新材料
來源：未知 日期：2016-12-22 點擊：次
《中國制造2025》將新材料作為十大重點領域。《中國制造2025》大力推進新材料產 業(yè)發(fā)展，力爭在2025年以前使我國新材料產業(yè)進入世界一流強國行列。報告把特種金屬功能材料、高性能結構材料、功能性高分子材科、特種無機非金屬材科和先進復合材料為發(fā)展重點，積極發(fā)展軍民共用特種新材料，加快技術雙向轉移轉化，促進新材料產業(yè)軍民融合發(fā)展。
軍工新材料是新一代武器裝備的基礎。軍用新材料是新一代武器裝備的物質基礎，也是當今世界軍事領域的關鍵技術，是現(xiàn)代精良武器裝備的關鍵，是軍用高技術的重要組成部分。世界各國對軍用新材料技術的發(fā)展給予了高度重視，加速發(fā)展軍用新材料技術是保持軍事領先的重要前提。
復合材料：先進復合材料具有高比強度、高比模量、耐燒蝕、抗侵蝕、抗核、抗粒子云、透波、吸波、隱抗高速撞擊等一系列優(yōu)點，是國防工業(yè)發(fā)展中最重要的一類工程材料。大體分為：樹脂基、金屬基、陶瓷基和碳-碳復合材料。在國防軍工中主要運用于飛機機身結構件。目前最先進的戰(zhàn)機上復合材料用量已經(jīng)達到40%，在空客最近推出的A350飛機上復合材料用量更是高達52%。預計未來5年軍用航空市場需求量達到10.2萬噸，市場空間超過200億元；未來20年民用航空市場需求量達到35.4萬噸，市場空間超過700億元。
鈦合金：鈦合金具有較高的抗拉強度，較低的密度，優(yōu)良的抗腐蝕性能，在300?550℃溫度下有一定的高溫持久強度同時具有很好的低溫沖擊韌性，是一種理想的輕質結構材料。鈥合金在航空工業(yè)中的應用主要是制作飛機的機身結構件、起落架、支撐梁、發(fā)動機壓氣機盤。它在F-22飛機上的用量占結構重量的41%，在波音787上用量達到15%， 在A320上的V2500發(fā)動機上的用量達到31%。預計未來5年我國軍用航空領域的鈦合金市場規(guī)模為142億元，未來20年民用航空領域的鈦合金市場為265.5億元。
超材料：超材料是一種由材料構成的“材料”。其中，介于宏觀和微觀之間的結構是超材料的基本組成單元。超材料技術是一種材料逆向設計技術，具有超越自然界材料電磁響應極限的特性。目前主要的國防應用集中在超材料隱身技術、超材料特種天線和超材料雷達罩等領域。未來20年超材料在國防軍工的市場空間巨大，僅軍用飛機隱身材料應用就超過1,000億，軍艦應用市場也超過600億。
超高強度鋼：超高強度鋼是屈服強度和抗拉強度分別超過1,200兆帕和1,400兆帕的鋼， 它是為了滿足飛機結構對強度的高要求而研發(fā)的。超高強度鋼大量用于制造火箭發(fā)動器 壓容器和一些常規(guī)武器。由于鈦合金和復合材料在飛機上應用逐漸廣泛，鋼在飛機上用量有所減少，但是飛機上的關鍵承力構件仍采用超高強度鋼。目前，在國際上有代表性的低合金超高強度鋼300M，是典型的飛機起落架用鋼。此外，低合金超高強度鋼D6AC是典型的固體火箭發(fā)動機殼體材料。超高強度鋼在不斷提高韌性和抗應力腐蝕能力，未來會有更廣泛的應用。預計2020年超高強度鋼年市場規(guī)模近10億。
高溫合金——航空發(fā)動機關鍵材料
高溫合金是在600℃以上的高溫及一定及一定應力作用下長期工作的一類金屬。高溫合金區(qū)別于傳統(tǒng)金屬、合金的特點在于：在高溫工作環(huán)境下合金具有較高的強度，良好的抗氧化和抗熱腐蝕性能，良好的疲勞性能、斷裂韌性，并在各種溫度下保持良好的組織穩(wěn)定性和使用可靠性等綜合性能，在西方也稱之為超合金（Superalloys）。
