面向2050---材料与新技术在新产品开发中的应用(一)

1、新材料与新技术在新产品开发中的应用(一)摘 要 为推动新材料与新技术在新产品开发创新活动的深入开展，不断积极探索新产品开发工作，在改进新产品开发体制、改善新产品开发运行状态、提高新产品开发在企业经济效益等方面大胆创新，总结新产品开发成果经验，弘扬新产品开发工作者的创新精神，促进新产品开发工作方法。探讨新产品开发现代化。关键词 新材料 新技术 新产品开发1 引言 在科学技术迅猛发展的今天、国际化的市场竞争愈趋激烈的现代，产品创新是一切企业活动的核心和出发点，是企业赖以生存和发展的基础。 今天的产品创新所面临的问题更加复杂化、系统化，设计是不能靠设计师的灵感闪现一蹴而就，这样是很难客观地把握解决设

2、计问题的实质。因此，设计师要掌握科学的认识一切人为事物的方法，使设计过程能够科学地、有序地解决产品创新问题。设计思维、设计方法、产品创新设计和产品设计等。 随着科学技术的迅速发展，新型工程材料不断涌现和被采用，新材料与新技术在新产品开发中的应用要求越来越高，对新材料与新技术在新产品开发中的应用提出了更高的要求。由于受新材料性能、结构、设备加工能力的限制，使用传统的方法很难完成新产品开发。为了解决这些难题，人们不断开发研究并成功采用新材料与新技术解决了很多工艺问题，发挥了很大的作用。进入二十世纪以来，制造技术，特别是先进制造技术不断发展，作为新材料与新技术在新产品开发中的应用的作用日益重要。它解

3、决了加工方法所遇到的难以解决的问题，并有着自己独特的特点，新材料及特种加工技术在国际上被称为21世纪的技术，尤其对新型武器装备的研制和生产，起到举足轻重的作用，可以说新材料及特种加工技术已经成为现代工业不可缺少的重要加工方法和手段。工业和信息化部发布新材料产业“十二五”发展规划，规划指出，材料工业是国民经济的基础产业，新材料是材料工业发展的先导，是重要的战略性新兴产业。高性能复合材料和前沿新材料将是我国重点发展的新材料品种。规划主要包括以下六大领域：特种金属功能材料。具有独特的声、光、电、热、磁等性能的金属材料。高端金属结构材料。较传统金属结构材料具有更高的强度、韧性和耐高温、抗腐蚀等性能的金

4、属材料。先进高分子材料。具有相对独特物理化学性能、适宜在特殊领域或特定环境下应用的人工合成高分子新材料。新型无机非金属材料。在传统无机非金属材料基础上新出现的具有耐磨、耐腐蚀、光电等特殊性能的材料。高性能复合材料。由两种或两种以上异质、异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。前沿新材料。当前以基础研究为主，未来市场前景广阔，代表新材料科技发展方向，具有重要引领作用的材料。利用我国已有军工新材料产业发展的技术优势，优化配置军民科技力量和产业资源，推进国防科技成果加速向经济建设转化，促进军民新材料技术在基础研究、应用开发、生产采购等环节有机衔接，加快军

5、民共用新材料产业化、规模化发展。鼓励优势新材料企业积极参与军工新材料配套，提高企业综合实力，实现寓军于民。建立军民人才交流与技术成果信息共享机制，积极探索军民融合的市场化途径，推动军民共用材料技术的双向转移和辐射。二.碳化硅纤维及纳米粉制品的研究与应用纳米碳化硅微晶（30-50nm）及连续碳化硅纤维，具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、可编织、电阻率可调、与树脂、金属、陶瓷相容性好等特性，用增强纤维制备的复合材料，主要作为航空发动机、燃气轮机、汽车发动机、核能反应堆、液体涡扇发动机、冲压发动机、高超音速飞行器和深空探测器等耐高热部件。高速列车的制动材料，汽车尾气焚烧催化剂的载体如设备防腐，化学

6、试剂过滤材料等）也有很大的应用空间，在电路基板增强材料、燃料电池隔板增强材料等也将获得更为广泛的应用。此外，碳化硅纤维在材料隐身方面已有应用，在结构吸波领域也具备应用前景。目前先驱体转化法制备SiC陶瓷材料的研究，正经历从工艺到理论、从材料性能到应用全新阶段。开发各种新型聚碳硅烷来制备SiC系列纤维和SiC基陶瓷复合材料。 有机高分子陶瓷先驱体聚碳硅烷具有广泛的用途，是目前国际重点发展的先驱体高分子材料。先驱体聚合物可通过分子设计控制先驱体的组成和微观结构， 使之具有潜在的化学反应活性基团，以便于交联，使烧结后的陶瓷产率较高。该方法因具有加工简单、先驱体易于分离和纯化等特点，引起了很多化学、陶

