石墨烯增强金属基复合材料项目

石墨烯增强金属基复合材料项目 可行性研究报告
有色金属及复合材料研究所编制
二零一四年十月
目录
第一章研究概论 (1)
第二章项目背景和发展概况 (4)
第三章项目发展环境分析 (12)
第四章应用技术方案 (20)
第五章 项目企业竞争策略 (21)
第六章行业国内市场分析 (22)
第七章可行性研究结论与建议 (27)
报告撰写人 冷金凤
二〇一五年十月
第一章 研究概述
1.1研究背景及目标
上世纪九十年代，我国开始金属基复合材料（MMC）的研究，经过二十多年发展，金属基复合材料已经在军事国防领域取得了产业化应用并向民用领域渗透，如今已在陆上交通、民航、工业和体育休闲产业等诸多领域实现商业化的应用。

从全球溯源及发展来看，美国是起步最早、投入最大，也是终端产品应用最多的国家，日本和英国也拥有一些生产工艺成熟的企业。

相比较而言，我国在金属基研究方向起步较晚，目前在军工、航天领域已在某些器件上获得规模化应用，但也存在生产工艺不成熟，成品率低等问题，在民用领域还没有大的突破。

同时，对于颗粒增强金属基复合材料的增强体选择上，通常为陶瓷相，产业化上应用最多的是SiC、Al2O3等陶瓷颗粒，由于硬、脆质点的本征属性，导致金属基复合材料难以进一步塑形成型，同时加工成本高。

所以，从金属基复合材料应用深度和广度来看，有必要进一步完善金属基复合材料的制备工艺，提高工艺稳定性，降低制备和加工成本。

二维特殊结构石墨烯纳米材料的出现，为解决硬、脆质点加入导致的难以二次加工提供了解决方案，同时进一步降低密度，提高综合性能，所以有必要研究石墨烯增强的金属基复合材料，以满足我国航空航天、军工、交通运输及热管理领域等需求。

本文目标在于论证石墨烯增强金属基复合材料在国内生产的项目可行性研究。

1.2 研究的内容
研究石墨烯增强金属基复合材料在国内、国外市场供需信息及未来发展前景；石墨烯增强金属基复合材料国内外技术情况研究；石墨烯增强金属基复合材料技术开发及生产的可行性。

1.3 数据来源
主要数据资料来源有查询资料、集体商讨、数据共享、比较研究、专家数据整理等。

1.4 研究结论
1.4.1 市场规模
经调查研究分析，金属基复合材料在我国属于新兴产业，预测经过五年的发展，国内需求会达到30000吨左右。

1.4.2 竞争态势
目前国内没有一家企业拥有成熟的金属基复合材料生产及应用技术，对于石墨烯增强金属基复合材料正是处于初步研究阶段，研究的周期不超过三年，但研究机构都开始投入大量的资金和人员，预计5年后国内竞争将趋向激烈，应尽快实施项目，抢先占领市场。

1.4.3 项目可行性
石墨烯增强金属基复合材料项目符合国家产业政策，市场前景广阔，能产生较大的企业效益和社会效益，建议项目尽快实施。

第二章项目背景和发展概况
2.1 金属基复合材料项目背景
2.1.1 国际金属基复合材料行业和应用现状
美国在金属基复合材料领域起步较早和投入最大，是最先将金属基复合材料应用的国家，日本、英国也相继出现了金属基复合材料的产业化公司。

从国际视角观察，金属基复合材料在以下几大领域实现应用：
（1）航空航天领域
航空航天飞行器对结构材料要求结构材料具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、高的尺寸稳定性及低密度等特点。

目前，比较理想的飞行器用材料有：金属基复合材料，树脂基复合材料及陶瓷基复合材料。

其中，金属基复合材料以其特殊的性能受到青睐。

早在上世纪八十年代，美国首次批露了研制出一种仪表基SiCp/Al复合材料，并将该种材料应用于某型号导弹的惯导制导测量仪表中。

经特殊设计的SiC/Al 复合材料具有高比强度、高比刚度，好耐磨性，热膨胀系数可设计，好的导热、导电性能，各向同性，好的尺寸稳定性，可热处理强化等优越性能，已成为未来惯性仪表结构的首选材料，可以替代铍材和铝材，很好地解决惯性仪表精度漂移、逐次漂移的问题，被誉为“第三代航空航天惯性器件材料”。

