面向旋翼飞行器应用的先进陶瓷材料发展研究

谌广昌 ,  冯胜全 ,  段小明 ,  汪其堃 ,  巢昺轩 ,  廖兴祺 ,  汪永清 ,  江瑜华 ,  杨东雷 ,  李新民 ,  梁昆 ,  邓旭东 ,  余瑾 ,  刘博雅 ,  李伟 ,  朱本胜 ,  贾德昌 ,  周玉

中国工程科学 ›› : 1 -15.

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中国工程科学 ›› : 1 -15. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2025.11.032

面向旋翼飞行器应用的先进陶瓷材料发展研究

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Development of Advanced Ceramic Materials for Rotorcraft

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摘要

先进陶瓷材料是旋翼飞行器热端部件、动态能量冲击防护部件安全运行的根基，也是旋翼飞行器电动化、智能化发展的重要物质基础；把握面向旋翼飞行器应用的先进陶瓷材料技术方向并构思未来发展，将为国内先进陶瓷材料产业发展、旋翼飞行器装备能力提升提供关键支撑。本文在研判旋翼飞行器高生存力、结构轻量化、全疆域／全天候服役、智能化等需求驱动先进材料应用发展的基础上，论述了先进陶瓷材料的技术特征和旋翼飞行器先进陶瓷材料应用的适配性，概要梳理了国内旋翼飞行器先进陶瓷材料研究进展；系统总结了旋翼飞行器先进陶瓷材料应用发展趋势，即结构陶瓷材料的轻质高性能化是支撑特定结构部位安全运行的根基、先进陶瓷材料的复合高韧性化成为可靠性提升的关键支撑、压电陶瓷的多功能化是智能化发展的物质基础、信息功能陶瓷的柔性化并与人工智能融合是实体数字化转型的重要驱动力。研究提出，以面向高生存力的防弹陶瓷材料、面向全疆域服役的陶瓷复合涂层、面向全天侯服役的压电陶瓷材料、面向智能化的柔性压电器件、面向极速研发的先进陶瓷数字验证技术等作为旋翼飞行器先进陶瓷材料应用的未来主攻方向，加快推动先进陶瓷材料技术进步，稳健提升旋翼飞行器综合应用效能。

Abstract

Advanced ceramic materials are the foundation for the safe operation of hot-end components and dynamic energy impact protection components of rotorcraft, as well as an important material basis for the electrification and intelligent development of rotorcraft. Grasping the technical direction of advanced ceramic materials oriented to rotorcraft applications and envisioning future development will provide key support for the development of China's advanced ceramic material industry and the improvement in its rotorcraft equipment capacity. The study explores the application of advanced materials driven by the demand of rotorcraft for high survivability, lightweight structures, all-domain/all-weather service, and intelligence, expounds on the technical characteristics of advanced ceramic materials and the adaptability of these materials for rotorcraft, and reviews the research progress of advanced ceramic materials for rotorcraft in China. Moreover, it summarizes the development trends in this field. Specifically, lightweight yet high-performance structural ceramic materials underpin the safe operation of specific structural parts; the composite toughening of advanced ceramic materials has become the key support for reliability improvement; multifunctional piezoelectric ceramics are the material basis for intelligent development; and the flexibility of information functional ceramics and its fusion with artificial intelligence are important driving forces for digital transformation of physical systems. The study proposes that future research and application of advanced ceramic materials for rotorcraft should prioritize bulletproof ceramic materials for high survivability, ceramic composite coatings for all-domain service, piezoelectric ceramic materials for all-weather service, flexible piezoelectric devices for intelligent integration, and advanced ceramic digital qualification technology for rapid research and development. These efforts aim to accelerate the technological progress of advanced ceramic materials and improve the comprehensive application efficiency of rotorcraft.

Graphical abstract

关键词

旋翼飞行器 / 先进陶瓷 / 压电陶瓷 / 智能化 / 智能材料与器件

Key words

rotorcraft / advanced ceramic materials / piezoelectric ceramics / intelligent / smart materials and devices

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谌广昌,冯胜全,段小明,汪其堃,巢昺轩,廖兴祺,汪永清,江瑜华,杨东雷,李新民,梁昆,邓旭东,余瑾,刘博雅,李伟,朱本胜,贾德昌,周玉. 面向旋翼飞行器应用的先进陶瓷材料发展研究[J]. 中国工程科学, , (): 1-15 DOI:10.15302/J-SSCAE-2025.11.032

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一、 前言

未来的旋翼飞行器具有高速、远航程、高生存力、智能化的特征，也具备全疆域／全天候服役的能力[1-4]。以旋翼飞行器为代表的航空航天装备创新发展，对先进陶瓷材料应用提出了迫切需求。先进陶瓷材料是采用高纯度无机原料，通过精确化学计量和新型制备技术制成的材料，分为结构陶瓷材料、功能陶瓷材料两大类：前者具有轻质、高硬度、高强度、高模量、耐高／低温等优异性能，是旋翼飞行器高速动态冲击能量防护部件安全运行的基础材料；后者具有特定的电、磁、光学、声学性能，较多应用于旋翼飞行器的智能旋翼、结构健康监测（SHM）、结构防／除冰等方面，是旋翼飞行器智能化、全疆域／全天候服役的物质基础[5]。培育和布局面向旋翼飞行器的先进陶瓷材料产业，有助于国产旋翼飞行器供应链的本土化发展，支持提升国产旋翼飞行器的产品竞争力。

近年来，在航空航天重点装备的需求牵引下，国内基本构建了牌号齐全、自主保障的Al2O3/Al2O3、C/C、C/SiC、SiC/SiC等结构陶瓷材料体系。然而，针对未来旋翼飞行器电动化、智能化、绿色环保、低成本发展对先进陶瓷材料的应用需求，以柔性微型压电纤维复合材料为代表的高性能智能材料与器件长期由发达国家把控，在制备和应用技术上对我国采取高度保密与技术封锁，只对少数科研机构销售特定尺寸的产品；国内的轻质陶瓷 ‒ 韧性复合材料、高性能柔性压电智能材料等停留在高校和科研院所试制阶段，相较旋翼飞行器工程应用上的小批量／高稳定性能需求存在不小的差距。此外，国内材料领域长期重视材料研制、轻视材料应用，导致新材料开发与装备实际需求长期割裂、新材料高效普适性应用验证方法成熟度偏低，成为未来旋翼飞行器所需先进陶瓷材料应用面临的主要挑战。

