高性能结构材料发展趋势

高性能结构材料发展趋势

技术预测与国家关键技术选择》研究组

新材料领域组

金属、陶瓷和高分子材料长期以来是三大工程材料。高性能结构材料是一类具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料，是在高新技术推动下发展起来的一类新材料，是国民经济现代化的物质基础之一。例如：发展现代航空航天技术，对动力机械而言，工作温度愈高、比强度和比刚度愈高，效率亦愈高，先进军用发动机的发展趋势要求涡轮前温度和推重比不断提高，正在向推重比15～20发展，高温结构材料技术是关键。有资料指出，飞机及发动机性能的改进分别有2/3和1/2靠材料性能提高。对卫星和飞船，减重1公斤能带来极高的效益；汽车节油有37%靠材料轻量化，40%靠发动机改进。绝热发动机（不冷却）主要靠材料性能提高。航空方面的先进复合材料、单晶合金、涡轮盘合金，航天方面的含能材料、热防护材料、弹头材料等不仅要先行，而且还要起到先导的作用。如果没有优质的单晶合金、涡轮前温度无法提高，高推比航空发动机就难以实现。由此可见高性能结构材料在航空航天技术中的基础性和先导性。因此，世界各先进国家在制定国家关键技术发展计划时，高温结构材料与技术被列为高性能结构材料领域的重点发展项目之一。发展新型高性能结构材料将支撑交通运输、能源动力、资源环境、电子信息、农业和建筑、航天航空、国防军工以及国家重大工程等领域可持续发展，对国家支柱产业的发展和国家安全的保障起着关键性的作用，同时还将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形成与发展，带动传统产业和支柱产业的改造和产品的升级换代，提高国际竞争力，形成新的产业和新的经济增长点。

1、国外高性能结构材料的发展现状

钢铁，20世纪下半叶以来，世界钢铁工业发生了巨大变化，先进的产钢国家利用科技进步完成了从吨位扩张到结构优化的战略转移。据统计从20世纪50年代到90年代，国际上钢铁工业的重大革新技术共约50多项，其中氧气转炉、连续铸造和薄板坯连铸连轧是20世纪钢铁工业发展历程中最重大的技术变革，极大地推动了钢铁工业的发展。2000年钢产量接近8亿t，预计2010年达8.5～9亿t。发达国家对钢的需求仍有增长，但能力基本饱和。高性钢铁材料是重点的发展方向，为使钢铁材料达到高性能和长寿命的要求，在质量上已向组织细化和精确控制、提高钢材洁净度和高均匀度方面发展。熔融还原和直接还原是炼铁的新工艺，美、日、德等国已建成新的短流程炼铁生产线。

高温结构材料，世界各先进国家都将高温结构材料列为高性能结构材料领域的重点发展对象。在高温合金方面，变形高温合金可供选择的有百种以上合金，用量较多的有Inconel718(GH4169)和Hastoloyx，占先进发动机用高温合金中的60%。以提高性能和降低性能/价格比为目标，发展新型合金，如可提高冷却效率的低膨胀高温合金由In909发展为In783，其用于F119压气机、涡轮及推气系统机匣，比In718密度低6%，膨胀系数低20%，700℃以下抗氧化。铸造高温合金，随着定向凝固、单晶、超纯熔炼技术的发展，铸造合金从定向正发展至单晶，单晶合金也已先后研制出一代、二代和三代产品，具有代表性的合金有PW1480、CMSX-4、CMSX-10，其140MPa、100h的使用温度分别达1040℃、1070℃、1100～1125℃。三代单晶合金涡轮叶片在控制冷却效果和隔热涂层防护下，已经满足推重比10发动机F119-PW-100的涡轮前温度1580℃、4000循环寿命的要求。目前需要发展低成本（少Re）三代单晶合金，发展多孔单晶发散叶片，这种超级冷却可提高涡轮前温度250℃，减少30%冷却气，寿命提高2～4倍。