已被正式用于美国某导弹惯性环形激光陀螺制导系统，并已形成美国的军用标准（MIL-M-46196）。

另外，金属基复合材料在航天中最早的应用是美国航天飞机，在轨道中段机
身主隔框、翼肋桁架、框架稳定支柱、前起落架，共使用了243根B/Al 复合材料管形支撑件，质量比铝合金轻45%。

上世纪九十年代初，美国研发出耐高温金属基复合材料SiC/Al8009，使用温度达370℃，代替钛合金，用于航天飞机机翼蒙皮，火箭箭体和其他耐高温航空航天结构。

美国DWA复合材料公司于上世纪八十年代，采用粉末冶金法生产的SiC/Al复合材料已被用作飞机上的电子支架，刚度比原来的7075铝合金约高65%。

（2）军工领域
美国世纪公司通过美国陆军坦克机动车辆研发与工程中（TARDEC）合作，采用铝基复合材料制备刹车鼓替代铸铁或钢制部件，重量减轻45%，且散热优于铸铁。

（3）轨道交通
铝基复合材料可用于发动机连杆。

连杆要求材料具有高强度、轻量化、低成本。

丰田公司在其新式Fx-1轻型特种车辆的高性能试验发动机上装了多晶氧化铝纤维强化的铸铝连杆。

相对于钢质连杆减轻大约30%，抗拉强度和疲劳强度高，线膨胀系数小，可满足连杆工作时的性能要求。

此外，采用金属基复合材料制造的汽车发动机活塞、缸套、传动轴、阀杆、刹车组件等已经得到应用，对实现汽车轻量化意义重大。

（4）热控材料
金属基复合材料可作为热管理材料在微电子封装领域获得应用，要求材料具有低热膨胀系数、高导热率、低密度，已生产代表性
材料有SiC/Al6092，SiC/Al6063。

（5）其它民用领域
铝基复合材料在一些对综合性能要求较高的民用领域具有较大
的应用潜力。

在过去几年，铝基纳米复合材料赛车部件的研制取得重要进展，已研制出可批量生产的纳米复合材料赛车传动轴、活塞及齿轮等零部件。

在体育用品领域，自行车车架，赛艇发动机活塞、传动轴、高尔夫球杆等获得应用。

2.1.2 国内金属基复合材料行业和应用现状
国内的金属基复合材料发展尚处于起步阶段，没有完善的金属基复合材料产业，目前仅有哈工大、航材院、上交大等少数科研单位具有小批量的配套能力，其品种、规格单一，主要在航空航天领域应用，如惯导平台、反射镜、封装支架等。

由于轻质高强的结构-功能一体化金属基复合材料在航空航天具有不可替代性的国防背景，国外对核心技术和产品严格保密，虽然近年来西方金属基复合材料公司在中国建立了一些合资或独资企业，但是并没有，也不可能转移相关技术。

随着我国在空间技术、航空航天、轨道交通、电子通讯等领域的高速发展，对高性能金属基复合材料的需求日渐旺盛，为了避免在国家安全等领域受制于人，必须研发具有自主知识产权的金属基复合材料。

2.2 石墨烯增强金属基复合材料的研究进展
石墨烯的出现为高性能的铝基复合材料的发展提供了新的契机。

石墨烯具有碳原子单层原子紧密排列的二维六边形点阵结构，是构成石墨材料的基本单元。

自2004年Geim等人发现以来，石墨
烯已成为材料学和物理学领域的研究热点。

石墨烯特殊结构决定了其优异的热物理性能、电性能和力学性能，其中热导率5000 W/(m·℃)，电导率106S/m，极限强度130GPa，拉伸模量1.01TPa，面密度为0.77 mg/m2。

另外，与一维的碳纳米管相比，二维的表面的石墨烯，在制备过程中更易均匀分散，且其表面的褶皱有利于增强体与基体的界面结合。

近几年，在石墨烯增强树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的方向取得一些进展，其中一些研究对比了石墨烯和碳纳米管的增强效果。

美国伦塞勒理工学院报道了石墨烯增强环氧树脂复合材料的研究结果：相比于多壁碳纳米管增强的复合材料，0.3 wt.%石墨烯增强环氧树脂复合材料杨氏模量提高30%, 拉伸强度提高22%。

美国德州理工大学王世仁在聚合物基体中加入质量分数为1%的石墨烯和碳纳米管，复合材料的导热系数比基体提高，石墨烯增强的复合材料导热率略高于碳纳米管增强的复合材料；加入5%质量分数石墨烯的复合材料导热系数相对于基体提高4倍。