围绕旋翼飞行器应用场景下的先进陶瓷材料，美国实施了极端动态冲击环境用材料、未来嵌入式旋翼机维修保障技术等项目[6-9]；欧洲开展了高效旋翼用形状自适应桨叶、面向检测的设计优化等技术研究[10-12]。在国内，以中国航发北京航空材料研究院、武汉理工大学、中国科学院上海硅酸盐研究所、哈尔滨工业大学、中国直升机设计研究所为代表的科研机构，针对旋翼飞行器驾驶舱装甲防护部位、发动机尾喷管热防护部位，开展了陶瓷装甲材料、陶瓷基复合材料的研制与应用工作[13-14]；以中国科学院深圳先进技术研究院、上海交通大学、南京航空航天大学为代表的科研机构，针对旋翼飞行器SHM用柔性压电导波传感器阵列、基于锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷的柔性振动能量采集器等器件开展了大量研究，但多处于实验室研究阶段，尚未形成产业优势[15-16]。

本文结合未来旋翼飞行器高生存力、轻量化（即高速远航程新构型发展需求）、全疆域／全天候服役、智能化的技术发展趋势，论述先进陶瓷材料的需求背景，总结旋翼飞行器先进陶瓷材料技术研究进展并研判未来发展方向，分析防弹陶瓷、陶瓷复合涂层、压电陶瓷、柔性压电器件、介质陶瓷等先进陶瓷材料在旋翼飞行器特定结构中的应用场景与主要特征。相关工作进展可为国内先进陶瓷材料技术研发和产业发展、旋翼飞行器装备能力提升建设提供参考。

二、 旋翼飞行器先进陶瓷材料应用需求分析

（一） 旋翼飞行器需求驱动的先进材料应用发展

旋翼飞行器具有垂直起降、空中悬停、前后左右飞行、近地机动能力强的典型特征，在军用和民用领域发挥着重要作用[17-19]。在军用领域，可执行低空突防、兵力运输等任务；在民用领域，可用于医疗救护、旅游观景等场景，是通用航空市场和低空空域的重要飞行载具。为了应对未来复杂战场环境和应用形势的变化，加之新能源、新构型、人工智能等使能技术迅猛发展，未来的旋翼飞行器朝着高生存力、轻量化（高速远航程）、全疆域／全天候服役、智能化（飞行／任务／维护）方向发展，牵引着以先进陶瓷材料为代表的高性能材料应用发展。

1. 旋翼飞行器高生存力需求驱动的先进材料应用发展

旋翼飞行器面临低空／超低空多样威胁，特别是在未来战场环境下威胁来源呈现体系化、多样化、智能化、低成本化特点，推动旋翼飞行器生存力成为影响作战任务完成度、体系贡献率的核心能力指标。例如，美国提出了基于体系技术的高生存力威胁防护方法，强调利用“有人 ‒ 无人”协同作业，构建以认知升级为核心的体系化智能防护网络，以增强旋翼飞行器作战体系单元的生存力。在推进智能化系统、远程打击武器研发的同时，为提高旋翼飞行器平台自身的单机生存力，避免被发现／击中（高隐身）、避免／吸收损伤（抗冲击）、避免被损坏（耐坠毁），可采取如下措施：仿生声学／红外隐身超材料可有效遮蔽旋翼飞行器的结构特征探测信号，反应烧结可曲面一体化成型非透明装甲陶瓷材料将显著提升旋翼飞行器关键结构的动态高能冲击防护效能，负泊松比点阵吸能超材料夹芯结构应用于驾驶舱／座舱底部将高效吸收旋翼飞行器紧急迫降时的冲击能量。为此，应着重推进这些先进材料的应用发展。

2. 旋翼飞行器结构轻量化需求驱动的先进材料应用发展

旋翼飞行器朝着经济、高效、高速化方向发展[20]，从常规的单旋翼带尾桨构型演进到高速新构型，如美国研制V-280倾转旋翼飞行器、SB-1共轴高速复合推进旋翼飞行器，欧洲空客直升机公司稳步推进快速高效旋翼飞行器项目[21]。在空机质量占比方面，常规构型旋翼飞行器为50%~55%，而共轴、倾转、复合推进等新构型旋翼飞行器一般超过60%。可见，新构型旋翼飞行器对有效提升结构质量效益的先进材料提出了迫切需求。从结构质量效益提升的高载荷源头处卸载、结构承载能力提升、结构寄生质量消除等方面出发，可采取如下措施：高阻尼材料、振动／噪声机械能至电能高转换效率材料布置于振动源（如旋翼系统）和振动传递路径（如变距拉杆），将实现旋翼飞行器高频振动能转换为结构热能及电能，进而降低振动源处诱发的高疲劳载荷；高抗擦蚀钛合金将提升旋翼桨毂钛合金中央件的疲劳载荷极限设计许用值；铝合金高速机加工艺、复合材料一体化成型等结构整体成型技术将减少紧固件的使用量。为此，应着重推进这些先进材料的应用发展。

3. 旋翼飞行器全疆域／全天候服役需求驱动的先进材料应用发展

旋翼飞行器具有垂直起降、悬停飞行、复杂地形适应能力，能在高原、丛林、海岛、沙漠等极端地形中自由活动，从而突破地理限制并实现全疆域覆盖。在自然灾害（如地震、洪水、泥石流）或突发事故中，旋翼飞行器是黄金救援时间段内执行任务的主力装备之一，能在冰雪、暴雨等恶劣天气中抵达现场并实施全天候作业。旋翼飞行器全疆域覆盖、全天候作业面临恶劣的地理条件和极端的气候环境，对结构环境耐久性、飞行安全性提出了严酷挑战。复合材料结构表面轻质一体化雷击防护材料可实现旋翼飞行器复合材料蒙皮结构遭受雷击后不会出现热损伤而降低结构完整性。高效电加热／剪切共振的防／除冰材料可降低旋翼飞行器桨叶及进气道等关键结构用防／除冰系统的结构质量。无机（陶瓷） ‒ 有机（聚合物）杂化复合涂层等绿色腐蚀防护材料可提升旋翼飞行器结构在恶劣腐蚀及复杂力学环境耦合工况下的耐久性。为此，应着重推进这些先进材料的应用发展。

4. 旋翼飞行器智能化需求驱动的先进材料应用发展

旋翼飞行器的智能化发展是航空技术与人工智能、物联网、材料科学等融合的产物，通过感知、决策、控制、驱动、维护等环节的智能化，推动旋翼飞行器的自主化、高效化、安全化。先进材料技术是旋翼飞行器智能化发展的核心技术支撑。以压电材料、形状记忆合金为代表的结构变形控制材料，可实现旋翼桨叶等关键结构外形的智能实时变化，成为旋翼飞行器智能变体发展的物质基础。以表贴式柔性压电复合材料、嵌入式传感器材料为代表的结构状态自感知材料，与主流的结构承载材料有机结合，可实现旋翼传动等动部件的结构状态感知和疲劳性能预测，成为旋翼飞行器结构智能预测性维护的物质基础。为此，应着重推进这些先进材料的应用发展。

