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特种金属在国防和民生中发挥不可替代的作用

来源:第一工业网 06-08  新材料  849


  特种金属材料(special metallic materials)不是通常的铝合金或者钢铁材料,而是能满足特殊使用要求的金属材料。例如,具有记忆原始形状功能的形状记忆合金、能够储存氢原子的储氢材料、能够吸声和吸收冲击能量的泡沫金属、不反射电磁波的隐身材料、能够减少振动的减振阻尼合金、磁性材料、高温合金、超导材料、耐磨合金、耐腐蚀合金以及金属基复合材料等。


   这些特种金属材料的性能十分有趣,在国防和国民生活中时刻发挥着不可替代的作用。例如形状记忆合金的“记忆”功能在空间的应用就超乎人们的想象。航天器的天线通常直径达到几米,把这个庞然大物放到火箭舱里是不可能的,形状记忆合金的发现给天线设计工程师提供了一个好办法:利用形状记忆合金的特性,在高温环境下制作好天线,然后再在低温下把它“揉”成一个小网球,体积缩小到原来的1/1000。到达空间之后,在阳光照射下,形状记忆合金的温度开始升高,当达到某一个温度(即转变温度)后,天线恢复“记忆”,逐渐展开,回到揉成网球之前的面貌,变成一个巨大的网状半球,这样就可以按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息了。


    作为国民经济建设中不可或缺的材料,特种金属已广泛应用于国防军事、航空航天及民用设备中。例如,2010年形状记忆合金市场规模约为120亿元,2011年约为134亿元,2016年超过200亿元,其最大市场是驱动器和电机。2010年,我国小型储氢电池所用的储氢合金产能达到2.4万吨/年,占全球产量的60%以上,成为全球最大的生产国。在2014年10月召开的2014中国功能新材料学术论坛暨中国稀土行业协会储氢材料分会年会上,与会专家围绕功能材料及稀土科学的最新进展情况展开研讨,特别讨论了储氢材料的研究、应用以及其产业现状和市场发展趋势。与会专家一致认为车用镍氢电池性能优良,安全可靠,技术成熟稳定,是混合动力车(HEV)比较理想的辅助动力。泡沫金属已广泛应用于汽车尾气催化剂基体,2012年国内市场需求量就超过了100亿元,其市场需求在更严格的欧洲尾气6号标准执行后急剧上升;锰—铜(MnCu)系减振阻尼合金的产品应用最多,包括英国的Sonoston合金、苏联的ABPOPA合金、美国的Incramute合金和我国的2310合金,这类合金现已普遍应用于潜艇螺旋桨、各种机座、高速箱体、齿轮等。作为潜艇螺旋桨材料,其降噪效果可达5~10分贝,大大提高了潜艇的隐蔽性。而作为21世纪的材料,金属基复合材料的应用逐渐从军事领域转向民用领域,并在陆上运输(汽车和火车)、热管理、航空航天、休闲娱乐等诸多领域实现商业化应用。2015年,全球金属基复合材料的年产量为6500吨。预计到2020年,全球金属基复合材料的年产量将达8700吨,产值超过25亿元。



    特种金属材料经过几十年的发展,其家族越来越大,未来的发展显示出方兴未艾的态势。结合国防和国民经济需求,未来特种金属材料的发展重点方向主要为以下几个方面。


  先进形状记忆合金材料


    在商业和科研领域,人们对形状记忆合金材料越来越感兴趣,已经提出一些潜在的新应用。只有那些新颖且有价格竞争力的应用才能真正引起人们的兴趣,从而最终进入市场。形状记忆合金材料应用在商业上已有很多成功例子,但实际应用的比例仍然很低。未来可以在三个不同层次期待形状记忆合金材料的发展:①发展新型或改进的形状记忆合金。②形状记忆合金的功能特性与其他材料的结构巧妙结合。③寻找新市场。

  

