第二十四章-新材料产业篇之先进结构材料产业

第二十二章先进结构材料产业
王一德屠海令陈祥宝周玉
孙蓟泉米绪军包建文唐荻贾德昌苏岚张荻乔金粱李腾飞
【内容提要】新材料是指新出现的具有优异性能和特殊功能的材料，或者是传统材料由于成分或工艺改进使其性能明显提高或具有新功能的材料[1]。

《2013战略性新兴产业发展研究报告》[2]系统阐述了信息功能材料、新能源材料、特种功能材料、稀土及功能陶瓷材料、生物医用材料等先进功能材料产业的发展现状，梳理了产业发展存在的突出问题，提出了发展重点及政策建议。

本文将重点论述先进钢铁材料、高端轻质合金材料、高性能复合材料及特种结构材料等先进结构材料在国民经济建设以及战略性新兴产业中的地位、作用和面临的突出问题，并提出相应的政策建议。

22.1.发展现状和趋势
结构材料是以力学性能为基础，以强度、硬度、塑性、韧性等力学性能为主要性能指标的工程材料的统称，其应用量大面广，是各类基础设施、装备及重大工程的主体构架材料。

先进结构材料是我国发展新能源、现代交通运输、航空航天、船舶及海洋工程等战略性新兴产业的基础。

22.1.1发展现状
（一）先进钢铁材料
我国钢铁工业取得了举世瞩目的成就，本世纪以来钢产量年增长率达到20%，并一直保持钢产量世界第一，2012年产量达7.16亿吨，占世界钢产量的46%，为我国国防工业及国民经济建设提供了重要的原材料保障。

先进钢铁材料是指较传统钢铁材料具有更高强度、韧性和耐高温、抗腐蚀等性能的材料[3,4]。

根据战略性新兴产业的需求，现对能源、交通、海洋以及航空航天用先进钢铁材料进行阐述。

先进能源用钢主要包括风电、水电、核电装备用钢。

我国已具备了风电用宽厚板、高级别Φ80mm风电轴承用钢（GCr15SiMn）的批量生产能力。

自主生产的600MPa级压力钢管能满足使用要求，800MPa级的压力钢管正在开发中。

基本掌握了水电、核电装备所用的大型不锈钢铸锻件的生产技术，改变了依赖进口的局面。

现代交通用钢包括高速轨道用钢和汽车用钢。

高速轨道用钢主要有列车转向架、车轮、掣肘、轴承、弹簧及钢轨用钢。

目前我国自主研制的微合金化车轮用钢已成功用于时速200km的列车，时速高于200km以上的车轮用钢正在研发中；对于高端车轴用钢S38C，我国正处于工业试验阶段；车辆轴承用钢的高端产品GCr18Mo能够立足国内生产；高铁弹簧钢研究已有重大突破，有望实现国产化；高铁用钢轨的产能我国已达到世界第一，质量水平也处于国际先进水平。

在汽车用钢方面，其强塑积20GPa %的第一代汽车用钢，强塑积在60GPa %的第二代汽车用钢，均可实现国产化，强塑积在30~40GPa %以上的第三代高性能汽车用高强度钢的研发已接近国际先进水平[4]。

海洋用钢主要包括海洋平台、海底油气管线、特种船舶用钢[4]。

目前屈服强度355MPa以下平台用钢基本实现国产化，占平台用钢量的90％；海底管线钢X65、X70、X80及厚壁海洋油气焊管均已实现国产化；化学品船用中厚板已实现国产化，自主研制的2205型双相不锈钢，已成功地应用在化学品船上[5]；液化天然气LNG船用9%Ni钢和液化乙烯储罐用12Ni19钢已经能够批量生产。