（二） 先进陶瓷材料的技术特征

先进陶瓷材料一般通过精密合成、成型、烧结工艺制备，具有优异的力学、热学、电学、光学、化学性能；依据材料的性能和应用领域，主要分为结构陶瓷材料、功能陶瓷材料两大类。

1. 结构陶瓷材料以高硬耐磨等力学性能为核心

结构陶瓷具有轻质、耐高温、高硬度耐磨、高强度、高模量、抗氧化等综合性能优势，是航空航天装备高温结构部件、飞行器起落架刹车等特定结构部位的理想选材。结构陶瓷材料涵盖氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、陶瓷基复合材料。以Al2O3为代表的氧化物陶瓷具有高硬度、耐磨性、耐高温性、绝缘性，主要应用于切削刀具及发动机部件。以Si3N4为代表的氮化物陶瓷具有轻质、低膨胀系数、低摩擦系数、自润滑特性、高疲劳寿命，在旋翼飞行器的传动系统轴承中获得大量应用。B4C碳化物陶瓷是已知硬度最高的结构陶瓷之一（莫氏硬度为9.5），成为旋翼飞行器驾驶舱等弹击防护部位防弹装甲迎弹面的首选材料体系。Cf /SiC陶瓷基复合材料具有更低的密度、较低的生产成本、更好的热稳定性、高温下较高的强度保持率等优势，在起落架、旋翼刹车装置摩擦副等部位获得广泛应用。

2. 功能陶瓷材料以电学、磁学等物化特性为核心

功能陶瓷材料通过特定的电学、磁学、光学、热学性能实现功能化应用。例如，压电陶瓷材料具有机械能与电能相互转换效率高、稳定性及可靠性高等优异性能，成为各类传感器、驱动器的核心材料，将支撑旋翼飞行器结构智能健康监测需求，促进航空航天装备机载系统、平台结构的智能感知与驱动性能提升。功能陶瓷材料涵盖压电陶瓷、铁电陶瓷、半导体陶瓷、透明光学陶瓷。PZT陶瓷具备压电性、铁电性，广泛应用于旋翼飞行器SHM系统中的传感器、换能器、驱动器、电容器、存储器等器件。微波铁氧体半导体陶瓷具有独特的旋磁效应，可实现微波传输信号的隔离、移相、调制、倍频、放大、通路选择、极化状态控制等，成为旋翼飞行器机载通信器件的关键材料。在旋翼飞行器驾驶舱透明防弹装甲方面，以蓝宝石单晶为代表的透明光学晶体具有高的透光率和机械强度，是最为成熟的迎弹面材料；氮氧化铝透明陶瓷性能优异且成本较低，是迎弹面的良好候选材料。

（三） 旋翼飞行器先进陶瓷材料应用的适配性

旋翼飞行器作为现代航空装备体系的核心组成部分、国家综合实力的战略支撑装备，发展水平事关国家安全、应急救援、民生保障能力。结构陶瓷材料的高硬度、高强度、高耐磨等优异力学性能，将支撑旋翼飞行器高生存力、结构轻量化发展。功能陶瓷材料的压电、铁电、旋磁效应等优异物化特征，将支撑旋翼飞行器智能化发展，拓展全疆域／全天候的运行能力。

先进陶瓷材料虽然适配旋翼飞行器的能力发展趋势，但存在诸多的工程化应用挑战。例如，陶瓷材料韧性不足，易发生脆性断裂；制备工艺复杂，需要高温烧结、精密加工，也易产生气孔／裂纹缺陷；陶瓷与金属／复合材料的热膨胀系数差异明显，导致热循环载荷下易产生应力集中。为此，采用梯度陶瓷材料技术与反应烧结工艺，研发无机 ‒ 有机杂化涂层制备、柔性基材复合等新技术，成为解决旋翼飞行器先进陶瓷材料工程化应用瓶颈的重要方向。

以旋翼飞行器为需求对象，牵引关键部位新型防弹陶瓷、铝合金部件腐蚀防护用绿色环保陶瓷复合涂层、轻质低能耗压电防／除冰系统用高性能矩形纤维复合材料（MFC）、结构（含电池能源单元）智能健康监测用柔性压电器件、机载通信设备一体化集成化用介质陶瓷微波器件等先进陶瓷材料的应用发展（见图1），能够适配未来旋翼飞行器高生存力、轻量化、电动化、智能化发展趋势以及全疆域／全天候服役的能力特征。

三、 旋翼飞行器先进陶瓷材料研究进展与应用发展趋势

（一） 旋翼飞行器先进陶瓷材料研究进展

国内先进陶瓷科研生产优势单位主要有：航天材料及工艺研究所、中国航发北京航空材料研究院、山东工业陶瓷研究设计院有限公司、新型陶瓷纤维及其复合材料国家级重点实验室、超高温结构复合材料国家级重点实验室等。重点关注空天往返飞行器、高超声速飞行器、高推重比航空发动机等的耐热结构工作温度及寿命提升对先进陶瓷材料的应用发展需求，推动重复使用超高温陶瓷基复合材料、低成本超高温陶瓷基体涂层等材料发展。

针对旋翼飞行器驾驶舱弹击防护区域、发动机周边热区区域、结构机械连接电偶腐蚀防护等特定结构部位对先进陶瓷材料的应用需求，中国航发北京航空材料研究院、武汉理工大学、中国科学院化学研究所、哈尔滨工业大学等科研机构开展了大量的研究工作。例如，B4C陶瓷复合装甲在旋翼飞行器驾驶舱座舱等关键部位获得批量应用，Al2O3f /Al2O3复合材料应用于旋翼飞行器发动机尾喷管并在开展考核验证，溶胶 ‒ 凝胶工艺制备的无机（陶瓷） ‒ 有机（聚合物）杂化复合涂层应用于旋翼飞行器结构紧固件并在开展工艺适用性验证。

也要注意到，针对旋翼飞行器结构SHM所需的PZT陶瓷材料、高性能压电陶瓷纤维复合材料等，工程化应用的真实需求指标、智能材料及器件的研制推广指标之间未能紧密衔接。例如，应以检测概率（POD，95%置信度下、90%可检测尺寸数值群的最小值）的检陷尺寸为依据制定结构缺陷检测指标、工程化应用指标等的检测阀值，而研制推广指标多以最小可检测的缺陷尺寸为检测阀值，一定程度上存在“材 ‒ 器 ‒ 用”脱节问题。在压电陶瓷产品方面，国内虽然企业数量较多，但行业“小、杂、散”问题突出，表明市场竞争力、产业技术水平有待提升，产品结构有待升级[22]。