渦輪盤是幾個部件中質量最大的，其工作溫度并不是特別高，但是要承受各種復雜 應力，所以它的主要材料是變形高溫合金；
燃燒室是將燃油的化學能轉化為熱能的場所，需要合金材料在800度以上的環(huán)境中 工作，所受的機械力較小熱應力較大，目前主要材料為變形高溫合金，但是隨著發(fā)動機性能提升，變形高溫合金已經(jīng)達到其極限，現(xiàn)在開始嘗試新型高溫合金；
導向葉片是調整燃燒室出來的燃氣的流動方向的部件，是受熱沖擊最大的零件之一， 需要足夠的持久強度及良好的熱疲勞能力，主要制造材料是鑄造高溫合金；
渦輪葉片是航空發(fā)動機上最關鍵的構件，因為渦輪前的燃氣溫度直接決定了發(fā)動機 的推重比，所以渦輪葉片材料的性能直接決定了發(fā)動機的性能，其工作環(huán)境最為惡劣，故采用最為先進的單晶合金。
綜合來看，變形高溫合金的耐熱性能已經(jīng)可以滿足大部分的結構材料，只有部分核心零件比如渦輪葉片，這種工作環(huán)境極惡劣的零件需要鑄造高溫 合金或其他新型合金。由于變形合金的技術門檻較低，工藝相對簡單，目前變形高溫合金的需求量遠大于鑄造高溫合金和其他類型合金。
航空發(fā)動機
航空發(fā)動機被稱為“工業(yè)之花”，是航空工業(yè)中技術含量最高、難度最大的部件之一。作為飛機動力裝置的航空發(fā)動機，特別重要的是金屬結構材料要具備輕質、高強、高韌、耐高溫、抗氧化、耐腐蝕等性能，這幾乎是結構材料中最高的性能要求。
在現(xiàn)代先進的航空發(fā)動機中，高溫合金材料用量占發(fā)動機總量的40%-60%。在航空發(fā)動機上，高溫合金主要用于燃燒室、導向葉片、渦輪葉片和渦輪盤四大熱段零部件；此外，還用于機匣、環(huán)件、加力燃燒室和尾噴口等部件。
燃燒室的功用是把燃油的化學能釋放變?yōu)闊崮?，是動力機械能源的發(fā)源地。燃燒室內產生的燃氣溫度在1500~2000℃之間。其余的壓縮空氣在燃燒室周圍流動，穿過室壁的槽孔使室壁保持冷卻。燃燒筒合金材料承受溫度可達800~900℃以上，局部可達1100℃。
導向葉片
導向葉片是調整從燃燒室出來的燃氣流動方向的部件，是航空發(fā)動機上受熱沖擊最大的零件之一。一般來講，導向葉片的溫度比同樣條件下的渦輪葉片溫度高約100℃，但葉片承受的應力比較低。
在熔模精鑄技術突破后，鑄造高溫合金成為了導向葉片的主要制造材料。近年來，由于定向凝固工藝的發(fā)展，用定向合金制造導向葉片的工藝也在試制中；此外，F(xiàn)WS10發(fā)動機渦輪導向器后篦齒環(huán)制造采用了氧化物彌散強化高溫合金。
渦輪盤
渦輪盤在四大熱端部件中所占質量最大。渦輪盤工作時，輪緣溫度達550-750℃，而輪心溫度只有300℃左右，整個部件的溫差大；轉動時承受重大的離心力；啟動和停車過程中承受大應力低疲勞周期。用于渦輪盤制造的主要材料是變型高溫合金，其中G4169合金是用量最大、應用范圍最廣的一個主要品種。近年來，隨著航空發(fā)動機性能不斷提高，對渦輪盤要求也越來越高，粉末渦輪盤組織均勻、晶粒細小、強度高、塑性好等優(yōu)點使其成為航空發(fā)動機上理想的渦輪盤合金，但我國工藝生產的粉末渦輪盤夾雜物較多，正在進一步研制中。
渦輪葉片是航空發(fā)動機上最關鍵的構件，渦輪葉片的工作環(huán)境最惡劣，渦輪葉片在承受高溫同時要承受很大的離心應力、振動應力、熱應力等。