    用镍钛记忆合金制造出的新型人造血管


  先进纳米金属材料


    国家节能减排和可持续发展的战略需求以及我国新型装备和工业产品减重节能的技术需求,对装备提出了更轻质、更高效、更环保的要求。相比于其他领域,航空航天装备的轻量化需求更加迫切。这一方面需要相关技术的升级换代,另一方面也必然要求所应用的材料更加轻质、更加高性能(包括力学和物理性能的提升,也包括可靠性能、寿命以及功能的提高)。因此,具有更优异性能的纳米金属材料在未来的材料研究和应用发展中占据重要地位。美国于2001年通过“国家纳米技术计划”(NNI)推动纳米材料的研发与应用。之后布什政府和奥巴马政府分别通过2003年的《21世纪纳米技术研究开发法案》和2012年的“国家纳米技术计划”来继续推动纳米材料研究。

  

    高温合金

    

    高温合金由于优异的综合性能,成为制造现代航空发动机、航天火箭发动机和各种工业用燃气涡轮发动机的关键金属材料,在世界先进发动机研制中,高温合金材料用量已占到发动机总量的40%~60%。可以说,没有高温合金,就没有今天先进的航空发动机。伴随着航空航天领域和工业燃气轮机领域高速发展带来的大量增量需求以及自主研发技术的不断突破,类似单晶叶片等新产品有望逐步国产化,国内高温合金行业正迎来黄金发展期。根据我国军用和民用飞机需求预测,未来20年,我国在航空发动机领域对高温合金的总需求超过22万吨,市场价值超过850亿元,国产发动机逐步进入规模投产后,对高温合金的需求增速将明显加快。

  

    先进特种功能金属材料


    这类合金主要指国际和国内均不太成熟的新材料和新制造技术研究,如纳米材料、膜和多层膜、磁电子材料、智能材料、梯度功能材料、超磁致伸缩材料、磁流体、真空快淬材料、真空气雾化材料、吸波材料、触媒合金及生物医用材料等。这些材料虽然有探索性,距离实际大规模产业化应用还有一定的距离,但是应用需求极大,经济附加值极高,一旦成功,经济和社会效益及国防意义重大,应给予充分重视和支持。

  

    先进金属基复合材料


    金属基复合材料作为一种战略性新材料,其应用广度、发展速度和生产规模已成为衡量一个国家材料科技水平的重要标志之一。以用量计算,美国、欧盟、日本位列前三,超过总质量2/3的金属基复合材料为其所用,这与其发达程度相符。轻质高强多功能金属基复合材料在航天航空、国防先进武器等军事领域的应用具有不可替代性,是典型的军民两用新材料。也正是由于金属基复合材料特殊的国防应用背景,国外对核心技术和产品严格保密。随着我国在空间技术、航天航空、高速交通、通信电子等领域综合实力的提升,对高性能金属基复合材料的需求日益增加,例如,汽车发动机零部件、高速列车制动系统、电子封装及核废燃料辐射防护等。为了避免受制于人,必须尽快提升我国金属基复合材料自主生产和应用水平。

  

    先进制备设备

    

    特种金属材料的性能与其特殊的微观组织和结构密切相关,而这些特殊微观组织和结构必须采用特殊的合金化学成分和特殊的工艺技术才能得到。在大多数情况下,材料制备及处理工艺甚至比材料成分的影响更为显著。在目前采用的特殊工艺中,有许多是借鉴其他类型材料的工艺,或者是完全不同于传统冶金工艺的创新。这些特殊工艺的实现需要先进的配套设备,而当前我国材料研究着重于材料性能的提升,往往忽视了制备设备的作用;同时制造设备的生产商与材料研发者之间也缺乏交流,并不十分清楚材料研发者的实际需求。事实上,合适的先进制备设备不仅可以提高材料的成品率,也可以提高材料的生产效率。因此国家相关部门在引导材料发展的同时,应注重材料与相关设备生产商的结合,相互促进发展,更高效地推动材料应用水平的提高。



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