（二） 旋翼飞行器先进陶瓷材料应用发展趋势

1. 结构陶瓷材料的轻质高性能化是支撑旋翼飞行器特定结构部位安全运行的根基

在结构陶瓷材料方面，Al2O3f /Al2O3、Cf /C、SiCf /SiC、Cf /SiC是主要类型。Cf /C复合材料抗氧化性能较低，SiCf /SiC陶瓷基复合材料制造成本较高，Al2O3f /Al2O3复合材料成本约为SiCf /SiC复合材料的1/3且抗氧化性能优于Cf /C复合材料。目前，Al2O3f /Al2O3复合材料逐步推广应用至旋翼飞行器发动机尾喷管、红外抑制器等较低工作温度（600~700 ℃）部件上的高温部位[23-24]。

无机聚合物基复合材料及其转化的陶瓷基复合材料，兼具低温制备、高温服役、成分调控、绿色制备等优势。特别是以铝硅酸盐为主的地质聚合物及其转化的陶瓷材料体系，可在80~200 ℃条件下固化成型，具有优异的力学性能、耐火性、可模压性；在热解后经高温转化可生成镁铝尖晶石、碳化硅等陶瓷相，形成致密且热稳定的转化陶瓷基复合材料；在800~1200 ℃服役范围内表现出优良的抗热震性、抗氧化性、耐腐蚀性，成为旋翼飞行器发动机舱防火墙、喷管衬套等中高温结构部件实施低成本制备的优选方案。

在多元低空威胁、未来复杂战场环境的双重挑战下，旋翼飞行器成为执行低空／超低空作战任务的重要装备，生存能力提升演变为核心问题。需聚焦旋翼飞行器平台自身防护能力增强，优化轻质防护装甲以有效提升单机生存力，扩展防护部位的应用范围以提升整体防护性能；也应避免结构自身质量、采购成本的明显增加，以保障旋翼飞行器的飞行性能（如有效商载、航程）和经济性。为此，防护装甲材料朝着轻量化、复合化、高性能方向发展，如梯度功能陶瓷、改性韧化陶瓷、新型透明陶瓷材料等轻质高强防护材料，复杂形状整体陶瓷部件反应烧结工艺等制备工艺。

整体来看，结构陶瓷材料将继续朝着轻质化、高性能化方向发展。在采用梯度设计、纤维增强等技术创新后，结构陶瓷材料在旋翼飞行器热端结构部件、起落架高耐磨刹车装置、旋翼飞行器动态冲击防护等方面的应用将不断深化，为旋翼飞行器特定结构部位的安全运行提供更强支撑。

2. 先进陶瓷材料的复合高韧性化成为旋翼飞行器可靠性提升的关键支撑

先进陶瓷材料的断裂韧性较低，是相关部件在以旋翼飞行器为代表的航空航天装备中应用的性能瓶颈。开展先进陶瓷的高韧性化研究一直是航空航天装备用先进陶瓷材料的核心课题之一，与金属、非金属、树脂基复合材料组合后能够实现优势互补。

旋翼飞行器垂直起降对场地要求不高，作为旋翼飞行器升力面和操纵面的桨叶一般采用轻质环氧树脂基复合材料制备即可。复合材料在砂尘、雨滴等低能量冲击下容易诱发内部分层的目视不可检损伤，树脂基复合材料也不具备雷击防护性能。对于旋翼桨叶的前缘翼型段，应选用具有雷击、低能量冲击综合防护能力的材料，以不锈钢包铁、镍包铁等高比重合金居多。陶瓷 ‒ 金属复合涂层兼具陶瓷的轻质、硬度、耐腐蚀以及金属的韧性、导电性等优势，相较高比重合金材料可减小结构质量50%以上，成为旋翼桨叶前缘防护理想的候选材料[25-26]。

旋翼飞行器结构复杂且集成度高，通常采用机械连接或胶接附加螺栓紧固件等形式来连接主要结构，所需紧固件数量多、种类多。然而，旋翼飞行器在低空／超低空服役场景下面临高温、高湿、高盐雾等环境条件，机械连接结构的装配间隙、异质材料接触、基材／紧固件表面防护层损伤等因素耦合，导致紧固件与基材之间极易产生腐蚀。这种腐蚀不仅增加装备维护成本，而且显著增大事故发生概率，对装备可靠性和安全构成严重影响。无机（陶瓷） ‒ 有机（聚合物）杂化复合涂层兼具陶瓷材料的高硬度、高强度、高耐磨以及有机聚合物的柔性、高韧性，可作为紧固件和基材之间致密耐久的电绝缘涂层[27]，起到极佳的腐蚀防护效果，将有效提升旋翼飞行器的可靠性和安全性。

旋翼飞行器受发动机尾喷管高温废气侵袭的结构部位主要是发动机整流罩、尾段蒙皮，通常采用环氧树脂基复合材料、双马树脂基复合材料制备；在长期暴露于高温废气侵袭环境后，热软化或其他退化效应将导致热应力裂纹扩展至失效，故不适用于300 ℃以上的热区。上述部位热防护如选用金属热屏蔽材料，将带来结构质量和厚度增加、隔热涂层面临耐久性和结合力较弱等问题。陶瓷 ‒ 树脂基复合材料的复合，结合了陶瓷基复合材料的耐热、耐磨、化学稳定以及树脂基复合材料的轻质、可承载能力强等优势，在寄生厚度、结构附加质量代价最小的情况下确保了蒙皮结构完整性、旋翼飞行器的飞行安全[28]。

随着低空经济产业演进，电垂直起降飞行器（e-VTOL）蓬勃发展。轻质（体密度为1.65 g/cm3）、阻燃防火（承受1100 ℃火焰燃烧15 min后不蔓延且不会释放烟雾或毒性气体）、较好力学性能（拉伸强度超过200 MPa、拉伸模量约为70 GPa）、高抗冲击（外部高速砂粒冲击后不破损）的碳纤维增强玻璃陶瓷基复合材料，具备优异的电池热失控防护能力，是e-VTOL电池外壳的理想选材；可取代e-VTOL电池外壳常用的钛合金，在不影响安全性的前提下获得明显的结构质量收益，即将转入产业化发展阶段。

整体来看，先进陶瓷材料的复合高韧性化处理，将有效克服先进陶瓷部件在旋翼飞行器上应用的性能瓶颈，拓宽在旋翼飞行器紧固件机械连接结构、高温侵袭承载结构、电池热失控防护结构等部位的应用范围，进一步提升旋翼飞行器特定结构部件的可靠性。

3. 压电陶瓷的多功能化是旋翼飞行器智能化发展的物质基础

智能化是未来旋翼飞行器的重要特征之一，也是相应技术体系发展的重要方向，主要体现在两方面：基于智能材料与器件的感知能力，实现结构和系统状态的自感知以及对周边运行环境与态势的感知；基于智能材料与器件的驱动能力，实现结构在不同飞行环境和状态下的主动变形。