石墨烯增强的陶瓷复合材料也有少量报道，相对于碳纳米管增强的氧化铝陶瓷，石墨烯增强复合材料电导率更高, 达到5709S/m，增加170%。

以上研究也表明，石墨烯增强的复合材料综合性能更优异，也为金属基复合材料增强体材料的选择提供依据。

与石墨烯增强树脂基复合材料和陶瓷材料相比，石墨烯增强的金属基复合材料的报道不多，而且主要集中在惰性金属(如Au、Pt、Ag)或金属氧化物表面沉积石墨烯，进行界面结构及光催化、光电及
能量储备等纳米功能性研究。

对于块体的石墨烯增强金属基复合材料的报道很少，仅在力学性能方向上做了初步探索工作。

而对于块体石墨烯增强金属基复合材料的热物理性能的研究（如热导率、热膨胀系数等）还未见相关报道。

2.3 石墨烯增强金属基复合材料的优势和特点
由于石墨烯的低密度、优异的力学及热物理性能，作为纳米颗粒增强体加入，从材料设计角度将获得低密度、更优异的力学、热物理性能及机械加工性能的金属基复合材料。

对于航空航天器件及轨道交通的轻量化需求，石墨烯的密度2.2g/cm3, 远小于碳化硅、氧化铝等陶瓷相的密度，因此石墨烯增强复合材料的密度相对于铝合金进一步降低，适合对于密度有严格要求的航空航天器件和轻量化要求较高的轨道交通器件。

石墨烯强度是钢的100多倍，可使增强体的添加量在低体积分数下，复合材料大幅提高力学性能，本课题组前期研究显示，在石墨烯添加量0.3%~0.7%，拉伸强度和硬度提高40%以上。

同时，复合材料具有与基体铝合金相近的塑性变形能力，避免了陶瓷增强体颗粒的存在严重降低材料的延伸率，难以进一步塑形成型的难题。

石墨烯替代硬、脆的陶瓷相，大幅度降低了复合材料的加工成本，根本解决了限制金属基复合材料应用的瓶颈问题。

石墨烯超高的导热率，添加在金属基体中，提高复合材料力学性能同时，提高了金属基复合材料的导热率。

常用的陶瓷相增强体，一般都具有远远低于金属的导热率，导致金属基复合材料导热率显著下
降。

石墨烯替代陶瓷相，使金属基体的热导率不降反升。

在热管理材料中，提供了较好的应用前景。

2.4 石墨烯增强金属基复合材料项目进展情况
目前，济南大学有色金属及复合材料课题组在国家自然基金（NO.51301076，界面调控对石墨烯/铝基复合材料热物理性能的影响机制）和省教育厅科技发展规划项目的资助下，经过多年努力研制，在纳米颗粒增强的金属基复合材料领域，具备一套完整的材料设计体系，已完成多种材料体系的设计。

同时，对于高性能金属基复合材料制备中存在的两大关键问题，一是增强体与基体的界面改善；二是金属基复合材料的致密化。

在本人多年金属基复合材料研究基础上，结合纳米材料的独特本征属性特点，已获得解决方案，为制备高性能石墨烯增强的金属基复合材料奠定了理论和试验基础。

目前，正在积极寻求合作方，一旦满足金属基复合材料研究的设备条件和检测手段，项目即可积极推进，完成样品的研制和小批量生产。

2.5 石墨烯增强金属基复合材料项目建设的必要性
2.5.1 现状与差距
近年来，世界各国特别是美国、英国、日本等工业发达国家，组织了军方、研究院所和企业，由政府出面，动员了大批人力、物力和财力，对生产和应用金属基复合材料进行了大量的科学研究和开发工作，获得了非常重要的发展，取得了很多成果并推广应用。

而我国目前仅少数几家科研院所进行金属基复合材料的品种单一的小批量生产外，尚没有成熟的生产金属基复合材料的企业，由于其国防背景，
不可能进行相关的技术引进，所以我国应加大自主知识产权研发。

在石墨烯增强金属基复合材料方向，国外尚未见相关报道，说明我们的研发已走在国际前列，所以我们应尽快加大石墨烯增强的铝基复合材料的研发力度，把握国际国内先机，早日实现石墨烯增强金属基复合材料的示范应用，将会在国际国内获得轰动效应。

2.5.2 金属基复合材料的发展趋势
从国际上来看，金属基复合材料经过近三十年的发展，趋向于发展结构-功能一体化材料，例如具有高强度、高耐磨性的同时，还具有阻尼减震性能；具有高强度、高模量的同时，还具有电磁屏蔽性能；同时具有合适强度和好的尺寸稳定性等。