粉末合金，用于高推重比发动机涡轮盘的粉末合金有一代In100、Rene’95、APK-1、ЗП74НП合金；用于推重比10发动机涡轮盘的二代粉末合金有Rene’88DT、N18、MERL-76、ЗП975合金，较成熟的Rene’88DT在750℃的σ0.2接近1000MPa，属损伤容限型涡轮盘；第三代粉末盘发展双组分（AF115+MER-76）、双重热处理组合盘。机械合金化合金，采用Y2O3（<2%）质点强化镍合金可使其在850～1200℃、1000h性能优于PWA1480，用于F100发动机叶片，寿命提高2倍，推重比提高30～50%，涡轮前温度可提高至1540～1650℃。已发展有MA754、MA956、MA6000E，正在发展的有取代MA6000E的MA760，取代MA956的MA957，前者兼具优良的中温（760℃）性能，后者在保持抗氧化基础上提高强度。英国Inco公司已具年产500吨能力。

在高温结构金属间化合物方面，美、俄等国经20多年探索研究，相继在Ni3Al和Ti3Al合金研制方面取得技术突破，并将进入应用阶段；NiAl、TiAl合金研究正在突破关键技术。Ni3Al合金添加B和引入高温相取得成功。其中有美国的DSNX188和K101B、俄罗斯的BKHA-4H。Ti3Al合金在熔炼、变形、热处理技术突破后，研制出Ti-25Al-10Nb-1Mo合金。美国Timet公司建立生产3.2吨铸锭，GE和PW公司制出涡轮支承环、燃烧室喷管密封片、压气机机匣等部件，NASP计划用于蒙皮材料。NiAl合金密度低（6.95g/cm3）、熔点高（1640℃）导热好，是发展1200℃或取代Rene’80的超高强铝合金，新型耐热、耐磨、高比强、高比模、高韧性铝合金，以及纤维增强和颗粒增强铝基复合材料等，是国防工业和交通运输急需的新材料。轻质高性能镁材，因具有一系列优良性能和资源优势而被称为“21世纪新兴绿色工程材料”，是当前日、法、俄等先进工业国家大力发展的关键轻质结构材料，特别是镁基压铸材料在汽车、移动通讯工具、便携式计算机、手提箱等方面市场前景广阔。

稀有金属新材料是当前先进国家争相发展的关键新材料。如σb≥1250MPa的高强高韧高损伤容限钛合金，600℃以上的热强钛合金，新型阻燃、耐蚀钛合金以及新型高性能锆合金、难熔金属合金、功能重材料钽钨合金、高精度铍材等一直是各国国防新材料计划的重要研究内容。

先进的陶瓷材料是近年来迅速发展的新材料之一，每年将以10%的速度增长，主要是功能陶瓷和陶瓷基复合材料。先进结构陶瓷主要有莫来石、氧化铝、氧化锆、氧化硅、碳化硅、硼化物和复相陶瓷，其研究的主要技术问题是增韧技术。

高分子材料，目前三大高分子合成材料（树脂、纤维、橡胶）的世界年产量已高达1.8亿t，80%以上是合成树脂和塑料，发展十分迅速。新型高分子结构材料的发展重点是特种工程塑料、有机硅材料、有机氟材料，高性能纤维材料以及高性能合成橡胶和高性能树脂。例如特种工程塑料，是一种性能优异的结构材料，其生产发展以日本最快，生产能力占世界60%以上。砜类聚合物的生产能力85%以上集中于美国Amoco公司，德国的BASF公司和日本住友化学工业公司分别有3000t/年和1000t/年。LCP国外约有15个生产厂家，65%集中于美国。英国ICI公司是世界上PEEK的唯一生产者。合成树脂的产量及消费量年增长率高于GDP的年增长率，比值在1.4以上，说明合成树脂仍然是一种迅速发展中的材料，其中聚烯烃约占45%。在高性能合成橡胶方面，乙丙橡胶的生产技术进入一个新阶段，以活性阴离子聚合为代表的大分子工程设计技术，活性阳离子聚合技术以及弹性体改性和热塑化等技术是技术开发的热点。高分子材料的绿色工程技术受到普遍高度重视。