用于渦輪葉片制造的主材材料是鑄造高溫合金。近三十多年來鑄造工藝的發(fā)展，普通精鑄、定向和單晶鑄造葉片合金得到了廣泛應用。單晶合金在國際上得到了快速發(fā)展，已經(jīng)發(fā)展了五代單晶合金，成為高性能現(xiàn)金航空發(fā)動機高溫渦輪工作葉片的主要材料；我國在20世紀80年代開始單晶合金研制，根據(jù)專著《中國高溫合金50年》（師昌緒），第二代單晶合金已經(jīng)在先進發(fā)動機中進行使用。
航天發(fā)動機
航天發(fā)動機中的特殊工作環(huán)境要求使其使用材料必須受高溫、高壓、高的溫度梯度變化、高動態(tài)載荷和特殊戒指的考驗，因此對材料的綜合性能和加工性能提出了很高的要求。高溫合金材料已經(jīng)占據(jù)了航天發(fā)動機相當大的比重，在發(fā)動機中的應用比比例接近總重量的一半，高溫合金材料技術的發(fā)展直接影響航天發(fā)動機研制水平。
航天發(fā)動機用高溫合金原則上都可以采用航空發(fā)動機用高溫合金，但航天發(fā)動機材料除了承受高溫沖擊外，還有低溫（-100℃以下）環(huán)境要求。由于高溫合金精密鑄造工藝限制，過去形狀極其復雜的結構件在航天發(fā)動機上一直沒有真正加以應用。隨著工藝的進步，航天發(fā)動機上的許多關鍵熱部件都采用了無余量整體精密鑄造高溫合金精鑄件，簡化了發(fā)動機結構，降低發(fā)動機重量，減少了焊接部分，縮短研制和生產周期，降低研制和生產成本，提高發(fā)動機可靠性。隨著航天發(fā)動機技術的進步，航天發(fā)動機用高溫合金逐漸呈現(xiàn)出復雜化、薄壁化、復合化、多位一體、無余量的趨勢。典型的有渦輪轉子、導向器、泵殼體等。
民用工業(yè)高溫合金的應用
隨著工業(yè)化的推進，工業(yè)向高端、大型化發(fā)展，高溫合金在民用工業(yè)中的需求也日益增長。高溫合金合金也是艦船、火車、汽車渦輪增壓器葉片及各類工業(yè)燃機葉片的優(yōu)選材料；鐵路運輸?shù)母咚倩?、造船業(yè)的高品質要求（特別是出口造船）、艦艇動力的高效要求、工業(yè)燃機應用的高速發(fā)展等急需高性能的高溫合金母合金。目前，國內民用工業(yè)高溫合金占高溫合金總需求的20%，而美國50%的高溫合金應用于民用工業(yè)領域。
燃氣輪機
燃氣輪機是高溫合金的另一個主要用途。燃氣輪機裝置是一種以空氣及燃氣為介質的旋轉式熱力發(fā)動機，它的結構與飛機噴氣式發(fā)動機一致，也類似蒸汽輪機。燃氣輪機的基本原理與蒸汽輪機很相似，不同處在于工質不是蒸汽而是燃料燃燒后的煙氣。燃氣輪機屬于內燃機，所以也叫內燃氣輪機。構造有四大部分：空氣壓縮機，燃燒室，葉輪系統(tǒng)及回熱裝置。
燃氣輪機的需求增長迅速，除用于發(fā)電外，還用于艦船動力、天然氣疏松的加氣站等。與航空用高溫合金葉片相比，燃氣輪機用高溫合金的使用壽命長（10萬小時），耐熱腐蝕、尺寸大，質量要求很高。
汽車廢氣渦輪增加器
汽車廢氣增壓器渦輪也是高溫合金材料的重要應用領域。目前，我國渦輪增壓器生產廠家所采用的渦輪葉輪多為鎳基高溫合金渦輪葉輪，它和渦輪軸、壓氣機葉輪共同組成一個轉子。此外內燃機的閥座、鑲塊、進氣閥、密封彈簧、火花塞、螺栓等都可以采用鐵基或鎳基高溫合金。
渦輪增壓系統(tǒng)對燃油效率和性能提升均有明顯效果。渦輪增壓是利用發(fā)動機排出的廢氣的能量來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。當發(fā)動機轉速增快，廢氣排出速度與渦輪轉速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應增加燃料量就可以增加發(fā)動機的輸出功率。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后的發(fā)動機功率及扭矩要增大20%—60%。