随着金属基复合材料设计理论、制备工艺、热处理工艺的不断补充和完善，产品性价比将不断提高，金属基复合材料应用的广度和深度将进一步发展。

我国在金属基复合材料研究方面落后于国外发达国家，稳定制备工艺的突破，将进一步提高材料性能、降低制备成本，是突破金属基复合材料应用广度和深度的基础。

所以，在今后低成本、高性能金属基复合材料的研究仍是材料领域的主流方向，特别是纳米颗粒增强的金属基复合材料的研发和应用将是本领域的最主要研究方向。

前面提高，未见国外相关报道，并不说明发达国家没有开展和关注此方向的研究，而是基于军方保密，不做公开报道，但我们近些年的研究已经说明其在航空航天等军事领域的已有重要的应用，一些应用可以实现器件性能的质的飞跃。

2.5.3 项目建设的必要
信息、材料和能源是人类社会的三大支柱，材料作为其中之一，对人类生活等诸多方面的具有重要的影响。

金属基复合材料被认为是21世纪的先进材料，国外已经有30年的研究历史，目前美国已经将其广泛应用于航空、航天、汽车、民用飞机、娱乐设施、电子封装、体育用品等领域。

其中在民用方面包括汽车发动机、汽车刹车片、波音777飞机发动机、高尔夫球器械等等；在军用方面，主要有（导弹、火箭、潜艇卫星等定位导航用的）惯性仪表零件、军用飞机结构件、卫星等航天器结构件、军用大功率电子器件封装壳体、军用微波通信波导管等，应用领域宽广，市场潜力较大。

目前国内只有少数几家科研院所在研制金属基复合材料，但都没有成熟的生产金属基复合材料的企业，由于其国防背景，不可能进行相关的技术国外引进。

在石墨烯增强金属基复合材料方向，国外尚未见相关报道，国内也仅见几篇工艺摸索的初报，说明我们的研发已走在国际国内前列。

所以，我们应抓住难得的历史机遇，尽快加大石墨烯增强的铝基复合材料的研发力度，早日实现石墨烯增强金属基复合材料的示范应用，推动金属基复合材料的大发展，将起到跨时代的重大意义。

在此大背景下，利用本课题组多年的技术积累，可充分利用海纳尔公司提供的设备、资金、人力支持，可以缩短研发时间，抢先占领市场；同时可以大大提高公司在石墨烯复合材料领域的知名度，优化公司的营收贡献结构，提升公司在新材料领域的行业地位。

第三章项目发展环境分析
3.1 国内宏观经济环境分析
从2013年到2014年上半年来看，面对复杂多变的国际形势和国内经济运行环境，我国实施了积极的财政政策和稳健的货币政策，国民经济运行总体良好。

虽然经济增速有所放缓，但仍保持相对稳健的步伐；工业生产平稳增长；居民消费持续增长；投资增速虽回归常态，但依然保持较快增长；外贸仍保持增长，但增速放缓；货币信贷运行回归常态；城镇新增就业稳步增长。

