非晶合金

    首先，我们聊一聊什么是晶体、什么是非晶。简单来说，评判晶体非晶体的标准是微观组成粒子的排列是否具有长程有序和平移对称性。如果有，如图1（a），则是晶体，反之，则如图1（b）非晶。

 

    当然，解决晶体、非晶体的问题还远远不够。因为要谈非晶合金，我们还会遇到非晶体、玻璃、非晶合金、金属玻璃、氧化物玻璃、高分子玻璃、液态金属……

    他们之间有区别也有联系。在区分他们之前，先要介绍一下非晶的制备原理。可以用下面这个示意图来表示：

 

    在非晶合金的开发方面，目前已在包括Pd、Pt、Au、Mg、Ca、Zr、Ti、Hf、Cu、Fe、Co、Ni、和稀土（如La、Nd、Ce）基等在内的数十种合金体系。目前非晶合金一共有非晶薄带、非晶粉末、块体非晶这几种形式，它们的制备方法可以简单归纳为：

 

 

    一个总结性表格概括非晶合金的应用领域

 

    电站材料

    根据我国环境和经济可持续发展需要，发展核电是我国优化能源结构的优先选择，核电发展政策由 2005年的“积极发展核电”变为现在的“大力发展核电”。为了适应新能源发展战略，国家正在调整核电中长期发展规划，加强沿海核电发展，科学规划内陆地区核电建设。通过不断新增核电机组开工项目，力争到 2020年核电占电力总装机达到 5％以上。

    核承压设备及其制造要求

    核电站用钢是包括用于核电站的核岛、常规岛、电站辅助设备等设备制造用钢铁材料。核承压设备是指核动力厂及其他核反应堆中执行核安全功能的承压设备及其支承件，包括反应堆压力容器、稳压器、热交换器、管道、泵、阀门、贮罐以及堆内构件等；反应堆系统的钢制安全壳或混凝土安全壳的钢衬里；核燃料生产、加工、贮存、后处理设施以及放射性废物处理、处置设施中包容放射性物质的承压设备及其支承件；其他需要严格监督管理的核承压设备。

    核承压设备根据核安全要求分为核 1、2、3级。我国核安全法规 HAF0901第八条规定：从事制造核承压设备关键承压材料（包括管材、棒材、板材、铸锻件和焊接材料）的单位，必须遵守 HAF0900和 HAF0901实施细则，并接受国家核安全局的独立监督，其中生产大型铸锻件的单位须取得制造资格许可证，焊接材料及其它材料由使用单位通过质量保证体系加以控制和监制。借鉴国外核电发展经验和我国实际，民用核安全设备实行许可证制度。包括民用核安全设备设计许可证、民用核安全设备制造许可证、民用核安全设备安装许可证、民用核安全电气设备许可证、以及民用核安全设备无损检验许可证。其中民用核安全设备制造许可证按照核级安全要求级别，又分为主设备设计/制造许可证、核2/3级设备设计/制造许可证、核级泵阀设计/制造许可证、核级管道、管配件、支撑等设计/制造许可证。截止到2009年2月底，国家核安全局颁发的国内企业持证单位已有110家，国外企业有8家。持证单位只能从事许可证上上标记的设备类型或典型设备的名称的设计、制造、安装和检测等内容。

    核级材料的特点

    核级材料是指用于民用核设施中的核承压设备制造、维修，并需符合有关核安全法规、导则和技术标准的钢铁和有色金属材料。这些材料可细分为碳素钢、低合金钢、不锈钢、镍基合金、钛及其合金、锆合金等，其类型涉及板、带、管、丝、棒和锻件等。  就核承压设备所用材料而言，依托法国技术的核电机组，通过大亚湾和岭澳等核电站的建设，对核承压设备用材已有所了解。AP-1000是我国首次引进的三代堆型，世界上尚无建成投产业绩，国内对其制造标准和选材并不了解。但 CRP-1000与 AP-1000在多数反应堆容器用材上相类似，但前者主要依据 RCC-M标准，而后者主要依据 ASME和相关核电标准。  核电设备用关键金属材料的国产化一直不尽人意。由于没有核电站整体设计权和核关键设备的知识产权，核电关键设备所用材料的选用和制造、标准体系建设也无话语权，主要依靠国外的技术采购规格书向国外企业采购，致使核电关键设备用金属材料的开发不能支撑核电设备国产化的需要。我国在建堆型的大型化，以及技术来源的多样化，又为关键设备用材料国产化增添了一定的难度。  与常规压力容器相比，核电用材料具有以下主要特点：

    （1）核设备用金属材料设计考虑要素多。核能关键设备通常在高温、高压、强腐蚀和强辐照的工况条件下工作，对材料的要求极高，通常要满足核性能、力学性能、化学性能、物理性能、辐照性能、工艺性能、经济性等各种性能的要求，要达到专用的标准法规要求。

    （2）质保体系要求严格。按法规、标准和采购技术条件规定完成材料的生产。我国 HAF003/01和 ASME等标准对核电材料生产全过程质量控制有明确的要求。对核级材料的设计、生产、试验、探伤运输全过程在严格的质保体系下完成。不符合项等进行有效的管理和监督，对有损于质量的情况提出切实有效的纠正措施，对各流程进行记录和监察，过程要求具有可追溯性。做到凡事有章可循，凡事有据可查，凡事有人负责，凡事有人监督。

    （3）化学成分要求更严格。受压元件的 S、P含量一般都要求150ppM以下，反应堆压力容器某些部件要求80ppM，个别部件 S含量要求为50ppM以下。某些特定残余元素严格规定，如对奥氏体不锈钢硼含量不得超过 18ppM；与堆内冷却剂接触的所有零件（一般采用不锈钢或合金制造），其钴、铌和钽含量严格限定为 Co≤0.20%， Nb+Ta≤0.15%。某些接触辐照的承压容器，要求限制材料的铜、磷含量。

    （4）力学性能试验项目多，指标要求严格。取样数量比压力容器多得多。取样位置也有严格的要求。从指标要求上看，夏比 V型冲击值要求比容器材料高得多，往往要同时提供 2个或 3个试验温度下的冲击吸收功、侧向膨胀量和纤维区面积等。

    （5）无损检测要求更严格的。超声波探伤的验收要求比常规压力容器高得多；部分容器用钢板 UT探伤重叠部分要求达到 10%~15%。对于所有受压部件都有严格的表面质量要求，经过 VT和 PT探伤检验。

    （6）核电用材的规格大、单重重、甚至有表面光洁度要求。核电设备用钢板厚度达到 300mm，最大锻件重达 300吨以上。核级管材、不锈钢材等产品尺寸精度要求高，一些小径、薄壁、特长管材，要求直度和表面光洁度。需通过精密超声波、涡流探伤，制造难度极大。