核電與其它領域的高溫合金應用
核電工業(yè)使用的高溫合金包括：燃料元件包殼材料、結構材料和燃料棒定位格架，高溫氣體爐熱交換器等，均是其他材料難以代替的。例如，燃料元件包殼管的管壁在工作時需承受600-800℃的高溫，需要較高的蠕變強度，因此大量采用高溫合金材料。
高溫合金材料在玻璃制造、冶金、醫(yī)療器械等領域也有著廣泛的用途。在玻璃工業(yè)中應用的高溫合金零件多達十幾種，如：生產玻璃棉的離心頭和火焰噴吹坩堝，平板玻璃生產用的轉向輥拉管機大軸、端頭和通氣管、玻璃爐窯的料道、閘板、馬弗套、料碗和電極棒等。冶金工業(yè)的軋鋼廠加熱爐的墊塊、線材連軋導板和高溫爐熱電偶保護套管等。醫(yī)療器械領域的人工關節(jié)等。
高端高溫合金被國外壟斷
國內高溫合金市場較為分散
鋼研高納和撫順特鋼是國內高溫合金龍頭。在國內，目前消耗量最大的變形高溫合金主 要由撫順特鋼、鋼研高納、寶鋼特鋼、長城特鋼等企業(yè)生產，此類企業(yè)善于生產大批量、通用型、結構較為簡單的產品。鑄造高溫合金主要是由鋼研高納、中科院金屬所和航材 院以及各發(fā)動機廠專屬精鑄件廠生產，前三者主要是承接發(fā)動機廠對外委托的精鑄件業(yè) 務。撫順特鋼和鋼研高納是兩個方向的龍頭企業(yè)，兩者在變形高溫合金業(yè)務上有一定競 爭，但總體發(fā)展方向不同。撫順特鋼以提高產量降低成本為發(fā)展方向；鋼研高納走研發(fā) 加產業(yè)化道路，產品更高端更具針對性。
高溫合金的市場空間測算
根據(jù)測算，我們認為到2020年，國內高溫合金需求約為39275噸，對應市場空間90.5億元。
假設1：在航空發(fā)動機中高溫合金占總重量的40%-60%，在先進發(fā)動機中這一比例超過50%甚至更多。我們判斷，隨著航空工業(yè)的繼續(xù)發(fā)展和高溫合金材料科技的進步，這一比例還將繼續(xù)提升。我們假設高溫合金占軍用航空發(fā)動機重量的60%，占民用航空發(fā)動機和其他軍機重量的40%。
假設2：通過與已有國內外相似型號飛機發(fā)動機規(guī)格對比，我們假設軍用戰(zhàn)斗機發(fā)動機重量約1.7噸，軍用運輸機、民用大飛機發(fā)動機重量約4噸，其他飛機航空發(fā)動機重量約1噸。
假設3：高溫合金的材料性能、加工難度要高于普通合金和鋼材，其材料成型率遠低于一般特鋼。我們估計，1）在鑄造和軋制過程中材料成型率70-80%左右；2）母合金進行加工時，廢品率80%左右，全流程材料利用率15%-20%，我們假設高溫合金全流程材料利用率為20%。
根據(jù)測算，未來20年我國軍用航空發(fā)動機高溫合金需求為17.75萬噸，民用大中型飛機發(fā)動機高溫合金需求為7.36萬噸。此外，低空開放將有望打開我國通用航空發(fā)展的瓶頸，未來20年通用航空保有量超過20000架，以平均1臺發(fā)動機測算，通用航空發(fā)動機高溫合金需求為5萬噸。
軍事應用占世界船用燃氣輪機市場絕大多數(shù)份額。在軍用領域，有75%以上的海軍主力艦艇采用燃機動力；在民用市場，燃機主要應用于高速客船中。