(1) 我国经济仍处于增长“长周期”。

从中长期来看，企业设备升级等投资需求势头不减，国内较高的储蓄率对拉动内需仍有很大空间,我国经济将长期处在一个增长通道中。

(2) 宏观经济政策主基调不会变化。

2011 年在紧缩政策和外需回落双重夹击下，装备制造业、钢铁产业，部分企业出现了多年未遇的停产现象。

同时，在政策紧缩下，许多中小企业资金链紧绷，尤其是沿海地区的一些外贸制造业企业，停工现象开始蔓延，失业率开始上升。

2013 年及未来几年内宏观调控政策从整体政策框架和总基调上，不会有太大改变，可能仍是积极的财政政策和稳健的货币政策。

但是在通胀得到初步治理后，稳增长在宏观调控框架中的重要性越来越凸显，会根据实际经济情况在具体操作上更加倾向于放松，突出前瞻性,政策将更加关注经济下滑的风险。

(3) “十二五”期间我国将不断加强工业化和城镇化建设，成为
经济发展的主要驱动力。

根据国家“十二五”发展规划，到2015 年
我国工业化率将由现在的50%上升到65%，城镇化率将由现在的45.7%上升到60%左右。

工业产值每增加1个百分点，就可以带动GDP 增长0.6个百分点，城镇化率每增加1 个百分点，可以带动GDP 增长1.5到2 个百分点。

工业化和城镇化建设将成为经济发展的强大驱动力。

(4) 经济结构调整促进经济健康增长。

金融危机正在倒逼中国经济从“出口”转到“内需”上来。

2013年，我国将充分利用本轮金融危机和经济增长降速的有利时机，把主要的精力放在转方式、调结构、促改革上，加大落后产能淘汰和节能。

从短期来看，房地产行业和制造业仍是拉动经济增长的主要动力。

另外，企业自主投资较强，制造业增长较快也将推动经济增长。

减排的政策力度，强制高成本高、能耗高污染产业的退出与调整，同时倾力培育战略新兴产业和科技含量高、市场需求潜力大的产业及产品崛起，尽快形成经济增长的新引擎。

在这一转型进程中，一批出口型企业、高能耗型以及部分高成本房地产企业，将会遭遇倒闭、重组、兼并和收购的命运；一批节能环保、绿色制造、生物医疗和新一代IT 等新兴产业将会呈现新的盈利机会。

(5) 通货膨胀压力减缓。

经济回落降低通胀压力、输入性通胀逆转以及国内食品价格进入回落周期促使我国通胀回落，预计2014年CPI在3.2%左右。

PPI也将出现快速回落, 预计2014 年继续回落至3.5%左右。

(6)绿色产业在全球兴起为我国产业转型升级提供新契机。

发展新兴绿色产业，有利于我国保护环境、提高能源资源利用效率和推动
产业升级。

绿色产业还处于发展的起步阶段，为我国赶上新一轮全球产业调整发展步伐、缩小与发达国家的差距，提供了重要契机。

另外，新能源和节能环保等绿色产业发展潜力巨大，为我国培育新的经济增长点和市场需求提供了重要机遇。

根据“十二五”时期经济社会发展的国内外环境分析，当前和今后一个时期，世情、国情继续发生深刻变化，我国经济社会发展呈现新的阶段性特征。

综合判断国际国内形势，我国发展仍处于可以大有作为的重要战略机遇期，既面临难得的历史机遇，也面对诸多可以预见和难以预见的风险挑战。

我们要增强机遇意识和忧患意识，科学把握发展规律，主动适应环境变化，有效化解各种矛盾，更加奋发有为地推进我国改革开放和社会主义现代化建设。

3.2 石墨烯增强铝基复合材料的社会环境分析
金属基复合材料的应用主要以铝合金应用范围最广，以铝基复合材料为例说明其社会环境特点。

铝材是绿色材料，建设生态文明不可或缺，中国有色金属工业协会举办的“加强‘绿色铝’宣传促进铝消费行动启动仪式” 于2012年4月18日在贵阳举行。

8月25日，由国务院参事室和中国有色金属工业协会主办的“促进铝应用高层论坛”在北京钓鱼台举行，受到国家高层领导的重视。

通过这两个重要活动，广泛宣传了铝在建设生态文明中的节能低碳作用，使“绿色铝”的基本理念深入人心，达到了进一步扩大内需促进铝消费的目的。

铝基复合材料行业是绿色载能产业的典型代表。

一方面，生产电解铝时需要大量能源，是“载能”的，另一方面，相对于陶瓷相（如氧化硅、氧化铝等）增强
的铝基复合材料，石墨烯增强铝基复合材料更容易循环利用，在铝基复合材料的整个生命周期里和再生重复使用的过程中能够促进节能减排，是“绿色”的。

在发展循环经济和构建低碳、环境友好型社会，铝是不可或缺的绿色材料。

中国人均用铝量与发达国家相比还处于低位，铝基复合材料的占有率更是微乎其微，但随着国民收入的增加，未来中国人均用铝和铝基复合材料的量将不断攀升，铝加工和铝基复合材料行业都面临较好市场前景。

2015年《国家重点基础研究发展计划和重大科学研究计划（973项目）》中申报指南中将二维/三维石墨烯材料与器件的可控制备及示范应用作为新材料方向的重要部分。

内容如下：研发超高比表面积二维/三维石墨烯材料的低成本、规模化可控制备技术，比表面积＞3000 m2/g、体电荷迁移率＞10000 cm2/Vs，实现石墨烯材料在光通信、光催化制氢、生物传感与检测等领域的示范应用。

2015年《国家高技术研究发展计划（863计划）》中，将第三代半导体封装技术列为重点发展方向。

开展与第三代半导体器件相关的晶圆级三维封装技术和高密度封装关键材料研究，开发高密度封装用基板材料、微纳米互连封装材料与工艺，研发高性能、小型化智能电源模块，转换效率>90%、工作温度＞200℃，满足电力电子、高速通信等领域的应用需求。

铝基复合材料在航空航天电子封装已获得部分应用，下一步发展方向为高密度封装器件。

山东省“十二五”科学技术发展规划纲要（2011-2015年）中指出，。