    百万千瓦压水堆核岛主要设备及所用金属材料种类

    发展历程

    核电技术的划分最早起源于美国能源部。从全球来讲，第一代核电站是指核电由军用转为民用时的技术，上世纪 50年代中期建成的核电站属于第一代。目前世界上正在运行的核电站都属于第二代；正在建设的核电站大都属于第二代或二代改进。目前世界上第三代核电技术包括法国阿海珐与德国西门子联合研发的 EPR压水堆技术以及美国的西屋公司 AP1000压水堆技术。根据这一划分，我国目前运行的核电机组全部属于第二代，在建核电机组以二代加为主，有以广东台山核电站为依托的法国 EPR三代技术的核电工程，浙江三门核电站 1#和 2号机组和山东海阳核电站 1#和 2号机组为依托的美国西屋第三代 AP-1000核电工程。

    压水堆核电站主要由核岛、常规岛及其它辅助系统构成。核岛主要包括核反应堆、主循环泵、稳压器、蒸汽发生器组成的一回路系统。常规岛包括汽轮机、冷凝器、凝结水泵、给水泵、给水加热器等组成的二回路系统。核电中的容器、泵阀、管道均为核电的关键设备。其用材及其制造尤为重要。

    一台百万压水堆核电机组，核岛通常包括 1台反应堆压力容器、 1台稳压器、 3台蒸汽发生器、 3台主冷却泵、3台蓄势器（安注箱）、1台硼注射器、堆芯及堆内构件和控制棒驱机构等。所用金属材料主要有碳钢、低合金钢、奥氏体不锈钢、镍基合金、钛管和锆合金等。需要碳钢、低合金钢板和锻件 4000～4500吨；奥氏体不锈钢板和锻件 3000～3500吨；马氏体不锈钢锻件 500吨、铸件 200吨；镍基、铁基合金管、棒、带、丝 600～800吨；钛直缝焊管 150吨；锆合金管、棒、带 8吨/年。

    大型锻件主要在重型机器厂冶炼和锻造，板、带、管等主要由钢铁冶金企业生产。泵阀的用材自行铸造或购料（坯）后加工。核电设备制造企业和钢铁企业已经全部能生产所涉及的材料类型。目前，我国几大核电集团，已经能够满足核承压容器所需的不同材质和吨位的锻件的生产。

    对于钢铁企业来讲，较薄或特厚碳钢、低合金钢板仍难以满足核电设备的制造需求。国内投产的 5米轧制已经能够板材的轧制要求，但受板坯单重，热处理钢板宽度或厚度限制，也难以满足核电容器所需碳钢、低合金钢大厚度大单重钢板的生产需要。对于核电关键设备所用的较薄的钢板，用厚板轧机轧制困难，用热卷轧机，宽度经常满足不了需求，个别较薄钢板在热处理上也难以实现。对于核电关键设备所用不锈钢，国内几家不锈钢生产主要企业，要么轧机不配套、要么热处理设备不配套，单重大、厚度厚、宽度大的不锈钢板仍不能实现生产，个别不锈钢，如含硼不锈钢、控氮不锈钢等，还需要进一步研发。

    与二代改进型和法国 EPR百万千瓦压水堆相比， AP-1000最大差异就是在核岛内增加了一个全钢安全壳。其设计选材为 SA738B高强度调质钢板，每个安全壳用量达到 4000多吨。其他核级容器的种类相同，但选材上略有不同，所用材料的牌号也不同。前者主要按照 RCC-M标准，后者按照 ASME标准。尤其是不锈钢差别较大。由于 AP-1000首台核岛主要容器在韩国制造，一定程度上延缓国内对这些容器用材料的了解和开发。

    高温气冷堆核电站核岛主体设备及其用金属材料

    高温气冷堆核电站核岛主要设备包括反应堆压力容器、蒸汽发生器压力容器以及热气导管压力容器、堆内构件。中国华能集团公司、中国核工业建设集团公司、清华大学分别出资 47.5％、32.5％、20％，成立华能山东石岛湾核电有限公司，负责投资、建设、运营华能山东石岛湾核电站 20万千瓦级高温气冷堆核电示范工程。10万千瓦 HTR-PM试验示范堆堆和 20万千瓦 HTR-PM的商业示范堆。但两者的材料种类相同，但要求不同。如堆内构件，前者采用 15CrMoR，后者采用 12Cr2Mo1R。反应堆压力容器外壳，前者采用 SA516Gr70，后者采用 SA533B。

    几个典型核电用钢的开发和生产情况

    1.1. AP-1000核电站安全壳用 SA738GrB钢板

    宝钢于 2006年开发出 AP-1000核电站安全壳所用的 SA738GrB钢板。2007年底开始，按照美国西屋的安全壳用钢采购技术规格书，生产了厚度 10~96mm的 SA738GrB钢板。目前，已经交货 5000多吨，山东核电设备制造有限公司完成了部分钢板的压制，运往浙江三门核电站，具备安装条件。

    1.2. 核一级容器用 SA533B（16MND5、18MND5）钢板

    宝钢已经工业试制出 76mm、112mm、130mm三个典型厚度 SA533B（16MND5、 18MND5）钢板，既满足法国 RCC-M标准要求，也满足 ASME SA533TypeB标准要求。可用于稳压器、硼注箱等核岛容器制造。目前，正在与国内的设计单位、设备制造企业开展联合评价。

    1.3. 高温气冷堆堆内构件用 12Cr2Mo1R钢板

    清华核能院设计的 HTR-PM高温气冷堆的堆内构件采用 750吨 40~135mm厚 12Cr2Mo1R钢板。宝钢按照设计技术要求，在 5米厚板产线上生产该批钢板。

    1.4. 核电站蒸发器用 Inconel 690合金管材

    Inconel 690合金管目前核电建设急需的材料的之一。宝钢正在进行研发和产品试验。合资建设了钢管挤压机组，为 Inconel 690合金管材的工业批量生产提供了设备硬件上保证。

    总之，我国大力发展核电的体现，标志着我国核电发展的春天已经来临，在未来 5～15年迎来一个高速发展期。国家要求逐步提高核电设备国产化比例，为我国核电材料的开发和应用提供了广阔的空间。

    电池材料

    钒电池（VRB）是一种新型清洁能源存储装置，与目前市场中的铅酸蓄电池、镍氢电池相比，具有大功率、长寿命、支持频繁大电流充放电、绿色无污染等明显技术优势，主要应用于再生能源并网发电、城市电网储能、远程供电、UPS系统、海岛应用等领域。

    一、钒电池工作原理

    钒电池（VRB）是一种新型清洁能源存储装置，经过美国、日本、澳大利亚等国家的应用验证，与目前市场中的铅酸蓄电池、镍氢电池相比，具有大功率、长寿命、支持频繁大电流充放电、绿色无污染等明显技术优势，主要应用于再生能源并网发电、城市电网储能、远程供电、UPS系统、海岛应用等领域。

    公开资料显示，钒电池一次性充电后，续航能力可达1000公里，充电时间只需3分钟—5分钟，成本造价是目前24V锂电池的40%，从续航、充电时间与成本上均被誉为“完美电池”。

    与其它蓄能系统相比，全钒氧化还原液流电池应用优点是：

    1、电堆作为发生反应的场所与存放电解液的储罐分开，从根本上克服了传统电池的自放电现象。功率只取决于电堆大小，容量只取决于电解液储量和浓度，设计非常灵活；当功率一定时，要增加储能容量，只需要增大电解液储罐容积或提高电解液体积或浓度即可，而不需改变电堆大小；可通过更换或添加充电状态的电解液实现“瞬间充电”的目的。可用于建造千瓦级到百兆瓦级储能电站，适应性很强。