先进结构复合材料一般指具有比强度大于4×106厘米和比模量大于

4×108厘米的结构复合材料作为承力结构使用，高聚合物（树脂）基复合材料，金属基复合材料和陶瓷基复合材料是先进结构材料的研发重点，美国最新研制的第四代军用歼击机上树脂基复合材料已占整机重量的24%，国外新一代运载火箭、战略导弹及其推进系统的关键结构材料几乎全部复合材料化。C/C复合材料方面，普遍认为C/C复合材料是推重比20～30发动机1930～2227℃热端件的优选材料，重量是高温合金的1/4，比强度高5倍。德国用于涡轮外环；法国用作喷油杆、隔热屏、鱼鳞片；美国制成φ340mm整体盘，通过1760℃地面试车。GE公司JID用其制成验证机叶盘整体部件，1649℃不冷却试车成功。对宇航飞机、发动机减重、节油、增大推重比、增大飞行半径与航程、提高战技术比能均是无可替代的材料，发展方向是突破抗氧化涂层材料与工艺技术、高效低成本制备工艺，应用是时间问题。C/C复合材料在军、民用飞机、航天飞机、导弹、飞行器上作刹车盘、热烧蚀、热防护材料的生产与应用呈发展态势，已形成一批成熟的材料、工艺，正在向高效率、低成本和多功能方向发展。细编穿刺C/C复合材料比传统材料剪切强度提高3倍，在导弹发动机上应用。

2、国内高性能结构材料的发展现状及差距

在钢铁材料方面，我国仍然是世界上最大的钢铁生产和消费国家，预期到2005年，钢铁材料年产量可达到2.0亿吨，为世界总产量（8亿吨）的1/4；劳动生产率提高到发达国家人均年产钢量的80～90%；综合耗能指标为每吨钢耗煤约600公斤，接近世界先进水平。钢材数量不再是主要矛盾，但品种结构不合理的矛盾却十分突出，每年国家需要进口数以千万吨计的国民经济发展急需钢材，如高速铁道用钢、汽车和家电用薄板等（2002年1～9月份，钢材进口1897万t，同期出口仅393万t）。与世界钢铁强国相比，我们的钢铁产品质量稳定性差、市场竞争力弱，特别是一些对国民经济发展起关键作用的高附加值钢材主要还依赖进口、对钢铁生产过程中采用的重大工艺设备和先进技术基本依赖进口。

在高温合金方面，已形成我国的高温合金体系，有铁基、铁镍基合金32个、钴基合金4个，其余为镍基合金，其中在铁镍基合金、950～1000℃镍基固溶强化板材、高强度盘材料如GH33A等都有我国的特色和创新。除常规的变形合金和铸造合金外，还研究开发了采用特殊工艺制造的新型材料，如定向凝固锭、单晶合金、粉末高温合金和氧化物弥散强化合金。

在金属间化合物高温材料方面，取得一系列创新性研究成果。Ni3Al：我国研制的用作航空发动机铸造导向叶片材料IC-6，1100℃，100h，持久性能水平达到国际最高水平；Ti3Al：我国研制的TD-2合金，700℃，σ0.2达100MPa，据报导，有较好的应用前景；我国研制的TiAl合金，900℃，σb达490MPa，σ0.2达350MPa，延伸率和室温KIC分别达到10%和10MPa·m1/2，极有开发前途，可用于汽车发动机部件。高熔点金属间化合物，我国研制的SiCw(20%)/MoSi2,弯曲强度和KIC分别达到346MPa和4.01MPa·m1/2。Mo5Si3被认为是有可能用于高温的候选材料，蠕变性能已超过1300℃。

在高温结构陶瓷方面，我国研制的30%SiC/Si3N4的弯曲强度达454MPa，KIC达15.6MPa·m1/2，断裂功达4770J/m2，显著优于Si3N4陶瓷。

与日本、欧美先进国家相比，我们在结构陶瓷及技术的基础研究方面差距很小，某些研究方面我们处于领先水平。在结构陶瓷的应用和产业化方面与发达国家相比，预期到2005年我国所占的市场份额可以从十五期间不到1%提高到5～10%，超过韩国和台湾地区，位居日本之后。目前先进陶瓷制备技术和基础研究的发展趋势可大致归结为陶瓷的单晶化和复相化，块体材料的膜层化、片式化和多层化。陶瓷材料正向着高效能、高可靠性、高灵敏、高精度、微型化、多功能、智能化、集成化以及低成本的方向发展。

