新材料技術成熟度等級劃分與評估體系研究

盧 健，楊 天，熊艷才，張 博，陳偉光

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

1 前言

2019年，我國正式發布《新材料技術成熟度等級劃分及定義》（GB/T 37264-2018）推薦性國家標準，該標準的發布使得我國具有了評價新材料技術成熟度的指導性依據，但標準中材料成熟度的符合性指標并不清晰，從另一個方面來說，材料的成熟應用也離不開裝備，材料的服役環境也與裝備的技術要求、設計壽命、服役環境等息息相關，各方因素與新材料在裝備上的應用情況息息相關，本項目針對這些內容開展研究工作，結合新材料的研發、應用研究、標準化及在裝備上的應用驗證進行探討，并針對新材料的成熟度評價，形成針對應用的補充原則，力求對于裝備中使用的新材料的技術成熟度做出準確的評價。

2 技術成熟度體系簡介

2.1 國內外的項目技術成熟度體系

上世紀80年代，美國航空航天局（NASA）首先提出了項目技術成熟度的概念。1995年發布了技術成熟度白皮書。在這份文件中，技術成熟度分為9個等級，即從第1級的科學原理到第9級的系統應用[1]，級別越高代表技術的成熟度越好。隨后，這套體系被美國國防部（DoD）采納，并用于支撐項目采辦。2013年國際標準化組織正式出版了《航天系統技術成熟度等級及評價準則定義》（ISO 16290-2013），并逐步形成了技術成熟度評價體系。

2.2 國內的材料技術成熟度評價體系

國外在評價材料技術這類相對“專一”的技術體系時，并未采用專用的技術成熟度評價體系，而是直接使用針對項目開發的技術成熟度評價體系。

去年，我國發布了《新材料技術成熟度等級劃分及定義》（GB/T 37264-2018），該標準的發布解決了國內評價新材料技術成熟度標準缺失的問題，對材料技術成熟度的評價劃分了9個級別，并進行描述，見表1的前兩列。

但僅僅用這些內容來評價具體材料成熟度，是遠遠不夠的。由于材料技術成熟度離不開材料的環境應用，筆者著重從航空用材料研制的角度展開思考和研究。

3 新材料技術成熟度體系分析研究

3.1 新材料技術成熟度體系的分解研究

我們對表1進行分解，所示的9級新材料技術成熟度，實際上涉及了新材料研發過程中的多個維度，這些維度主要有：新材料的性能指標特性、新材料的可制造特性、新材料的使用驗證特性等。對國標中所描述的各個階段技術成熟度展開分析，結果見表1。

表1 新材料各成熟度等級及所涉及的維度

由此可見，新材料的技術成熟度至少會涉及“性能指標”、“制造或工藝”、“環境應用”三個維度，任何一個維度的缺失，都意味著成熟度評價體系的不完整。

事實上，這些維度之間是有關聯的，它們具有一定的獨立不相關性，只有把這些維度組合起來，才能夠組成材料成熟度的各個維度。

3.2 新材料技術成熟度體系中各維度之間的關系

在理想狀態下，以上三個維度應該相輔相成，從材料研制到生產的過程中“齊步走”?？稍诂F實中，經常會遇到單一維度“短板”的情況，例如：

某高溫合金單晶葉片：在性能維度上，葉片已經滿足了裝備的技術指標，在應用維度上，葉片可以在發動機上熱端部件上應用，甚至其裝備的發動機已經批產，但在可制造維度上，材料的合格率一直很低。直到采取新的型芯材料、定位方式，將易產生結晶缺陷的蓋板、葉片分體制造工藝改進為葉身蓋板一體化單晶整鑄成形，顯著降低了結晶缺陷出現的概率[2]這才補齊了制造維度的“短板”；再比如直升機旋翼系統用的一些零件：在可制造維度上，材料制品已經能夠實現大批量生產，在應用維度上，零部件甚至整機都已經服役，但在性能指標維度上存在“短板”，由于長壽命指標不滿足，導致制品的壽命不滿足裝備的服役要求，材料制品不得不在外場維護中增加檢修環節。