    2、充、放电性能好，可以进行大功率的充电和放电，也可以允许浮充和深度放电。对铅酸蓄电池来说，放电电流越大，电池的寿命越短；放电深度越深，电池的寿命也越短。而钒电池放电深度即使达到100%，也不会对电池造成影响。而且钒电池不易发生短路，这就避免了因短路而引起的爆炸等安全问题。

    3、可充放电次数极大，理论上寿命是无数次。充放电时间比为1：1，而铅酸电池是4：1。而且钒电池充、放切换响应速度快，小于20毫秒，非常有利于均衡供电。

    4、能量效率高，直流对直流能量效率可以达到80%以上，而铅酸电池只有60%左右。钒电池组中的各个单位电池状态基本一致，维护简单方便。

    5、选址自由度大，占地少，系统可全自动封闭运行，不会产生酸雾，没有酸腐蚀。电解液可反复利用，无排放，维护简单，操作成本低。是一种绿色环保储能技术。因此对于可再生能源发电，钒电池是铅酸电池理想的替代品。

    二、钒电池能否引领新能源革命

    钒电池（VRB，VanadiumRedoxFlowBattery）是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效可逆燃料电池，具有功率大、容量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保等一系列独特优点，在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布电站、军用蓄电、交通市政、通讯基站、UPS电源等广阔领域有着极其良好的应用前景，在日本、加拿大、美国、澳大利亚、西欧等国家和地区已开始取代容量小、寿命短、污染大的铅酸电池。

    风力发电

    目前风力发电机需要配备功率大约相当于其功率1%的铅酸电池用于紧急情况时风机保护收风叶用，另外每一台风机还需要配备功率大约相当于其功率4%的后备蓄电池。由于电网已成为风电发展的瓶颈，随着风电的爆炸式发展，风电与电网的矛盾将越来越突出，为了减少对电网的冲击，大幅度提高风电场电力的使用率同时赚取巨额的电网峰谷差价，风电场将需要配备功率相当于其功率10～50%的动态储能蓄电池。对于风机离网发电，则需要更大比例的动态储能蓄电池。

    由于风机现在使用的铅酸电池存在容量小、寿命短、稳定性差、维护费时费力、污染大等严重缺陷，风机制造厂家一直在寻找更好的可以替代铅酸电池的产品，相信拥有众多杰出优点的钒电池完全可以取代现有的铅酸电池，进而构建风电场的动态能源储存系统，大幅度提高风电场的效率和效益，推动风电产业更好更快地发展。

    光伏发电

    据权威机构统计，近几年全球光伏组件的年均增长率高达30％，光伏产业成为全球发展最快的新兴行业之一。特别是2008年，全球光伏发电装机总量达到3吉瓦。

    顾名思义，光伏发电需要太阳光，一旦到了晚上和阴雨天就发不了电，因而需要蓄电池为其储存电力，由于铅酸电池功率、容量、寿命均非常有限，相信集众多杰出优点于一身的钒电池将作为光伏发电储能电池的首选。

    电网调峰

    电网调峰的主要手段一直是抽水蓄能电站。近二三十年来，世界发达国家抽水蓄能电站发展越来越快。世界上抽水蓄能电站发展最快、装机容量最多的是日本，其次是美国、意大利、德国、法国、西班牙等，日本和美国抽水蓄能电站装机容量均已超过2000万千瓦。

    由于抽水蓄能电站需建上、下两个水库，受地理条件限制较大，在平原地区不容易建设，而且占地面积大，维护成本高。钒电池蓄能电站不受地理条件限制，选址自由，占地少，维护成本低。可以预期，随着钒电池技术的发展，钒电池蓄能电站将逐步取代抽水蓄能电站，在电网调峰中发挥重要的作用。

    交通市政

    随着世界城市化进程的不断加快和汽车保有量的持续增加，汽车尾气污染已经成为城市空气污染的头号污染源。大力发展节能、环保的电动汽车替代传统燃油汽车，已成为了人们的共识。随着钒电池技术的快速发展，可以预期，拥有众多杰出优点的钒电池将在电动汽车（特别是城市公交客车）、电动机车、电动自行车、电动船舶、交通信号、风光互补路灯等广阔领域发挥重要作用。

    通讯基站

    通信基站和通信机房需要蓄电池作为后备电源，且时间通常不能少于10小时。对通讯运营商来讲，安全稳定可靠性和使用寿命是最重要的，在这一领域，钒电池有着铅酸电池无法比拟的先天优势。

    UPS电源

    赛迪顾问研究显示，2007年UPS市场出现了持续增长的态势，主要原因是中国经济的持续高速发展带来的UPS用户需求分散化，使得更多的行业和更多的企业对UPS产生了持续的需求。未来几年，UPS产品发展的方向是更高的可用性、安全性以及功能的集成化、智能化和人性化。

    目前中国的UPS市场强烈需求功率大、安全、稳定可靠的蓄电池，钒电池在这一领域，相对于铅酸电池无论在功率、安全稳定性、还是使用寿命上都有着绝对优势。

    分布电站

    当今社会对能源与电力供应的质量、效率、环保以及安全可靠性要求越来越高，大电网由于自身的缺陷已经不能满足这种要求。随着分布电站的崛起，大型中心电站将逐步走向衰落。相信钒电池将首先在医院、指挥控制中心、数据处理和通讯中心、商业大楼、娱乐中心、政府要害部门、制药和化学材料工业、精密制造工业的分布电站中发挥重要作用。

    军用蓄电

    钒电池还可以在军事基地、指挥中心等军事部门的军用蓄电中发挥重要作用。

    航空航天材料

    飞机上的合金材料主要有铝合金、镁合金、钛合金和镍钼钨合金等，其中铝合金材料占飞机用料50%--70%左右，镁合金材料占飞机用料5%--10%左右，现代化的飞机，钛合金的用量比重越来越大，而镍钨钼合金则用于飞机发动机。

    1、铝合金

    铝是一种轻金属，比重2.7左右。由于地球的吸引力的作用，要求飞机质量越轻越好。飞机越轻，飞的越高、越快、越远，装载量越大。但是铝的强度低，好在飞机不是拖拉机，它在空中飞行，不会碰到别的物体，所以，飞机的蒙皮大部分是用铝合金压制的，还有前机匣，飞机框架，肋条等。

    纯铝的密度小（ρ=2.7g/cm3），大约是铁的 1/3，熔点低（660℃），铝是面心立方结构，故具有很高的塑性（δ：32~40%，ψ：70~90%），易于加工，可制成各种型材、板材，抗腐蚀性能好；但是纯铝的强度很低，退火状态 σb 值约为8kgf/mm2，故不宜作结构材料。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。 添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，σb 值分别可达 24～60kgf/mm2。这样使得其“比强度”（强度与比重的比值 σb/ρ）胜过很多合金钢成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。采用铝合金代替钢板材料的焊接，结构重量可减轻50%以上。