7、瓷和材料工作者的兴趣，是近年来制备特种陶瓷纤维和陶瓷基复合材料最有前途的方法之一。随着聚碳硅烷下游产品的开发应用领域的拓展，必将对聚碳硅烷有大量的需求。同时为适应耐超高温聚碳硅烷纤维的需求，研究在聚碳硅烷分子中添加异元素（Al、B、N）的新型先驱体的开发及工程化。碳化硅纤维的发展经历了三个重要阶段。第一代是以普通Nicalon和Tyranno为代表的高氧（10）、高碳（15自由碳）型。纤维内部的氧和碳在1400以上发生化学反应，生成CO和SiO以气体的形式逸出，导致纤维损伤，力学性能严重降低，因此其使用温度不高于1000。第二代是以Hi-Nicalon为代表的低氧（0.5%）、高碳（20自由碳

8、）型，航空发动机燃气下的长期使用温度提高到1300，但是过剩的碳严重降低纤维的高温抗氧化性和蠕变性。第三代是以Hi-Nicalon-S （Nippon Carbon公司）和Tyranno-SA（Ube Industries公司）为代表的近化学计量SiC纤维。“近化学计量”是指C/Si比约为1.05/1（氧含量1.2%），其中少量过剩碳是为了保证纤维不富硅，因为硅对高温性能的损害比碳严重的多。这两种纤维的使用温度分别为1600和1700。金属基和陶瓷基复合材料材料可加热熔化，可用二甲苯溶解，经成型处理可以制备各种形式的SiC陶瓷材料。聚碳硅烷将在以下方面获得大量应用：利用聚碳硅烷制备SiC纤维可

9、形成金属基和陶瓷基复合材料的制造产业，使 SiC纤维作为复合材料的增强纤维。发挥SiC纤维的高温抗氧化性和化学稳定性制造新一代的金属基和陶瓷基复合材料。利用聚碳硅烷制备陶瓷涂层，是指在金属、陶瓷、石墨等材料或器件表面涂上均匀致密的聚碳硅烷陶瓷层，以改善基底材料或器件的表面性能。如表面强度、硬度、化学稳定性、耐高温性能、手感、吸附性、电阻率、磁性、粗糙度等。利用聚碳硅烷制备器件，是将聚碳硅烷先驱体以溶液或浆料在真空下浸渍到增强纤维编织体内部或者涂覆在金属、陶瓷、石墨等基底材料或器件表面，经交联后再进行高温裂解，多次循环后可制成预期的陶瓷基材料。 先驱体聚碳硅烷通过一定的方法经高温无机化后可以形成

10、陶瓷多孔体。通过控制孔的结构可以人为控制孔的性能，如高渗透性、高比表面积、高反射性能、较好的绝缘性能等，可以应用于耐高温的微型反应器、吸附材料、过滤分离材料、传感器或传感器的载体、离子交换材料、纳米器件的模板、催化剂的载体和微电子设备中的低介电常数材料等等，SiC陶瓷泡沫材料还可用作特种隔热材料。如将聚碳硅烷、四烯丙基硅和Si3N4纳米粉体按2：1：8的重量比混合调成粘性淤状物后经高温处理获得Si3N4/SiC复相纳米陶瓷粉体。由此可制备高温力学性能优良的新型陶瓷材料和陶瓷基复合材料。先驱体聚碳硅烷溶液附于如金属、陶瓷、玻璃等基体表面，通过高温处理与基体接合形成一体。如将先驱体聚碳硅烷浓溶液与

11、陶瓷粉体混合，能起到粉体粘结剂作用，聚碳硅烷与陶瓷粉配制成泥状，附于材料器件表面使其连接，高温处理后形成陶瓷/陶瓷和陶瓷/金属的连接等。 耐高温复合材料是指主要以碳纤维、SiC纤维编制成骨架，作为增强基体。聚碳硅烷溶液或浆料在真空下浸渍到增强纤维编织体内部，经交联后再进行高温裂解。多次浸渍裂解。制备出各种形状构件的制备。耐高温复合材料的力学性能、抗腐蚀性能、抗热震性能和抗氧化性能优异，经辐照后具有较低的诱导放射性以及较高的尺寸稳定性和性能稳定性，具有低的中子辐射诱导活性、高的抗破裂性能和极好的高温机械性能等优点。近年美国、日本、欧盟等国的新型核聚变反应堆使用寿命和安全性优于不锈钢、钒合金等材料