SHM系统采用智能材料与器件，可在线感知并监控关键结构的力学特征参数，以保障装备服役安全。SHM系统实现规模化装机应用的瓶颈之一是系统安装（如电线电缆、能量供应单元等附件）带来较大的结构质量。采用压电陶瓷激励器、传感器集成阵列，发展基于弹性波的声学感知、主动感知声学 ‒ 超声导波的SHM系统[29]，以监测弹性波及导波信号异常的方式实时在线感知并识别结构损伤，对微观损伤具有较高的敏感性和稳定性。自供电的无线多源传感器集成是基于导波的SHM系统发展方向，关注三方面技术突破：发展兼具高能量密度、高机电耦合效率的MFC振动能量采集器，为SHM系统提供必要的能量；采用新型功能陶瓷材料，开发超低能量消耗的无线电子设备；发展无线加密编码技术；开展压电陶瓷激励器／传感器、光纤、加速度传感器等的一体化集成，构建面向工程应用的超低能量消耗、自供电、轻量化、分布式、微型多源感知结构SHM系统[30-31]。

振动和噪声是对旋翼飞行器的重要系统、飞行器自身运行的可靠性等产生一定危害的机械能[32]，如航电系统电子元器件因振动导致封装失效／电荷泄露等，雷达或声纳等任务系统因噪声导致信噪比降低、旋翼桨毂等飞行关键结构产生裂纹。压电陶瓷具有机械能至电能互换效率高、稳定性与可靠性高等优势，利用压电陶瓷将具有危害性的振动和噪声等机械能转换为电能等有益能量，是推动旋翼飞行器振动和噪声“变废为宝”的有益方案。旋翼系统是旋翼飞行器的振动和噪声源，可发展相应的主动减振降噪技术：利用桨叶内部预埋的压电陶瓷驱动器，控制桨叶的升力展向分布和周期时变特性，实现主动襟翼控制功能[33-34]；利用桨叶蒙皮铺覆的压电应变片，在电压驱动下沿桨叶展向引入扭转力矩并产生桨叶扭转变形，实现主动扭转旋翼功能[35-36]。主动襟翼控制、主动扭转旋翼的发展与压电陶瓷技术进步密切相关，从PZT到主动纤维复合材料、MFC、单晶MFC、多层堆叠MFC，持续减小压电陶瓷驱动器对桨叶结构的寄生结构质量与厚度，同步提升压电陶瓷的驱动效能与力学性能[37-39]。

整体来看，压电陶瓷的多功能化为未来旋翼飞行器的智能化提供了物质基础，支持解决旋翼飞行器的结构状态智能自感知、自诊断，复杂结构件疲劳预测等难题，以关键结构外形的智能实时变化来显著提升旋翼飞行器的性能。

4. 信息功能陶瓷的柔性化并与人工智能融合是旋翼飞行器实体数字化转型的重要驱动力

在数字空间开展战略筹划、装备论证、研制生产、试验鉴定、运用保障等装备全生命周期建设管理活动，即为装备数字化。建立虚实互动的装备建设新范式，将显著提升装备建设发展的质量效益。基于数字样机构建数字装备模型，接入使用保障数据和实时状态信息，支持在数字空间内开展运用推演、维修保障等演练。

采用柔性电路板表贴式智能蒙皮传感系统，将传感、驱动、微处理器等功能器件集成并表贴于旋翼飞行器蒙皮结构表面，使结构在承载能力以外具有感知、处理、通知控制等功能；能够获取旋翼飞行器的实时状态信息，避免对气动飞行性能造成的负面效应，对结构和系统方案改动影响最小化，是未来机载气动层传感器的最优方式。以PZT为代表的信息功能陶瓷传感器，对压力信号、振动信号均敏感，适用于柔性电路板表贴式智能蒙皮的多参数传感[40]。结合应用大面积曲面电路图案化、曲面大规模通孔互联与传感贴装、大面积薄膜制备等新型微纳制造技术，可在柔性基体材料上制备大规模高密度阵列化PZT传感器、芯片、电路等器件，使复杂结构适配传感器网络（数量超过1万个、支持变形和温／湿度等环境行为结构响应量分析）[41]。

基于柔性传感器网络获取变形、温／湿度等环境行为结构响应量将生成海量的测量数据，从中获取有关装备结构状态的实时有效信息极具挑战性。这对采用合适方法对大数据进行学习理解、进而作出适当决策的数据驱动系统提出了迫切需求。近年来，结合机器学习、神经元网络机理、监督／无监督学习等形成了多保真度代理模型驱动的稳健数字孪生系统；应用基于人工智能的智能代理模型，结合运用高保真实时实测数据源、基于机器学习的数据低维模型，开展装备的实时动态孪生及状态评估，可以解决结构响应量大尺度、非线性、非稳态引发的高精度数值仿真模型计算资源不足的问题[42-43]。

整体来看，信息功能陶瓷的柔性化并与人工智能融合，为建立在役旋翼飞行器的数字孪生系统创造了条件。推动基于数字孪生的装备结构完整性预测工具，开展基于预测性分析的装备故障智能维修，是旋翼飞行器实体数字化转型的重要驱动力。发展以旋磁铁氧体为代表的介质陶瓷并结合异型增材制造、共烧复合基片等技术，提高铁氧体材料器件的一体化水平，也为航空机载通信设备的小型集成化、高性能化提供了物质基础。

四、 旋翼飞行器先进陶瓷材料应用主攻方向

（一） 面向旋翼飞行器高生存力的防弹陶瓷材料

针对旋翼飞行器面临的多元低空威胁、未来更为复杂的运行环境[44]，从体系生存力智能化、单机生存力两个维度提升装备战场生存力，建立“远（体系防护） ‒ 中（干扰拦截） ‒ 近（装备自身防护）”一体化的防护生存力提升体系。

在旋翼飞行器的自身防护方面，根据美国陆军航空兵的旋翼飞行器实战统计数据，在机组人员关键防护结构部位匹配防弹措施（如机组人员正面匹配透明陶瓷装甲、侧面及底部匹配非透明装甲）后，因关键部件被击中诱发的灾难性坠毁事件显著下降[45]。可提高旋翼飞行器击中坠毁概率的关键部件一般为飞行控制操纵等外形不规则的任务系统部件，而装甲防护部位的应用扩展，也将带来装备自身结构质量的增加，进而影响有效载荷及航程等飞行性能。为了权衡装备生存力、飞行性能，研发旋翼飞行器关键部件的大曲率复杂形状、高性能低成本的陶瓷轻质复合装甲是必由之路。