    铝合金密度低，但强度比较高，接近或超过优质钢，塑性好，可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗蚀性，工业上广泛使用，使用量仅次于钢。一些铝合金可以采用热处理获得良好的机械性能，物理性能和抗腐蚀性能。2008年北京奥运会火炬“祥云”就是铝合金制作的。

    2、镁合金

    镁比铝更轻，比重2.1--2.3左右，熔点300度左右。强度更低。用来制造不承重的部件、壳体。例如各种活门壳体，油泵壳体等。

    镁合金是以镁为基加入其他元素组成的合金。其特点是：密度小（1.8g/cm3镁合金左右），比强度高，比弹性模量大，散热好，消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能好。主要合金元素有铝、锌、锰、铈、钍以及少量锆或镉等。目前使用最广的是镁铝合金，其次是镁锰合金和镁锌锆合金。主要用于航空、航天、运输、化工、火箭等工业部门。在实用金属中是最轻的金属，镁的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4。它是实用金属中的最轻的金属，高强度、高刚性。

    镁合金是航空器、航天器和火箭导弹制造工业中使用的最轻金属结构材料。镁的重量比铝轻，比重为1.8，强度也较低，只有200～300兆帕（20～30公斤/毫米2），主要用于制造低承力的零件。

    镁合金在潮湿空气中容易氧化和腐蚀，因此零件使用前，表面需要经过化学处理或涂漆。镁合金具有较高的抗振能力，在受冲击载荷时能吸收较大的能量，还有良好的吸热性能，因而是制造飞机轮毂的理想材料。镁合金在汽油、煤油和润滑油中很稳定，适于制造发动机齿轮机匣、油泵和油管，又因在旋转和往复运动中产生的惯性力较小而被用来制造摇臂、襟翼、舱门和舵面等活动零件。

    3、钛合金

    钛也是一种轻金属，比重4.5左右，比铝重，但是强度很高，很耐高温，熔点1660多度，钛是造飞机的理想材料，飞机发动机，防弹部位，强化部位，加固部位，燃烧室，涡轮轴，涡轮盘，喷口等，大多数是用钛合金材料制造的。

    钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家都认识到钛合金材料的重要性，相继对其进行研究开发，并得到了实际应用。20世纪50～60年代，主要是发展航空发动机用的高温钛合金和机体用的结构钛合金，70年代开发出一批耐蚀钛合金，80年代以来，耐蚀钛合金和高强钛合金得到进一步发展钛合金主要用于制作飞机发动机、压气机部件，其次为火箭、导弹和高速飞机的结构件。

    钛合金是航空航天工业中使用的一种新的重要结构材料，比重、强度和使用温度介于铝和钢之间，但比铝、钢强度高并具有优异的抗海水腐蚀性能和超低温性能。1950年美国首次在F-84战斗轰炸机上用作后机身隔热板、导风罩、机尾罩等非承力构件。60年代开始钛合金的使用部位从后机身移向中机身、部分地代替结构钢制造隔框、梁、襟翼滑轨等重要承力构件。航天器主要利用钛合金的高比强度，耐腐蚀和耐低温性能来制造各种压力容器、燃料贮箱、紧固件、仪器绑带、构架和火箭壳体。人造地球卫星、登月舱、载人飞船和航天飞机也都使用钛合金板材焊接件。

    4、镍钼钨合金

    是造发动机的理想材料。飞机发动机的温度高达2000多度，一般的材料是不行的，只有镍钨钼合金才能胜任。

    5、高强钢

    高强钢通常使用在要求有高刚度、高比强度、高疲劳寿命，以及具有良好中温强度、耐腐蚀性和一系列其它参数的结构件中。无论是在半成品生产中，还是在复杂结构件的构造中，尤其是在以焊接作为最终工序的焊接结构件生产中，钢材都是不可替代的材料。

    长期以来，飞机制造业使用最多的钢材，是强度水平为1600-1850MPa、断裂韧性约为77.5-91MPa每平方米的中合金化高强钢。目前，在保持同样断裂韧性指标的条件下，已将钢材的最低强度水平提高到了1950Mpa。还开发出了新型经济合金化的高抗裂性、高强度焊接结构钢，开发强度性能水平为2100-2200Mpa的高可靠性结构钢；高强度耐蚀钢强度水平与中合金结构钢相近，可靠性参数大大超过中合金结构钢。

    随着高分子材料被应用在制作飞机的材料上，使得飞机的性能越来越好。在航空工业中，腐蚀与防腐是个重要的问题，可是一般的金属防腐蚀的效果很差，由于高分子材料耐酸，碱，盐介质的腐蚀性优于金属和其他的合金材料，故被应用在飞机的制作上。另外，高分子材料具有密度小，强度大的优点，这对减轻飞机本身的质量和减少能源的消耗都有重要的意义。

    6、复合材料

    （1）聚合物复合材料

    代表航空航天技术开发水平的一个重要标志是看聚合物复合材料使用数量的多少。聚合物复合材料在比强度和比刚度方面具有非常明显的优越性，兼备良好的结构性能和特殊性能，在航空领域获得了广泛的应用。空中客车A3XX飞机使用聚合物复合材料的比例将达到25%。

    作为结构材料，新型复合材料-有机塑料将发挥越来越大的作用。最近几年，正在研制第二代有机塑料。单一用途的有机塑料的σb值达到3000-3200Mpa，E值提高到130Gpa。试验研究表明，有可能获得弹性模量为200-250Gpa的有机塑料。需要指出的是，这实际上就是将工作温度范围扩大1倍，还可显著降低复合材料的吸水率。在比强度和比弹性模量方面，现代的有机塑料，特别是未来的有机塑料将超过所有已知的以聚合物、金属和陶瓷为基体的复合材料。

    （2）陶瓷基复合材料

    说到陶瓷，人们很自然想到它的特点就是脆性。十几年前，如果把它用于工程领域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到现在说到陶瓷复合材料，也可能还会有些人不清楚，认为陶瓷和金属原本就是两种不相关的基本材料，但是自从人们巧妙地将陶瓷和金属结合后，才使人们对这种材料的概念发生了根本的变化，这就是陶瓷基复合材料。

    陶瓷基复合材料在航空工业领域是一种非常有发展前途的新型结构材料，特别是在航空发动机制造应用中，越来越显示出它的独到之处。陶瓷基复合材料除了具有重量轻，硬度高的优点以外，还具有优异的耐高温和高温抗腐蚀性能。目前陶瓷基复合材料在承受高温方面已经超过了金属耐热材料，并具有很好的力学性能和化学稳定性，是高性能涡轮发动机高温区理想的极好材料。

    目前世界各国针对下一代先进发动机对材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增强陶瓷材料，并取得了较大进展，有的已开始应用在现代航空发动机中。例如美国验证机的F120型发动机，它的高压涡轮密封装置，燃烧室的部分高温零件，均采用了陶瓷材料。法国的M88-2型发动机的燃烧室和喷管等也都采用了陶瓷基复合材料。据专家估计，到2000年陶瓷材料将占高性能涡轮发动机重量的30％。