因此，材料的技術成熟度被某一維度“拉低”的情況時有發生，所以這三個維度方面的工作是具有一定獨立性的；但從結果和服務對象及各自作用上來看，三個維度之間又有著相互深刻的影響，并最終影響著具體材料的技術成熟度總體等級。

3.3 新材料技術成熟度的分級與評價的基礎

綜上所述，當需要評價一種新材料時，是還需要一些前提條件的，即是要在給定性能指標條件、可制造條件和環境應用條件的基礎上才能夠評價某一新材料的技術成熟度。

例如某鋁合金預拉伸厚板，若缺乏厚度規格（可制造維度），應用零件（應用場景維度），將無法評定其成熟度。這種情況的說明見表2。

表2 某鋁合金預拉伸厚板在不同制備條件下成熟度評估

即便對于同一材料，由于使用背景不同，其成熟度也不盡相同，同樣還是以某鋁合金厚板來舉例，使用在早期的第三代作戰飛機上和使用在改進型上，由于需求不同，滿足需求的所需的性能指標研究不同，例如：

早期的飛機使用的是靜強度設計方法，評價承力金屬材料的技術指標主要是強度和塑形，直到上世紀50年代“彗星”號失事，評價金屬材料的指標中加了“疲勞性能”“缺口疲勞性能”“腐蝕疲勞性能”等，隨著近年來恒幅、變幅載荷下疲勞性能裂紋擴展性能的研究，損傷容限設計方法的引入，“疲勞裂紋擴展速率”、“平面斷裂韌度”等技術指標也逐步被納入了評價承力金屬材料的技術指標中[3]。例如：

早期的三代機對材料的要求是僅僅滿足一定程度的疲勞性能，使得在測試過程中，滿足機體壽命的疲勞強度循環次數一般107就能夠滿足要求，也就是說只要完成107循環，即標志著材料的疲勞性能滿足使用需求（如實驗室條件下測試的，則可認為該材料用于三代機早期機型，其成熟度達到了3級）；而在新型飛機上使用同樣的材料，用于長壽命設計飛機時，需要其疲勞壽命達到2X107，甚至達到108，這樣一來，同樣的材料，用于新型飛機時，其成熟度將不到3級。技術成熟度三級要求“主要性能通過實驗室測試驗證”，而不同的使用環境“主要性能”的要求是不同的。因此同一種材料，若是將其用于在不同服役環境下，其技術成熟度是不同的，也就是說材料技術的成熟度評級是與使用環境密切相關的。

除此以外，材料的技術成熟度還與可制造性維度等其他因素相關，這里不再贅述。

綜上所述，若需要客觀準確地評價某一新材料的技術成熟度，則必須先明確材料的技術指標特性、可制造性特性以及材料的應用環境特性三個維度的要求。即：材料需什么樣的性能指標，材料制備是在什么樣的制造條件下進行的，材料制成品的服役條件是什么。這些是評價材料技術成熟度的基礎。

4 結論

《新材料技術成熟度等級劃分及定義》（GB/T 37264-2018）國家標準的發布，該標準的發布解決了國內評價新材料技術成熟度標準缺失的問題，是新材料技術成熟度的評價的重要依據。

新材料技術成熟度等級評價體系事實上是由“性能指標”、“制造或工藝”、“環境應用”三個維度構成的，任何一個維度的缺失，都意味著成熟度評價體系的不完整。

應用對象的“性能指標”、“制造或工藝”、“環境應用”一旦發生變化，即使對同一新材料來評價，其技術成熟度等級也會隨之變化。

新材料技術成熟度是與人們對材料特性指標的了解、材料制備工藝方法的深入、以及材料應用的場景這幾個維度密切相關的。同樣，也只有先明確這幾方面的要求，才具備評價某個新材料的技術成熟度的條件。