突破先进陶瓷防护材料技术，首先需要革新材料体系，开发梯度功能陶瓷材料以优化应力分布，通过多层梯度设计提升对冲击能量的吸收效率。采用改性增韧技术提高材料断裂韧性，是先进防弹陶瓷轻量化、复合化发展的有效措施。其次，需要升级材料制备工艺，如复杂形状整体陶瓷部件的反应烧结、增材制造等成型工艺，实现大曲率复杂曲面陶瓷构件的近净成形；开发陶瓷面板、复合材料背板组件的直接集成工艺，有效降低防弹装甲一体化的制备成本。

针对未来旋翼飞行器的高战场生存力应用需求，同步保持装备结构质量代价的整体可控，选取代表性关键部件，开展旋翼飞行器主机厂所与国内防弹装甲优势研发单位的协同创新。阐明高速动态能量冲击防护机理、防护材料抗弹击性能优化机制，获得防弹陶瓷“材料组分 ‒ 制备工艺 ‒ 显微结构 ‒ 宏观力学性能 ‒ 防护特性”的优化技术途径，提升防弹陶瓷材料的尺寸与形状可控性，改善新型防弹陶瓷材料的防护效能与制备效率，形成更加高效灵活的防弹装甲解决方案。

（二） 面向旋翼飞行器全疆域服役的陶瓷复合涂层

旋翼飞行器应用范围覆盖全疆域，体现出高度的应用灵活性，但也意味着面临恶劣的自然服役环境，对结构的环境耐久性提出了挑战。树脂基复合材料具有较优的耐候性、耐腐蚀性以及极佳的力学性能，是旋翼飞行器结构环境适应性和耐久性设计的最佳选材[46]。然而，树脂基复合材料结构存在较多采用的预浸渍原材料形式成本较高、热压罐制备工艺相对复杂、环氧树脂难以分解回收等缺点。目前，具有低密度、高强度、低成本、高断裂韧性、可回收等特点的铝合金仍在旋翼飞行器结构中得到大量应用（全机结构占比为35%~45%），但铝合金的抗疲劳性能一般、耐腐蚀性较差[47]；将铝合金应用于旋翼飞行器不与外界环境直接接触的机体框、梁、加强筋、连接角材等对疲劳性能要求不高的静部件结构，可显著缓解旋翼飞行器结构的环境耐久性问题。

综合考虑应用场景、制造成本等因素，旋翼飞行器一般采用水密而非气密结构。不同温／湿度环境下产生的冷凝水等外部因素，将导致铝合金框、梁等结构不可避免地面临水汽汇集形成电解质环境，进而引发电偶腐蚀问题，需要对旋翼飞行器铝合金结构采取腐蚀防护措施。较多采用的铝合金表面处理防护措施有3种：铬酸阳极化的转化膜腐蚀防护效果最好，但涉及有害性物质而为禁限用工艺，环保防护与处置措施非常严格，应用范围仅限于机体结构主承力框等铝合金结构关键件；磷酸阳极化适用于复合材料与铝合金胶接、铝合金与铝合金胶接的铝合金表面处理，工艺具有一定的环境污染性；硫酸阳极化成本最低，工艺具有较强的腐蚀性。针对未来数量众多的e-VTOL等旋翼飞行器市场，开展无铬、绿色环保、人因工程友好、高耐腐蚀的铝合金表面处理技术研究具有良好的应用前景。

基于溶胶 ‒ 凝胶工艺制备的无机（陶瓷） ‒ 有机（聚合物）杂化复合涂层，可在铝合金基材表面形成致密保护层以防止水汽渗入隔绝电解质，针对涂层的组分可开展不同腐蚀抑制剂的调配；作为航空飞行器铝合金结构的无铬表面处理技术，为铝合金结构提供良好的腐蚀防护性能，通过了大型航空装备企业的应用验证。目前，航空飞行器铝合金结构用溶胶 ‒ 凝胶工艺的无机（陶瓷） ‒ 有机（聚合物）杂化复合涂层，主要由发达国家企业提供[48]；国内已有高校、科研院所开展了相关研究，但均处于材料研制或工程化考核验证阶段，与国外成熟的批量化产品相比存在差距[49]。

整体来看，以旋翼飞行器全疆域服役场景下的铝合金结构环境耐久性需求为导向，攻克无机（陶瓷） ‒ 有机（聚合物）杂化复合涂层制备关键技术、建立自主知识产权并开展工程应用为目标，设计满足航空飞行器铝合金结构高耐久腐蚀防护需求的创新配方，支持陶瓷复合涂层技术的自主发展，推动旋翼飞行器铝合金结构的示范性应用。

（三） 面向旋翼飞行器全天侯服役的压电陶瓷材料

旋翼飞行器全天候服役指旋翼飞行器在各种复杂环境、极端气候条件（如高／低温、严寒、雨雪）下均能保证稳定运行、可靠性能的特性。在极端气候条件下，云层中含有大量的过冷水滴，旋翼飞行器在云层中飞行时过冷水滴撞击到飞行器表面后受到扰动而立即由液态转为固态，从而在旋翼飞行器的桨叶、尾桨、发动机进气道等结构表面结冰；如不及时处理，会导致结构表面积冰，对旋翼飞行器飞行性能产生重要影响[50-51]。

电热防／除冰系统是解决旋翼飞行器结冰问题的成熟方案，但应用的突出问题是结构质量较大、能量消耗过高：对于前者，美国贝尔412直升机在0.5 gr/m含水量条件下的有效桨叶电热防冰系统质量为73.5 kg[52-53]；对于后者，美国H-60直升机桨叶电热防冰系统受限于桨叶厚度（5~8 mm），加热功率密度需为2~3 W/cm2，明显高于固定翼飞机的1.5~2 W/cm2[54-55]。实际上，多数中轻型旋翼飞行器并未配置防／除冰系统，而是通过预报等方式简单避免冰情，也就降低了旋翼飞行器的应用优势。轻质、低能耗、结构简单的防／除冰方法成为旋翼飞行器全天候服役的迫切需求。

压电防／除冰技术原理是应用共振现象，无需消耗过多能量即可产生足够的应力，以破坏冰层并促进冰层剥落[56]。为了实现压电驱动器的轻质化、柔性化，提高驱动效能、损伤容限、耐久度，材料选用从压电陶瓷发展到柔性压电复合材料、柔性压电叠层复合材料[57]。高性能压电驱动器与微机电系统频率控制器、现场可编程门阵列微控制器进行集成，支持压电共振剪切防／除冰系统的轻质、低能耗、薄型、智能化发展[58]。压电共振剪切防／除冰系统通过了机载环境应用考核验证，确认了系统自身防雷击、抗疲劳、耐冲击等性能以及共振剪切应力不会导致结构损伤[59]。基于德国智能材料公司MFC驱动器的复合材料机翼压电防冰智能蒙皮系统（线密度为0.45 kg/m，防冰模式能量消耗为0.053 W/cm2）已在无人固定翼飞行器上获得应用[60]，体现了旋翼飞行器上的应用潜力。在国家自然科学基金、装备研制基金等课题的支撑下，南京航空航天大学等高校开展了基于PZT-8纯压电陶瓷材料的压电除冰系统研究，目前处于压电共振剪切除冰机理实现的实验室验证阶段，尚未开展压电驱动器自身在共振剪切力作用下的耐久性、共振剪切力对结构基材的负面影响等研究[61-62]。