    （3）金属间化合物

    高性能、高推重比航空发动机的研制，促进了金属间化合物的开发与应用。如今金属间化合物已经发展成为多种多样的族，它们一般都是由二元三元或多元素金属元素组成的化合物。金属间化合物在高温结构应用方面具有巨大的潜力，它具有高的使用温度以及比强度、导热率，尤其是在高温状态下，还具有很好的抗氧化，搞腐蚀性和高的蠕变强度。另外由于金属间化合物是处于高温合金与陶瓷材料之间的一种新材料，它填补了这两种材料之间的空档，因而成为航空发动机高温部件的理想材料之一。

    目前在航空发动机结构中，致力于研究开发的主要是以钛铝（TiAl、）和镍铝（NIAI）等为重点的金属间化合物。这些钛铝化合物与钛的密度基本相同，但却有更高的使用温度。例如和 TiAl的使用温度分别为816℃和982℃。

    金属间化合物原子间的结合力强，晶体结构复杂，造成了它的变形困难，在室温下显现出硬而脆的特点。目前经过多年的试验研究，一种具有高温强度和室温塑性与韧性的新型合金已经研制成功，并已装机使用，效果很好。例如美国的高性能F119型发动机的外涵机匣、涡轮盘都是采用的金属间化合物，验证机F120型发动机的压气机叶片和盘均采用了新的钛铝金属间化合物。

    （4）碳/碳复合材料

    C/C基复合材料是近年来最受重视的一种更耐高温的新材料。到目前为止，只有C/C复合材料是被认为唯一可做为推重比20以上，发动机进口温度可达1930-2227℃涡轮转子叶片的后继材料，是美国21世纪重点发展的耐高温材料，世界先进工业国家竭力追求的最高目标。

    C/C基复合材料，即碳纤维增强碳基本复合材料，它把碳的难熔性与碳纤维的高强度及高刚性结合于一体，使其呈现出非脆性破坏。由于它具有重量轻、高强度，优越的热稳定性和极好的热传导性，是当今最理想的耐高温材料，特别是在1000-1300℃的高温环境下，它的强度不仅没有下降，反而有所提高。在1650℃以下时依然还保持着室温环境下的强度和风度。因此C/C基复合材料在宇航制造业中具有很大的发展前途。

    C/C基复合材料在航空发动机上应用的主要问题是抗氧化性能较差，近几年美国通过采取一系列的工艺措施，使这一问题不断得到解决，逐步应用在新型发动机上。例如美国的F119发动机上的加力燃烧室的尾喷管，F100发动机的喷嘴及燃烧室喷管，F120验证机燃烧室的部分零件已采用C/C基复合材料制造。法国的M88-2发动机，幻影2000型发动机的加力燃烧室喷油杆、隔热屏、喷管等也都采用了C/C基复合材料。

    高速铁路用先进材料

    高铁的核心技术有哪些？

    目前，中国大陆高速铁路运营里程居世界第一位，预计到2020年，高速铁路建设里程将超过1.8万公里，形成整体的高速铁路网。高速铁路的建设将带来巨大的商机。

    高速铁路除了在列车在营运达到一定速度标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。下面请看高铁上的那些核心技术。

    世界上首条高铁

    世界上首条出现的高速铁路是日本的新干线，于1964年正式营运。日系新干线列车由川崎重工建造，行驶在东京－名古屋－京都－大阪的东海道新干线，营运速度每小时271公里，营运最高时速300公里。学校地址：陕西省渭南市国家高新技术开发区西新街与石泉路十字西200米（1路公交车终点站--渭南轨道交通运输学校下车即到）

    此后高铁技术得到各个国家的重视，高铁在世界各个城市遍地开花，缘起法国的TGV技术、缘起德国的ICE技术、缘起西班牙的Talgo技术以及得益于航空航天技术发展而诞生的磁悬浮技术都为高铁速度的提升探索了思路和方式。而中国研究的CRH技术是高铁科技领域的又一重大突破。本文就是向各位介绍CRH技术，而CRH技术正是高铁与普通铁路区分的关键技术因素之一。

    高铁动车的基本组成

    1.车体

    车体的作用是安装基础和承载骨架。现代动车组车体均采用整体承载的钢结构或者轻金属结构，以实现在最轻的自重下满足强度和刚度要求。

    2.转向架

    转向架有动力转向架和非动力转向架之分。其作用是承载、转向、减振、制动，动力转向架还具有驱动的功能。转向架由构架、悬挂装置、轮对轴箱装置和基础制动装置等组成。而动力转向架还有驱动装置。

    3.牵引传动控制系统

    作用是传递能量和运行控制。牵引传动系统主要是指列车的电气设备，分为传动电路系统、辅助电路系统和电子与控制电路系统。主传动电路系统主要包括主变压器、主变流器、牵引电机。辅助电路系统主要包括通风冷却装置、车内供电装置。

    4.制动装置

    该装置包括机械部分、空气管路部分和电气控制部分。制动方式有空气制动和电气制动，不同的制动方式有不同的制动装置。

    5.车端连接装置

    该装置包括各种车购缓冲装置、铰接装置和风挡等。作用是连接车辆成列及缓和纵向冲击。

    6.受流装置

    动车组均采用受电弓受流器。

    7.车辆内部设备和驾驶室设备

    这里面就是些类似于“家具”一样的东西了，如空调、灯、座椅等。

    CRH核心技术点

    动车本质上是人类科学技术水平的集中体现，里面的所有设备装置都是科技在铁路运输上的应用。所以谈到动车组的核心技术，很多都是在别的地方有应用的。

    动车组核心的核心是牵引传动系统

    我国动车组均采用交直交传动，接触网上的交流电经过受电弓和变压器之后，被整流成直流，再逆变成交流通入异步牵引电机。

    弓网关系

    高速列车在运行的时候，列车速度越高，受电弓与接触网的良好接触就越难实现，这就是弓网关系。

    轮轨关系（转向架）

    高速下，轮对与钢轨之间的蠕滑、轮轨动力学、运动稳定性、曲线通过性能，这些基本上可以归纳到转向架中。

    变流技术

    要实现整流和逆变最根本的是器件，所以动车的运行必须要大功率的可控器件。其中以IGBT为代表。其次，逆变器和整流器的拓扑结构决定了输出的性能。再者，整流器和逆变器的控制技术也非常重要，而且控制技术牵涉到整车的运行策略和工况，难度非常高。

    牵引电机控制技术

    对牵引电机的控制一般是将逆变器和电机作为整体进行控制的，现在最成熟的两种控制方法一个是矢量控制一个是直接转矩控制。在具体的控制方法中，还有很多实现上的困难。在其中，会添加一些技术，比如无传感器技术，非线性解耦等。

    再生制动

    再生制动是一种非常环保的制动技术，它利用列车的动能发电，将电能返送到电网中去。再生制动技术本质上是控制技术，它不需要额外的主电气设备，它只是将电动机作为发电机，逆变器作为整流器，整流器作为逆变器，参照上图。再生制动技术中最主要的，是如何保证返送回电网的电能的质量。

    网络控制系统和列车运行系统

    动车组通常动力较为分散，设备都分布在不同的车厢上，在高速运行中，如何使设备协调工作，消除延时，这个是网络控制系统解决的。其中涉及到信号传输、通信协议、车载计算机等技术。