航空、航天用钢方面大部分都已实现国产化，但在大型客机的轴承、连接螺栓、着陆齿轮等部件所用的结构钢，燃气涡轮发动机中高压涡轮叶片用高温合金材料等方面还依赖进口。

对于大推比运载火箭系统壳体、动力连接装置、发动机部件、星箭或船箭解锁包带等部件用特殊钢，以及各类空间环境设施用高品质特殊钢和高温合金还有待于进一步开发。

（二）高端轻质合金材料
高端轻质合金材料主要包括高性能铝合金、镁合金和钛合金，是我国发展大飞机、高速铁路等国家重大工程的基础。

目前我国已经成为世界轻合金材料的生产消费大国，2012年十种有色金属产量约3700万吨，原铝产量和消费量均占到全球份额的40%以上。

在经济社会发展的巨大牵引作用下，我国在轻合金新材料、传统材料改进及材料的产业化技术方面都取得了很大进展。

2000系和7000系高强铝合金材料制备方面取得了一系列关键技术突破，初步满足了航空航天制造业快速发展的需求；镁合金压铸件已经批量用于3C壳体等一些非主承力结构件，新开发研制的高强镁合金型材和板材也开始用于国防军工武器装备的研制；钛合金大直径棒材、大型锻件和特殊性能钛合金等领域取得重要进展，产品基本满足我国航空航天和其他制造业的发展需要；行业大型骨干企业的生产装备水平普遍已进入世界先进行列，部分企业甚至达到世界领先水平，近五年新投产的铝板带热连轧/冷连轧生产线、铝型材50MN以上大型挤压机和80MN以上重型挤压机已占到全世界同类装备总量的50％以上，钛材领域的装备水平也伴随着大型真空自耗熔炼炉、电子束/等离子束冷床炉、大型锻压设备和高精度带材轧机等先进设备的建成投产而达到了世界先进水平。

（三）高性能复合材料
树脂基复合材料是由有机高分子基体材料与高性能纤维增强材料经过特殊成型工艺复合而成的具有两相或两相以上结构的材料，具有性能可设计、复合效应、多功能兼容、材料与构件同步制造等特点，以及高比强度和比刚度、可设计性强、疲劳性能好、耐腐蚀、可整体成型等优点。

结构树脂基复合材料的增强材料主要为碳纤维，还包括少量的玻璃纤维、石英纤维和以芳纶纤维为代表的高性能有机纤维。

目前，碳纤维主要包含粘胶基、沥青基和聚丙烯腈基碳纤维三大体系，已形成系列并稳定生产和大量应用。

用于结构材料的碳纤维主要是聚丙烯腈（PAN）碳纤维，以东丽碳纤维为例，其产品主要分为三个系列：T系列、M系列和MJ系列。

国内碳纤维经过几十年的不断攻关，基本实现T300级碳纤维的批量生产和国防装备的自主保障，T700级碳纤
维已经实现小批量生产，T800、M40、M40J级碳纤维已经基本突破制造关键技术。

在树脂基体材料方面，随着制备技术的不断创新，高韧性复合材料得到了广泛的应用[6，7]。

环氧树脂、双马树脂是结构树脂基复合材料最常用的树脂基体，氰酸酯树脂在结构功能一体化复合材料也有应用。

树脂基结构复合材料经历了标准韧性、中等韧性、高韧性和超高韧性树脂基体的发展过程，目前超高韧性树脂基复合材料的冲击后压缩强度（CAI）已经达到315MPa以上。

低成本液体成型复合材料形成了系列化的RTM树脂体系。

而聚酰亚胺复合材料在高温下具有优异的综合性能，包括第一代聚酰亚胺树脂PMR-15（耐温300℃），及后来相继研发了第二代（耐温350℃）、第三代（耐温370~426℃）及第四代（耐温426～500℃）聚酰亚胺树脂。

在树脂基复合材料的制备工艺方面，自动化、数字化、整体化和低成本制造化技术的突破大大的提高了制备效率。

目前热压罐成型工艺是高性能预浸料复合材料的主要成型方法，预浸料热压罐成型工艺采用预浸料自动裁切和激光定位辅助铺层技术，基本实现了制造过程自动化、数字化生产。

在大型复杂整体复合材料构件制造过程中还广泛采用自动铺带、自动铺丝和预浸料拉挤工艺等自动化技术，提高了成品率和制备效率。

复合材料液体成型工艺是继热压罐成型工艺之后开发最成功的复合材料低成本成型工艺，在工程应用中的液态成型工艺主要有树脂传递模塑成型工艺（RTM）、真空辅助树脂浸渗成型工艺（V ARI）和树脂膜浸成型工艺（RFI）等[8]。

（四）特种结构材料
以先进结构陶瓷材料、有机高分子材料、纳米结构材料为重点的特种结构材料，关系到国防、航空航天、交通等领域的发展，在保障我国国防工业、国民经济发展与促进我国结构材料产业的可持续性发展等方面发挥着重要作用。

先进结构陶瓷材料是指以人工合成的高纯度超细粉末作为原料，采用精密控制工艺成型、烧结而制成的高性能陶瓷，具有耐高温、高强度、高硬度、耐腐蚀、耐磨损、化学性质稳定及其它一些特殊功能，在国防和航空航天领域有着广泛的应用。