12、，堆芯温度可提高到 8001100，能量转换效率可提高到 50%以上，极大提高了反应堆的工作效率。碳化硅纤维及纳米粉制品的应用主要体现在以下几个方面：1.作为耐热材料：如汽车尾气处理中的脱尘,脱硫,脱NOx装置、耐盐雾、海水腐蚀、红外敏感元件、高温输送带、喷灯嘴、航天飞机柔性防热材料、过滤器、催化剂载体等。2.增强金属基复合材料：纤维体积含量为30的Al基复合材料，其弯曲强度为超硬铝的1.8倍，拉伸强度为1.3倍。减重40。而且在400以下材料的强度降低幅度不大，而特超硬铝在200时为常温强度的1/5以下。可用于制造导弹的尾翼、炮管等。3.增强树脂基复合材料：与环氧树脂、聚酰亚胺树脂组成的复合

13、材料与碳纤维相比具有较高的压缩强度、较高的冲击强度和优异的磨损性，同时碳化硅/环氧树脂复合材料还具有优异的电性能。可应用于雷达天线罩和飞行器的结构材料，以及各种结构吸波材料。4.增强陶瓷基复合材料：主要应用于宇宙火箭和飞机喷气发动机的耐热部件、航天飞机的隔热瓦等。5.隐身材料：碳化硅纤维以基优异的吸波性与高温抗氧化性而被用于制造隐身巡航导弹的头锥和火箭发动机壳体。为了提高飞行器的实防能力和自我保护的生存能力，以提高战斗力为目标，世界各大国都在努力发展隐身技术。在实战中，雷达及红外探测器应用比例最大，分别为60%和30%。研究雷达波吸收材料是当今世界隐身技术的热点。随着各种新型飞行器的出现，吸收

14、频带宽度和吸波性能不断提高，单一的吸波材料难以适应要求，而功能也由单一吸波发展为承载和吸波结合，从而出现了一种新型的结构型吸波复合材料，其核心材料就是应具有一定的力学性能和吸波功能为一体的纤维。从吸波原理上，应用最广的材料有磁损耗型和介电损耗型。作为耐高温、耐氧化的高性能SiC纤维，它不仅与碳纤维等其它增强纤维有相近的力学性能，可以承载，它还具有一定的半导体特性，其电阻率可以在101107cm范围内通过改进工艺进行调节。通用型SiC纤维其电阻率一般在105107cm，不具有吸波特性，若改变制造工艺和调整纤维的有效组成比，完全可以将SiC纤维的电阻率调至101103cm，具有介电损耗型吸波纤维，

15、国内外的文献均有报导，认为SiC纤维是一种理想的高性能结构吸波纤维。隐身技术不仅在飞行器上得到了广泛应用，还涉及到舰艇、潜艇、战车、坦克、机库、军事工程等方面。对未来“打赢一场高技术条件下的局部战争”起到至关重要的作用。因为军事上的敏感性，对于具有结构吸波功能的SiC纤维的制造、应用属于前沿科学技术，国外不论在技术上还是在产品上均对我国封锁禁运。从文献报导上，国内仅有国防科技大学开展这类SiC纤维的实验室研究，尽管其电阻率达到吸波要求，但纤维的力学性能偏低，难以满足结构吸波复合材料的需求。本公司已拥有超高温SiC纤维温制造技术知识产权，在此基础上，开展结构吸波SiC纤维的深入研究和技术工程化开

16、发，进行技术攻关，解决了制造结构吸波纤维的关键技术，必将培育出具有战略意义和潜在产业链的一种新型材料。结构吸波SiC纤维制备的关键技术：通过分子设计制备满足吸波特性的纤维组成的先驱体，并具有良好的成丝性；纤维电阻率调节技术和伴有高力学性能的SiC纤维烧成技术。吸波SiC纤维的性能指标：纤维连续长度大于500 m，纤维直径1215m，抗拉强度2.0±0.2 GPa ,抗拉模量150±10 GPa ,电阻率101103 cm 。6.核防护材料采用有机先驱体转化法制备由纳米-碳化硅微晶（30-50nm）及纳米碳组成的高性能连续碳化硅纤维，具有高强度、高模量、耐高温、抗氧化、可编织