    至于列车运行系统主要针对外部和列车的协调。这其中包括区间闭塞技术、无线通信技术。

    辅助供电系统

    这段不多说，详情见目前火车是如何供电的。

    动车组CRH和和谐电HXD系列。动车组的牵引供电系统由接触网经受电弓到牵引变压器，牵引变压器变压后到牵引整流器，然后是牵引逆变器，最后到牵引电机。这是牵引供电系统。而车厢内照明、空气制动机和列车控制系统供电来源是由辅助变流器得到，在变压器后面有另一个绕组接出，接上辅助变流器。而控制电路和照明供电有专门的蓄电池备用。

    材料技术

    车窗、车体、转向架、轮对、闸瓦都需要材料技术的支撑。这个无需赘言。

    此外，高铁和普通铁路还有很大差别。

    1.高速铁路使用无砟轨道（在中国是设计时速超过250km/h的高速铁路使用无渣轨道，设计时速200-250km/h的客运专线很多使用的是有砟轨道）。

    普通铁路轨道是在小块石头堆砌的基础上，再铺设枕木或水泥枕木，被称为有砟轨道。京沪高铁用的是无砟轨道，路基不用碎石，铁轨、轨枕直接铺在混凝土路上，整条线路水平误差不超过0.1毫米。在轨道方面，大量采用长距离无缝钢轨。也就是在高铁上几乎听不到传统火车的哐当哐当的声音。没有了钢轨接缝，对于列车速度的提高也有帮助。而且道岔都采用高速可动心道岔。其通过速度比普通道岔高很多。且高速铁路线路弯道更少，火车尽可能的是直线。（需要说明的是无砟轨道的技术仅日本和德国拥有，中国缺乏轨道板制造技术，遂选择引进外国技术及自主研发。）

    2.高速铁路使用的列车是动力分散式动车组。

    动力分布式列车是铁路列车的一种和动力集中式相对的牵引方式，特点是动力来源分散在列车各个车厢上的发动机，而不是集中在机车上，中国的“和谐号”动车组是以架空电缆方式提供电力来驱动牵引电动机的电力动车组。而普通列车是由火车头牵引的，这是动力集中式的牵引方式。

    3.信号控制系统不同。

    中国列车控制系统，简称CTCS，是中国铁路参照欧洲列车控制系统，并结合中国国情构建的技术体系。使用数字控制信号，比传统的模拟信号更加的精确和稳定，确保列车运行安全。

    4.定价和定位不同。

    需要注意的是磁悬浮列车也属于高速铁路的一种。

    高速铁路用材料有哪些？

    铁道车辆（车体、转向架、车辆内装及设备）

    轮-轨、受电弓滑板、制动摩擦、路基等，高速需要大的动力，导致更大的振动。

    为满足节能、安全、环保、舒适目标，对于高速铁路用材料的要求：轻质高强、隔振减振、高铁轻量化材料、不锈钢和铝合金。

    车体

    与普通钢相比，不锈钢减重40%。

    不锈钢车体不易解决车体气密性问题，只用于制造时速200公里级的车体。

    由于铝合金比强度高，特别是大型空心薄壁铝材轧制技术的完善，成为高速列车车体最理想的材料。

    铝合金车体的发展

    轻量化车体用中空双表面大型铝合金挤压型材中空双表面大型铝合金挤压型材，可大幅度减少焊接工作量，简化车辆的制造工艺。

    日本新干线选用的铝合金大体上有：Al-Mg  系合金、Al-Mg-Si  系合金，Al-Zn-Mg 系合金。如系合金。如5083 、7003  等牌号的铝合金。

    由于车辆轻量化的要求越来越高，于是人们把目光注视到复合材料上来。

    复合材料车体的发展

    意大利 ETR500 高速列车的车头前突部分采用的是芳纶纤维增强环氧树脂的 FRP，用这种材料模型成型的符合空气动力学线型要求的车头，具有优异的抗冲击能力，当列车以 300 km/h 速度行驶时有很好的尺寸稳定性。

    法国国营铁路公司（SNCF）认为对于未来的 TGV 高速列车，考虑到迫切需要进一步减轻车体质量，采用法国国营铁路公司（SNCF）认为对于未来的 TGV 高速列车，考虑到迫切需要进一步减轻车体质量，采用碳和玻璃纤维强化环氧脂包覆发泡蜂窝材料芯碳和玻璃纤维强化环氧树脂包覆发泡蜂窝材料芯，制造双层挂车，并进行线路运行试验，对其耐火性、抗冲击强度等进行运行测试，结果表明：

    复合材料车体的制造工艺是有效的，它比铝制或钢制车体的强度大，用碳纤维复材预计可比铝制车的质量减少25 %；

    复合材料车体在振动性能、透声性能和绝热性能方面的优点，提高了车体的舒适性。

    转向架

    能相对车体回转的一种装置，起支承车体、转向和制动的作用，并保证机车车辆在轨道上安全平稳地运行。

    转向架的构架是特别重要的高强度部件，关系到整个车辆安全性。转向架必须满足安全、运行舒适度以及耐磨损、易检修等要求。

    多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢制造的构架。近来研究热点为高分子复合材料和铝合金制造的构架。

    德国开发了世界上第一个纤复合材料的转向架构架，并过了静态模拟实验、耐久试验、运行试验，运营了 100多万km后检测未现任何损坏、磨损或撕裂。

    车辆内装及设备

    车辆内装及设备主要有装饰板、厕所、盟洗室、座椅及水箱等， 应以铝合金和高分子材料为主， 如装饰板采用铝合金上叠合一层不燃性的纤维增强塑料， 厕所、盟洗室、座椅及水箱还要考虑到卫生和耐腐蚀性， 也以不燃性的为佳。

    轮 轮 -  轨材料

    轮- 轴

    当列车的时速达到300公里时，高速列车车轮的杂质含量必须严格控制。在钢铁冶炼的时候，就必须要求车轮钢当列车的时速达到300公里时，高速列车车轮的杂质含量必须严格控制。在钢铁冶炼的时候，就必须要求车轮钢杂质含量极低且分布均匀。由于车轮不过关，曾经导致德国高速列车脱轨，人员伤亡。车轴是空心轴，列车所有的重量都压在车轴上，技术虽然不是特别尖端，但批量生产的时候单件产品质量控制必须非常严格。

    钢轨

    就线路而言， 高速铁路区别于一般铁路最主要的特点是曲率半径大、应变速率高、轴重轻和牵引力大， 钢轨的磨耗较小， 疲劳损伤相对突出， 因此对钢轨材料的选择要求较高。

    对于钢轨材料而言， 欧洲铁路一直在合金钢轨上进行研究，如非热处理的Cr-Mo。合金钢轨除了有较高的循环软化抗力外，也有较好的抵抗短波磨损的能力， 是今后钢轨材料的重点选择对象之一。