MFC驱动器由聚酰亚胺／铜叉指电级、聚合物基体、单相平行排布于基体中的矩形截面压电陶瓷纤维等组成，具有厚度薄、结构质量轻、易粘贴、应变能密度大、正交各向异性驱动、可大幅度弯曲及扭转等优点[63]，是旋翼桨叶等曲面复杂结构上压电共振剪切防／除冰系统压电驱动器的理想材料。目前国内各领域应用的MFC驱动器均为德国智能材料公司的商业化产品。在国家重点研发计划项目的支持下，南京航空航天大学等高校开展了国产MFC驱动器的设计、制备、性能研究[64]，但受限于国产压电陶瓷纤维性能参数不足而停留在试制阶段，相较旋翼飞行器工程化应用的小批量高性能要求尚有距离。围绕旋翼飞行器全天候服役环境下轻质低能耗压电防／除冰系统对高性能MFC驱动器的需求，结合国内已有的压电陶瓷研发基础，重点开展MFC驱动器工程化和产业化关键技术研究，在低驱动电压、高压电性能的压电陶瓷／纤维，高许用应变、高能量转换效率的MFC器件等方面加快突破制备技术；通过压电陶瓷研制、MFC器件研发、轻质低能耗防／除冰系统研制、旋翼飞行器应用考核的全链条协同创新，最终实现高性能压电陶瓷材料和MFC器件的自主供给。

（四） 面向旋翼飞行器智能化的柔性压电器件

旋翼飞行器智能化发展体现在智能健康管理、智能自主飞行、智能变形旋翼等方面[65]，牵引了结构复合材料一体化制备技术研究，在不影响结构承载能力的前提下促进了柔性压电器件技术进步。以旋翼飞行器结构的智能健康管理为例，旋翼飞行器的设计与维护相较固定翼飞机更为复杂：处于高／低周复杂疲劳力学环境，垂直起降面临简易机场上沙石颗粒的高速冲击损伤，自身固有的动力学非线性导致关键部件在现有的预防性保障策略下平均故障间隔周期指标偏低。旋翼飞行器的单机关键部件为200~400个，任一关键部件故障都可导致灾难性后果；在现有的预防性保障策略下，需对关键部件进行频繁维护，导致出勤率下降、服役能力降低、全生命周期成本上升。智能健康管理驱动的数智化敏捷保障成为旋翼飞行器发展亟需，理想状态为“零维护运行周期”内结构件无需维护即可执行所有功能，不会出现故障或失效。

结构状态认知指应用多源传感器并整合不同监测方式、损伤机理，对结构应变、刚度、损伤尺寸及形状等状态参数进行感知、分析和识别，开展结构状态的实时诊断与预测。这是构建旋翼飞行器结构“零维护运行周期”的关键技术。高性能的智能材料与器件是旋翼飞行器结构状态认知技术应用的物质基础，国外已有成熟产品，如美国卓越公司的“智能层”传感器配置到导波监测感知系统，在海王直升机机体结构框／梁损伤在线监测等场景上获得应用[66]。采用内嵌至柔性超薄介电载体膜的分布式多源传感器网络阵列，具有良好的柔性、自适应性、易安装性，可直接表贴于现有结构或在复合材料结构制备过程中嵌入，支持开展真实服役环境下结构状态的多参数（如冲击、腐蚀、裂纹）监测感知。

电池技术的迅速进步推动了以e-VTOL为代表的旋翼飞行器电动化发展。然而，电池性能退化是不可避免的现象，耦合电池在外力作用下易产生机械损伤而致电池健康状态难以预测，开展电池健康监测成为旋翼飞行器电动化发展的迫切需求。可延用结构SHM领域的应用经验，将传感器配置到导波监测感知系统，构建电化学引起的机械性能（如电级模量、密度、应力、应变）变化与电池健康状态、充电状态之间的映射关系，以感知声学 ‒ 超声导波、应变测量值、温度测量值的方式，开展电池运行状态、内部固有物理变化的预测和评估，防止出现过度充电、过度放电、热失控、串联电池单元电压不均衡现象，确保电池系统的安全持续运行。

国内以上海交通大学，华中科技大学，南京航空航天大学，中国科学院院声学研究所、半导体研究所、上海硅酸盐研究所为代表的科研机构，开展了柔性压电能量采集单元、柔性传感器阵列的研究工作[67-68]。南昌大学研究团队在国家科技计划项目的支持下，研制了新型高性能分子压电材料，研究了航空航天装备结构健康监测离线、在线检测技术。苏州攀特电陶科技股份有限公司、广东捷成科创电子股份有限公司形成了多层压电陶瓷驱动器等高端压电陶瓷器件的研发和生产能力。国内具备了开展面向旋翼飞行器智能化、电动化发展的柔性压电器件研制及工程化应用的全链条能力。

针对装备智能化、电动化发展所需的柔性压电器件开展应用基础研究备受关注，可促进国防工业、先进制造、电子信息、智能机器人等领域的技术变革[69-71]。在面向旋翼飞行器智能健康管理的柔性压电器件全链条能力的基础上，针对柔性压电器件研制及工程化应用中存在的不足，攻关压电陶瓷微型化制备、压电陶瓷传感器阵列制备、压电传感器阵列高效嵌入介电与压电高分子载体膜等技术，优化旋翼飞行器关键结构（含电池单元等）损伤前兆有效表征、基于柔性压电器件的结构状态认知等技术，推动重大装备结构智能健康监测的产业化发展并培育新的经济增长点。

（五） 面向旋翼飞行器机载通信设备小型集成化的介质陶瓷

机载通信设备小型集成化、高性能化是旋翼飞行器发展的必然趋势。随着新一代移动通信技术的发展、量子计算的兴起，以微波（旋磁）铁氧体为代表的高性能介质陶瓷受到关注，特有的旋磁效应可对微波传输信号进行隔离、移相、调制、极化状态控制，铁氧体自身也具有高电阻率、高磁导率、磁特性灵活可调、低损耗等优点，低温条件下可显著降低量子比特在精确微波操控过程中的光子损耗。以旋磁铁氧体为核心的高性能微波器件成为推动旋翼飞行器机载通信设备朝着更高性能方向发展的关键支撑。国内以景德镇先进陶瓷研究院为代表的科研机构研制了高饱和磁化强度、高介电、低光子损耗的石榴石型微波铁氧体，提供了光固化、多端头挤出等增材制造打印异型和共烧旋磁铁氧体／介质陶瓷复合基片产品；通过旋磁铁氧体／介质陶瓷与微波器件的一体化制备，为航空量子通信、高保密数据传输应用开辟了新路径，提高了旋磁铁氧体微波器件在中小型集成化、高性能化的旋翼飞行器机载通信设备中的应用水平。