隨著中國多型船用燃機相繼研制成功，中短期內燃機普及有望提速。我們認為，燃機普及將以30MW級船用燃機為核心，輔以4MW級小功率船用燃機。其中，30MW級燃機主要用于大型的驅逐艦、護衛(wèi)艦等；4MW級燃機主要用于氣墊登陸艇和導彈快艇。
未來15年，我們認為海軍將形成3大近海防御艦隊+若干支航母編隊+若干只兩棲攻擊/登陸編隊為主體的作戰(zhàn)體系。考慮到燃機應用情況，常規(guī)/核動力航母、兩棲攻擊/船塢登陸艦將其作為主要動力源的可能性較小，應用燃機的新型艦艇很可能主要配備在航母編隊和兩棲攻擊/登陸編隊中，且以驅逐艦和護衛(wèi)艦為主，近海防御艦隊則僅配備新型隱身導彈艇。
按照未來15年將建設5個航母編隊（2常+3核）、3個兩棲攻擊/登陸編隊和3個近海防御艦隊規(guī)模的假設，再考慮到燃機的更新與維護，我們估算未來15年30MW級燃機需求600臺，4MW級燃機需求1476臺。通過測算，未來15年燃氣輪機高溫合金需求達6.23萬噸，平均每年4152噸。
復合材料是由2種或2種以上的材料經(jīng)過復合工藝制備的多相材料，各種材料在性能上互相影響，產生協(xié)同效應，使復合材料的綜合性能優(yōu)于原組分材料而滿足各種不同的要求。復合材料由連續(xù)相的基體和被基體包容的分散相增強體組成。
先進復合材料是比通用材料有更高綜合性能的新型材料，其最重要的特點便是輕質高能，而這正是軍事工業(yè)對武器裝備的設計理念和奮斗目標，因此它在軍事工業(yè)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。
玻璃纖維復合材料
玻纖增強樹脂基復合材料是最早應用于軍事領域的復合材料之一。目前用于高性能復合材料的玻璃纖維主要有高強度玻璃纖維、石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維等，其中后2種玻璃纖維屬于耐高溫的玻璃纖維，是較為理想的耐熱防火材料，用其增強的復合材料部件大量應用于火箭、導彈的防熱材料，另外玻璃纖維價格便宜，其高性價比受到應用領域的青睞。
在輕型裝甲車中，玻璃纖維復合材料的應用幾乎涉及裝甲車輛的各個部位，如側裙板、翼子板、各種油箱蓋板、復合裝甲板等，比具有同等功能的金屬材料大大減輕了車輛的重量。
碳纖維復合材料
碳纖維是一種直徑范圍在6～8μm以內的連續(xù)細絲材料，碳纖維復合材料是用碳纖維和高性能的樹脂基體復合而成的先進樹脂基復合材料，是目前用得最多、最重要的一種結構復合材料。另外，對于軍用飛機可以屏蔽或衰減雷達波與紅外特征，提高自身生存和空防能力，在實現(xiàn)戰(zhàn)機輕量化、快速反應、精確打擊等方面起著巨大作用，因此，碳纖維復合材料也是目前在軍用戰(zhàn)機領域用得最多的一種復合材料，例如，在A400M軍用戰(zhàn)機上，復合材料占結構重量的比例達35%～40%，特別是機翼，碳纖維復合材料占機翼結構重量比例高達85%。圖是A400M碳纖維復合材料戰(zhàn)機。
芳綸纖維是一種高強度、高模量、低密度、耐高溫、耐腐蝕和高耐磨的有機合成纖維，由于其綜合性能優(yōu)異，其復合材料也具有優(yōu)異的性能，因而芳綸復合材料在軍事領域受到國內外的高度重視和廣泛應用。
芳綸復合材料在軍事上的另一個重要應用便是用于人體防護，主要是指防彈衣、防刺服、防割手套和防彈頭盔等。圖是芳綸復合材料某防彈衣。
聚乙烯復合材料
聚乙烯復合材料最突出的特點便是輕質高能。相比于玻璃纖維、碳纖維和芳綸纖維，聚乙烯纖維質量最輕，密度約為0.97g·cm-3，而聚乙烯纖維復合材料的比沖擊總吸收能量分別是碳纖維、芳綸和E玻璃纖維的1.8、2.6和3倍，其防彈能力比芳綸裝甲結構的防高彈能力高2.6倍。因此，聚乙烯復合材料是航空航天、防彈防刺等國防領域追求輕質高能的理想材料。