在有色金属材料方面，中国已建立起完整的有色金属材料工业体系，并成为世界上有色金属材料的生产大国，新型有色和稀有金属材料的研究与开发取得了许多举世瞩目的成果。先进铝合金材料，开展了超高强B969、7055合金和6013耐蚀铝合金的研究，引进了6t级Al-Li合金熔铸生产线，在国家“863”计划中开展了快速凝固AlFeVSi系、过共晶Al-Si系耐热铝合金以及纤维和颗粒增强铝基复合材料研究。另外，先进的镁合金的研究与开发自20世纪90年代开始，正在迅猛发展。

在稀有金属材料方面，钛合金已实现仿制发展到能够独立开发研制新合金的转变，形成了较完整的钛工业体系，已研制成功Ti-55、Ti-633G、Ti-53311S、7715C和HT-5-Y等5种高温钛合金。已研制出Ti3Al棒材、板材，并锻出φ656mm×506mm×80mm环件。断裂韧性比Ti6Al4V高31%的新型高韧Ti-451合金，已用于飞机事故记录仪壳体、防弹装甲、火焰喷射器筒体等，还开发出Ti-22、TB2、Ti47121等航空螺栓和铆钉用结构钛合金。舰船用耐蚀钛合金方面，已成功地研制出Ti-31、Ti-75合金，并得到重要应用。此外，钛粉末冶金多孔材料、粉末钛合金、钛-钢复合材料等，均得到具体应用。核反应堆用Zr-4合金、航天发动机喷管用C103铌合金、尖端武器及惯性导航用铍材等新材料，在国防建设中均发挥了重要作用。

在新型高分子材料方面，我国高分子材料工业已得到很大的发展，早在1997年我国合成树脂产量已达623万吨，居世界第五位，塑料制品产量已逾1500万吨，位居世界第二，仅次于美国；合成纤维产量达417万吨，名列世界前茅，合成橡胶产量高达60万吨，名列世界第三。

我国在合成树脂、合成纤维、合成橡胶三种主要高分子材料方面自给能力可达到80%以上，占据国际市场份额30%以上，工程塑料的质量有大幅度提高，十五期间高分子材料产品能耗高、成本高、初级和通用品种多，高档专用、高附加值的产品少的局面得到根本性的扭转，在高档产品和低价通用产品方面形成我国的国际竞争力。与国外高分子材料的生产及应用情况相比，我国在高分子材料的改性、新型特种材料的研制、成型加工技术及设备、设计及制品开发等方面仍有明显差距。

我国建筑材料主要产品产量已居世界首位，经过十五期间的技术进步，生产工艺和产品技术将进入世界先进行列，用于生产水泥、平板玻璃、建筑陶瓷、卫生陶瓷、玻璃纤维等主要产品的技术与先进国家接轨，行业的劳动生产率（人年均产值）达到先进国家的60～70%左右。

例如，我国水泥品种的研究开发处于世界先进行列，五大通用和专用、特种系列水泥产品60多个品种，开发出具有我国自主知识产权的硫铝酸盐等系列水泥。“九五”期间，重点工程混凝土安全性的研究工作有很大进展。工程混凝土的强度不断提高，C60～C80混凝土在工程上获得成功应用。水泥制品已初步形成了具有我国特色的品种体系。混凝土外加剂和掺和料的研究、开发、应用以及大跨度预应力混凝土构件及施工技术取得很大进步。又如，中国的“洛阳浮法玻璃”技术跻身于世界先进之列；具有自主知识产权的大型平弯钢化玻璃生产线已逐步顶替国外先进生产设备，并出口国外；建筑卫生陶瓷成为世界生产大国。

新型建筑材料已是中国建材工业发展的重要方向之一。迈入21世纪，新型建筑材料应按照中国21世纪建筑发展的总体战略目标和技术政策，以提高人民生活质量为目的，适应21世纪建筑结构体系发展，满足墙改与建筑节能的发展需求，重点发展节能、节土、利废、轻质高强与多功能的新型墙体和屋面材料、高效绝热材料、中高档防水密封材料、高档新型装饰装修材料。新型建筑材料工业要建立自己的科技创新体系，大幅度提高自主研究开发能力和水平，实现产品结构合理化、技术装备现代化、品种多样化和配套化、生产应用环保化的目标，并加强新型建筑材料的配套材料与应用技术的研究与开发。同时，发展生态建筑材料改善居室环境，提高生活质量和发展可治理生态环境的生态技术是新型建筑材料及技术的发展方向。