我国开展了大量结构陶瓷材料的基础研究，并取得了一系列成果，但产业
化水平不高，尤其是在高纯超细粉体制备，复杂形状、高精密、大尺寸结构件产业化方面差距较大。

有机高分子结构材料具有重量轻、耐腐蚀和电绝缘性能优异等特点，目前以小型结构件为主，主要应用于现代交通、生物医药等战略性新兴产业领域。

我国在工程塑料、合成橡胶以及合成纤维等三大合成材料领域取得了快速进步，但产品主要以通用材料为主。

尽管聚苯胺、芳纶、碳纤维、氟树脂、硅橡胶和溴化丁基橡胶等高性能产品已经有工业化生产，但仍处于中低端水平，高端产品还依赖进口[9]。

纳米结构材料是指将纳米材料压制、密堆成块材,或者将纳米材料填到介质材料中构成具有优异结构特性的材料。

本文着重介绍近年来关注较多的碳纳米管材料。

碳纳米管材料具有轻质、高强、高模量、高韧性，以及高导热/电、耐磨、低热膨胀等特性，作为结构功能一体化材料在航天、航空、电子、交通等领域具有巨大的应用潜力。

目前，碳纳米管塑料已经应用于汽车的喷涂镜面车壳，碳纳米管增强树脂在制备坚固轻巧的风力涡轮机叶片和海事安全船船体中获得了应用[10]。

由于碳纳米管与金属基体浸润性差、大尺寸样品制备困难，碳纳米管增强金属基复合材料尚未有应用报道，但其优异的力学性能和低的密度在空天和交通领域具有巨大的应用潜力[11,12]。

我国在碳纳米管材料研究方面一直紧跟世界发展趋势，逐步掌握了大尺寸复合材料制备技术，并开展了相应的应用研究。

22.1.2发展趋势
（一）先进钢铁材料
钢铁材料在可预见的未来仍是我国经济发展过程中不可替代的结构材料，高性能、高品质的先进钢铁材料是推动新能源、海洋工程、交通运输、航空航天等战略性新兴产业发展的基础和保障。

随着全社会对绿色、低碳、节能环保意识的提高，要求钢铁结构材料具有高性能、长寿命、减量化生产的特性，同时应满足资源节约、环境友好的要求[13]。

钢铁材料强韧化的措施是向组织细化方向发展，钢材产品的内在质量向提高钢材洁净度和均匀度方面发展，使钢材的性能大幅提高，并促使大尺寸、厚规格的产品进入稳定生产阶段。

在提高钢材洁净度方面，通过冶炼装备与技术的提高，净化钢质，精确控制夹杂物，可实现风电用低钛轴承、高速铁路车轮、车轴、轴承和弹簧用钢、高速重载钢轨、飞机起落架、传动装置以及发动机齿轮和传动轴用航空特钢产品的品质提高，并实现稳定生产。

发展高性能、长寿命用钢方面，要求钢材不仅具有高强度、高韧性，而且针对不同用途的钢，还应具有其它特殊性能，如海洋工程用钢应具有耐蚀性、低温韧性、抗大变形性和良好的焊接性，从而保证海洋平台、海底管线等海洋工程设备安全、长久的使用。

对于高铁、汽车用钢应具有抗冲击、抗疲劳等特性，才能使现代交通工具安全、平稳。

发展大尺寸、厚规格钢铁产品，实现水电用800Mpa 级以上抗撕裂宽厚板，120～150mm特厚550Mpa以上高强度海洋平台用钢、超级13Cr、双相不锈钢、奥氏体不锈钢等海底管线用钢、免涂层油船货用舱（COT）用耐蚀钢等材料的国产化，为新能源、海洋工程等战略性新兴产业提供先进结构材料。

发展高比强度的变形高温合金、粉末高温合金、铸造高温合金材料与制造工艺，以及高温合金热端部件的高温防护涂层技术、服役损伤与寿命评估技术，可为先进航空发动机关键材料的国产化提供技术支撑。

核电燃机用高温合金叶片、高温合金轮盘锻件的开发，为新能源产业提供基础材料。

（二）高端轻质合金材料
轻质合金材料主要发展方向为轻质、高强、大规格、耐高温、耐腐蚀和耐疲劳的材料。

高端轻合金材料的技术和产业进步为我国战略性新型产业提供了重要的基础材料支撑：高性能铝合金、钛合金及其大规格棒材、锻件、板材、型管材是新一代航空航天器制造关键基础材料，高强高韧镁合金也在新型航天器的制造中逐步发挥关键作用；高性能、大规格铝合金型材、板材是高速轨道交通工具的主体材料，新一代的铝合金板材、型材以及镁合金压铸件和变形材成为新能源汽车发展的关键材料；钛合金还在海洋工程、核能等战略性新型产业中发挥重要材料支撑作用。