    此外， 还应从钢轨钢的 强韧化 和 纯净化方面进行努力， 大力发展全长热处理钢轨、稀土钢轨和降噪降振新钢轨。

    接触网导线材料

    高速列车通常采用电力牵引。需要保证接触网导线与受电弓滑板之间在高速运行时具有良好的受流性能，目前高速铁路研究开发了铜合金导线，主要品种有高速列车通常采用电力牵引。需要保证接触网导线与受电弓滑板之间在高速运行时具有良好的受流性能，目前高速铁路研究开发了铜合金导线，主要品种有 铜银合金导线 、 铜镉合金 及 铜锡合金导线等。

    随着车速进一步提高，导线材料已由 单一材料 向 复合材料的方向发展，其中一个品种是 钢芯铜皮的铜— 钢复合材料 。

    受电弓滑板材料

    受电弓滑板是机车供电系统中的重要集电元件， 高速运行的电力机车上的滑板一旦失效， 将严重危及行车安全， 因此要求它的使用必须经济安全， 既对接触网导线磨耗小， 自身有足够的使用寿命， 又不影响弓网关系。

    目前， 国内外研究的浸金属碳滑板已步入了实用化的阶段，它主要是利用了碳滑板材料的多孔性质， 将熔融的铜或铜合金等高导电性金属， 在高温高压下浸入到碳滑板基体中去， 使它既有碳材料的自润滑和抗电弧性能， 又具备金属材料的集电、强度高、抗弹撞击力强的特点， 成为最理想的滑板材料。

    与此同时， 还应加强 碳纤维一金属复合材料滑板的研究， 这种滑板在集电、润滑、抗撞击性能方面都会超过现有的的研究， 这种滑板在集电、润滑、抗撞击性能方面都会超过现有的金属滑板、碳滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板金属滑板、碳滑板、浸金属碳滑板和粉末冶金滑板 , 其应用前景十分广阔。

    无砟轨道系统

    板式无砟轨道是由长钢轨、扣件系统、轨道板、水泥沥青砂浆、混凝土底座及凸形挡台组成长钢轨、扣件系统、轨道板、水泥沥青砂浆、混凝土底座及凸形挡台组成 的一种新型轨道结构。

    为了使板式轨道具有一定的弹性，并固定轨道结构的位置，在混凝土底座和轨道板之间，以及凸形挡台周围填充缓冲材料层，同时消除混凝土构件施工误差。

    作为缓冲充填材料，应既有一定的弹性，又有一定的强度，水泥砂浆强度足够高，但弹性不足，沥青弹性好，但强度低，受温度影响大，因此采用了将二者结合的水泥沥青砂浆，一般采用水泥、乳化沥青、砂及各种掺和料混合而成，通称作为缓冲充填材料，应既有一定的弹性，又有一定的强度，水泥砂浆强度足够高，但弹性不足，沥青弹性好，但强度低，受温度影响大，因此采用了将二者结合的水泥沥青砂浆，一般采用水泥、乳化沥青、砂及各种掺和料混合而成，通称CA 砂浆。

    铁路轨道扣件分类

    木制枕木扣件、水泥枕木扣件、高速铁路扣件系统

    每公里客运专线需要的扣件在6200-6600 套之间，以1.6万公里计算，高铁共需要万公里计算，高铁共需要9920-10560万套扣件，如果按照现在的万套扣件，如果按照现在的300元左右的价格，市场空间为元左右的价格，市场空间300亿元左右。

    高速铁路无砟轨道系统用高分子材料

    高铁铁轨所用到的高分子减振、降噪材料多达十几种。聚氨酯、碳纤维复合材料、热塑性弹性体、聚氯乙烯、硅橡胶、环氧树脂、丁基橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙胶等。

    CA 砂浆及专用沥青乳液

    微粒带正电荷；贮存稳定性好；配制砂浆外加水少，有利于防止砂浆泌水；与水泥、细骨料附着力好，可有效防止砂浆离析；抗冻性与耐候性好，有效延长了使用寿命。

    凸形挡台填充聚氨酯树脂

    粘度小，易于施工；防沉降效果好，具有较高的承载强度及韧性，抗冲击性能优秀，并拥有良好粘结强度，优异的抗疲劳性、耐热老化性及耐腐蚀性。

    聚脲弹性体涂层在高铁中的应用由于高铁采用无碴轨道，要求防护层不仅具有防水、防渗和抗裂等基本性能，还要能经受火车高速行驶带来的高速、重载、交变冲击等作用。聚脲涂层无接缝，粘结力强，真正做到了整体防水，同时还具有优异的耐磨性、抗冲击、抗开裂、耐紫外光和耐高低温性能，可满足高铁的特殊要求。

    PU 枕木

    PU枕木是一种玻纤增强的硬质PU微孔弹性体，具有比强度大、减震、降噪、耐电气绝缘、高耐久和环保等优良性能。在日本，塑料枕木的应用历史已超过25年，且已应用於新乾线高速列车的铁轨上。

    PU枕木目前已受到PU和铁路业界高度关注，是全球PU材料界研究的一个热点课题。根据国家发展高速铁路长远计划，为了适应高速列车提速要求，开发PU枕木以取代或部分取代混凝土枕木必将是未来发展趋势。按国外经验1km高速铁路需用1800根左右轨枕计，则7000km高速铁路PU枕木市场规模将达到500亿元，这无疑将给我国新型PU弹性体带来巨大市场空间。

    高铁会给我们带来什么投资机会？

    年均投资将达8000亿元，为高速铁路系统配套的化工材料将扮演越来越重要的角色。中国高速铁路这块大蛋糕吸引的不仅仅是中国企业，国外的供应商同样嗅到了商机。德国巴斯夫公司专门组建了高速铁路团队，向中国提供从防水材料

    到沙浆材料、从道碴胶到土工布胶、从外加剂到防腐剂、从涂料到地坪、从保温到吸音等系列解决方案。

    中国的高速铁路建设不仅仅给新材料企业带来了发展机会，同时也给新材料产业提出了更高的要求。用于高速铁路路基和轨道之间的减振材料中国的高速铁路建设不仅仅给新材料企业带来了发展机会，同时也给新材料产业提出了更高的要求。用于高速铁路路基和轨道之间的减振材料——聚酯聚醚弹性体，目前国内生产企业还不能满足需求，主要从国外进口。 而美国杜邦公司的聚酯聚醚弹性体材料售价在每吨10万元左右甚至更高。如果该材料实现国产化，价格可以降低一半。

    海洋工程用先进材料

    在现代船舶发展过程中，美、俄（苏）、英、德、法、日等船舶强国，均将材料技术发展视作船舶发展的基础和先导，对材料技术发展给予了高度重视，不仅在不同的发展时期从船舶材料技术发展的顶层研究，制定了发展战略规划，投入大量人力、财力持续开展基础材料技术、新兴材料技术的研发和前沿技术的探索，而且非常注重试验验证平台（包括试验潜艇）的建设。伴随着船舶发展，经过不断创新，与时俱进，人们不仅研制了满足船舶各发展时期所需的各种材料，而且已形成很强的材料技术的研究、生产能力和完整的门类齐全的配套体系，建立起了较完善的船舶材料体系和船舶材料技术的基本理论、方法、工艺等。

    着眼于当前船舶材料技术的发展状况，立足于21世纪前期（2035年前）的高新技术发展，可以预见，21世纪前期船舶材料技术的发展趋势将呈现出“高”、“复”、“钛”、‘稳“、”防“、”有“、”无“、’前”、“用”、“低”等十大特征。

