā)展和戰(zhàn)爭形態(tài)的演變對(duì)軍用涂層提出更高要求，尤其是在應(yīng)對(duì)高速飛行氣動(dòng)沖擊和復(fù)雜生化威脅方面。
然而，傳統(tǒng)涂層的局限性日益凸顯。受撞擊、磨損、紫外照射和腐蝕介質(zhì)等因素影響，涂層易出現(xiàn)難以察覺的輕微損傷。在實(shí)際應(yīng)用中，由于檢測手段的局限性和修復(fù)成本的制約，這些輕微損傷往往難以被及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ)，這不僅加劇武器裝備表面材料的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，還可能引發(fā)內(nèi)部嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)性問題。
因此，開發(fā)具備自修復(fù)能力的新型涂層成為多國研發(fā)的重點(diǎn)。與傳統(tǒng)軍用涂層相比，新型軍用自修復(fù)涂層通過材料科學(xué)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在涂層內(nèi)加入自修復(fù)機(jī)制，當(dāng)涂層出現(xiàn)損傷，預(yù)設(shè)修復(fù)機(jī)制會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)損傷部位的自我修復(fù)。
根據(jù)修復(fù)原理的不同，軍用自修復(fù)涂層主要分為外援型自修復(fù)涂層與本征型自修復(fù)涂層，兩類涂層在實(shí)現(xiàn)路徑和技術(shù)特點(diǎn)上存在明顯差異。外援型自修復(fù)涂層的核心是通過在涂層材料中引入外源修復(fù)劑以實(shí)現(xiàn)損傷修復(fù)。這類涂層通常在基體中嵌入微型膠囊、納米容器或功能性纖維，當(dāng)涂層受到機(jī)械損傷或特定刺激時(shí)，修復(fù)劑通過物理破裂或化學(xué)響應(yīng)進(jìn)行釋放，填充至損傷區(qū)域，通過物理固化或化學(xué)反應(yīng)完成自修復(fù)過程。
俄羅斯科學(xué)院西伯利亞分院開發(fā)的陶瓷復(fù)合材料涂層是典型代表。該涂層在2700攝氏度的極端高溫下仍能保持性能穩(wěn)定，其表面生成的玻璃狀保護(hù)層能有效阻斷氧氣，并在10分鐘內(nèi)完成對(duì)損傷區(qū)域的修復(fù)。目前，該涂層已應(yīng)用于超音速飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)試驗(yàn)，未來有望進(jìn)一步拓展至渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和航天器動(dòng)力系統(tǒng)等領(lǐng)域。
本征型自修復(fù)涂層是一種無需依賴外部修復(fù)劑的智能材料，其修復(fù)機(jī)制基于涂層內(nèi)部樹脂分子結(jié)構(gòu)的可逆化學(xué)反應(yīng)或大分子微觀結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)重組。這類涂層在受到損傷時(shí)，可通過化學(xué)鍵重組或分子鏈重排實(shí)現(xiàn)自我修復(fù)。其中，銦鎵合金液態(tài)金屬涂層是典型代表。這種涂層可通過調(diào)解表面張力實(shí)現(xiàn)液滴變形?？蒲腥藛T將其涂抹在戰(zhàn)斗機(jī)電路電線的內(nèi)表面，當(dāng)線路發(fā)生破損時(shí)，涂層能通過改變形狀快速修復(fù)電路，降低戰(zhàn)斗機(jī)電路故障率。類似技術(shù)還被用于衛(wèi)星天線系統(tǒng)，通過紫外光觸發(fā)聚硅氧烷涂層分子鏈的重排，實(shí)現(xiàn)對(duì)毫米級(jí)裂紋的有效修復(fù)。
事實(shí)上，軍用自修復(fù)涂層的核心價(jià)值，在于通過材料的自我修復(fù)能力，提升裝備的戰(zhàn)場生存能力和持續(xù)作戰(zhàn)效能。傳統(tǒng)裝備一旦遭受損傷，戰(zhàn)斗力往往出現(xiàn)斷崖式下降，而軍用自修復(fù)涂層能讓裝備在受損后實(shí)現(xiàn)“邊打邊修”，延長作戰(zhàn)時(shí)間。
當(dāng)前，軍用自修復(fù)涂層多停留在實(shí)驗(yàn)室層面，要想走向?qū)崙?zhàn)應(yīng)用，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。首先，目前軍用自修復(fù)涂層的修復(fù)能力局限于微米級(jí)損傷(如劃痕、微小凹坑)，對(duì)炮彈破片等造成的厘米級(jí)穿透損傷修復(fù)效果十分有限。研究表明，當(dāng)涂層表面裂縫寬度超過3毫米時(shí)，修復(fù)劑的擴(kuò)散路徑被嚴(yán)重阻斷，導(dǎo)致分子鏈重組效率顯著下降。這意味著，現(xiàn)有自修復(fù)涂層更適合作為裝備的“日常防護(hù)層”，而非應(yīng)對(duì)高強(qiáng)度沖擊的“戰(zhàn)場防護(hù)層”。
其次，自修復(fù)涂層在極端環(huán)境下的適應(yīng)性不足，成為其在實(shí)際應(yīng)用中的另一瓶頸。在極端溫度和濕度條件下，新型自修復(fù)涂層的修復(fù)效率普遍大幅降低，影響涂層的實(shí)用性和可靠性。如美軍F/A-18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)在北極零下40攝氏度的環(huán)境中測試時(shí)，自修復(fù)聚合物涂層因分子鏈運(yùn)動(dòng)受限而凍結(jié)，無法正常工作。工程師不得不為涂層加裝微型加熱片，以維持其在低溫環(huán)境下的修復(fù)能力。
最后，成本與量產(chǎn)難題成為軍用自修復(fù)涂層大規(guī)模應(yīng)用的主要障礙。部分高性能自修復(fù)涂層因制備工藝復(fù)雜，導(dǎo)致其成本居高不下。以銦鎵合金液態(tài)金屬涂層為例，若在戰(zhàn)機(jī)上大規(guī)模使用，總成本將極其高昂。此外，該涂層的封裝工藝對(duì)生產(chǎn)線要求較高，目前僅能實(shí)現(xiàn)小批量試制。
分析人士指出，開發(fā)低成本、高效率的新型涂層制備技術(shù)已成為當(dāng)務(wù)之急。未來，隨著材料科學(xué)的進(jìn)步和智能制造技術(shù)的發(fā)展，或許有望突破現(xiàn)有技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)軍用自修復(fù)涂層的批量化生產(chǎn)與廣泛應(yīng)用。
來源：中國軍網(wǎng)、解放軍報(bào)、中國國防報(bào)等綜合