此外，高性能化和生产制造一体化成为高效低成本应用轻合金材料和缩短部件研制周期的重要手段。

目前，世界各国在研究开发新型轻合金新材料、改进现有材料、开发材料高效使用技术三个层面上投入了大量人力物力，以达到
材料的高性能化、高可靠性和低成本化目标，并“以减量化、再利用、再循环”为原则研发节能型、环保型以及循环性的材料，同时大力推进材料生产、成形加工与部件制造一体化，保障材料技术向下游延伸并加快部件的研发制造[14]。

（三）高性能复合材料
随着国防工业和国民经济的不断发展，开发高强度高模量复合材料、高温高韧复合材料、结构功能一体化复合材料、环境自感知智能复合材料等先进复合材料，推动制备工艺的低成本化、自动化及快速成型化，并实现复合材料的可回收、可再生是高性能复合材料的发展方向。

在高强度高模量复合材料方面，目前高性能碳纤维拉伸模量基本接近其理论值，但碳纤维最高的拉伸强度仅为理论强度的10%左右，通过进一步改进和优化（PAN）原丝、调控碳纤维制造工艺和微观结构仍然有可能大幅度提高碳纤维的力学性能；与此同时，发展高强度高模量有机纤维将是高性能增强材料发展的重要方向。

在高温高韧复合材料方面，为适应超高声速飞行器发展的要求，长期耐热300℃以上的高韧性耐高温是未来主承力结构复合材料的主要发展方向，同时应发展超高温有机无机杂化聚酰亚胺树脂基复合材料以满足未来长期使用温度450℃以上的需求。

在结构功能一体化复合材料方面，有必要开发满足飞机隐身/结构、透波/结构功能一体化要求的复合材料。

在环境自感知智能复合材料方面，可变形蜂窝结构和纤维增强形状记忆聚合物是实现机翼变形的一种可能的复合材料；自修复复合材料可实现复合材料损伤结构的损伤自修复，延长使用寿命、确保飞行器飞行安全；复合材料结构健康监测可提高飞机复合材料结构在服役状态下的质量可靠性、可生存性和可支持性。

在复合材料的制备工艺方面，电子束固化和紫外线固化与自动铺带技术和V ARI等低成本制造技术结合起来可进一步缩短复合材料制造周期和降低复合材料的制造成本，实现复合材料的快速、低成本制造。

在复合材料的可回收、可再生方面，天然纤维及其复合材料和可回收再生的高性能热塑性复合材料日渐成为研究的重要方向。

（四）特种结构材料
先进结构陶瓷材料正向大构件尺寸复杂结构、高精度与高可靠性方向发展，应用范围日益广泛，产业呈现技术进步、全球化及稳定增长的发展态势。

发展自主知识产权的高温结构陶瓷、陶瓷轴承、高效长寿陶瓷热交换器等产品，打破国际垄断。

有机高分子结构材料正向高强度、高模量、超韧及高弹方向发展，同时要求在高温、低温、强腐蚀、微重力等极端条件下，具有良好的使用性能。

在提高材料力学性能的基础上，附加光电功能、电磁功能、生物相容性、智能感应、自修复、分离、贮存等功能，实现结构功能一体化。

因此现有材料的改性、新型聚合物、新型催化剂、添加剂以及新型加工工艺开发也是高分子材料未来发展的重要方向。

碳纳米管材料在结构以及结构功能一体化应用方面的趋势为发展具有低密度、高强度、高模量、高韧性，兼有高导热/电、低热膨胀或耐磨等功能特性的材料。

碳纳米管的结构完整性及其与基体的界面浸润性，是发挥其增强效益的关键；在保证碳纳米管在基体中均匀分散和界面结合的前提下，增加其长径比、减小由于浓酸/碱官能团化处理导致的表面损伤，同时针对碳纳米管的各向异性特点，开展性能导向型碳纳米管构型复合设计，是进一步提升碳纳米管材料性能、开拓材料应用的主要途径[15]。

22.2.发展重点及关键技术和装备
22.2.1发展重点
（一）高品质特殊钢材料
以满足装备制造和重大工程需求为目标，发展高性能和专用特种优质钢材。

重点发展风电主轴轴承，水电、核电抗撕裂宽厚板及大型锻件、特厚钢板；发展换热管、堆内构件等核电机组用特殊钢及其配套焊接材料、650℃以上超超临界锅炉用钢及高温高压转子材料。