17、、电阻率可调、与树脂、金属、陶瓷相容性好等诸多优异特性，是先进复合材料用增强纤维中极其重要的品种之一，其复合材料在国民经济中的航空航天、石油化工、汽车工业、电子信息、机械、办公器材等各方面都有广阔的应用前景。它在国防建设中，军事装备、核工业等的高技术领域也具有广泛的应用前景。其中，通过先驱体浸渍转化工艺，碳化硅纤维的先驱体聚碳硅烷也是制备碳化硅基复合材料的基体先驱体，为碳纤维增强碳化硅复合材料制造开辟了一条新的工艺途径。目前高性能连续陶瓷纤维增强陶瓷基复合材料主要作为航空发动机、燃气轮机、汽车发动机、核能反应堆、液体涡扇发动机、冲压发动机、高超音速飞行器和深空探测器等耐高热部件。未来几年该产品

18、在能源交通（如高速列车的制动材料），环境保护（如汽车尾气焚烧催化剂的载体），化学防腐（如设备防腐，化学试剂过滤材料等）等方面也有很大的应用空间，在电路基板增强材料、燃料电池隔板增强材料等也将获得更为广泛的应用。此外，碳化硅纤维在材料隐身方面已有应用，在结构吸波领域也具备应用前景。碳化硅复合材料在汽车刹车片中的应用碳化硅复合材料是碳纤维增强碳和碳化硅陶瓷基体复合材料，具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蚀、优异的高温力学性能和热物理性能、良好的自润滑性能等优点，是一种能满足1650使用的新型高温结构材料和功能材料。作为刹车材料不仅具有碳/碳复合材料刹车盘密度小、刹车平稳，磨损失重率小、热容量大等优势，

19、而且克服了碳盘吸湿性大、湿态摩擦系数低、静摩擦系数低、适应性差的不足，因此美军率先在F16战机上应用，效果良好。美国摩擦材料公司对陶瓷基刹车复合材料进行评估，表明碳/碳-碳化硅复合材料将成为新一代飞机和汽车刹车材料。法兰克福国际汽车交易会上，碳/碳-碳化硅复合材料（碳陶C/C-SiC）汽车刹车片被揭开神秘的面纱，彻底颠覆了传统的汽车刹车片技术：与传统的灰铸铁刹车片相比，碳/碳-碳化硅复合材料刹车片的重量减轻了大约60%，非悬挂质量减轻了近23公斤。碳陶刹车片更显著的优点还有：刹车反应速度提高且制动衰减降低、热稳定性高、无热振动、踏板感觉极为舒适、操控性能提升、抗磨损性高等等。因此，碳陶刹车片的

20、使用寿命更长，而且几乎不会产生灰尘。保时捷公司将碳陶刹车片作为配套设备装配在911 GT2型跑车上，其他品牌汽车也陆续采用这一创新型刹车技术来提高车辆安全性并改善踏板舒适度。其中包括奥迪W12 & S8、宾利、布加迪和兰博基尼等跑车也使用。碳/碳-碳化硅复合材料刹车片的一个显著特征是它是采用陶瓷复合材料制造而成。碳陶刹车片本身及两侧的摩擦层均由碳纤维增强碳化硅材料制成。主要基体成分有碳化硅（SiC）和工业硅（Si），碳纤维（C）增强了材料的强度。主要基体成分碳化硅决定着复合材料的硬度。碳纤维的作用是提高材料的机械强度并为材料提供技术应用中所需的断裂韧度。陶瓷复合材料的同韧性剪切断裂特性

21、为其抗高热负载和机械负载性能提供了保障。因此，碳纤维增强碳化硅材料完美结合了碳纤维增强碳（C/C）和多晶碳化硅陶瓷这两者的物理特性。碳/碳-碳化硅复合 材料的拉断伸长率从 0.1% 到 0.3% 不等。这对于陶瓷材料而言是极高的数值。正因为具有这些特征，碳纤维增强碳化硅才成为高性能刹车制动系统的首选材料：尤其是较轻的重量、良好的硬度、高压和高温条件下的稳定性、抗热冲击性和同韧性剪切断裂特性等特点延长了碳陶刹车片的使用寿命，并避免了传统灰铸铁刹车片因负载而产生的所有问题。整个汽车刹车制动系统的设计需要符合汽车整体布局要求并且充分利用了碳/碳-碳化硅复合材料刹车片卓越的材料性能。刹车制动系统的设计

22、取决于汽车的最高时速、使汽车从最高时速的行驶状态变为瞬间停止的静止状态的全制动时序、所需制动的质量以及轴载分布和汽车的空气动力等主要参数。确定刹车片尺寸和设计的主要目的是确保汽车能够在任何可能的行驶条件下安全刹车。刹车制动系统的设计还应确保刹车片本身或刹车片附近的其他任何部件都不会过热。每个汽车模型冷却叶片的最佳几何形状通过数值方法（计算流体力学）确定。设计计算中还将积聚在汽车下方和轮罩拱内部的气压作为汽车空气动力设计和行驶速度的函数。碳/碳-碳化硅复合材料刹车片拥有诸多的优点，其秘诀就在于采用了独特的生产工艺。在生产碳陶刹车片时使用涂有一定特殊保护层的碳纤维，然后将这些纤维切割成一定厚度和长