3、国内经济和社会发展需求分析

21世纪人们在展望和设计新的生活形态时，迫切需要新的材料作为其物质基础，结构材料仍是未来社会发展最重要的基础材料。结构材料的高性能化和低成本化是经济可持续发展的必要前提。传统结构材料产业是我国加入WTO后首批放开接轨，无保护性政策过渡期的行业，在产品的性能和价格上面临发达国家与发展中国家的双重竞争，随着经济全球化进程的加快，传统材料能否占领不断增长的国内外市场，关键在于大幅度提高材料工业的技术竞争能力。“十一五”期间，高性能结构材料以国民经济支柱产业需求为牵引，重点发展高性能和高附加值的新型结构材料，扩大国际市场占有率。形成材料工业新的经济增长点；以科技创新为重点，用高新技术改造材料工业，推进材料工业现代化；大力提倡节能降耗，提高产品质量和材料利用率，实现废弃材料资源化，降低环境负荷，把劳动生产率提高到世界平均水平；实现我国从“材料大国”向“材料强国”的转变。

钢铁材料仍是主要的结构材料。我国的钢铁工业还有很大的发展潜力。高层建筑、深层地下和海洋设施，大跨度重载桥梁、轻型节能汽车、石油开采和长距离油气输送管线、大型储存容器、工程机械、精密仪器、船舶舰艇、航空航天、新型兵器、高速铁路和公路、核工业、水电和火电能源设施等国民经济的各个部门都需要高性能、长寿命和低成本的新型钢铁材料；另一方面对钢铁的生产、加工、使用和回收等环节提出了节省资源、节约能源、保护环境的要求。因此，经济建设和社会发展迫切需要新型高性能钢铁材料。

受航空航天、交通运输、住宅建筑、机械电子、信息产业和国防军工等国民经济支柱产业需求的牵引，有色金属中的铝、铜、钛、镁、镍，以及稀有金属钨、钼、钽、铌等金属及其合金材料的需求将进一步扩大，各种合金的制备、成形与加工技术将更加丰富多样，在有色金属材料领域容易形成一批新的高技术产业群。

在结构陶瓷材料方面，随着高性能化和长寿命化，高温强度、高耐磨损性的陶瓷部件需求量越来越大。有针对性地开展高温使用的大型陶瓷部件和复杂形状部件的烧成制造技术、微细精密陶瓷部件成型加工技术、陶瓷部件内部缺陷的无损检测技术，大幅度提高我国结构陶瓷产品的技术水平，使我国高技术结构陶瓷的产业跨入国际先进行列。

高分子材料在未来数十年内将保持持续的高速发展，通用高分子材料、工程塑料，橡胶以及合成纤维等产品的国内自给能力将在10年内达到80%以上。其中高档的高分子材料的自给能力将在10年内达到65%以上，高性能、高附加值的高分子材料及其制备技术的发展将是促进产品市场扩展的关键因素。

复合材料的应用主要集中在航空航天、交通运输、能源、建筑和国防军工等领域，据预测，到2010年我国对复合材料的总体需求量将达到100万吨，其中高性能复合材料将占相当的比例，但前提是必须解决制约复合材料发展的一系列关键技术。

我国在未来数年内基础设施建设将维持高速增长，传统建材的使用量将连续递增，因此，急需发展低能耗、低污染、高性能的新型建材。若采用优质水泥和新的复合技术发展高性能混凝土，预期可减少水泥用量30%以上，从而大大降低环境、资源和能源的负担。另外，西部开发、奥运工程以及国家重大工程等将牵引新型环保建材市场快速发展，例如高性能隔热保温墙体材料及功能化轻质建材将以每年10%以上的速度递增，到2005年，新型墙体材料的比例将达到40%以上。

4、发展重点和关键技术

在高性能金属材料、先进陶瓷材料、新型有机高分子材料、高性能低成本复合材料、先进建筑材料等领域，以国民经济发展和国家重大需求为牵引，根据材料科学技术的发展规律和趋势，以市场发展为先导，充分利用我国的特有资源优势和已有技术优