突破高速铁路装备用高品质轴承钢、车轴钢、车轮、弹簧钢以及第三代汽车用钢等核心技术。

发展海水淡化、海洋发电装备用钢，
以及适应近海、深海和北极等极冷海域耐低温海洋平台、特种耐腐蚀油井管、船板及抗大变形海底管线等海洋工程用钢。

发展航空航天零部件用特殊钢，大飞机起落架、发动机传动装置的特殊钢，掌握节镍型高性能不锈钢、高标准轴承钢、齿轮钢、工模具钢等高品质特殊钢等材料的制备技术[16]，推动战略性新兴产业的发展。

（二）高温合金材料
突破高温合金锭的挤压开坯和盘件的等温锻造技术，重点发展用于定向凝固柱状晶合金、单晶合金和定向凝固共晶合金制造的高温梯度定向凝固技术、高纯洁度粉末涡轮盘制造技术，提高铌基合金抗氧化性的合金化和涂层等技术水平，满足航空、航天发动机对高温合金长寿命、耐热腐蚀的要求，从而提升航空、航天发动机核心关键技术的自主研发能力。

（三）航空航天用轻合金材料
发展具有自主知识产权的新一代航空航天用高性能铝合金材料产业并形成大尺寸、复杂截面系列产品的批量生产能力，提高航空航天用铝合金材料的加工技术水平和品质管控能力，建设我国航空航天专用铝合金材料生产基地，使新材料和产品的技术经济指标达到国际发达国家同等水平；发展高精度钛合金型管线材加工产业，满足航空航天对高精度钛合金产品的紧迫需求，提升我国的钛合金加工和应用水平；发展大尺寸复杂截面镁合金加工产业，满足航天工业的紧迫需求并形成我国高端镁合金材料加工应用产业。

（四）现代交通运输用轻合金材料
自主开发以车身板为代表的汽车轻量化用高性能铝合金材料、以各种压铸件和汽车次承力件为代表的高性能镁合金材料，形成核心知识产权，并与汽车设计制造企业联合攻关，进一步扩大高端轻合金在汽车工业中的应用，并提升我国汽车工业的设计制造水平和轻合金材料的高端应用水平；针对新能源汽车的需求，自主发展我国动力电池集流体用高精度箔材生产加工和应用技术；开发超宽大断面高性能铝合金和镁合金车体型材，提高产品质量和整体技术水平，满足高速发展的轨道交通用车体制造的迫切需求。

（五）高性能复合材料
开发新一代高性能复合材料的关键原材料技术、高效低成本制造技术和结构功能一体化复合材料技术，促进高性能复合材料产业的规模化和持续发展。

重点发展高强中模碳纤维及高强高模碳纤维、高韧性树脂基体和耐高温树脂基体等关键原材料制造与生产技术，以及满足现代装备需求的兼备吸波、透波、导热导电、阻燃等功能和承载能力的结构功能一体化复合材料技术；提高复合材料的自动化制造、非热压罐低成本制造等工艺技术的稳定性。

（六）先进特种结构材料
在结构陶瓷材料方面，开发高纯超细Al2O3、Si3N4、AlN等陶瓷粉体的合成及批量生产技术，大尺寸、形状复杂构件的近净尺寸成型与烧结工艺技术，高温陶瓷发动机、防热-承载-透波等多功能一体化天线罩、低密度高模量光刻机双工件台陶瓷导轨等大尺寸、高精度、形状复杂构件制备技术，开发耐腐蚀、高导热、薄壁碳化硅热交换管的批量制造技术以及未来航空航天用陶瓷基复合材料所需的新型高性能SiC、SiBCN等陶瓷纤维的合成制备技术等。

在有机高分子材料方面，通过聚合物材料的固相加工等技术提高聚烯烃等通用材料的强度和耐疲劳性[17]，可更好的满足有机高分子材料在防弹、防爆等方面的高强且质轻的要求。

开发生物基尼龙等生物基工程塑料，减少二氧化碳排放，使我国工程塑料依赖进口的局面有所改善 [18]。

加快液晶聚合物的结构功能一体化研发进度，优化泡沫、薄膜等轻量化材料的高强度和阻燃等性能。

在碳纳米管材料方面，开发碳纳米管复合材料宏量制备技术，制备高比强、高比模量、高导热/电、低膨胀、易加工成型的碳纳米管增强金属基复合材料，在航空航天领域用作星载、舰载设备的电气线架、支座、连接件、紧固件等棒材、板材及复杂形状异形件或薄壁件，为空天装备瘦身减重，提高空天装备的综合性能；在交通运输领域，轻质、高强、高模量、高阻尼碳纳米管增强金属基复合材料，可用作高速列车的座椅架、枕梁等，减轻车身重量，提高乘坐舒适性；在民用消费品方面，可用作中高档电子设备的机架、封装外壳等[17]。