23、度的纤维段。该生产工艺包括纤维混合准备工作、刹车片的生产过程、刹车铃安装以及刹车片的最终加工。在整个生产过程中要进行多项测试，以便对整个生产工艺进行密切监控，最后还要进行一项最终测试。然后，在高真空条件下通过850 °C时的碳化和1700 °C时的硅化后将粘合树脂预成型件在陶瓷组件中转换成所谓的生坯。该生产工艺中还使用了“熔芯”技术（该技术使用塑料模具确定冷却叶片的几何形状，该塑料模具在碳化时完全燃烧不留残渣）以及不同纤维成分的刹车片、环外侧的摩擦层和嵌在摩擦层上的点状磨损标志。为与汽车独特的整车布局相协调，碳陶刹车片的开发主要分三个阶段进行：数字建模、原型设计和测试以及在

24、实车上进行测试。首先，使用汽车的详细模型数据在计算机上进行刹车片数字模拟。有关碳陶刹车片的直径、厚度和摩擦轨迹高度只是在计算机上计算的一部分参数。碳陶刹车片的装配计算还包含了连接带束层的设计。这一设计任务非常艰巨，因为需要在任何可能的工作温度下抵消热膨胀系数的差异。数字模型还对冷却叶片进行了合理的设计配置，从而优化流体动力。在开发的第二阶段，根据数字模型的结果来设计碳陶刹车片原型并在工作台上进行测试，同时配备相应的刹车垫和卡钳。在第三阶段即最后一个阶段，在汽车上对刹车片原型进行测试。测试不仅包括在测试路线上高速行驶，还包括山口减速和公路测试。在这些测试过程中，驾驶员对刹车制动系统，尤其是刹车制

25、动性能和刹车舒适度进行评估，而计算机则对测量结果进行详细分析。根据汽车试运行和工作台的测试结果确定刹车片原型是否通过测试。使用陶瓷纤维等高档纤维来代替其它的钢纤维或者铁纤维，从而不会产生锈蚀、噪音和粉尘。在不同车型的刹车片和刹车盘。以重型汽车刹车片、高速列车刹车片为研发方向，车速达到160Km/h的制动摩擦系数大于0.45；一般的制动摩擦系数小于0.35。刹车温度达到600摄氏度时制动摩擦系数大于0.4；一般制动摩擦系数为0.250.35。陶瓷型刹车片更清洁安静，并且在刹车性能的同时，不磨耗对偶件刹车盘。铸造生产中，铸钢件、铸铁件、铸铝件及其它合金铸件，由于种种原因很容易产生渣眼、砂眼、气眼等

26、质量问题，因此除去金属熔体中非金属夹杂物，对提高铸件成品率，改善铸件质量，具有重大的技术价值和经济价值。 铸造过滤网采用耐高温纤维，经特殊工艺织造、后处理加工制成，产品已成系列、工艺先进、质量稳定。与其它各类过滤网比较，耐高温纤维铸造过滤网价格低廉、使用方便、不改变铸件金属组成成份、滤渣效果好、发气量低。另外，它同样具有耐高温、耐烧蚀、化学稳定性好、耐金属熔体冲刷、良好的钢强度。锅炉的磨损的问题主要在炉内受热面。该炉在炉膛内由下而上交叉紧密布置了蒸发管层、高温过热器层，低温过热器层、高温省煤器层等受热面，直接受到高温烟灰气流的高速冲刷，管系磨损较快，当烧煤矸石量越大，磨损程度越快。从运行的炉来看，炉内受热面的布置和固定装置均存在不同的缺陷，管排中易形成烟气走廊，受热面大多数弯头、迎风面等未考虑有效的整体防磨措施。锅炉运转率在80%以上，一般两年左右就要更换一套蒸发管，四年左右就要更换一套高、低过热器。每次工期在15天左右。 根据存在不同的磨损情况，检修停炉加装防磨护瓦、板件，延长锅炉受热面使用寿命，提高运转率。 主要采用的防磨措施有以下几点：1、对于最容易受磨损蒸发管部位，所有直管迎风面增装防磨护瓦，所有弯管表面全增装防磨护瓦。2、高温过热器下部弯管表面全增装防磨护瓦，原来的有孔防磨导流板改为耐热钢无孔防磨导流板。