在軍事上，聚乙烯復合材料主要用于裝甲的殼體、雷達防護外殼、頭盔、坦克的防碎片內襯、防彈衣等。我國聚乙烯復合材料的起步較晚，但發(fā)展迅速。目前，上海斯瑞有限公司自主研發(fā)的由SD301聚乙烯纖維復合材料模壓的防彈插板、防彈衣、防刺服等，其防護性能高于世界先進水平，已經(jīng)成功應用于多種裝甲防護車輛及人體防護。聚乙烯復合材料在輕質高能方面的突出特性為其贏得了國內外的度重視和在軍事領域的廣泛應用，例如，英國T.B.A公司生產的防彈服和AIIiedIignaI公司的一種防護夾層由聚乙烯復合材料制得，另外，俄羅斯、日本的防彈、防刺產品也廣泛采用了聚乙烯復合材料。
復合材料技術的民事應用
復合材料技術的發(fā)展發(fā)端于國防科技工業(yè)領域，經(jīng)過多年發(fā)展，復合材料技術在國民經(jīng)濟各領域的應用不斷擴大。復合材料產品不僅應用在軍用方面，近年來種類繁多的民用復合材料產品大量涌現(xiàn)，復合材料與傳統(tǒng)材料相比有很多優(yōu)點，復合材料在航空、汽車、房屋補強、隧道工程以及大型儲倉修補和加固等領域被廣泛應用。特別是航空航天領域，成為全球復合材料市場中最大的單體市場，隨著復合材料技術的進一步成熟，民用飛機的復合材料用量在大幅度提高，例如，波音公司的波音787飛機和空客公司的A350WXB飛機復合材料用量已達到甚至超過了50%。另外，在2010年航空業(yè)使用的2000多萬公斤復合材料中碳纖維復合材料占37%，玻璃纖維復合材料占35%，其他復合材料占28%。
國外復合材料技術的應用比中國更早，對人們的日常生活覆蓋得越更廣，但其應用領域基本是相同的。基于復合材料具有輕質高能、耐磨、防腐等一系列共性，在民用工業(yè)中的應用大多數(shù)是相互交叉的，但根據(jù)復合材料各自增強材料的不同，其應用領域也有略微差別，圖3為主要復合材料產品在民事領域的應用。表是以上4類復合材料的在民用工業(yè)中的主要應用領域。
全球復合材料總產量已超過1000萬噸，其中美國占據(jù)領先位置，占全球產量的28%。 據(jù)JEC預測，美國復合材料工業(yè)將保持5%的年增長，主要由航空、車輛及建筑三大領域驅動。
中國的復合材料技術與世界領先水平存在相當大的差距，特別是碳纖維方面，中國生產出來的碳纖維不均率高，毛絲多，力學性能不佳根本無法用來制造航天裝備，比如廣泛用于飛機機身的T800碳纖維，國外已經(jīng)能夠實現(xiàn)高性能化、低成本化和系列化，中國在2014年以前只能靠進口。在玻璃纖維方面我國與國際領先水平差距不大，但是玻璃纖維制作工藝簡單，性能也遠不如其他復合材料。
我國戰(zhàn)機復合材料使用量大約占總重6~9%，主要用于機翼、平尾、前機身，直升機使用量占總重的25?33%，主要用于機身和旋轉機構件。
復合材料航空市場空間廣闊 我國目前正不斷加強對航空領域復合材料的重視，預計未來我國航空飛行器中復合材料 的使用量會進一步提高，我們假設中國飛機未來幾年復合材料的使用比例達到美國90年代水平，航空用復合材料制造損耗率為75?80%，由此我們估算2015?2020年軍用航空復合材料市場需求量為10.2萬噸，市場空間超過20億元；2015?2033年民用航空復合材料市場需求量為35.4萬噸，市場空間超過700億元。
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