针对未来旋翼飞行器在低空／超低空应用场景下的网络互联、天地一体化通信等迫切需求，可采取提供专项资金等措施，激励旋磁铁氧体微波器件研发企业集中力量，突破多元素设计、离子掺杂比例等性能优化关键技术，开发低温烧结、低能耗合成等旋磁铁氧体绿色节能制备工艺；加快解决现有微波器件小型集成化的应用瓶颈，实现微波通信的高频、高效、微型化，支撑航空装备的智能化、网络化发展并与量子信息技术融合，为旋翼飞行器等航空平台提供高稳定、低延迟的数据链路支撑；同步拓展至民用通信领域，加速智慧城市、工业物联网等新兴技术落地应用。

（六） 面向旋翼飞行器极速研发的先进陶瓷数字验证技术

近年来，世界航空强国以未来远程攻击机计划中的倾转旋翼飞行器为试点，推进国防装备领域的极速研发模式，通过项目实践为整个国防采办体系树立新标杆。相关趋势对我国装备研制具有重要的参考价值。“一代材料、一代装备”，旋翼飞行器的每一次技术飞跃都离不开材料科学的突破。面向未来，以PZT压电陶瓷／纤维复合材料为代表的先进陶瓷材料技术，将引领旋翼飞行器电动化、智能化发展潮流。

在国内，受电动汽车等工业领域的需求牵引，以微型陶瓷信息功能材料为代表的智能材料与器件发展迅速，基本与国外同步，在部分领域甚至领先。然而，在旋翼飞行器结构SHM系统、智能旋翼等领域开展应用，需要通过严苛的力学性能（如传感器疲劳耐久性测试）、功能性能（如POD试验）、耐环境性能（如温度、湿度、振动）等一系列验证[72-73]。参考旋翼飞行器智能材料结构应用验证的国际经验[74-76]，这个过程需要5~10年。智能材料与器件技术快速迭代、旋翼飞行器耗时耗力的应用考核验证之间存在发展周期错配，是亟待解决的重要问题。

采用基于模型的系统工程（MBSE）、数字工程（DE）等工具，研发旋翼飞行器先进陶瓷材料数字验证技术，支持智能材料与器件的快速、高效装机应用，是可行的技术途径。① 发展旋翼飞行器特定结构先进陶瓷材料应用性能指标的定量精准分析方法，解决国内旋翼飞行器从装备能力需求逐级分解至系统、部件直至材料性能规范指标的能力尚停留在定性阶段（定量化指标规范一般参照国外同类产品指定），新材料研制指标在工程化阶段常态性反复等问题。② 针对现有旋翼飞行器新材料验证从材料性能获取到部件／系统性能考核再到整机验证尚停留在从物理实验向数字试验转型的起步阶段（根据文本记录的物理试验结果，开展材料性能改进、部件优化设计单向反馈的迭代式“试错”）且过程效率低下的问题，采用DE工具构建旋翼飞行器先进陶瓷材料验证数字底座，支持从材料基础性能层级到部件／整机层级的模型和数据流双向紧密衔接，驱动材料性能验证与优化的高效迭代。③ 借鉴航空飞行器复合材料工程化应用的成熟经验，建立旋翼飞行器结构SHM系统智能材料与器件工程化应用的积木式验证方法（见图2），正确认识旋翼飞行器工程化应用对智能材料与器件服役可靠性的极端需求以及考核验证过程的复杂性；定义相同层级的同质群组、不同层级的异质群组，在积木式验证的较低层级实施大量、简单、快速的通用性试验，将较低层级获取的方法与结果传递并应用于真实服役场景下的较高层级试验，有效减少成本高、周期长的组件和全尺寸结构试验，科学管控旋翼飞行器SHM系统智能材料与器件应用研制周期缩短可能伴生的风险。

针对未来旋翼飞行器极速研发模式下发展先进陶瓷材料高效研发与应用验证方法的迫切需求，构建旋翼飞行器结构SHM系统智能材料与器件应用场景下的数字孪生模型；基于物理、化学、力学等学科的多尺度材料行为预测机理，辅助运用原位力学扫描电镜、宏观尺度四维X-ray原位力学计算机断层扫描检测设备，发展通用的结构组件规范化试验方法；构建涵盖时间、空间维度，面向旋翼飞行器结构功能材料应用场景的数字线索，建立旋翼飞行器先进陶瓷材料数字化验证技术体系，支持旋翼飞行器先进陶瓷材料的高效低成本装机验证，形成示范性应用案例并推广至其他装备领域。

五、 结语

针对国内旋翼飞行器先进陶瓷材料应用“材 ‒ 器 ‒ 用”脱节、高性能智能材料与器件领域受制于人且产业“小、杂、散”问题突出的现状，本文从旋翼飞行器对先进陶瓷材料的应用需求出发，阐述了培育和布局面向旋翼飞行器发展的先进陶瓷材料产业主要技术引领方向，以推动国内先进陶瓷材料技术进步，提升旋翼飞行器的生存力、智能化、轻量化、全时全域服役能力。

客观来看，面向旋翼飞行器应用的先进陶瓷材料发展研究仍属初步，需开展持续探索并稳健拓展。① 构建旋翼飞行器先进陶瓷材料“政产学研用”协同创新联盟，覆盖产业政策扶持、先进陶瓷材料研发、结构部件／智能器件制备、旋翼飞行器研制等相关单位，强化旋翼飞行器先进陶瓷材料研制单位、应用单位、管理部门、学术界的关联，推动面向旋翼飞行器等航空航天装备的先进陶瓷材料创新链、产业链、资金链、人才链的融合发展。② 建议制定旋翼飞行器先进陶瓷材料专项研发计划，围绕较为明确的旋翼飞行器先进陶瓷材料主攻发展方向，充分考虑旋翼飞行器先进陶瓷材料应用存在的服役环境的极端性、使用要求的可靠性、研究过程的艰巨性、考核验证的复杂性、研发周期的长期性、经费投入的大体量等特点；争取国家公共投入、发挥“政产学研用”协同创新联盟作用并举，带动社会资本参与和投入，加速创新步伐并提高应用转化效率。

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