    “高”--船舶船体钢材仍向高性能化发展

    船舶结构钢未来的发展趋向主要为：

    1.仍将高性能化作为追求的主要发展方向，注重提高钢材的整体性能，包括强度、塑性、韧性、抗爆性能、抗脆性破坏、耐海水腐蚀、抗疲劳特性等。

    2.极其注重冷热加工、焊接等工艺性能的研究，将改善结构钢工艺性能作为今后重要的发展方向。

    3.注重高强度结构钢配方设计、制备应用技术的理论和方法的研究、完善。

    4.在注重高性能化发展的同时，追求低成本的经济性能，等等。

    “复”--研发高性能多功能复合材料的趋势方兴未艾

    船舶复合材料技术未来发展的趋向主要为：

    1.一发低成本/高性能化的复合材料及其产品是未来的主要发展趋势。

    2.由单纯承载结构型复合材料向多功能型复合材料（兼具结构型、隔声、吸声、阻尼、雷达隐身等特性）发展。

    3.船舶复合材料结构和构件的寿命一般要求长达20年以上，研发复合材料结构健康监测和修补技术，以保证其长期安全可靠，是未来发展的重要方向。

    4.注重研发得合材料部件之间及其与钢结构之间的方便、可靠的连接技术，等等。

    “钛”--高性能钛合金的研发与推广应用势在必行

    未来船舶防护材料技术的主要发展趋势为：

    1.在继续提高或保持钛合金现有特性的同时，应将降低钛合金及其产品的制造成本作为未来发展的重要方向。

    2.开展施工方便、安全、可靠的钛合金焊接及制造（弯曲、成型等）工艺等技术研究是未来发展的又一重要方向。

    3.注重在船舶研制中进一步推广应用钛合金及其产品。

    4.进一步完善钛合金材料体系，继续研发、拓展船用钛合金产品系列，等等。

    “隐”--仍将研发高性能隐身材料列为重要发展方向

    未来隐身材料技术发展的主要方向为：

    1.综合化、高性能化是未来船舶隐身材料技术发展的主要方向。

    2.适应主动振动噪声控制元器件需求的隐身材料技术研究。

    3.具有低频消声和去耦作用的声学覆盖层（含消声瓦）的材料技术研究。

    4.声隐身、尾迹隐身等前沿技术研究。

    5.新型隐身材料制备与应用（含检测、施工工艺）技术研究，等等。

    “防”--船舶防护材料以环保高寿命为重点正蓄势待发

    未来船舶防护材料技术的主要发展趋势为：

    1.以高性能防护材料（如金属合金、纳米材料、生物仿生材料等）替代单一防护功能材料为发展方向，力争一材多用，一材足用。

    2.舰艇易腐蚀和污损部位（如海水管系、上层建筑、紧固件、液舱等）的腐蚀和污损特性、机理及涂层防护技术的研究，将能有的放矢、因地制宜、因材施用地解决不同部位的防护难题。

    3.鉴于新的国际海洋法的需求，以及海洋环境污染的严峻形势，防护材料技术的发展过程中，在加强防护性能的同时，以追求环保、经济性为重耍指标。

    4.应加强研究船舶的全寿期最佳防护技术方案，并注重对防护效果进行有效监控与合理预测。

    5.注重防滑、耐高温密封防漏、舱室高性能环保性装饰等船舶用特殊材料技术的研发和应用，等等。

    “有”--船舶用有色金属材料仍需加强推广应用

    未来船舶用有色金属材料技术的主要发展趋势为：

    1.铝合金。开展高强度耐腐蚀铝合金材料的研究，以满足新一代航空母舰大量减轻重量、提高结构的疲劳强度等需求；同时，开展铝合金结构可靠性研究，以提高高速铝质船的结构设计、操纵和维护能力。

    2.铜合金。研制更高流速极限的船舶用铜质管系（目前通常为3m／s），以解决目前紫铜或B10镍铜合金耐海水冲刷腐蚀性能或耐含砂海水腐蚀性能差的问题。

    3.镁合金。开展镁包锌型、镁包铝型复合牺牲阳极的研究，对钢结构实施长期、稳定的保护。

    “无”--开辟无机材料在船舶装备上应用的新领域

    未采船舶用无机材料技术的主要发展趋势为：

    1.开展无机材料在复杂海洋环境中的工作性能和腐蚀作用规律研究，提高环境适应性，提高防火、保温、吸振、防腐等特殊性能。

    2.开展高强轻质海工混凝土制备、生产及应用技术的研究，进一步促进类似海工建筑物的发展和应用，如离岸混凝土钻采平台及储运平台、趸船、浮船坞、起重船等工程船舶。

    3.研发具有优良综合性能（如工艺性、保温隔热、防火、防腐、经济性）的船舶内装饰材料。

    “前”--船舶材料前沿技术呈现百花齐放的发展趋势

    未来船舶前沿材料技术的发展主要呈现如下趋势：

    1.自主创新、“奇思妙想”，提出新颖的前沿材料技术项目，并下功夫攻克技术难点，取得创新突破，发挥前沿材料技术独特的优势，从而给船舶装备性能带来显著的提升。如压电阻尼新型减振材料技术、智能可见光隐身材料技术、潜艇液体隐身衣材料技术、纳米材料技术等前沿材料技术。

    2.加强船舶装备对材料技术发展的需求探索，为研发新型材料技术提供思路和方法；加强对新材料原理、方法、设计及制造技术的研究，为上船使用做好技术储备。

    3.加强新材料新工艺的应用技术研究，必要时可通过条件保障设施开展陆上演示验证，或在其他非船舶行业开展应用探索，从中积累经验，完善技术，给舰艇装备一次性成功使用新兴材料奠定基础，等等。

    “用”--加强材料应用技术的研究不可或缺

    未来船舶材料应用技术的发展趋势主要有：

    1.开展面向应用对象的材料技术研究，使任何一项材料技术的研制有据可循，任何一项材料技术的应用有需求空间，这对推进新材料和新技术的研发与应用，具有重要意义。

    2.开展新型船舶材料应用技术研究与试验验证，通过先进的材料应用技术与优良的实验验证结果，推动新材料的发展与应用。

    3.开展新型船舶材料实船应用与推广研究，通过实船应用验证其上船效果，寻求契机进行推广应用，等等。

    “低”--船舶材料技术一如既往向低成本化的方向发展

    未来船舶材料技术低成本化的发展趋势主要为：

    1.研究、建立一套较为完善的、可满足工程实际应用的衡量、评估船舶材料经济性的基础理论、指标体系。

    2.船舶材料经济性评估（计算）方法研究。

    3.船舶材料经济性设计指导性文件（标准）研究、编制，等等。

    记忆合金

    航空航天工业

    形状记忆合金已应用到航空和太空装置。如用在军用飞机的液压系统中的低温配合连接件，欧洲和美国正在研制用于直升飞机的智能水平旋翼中的形状记忆合金材料。由于直升飞机高震动和高噪声使用受到限制，其噪声和震动的来源主要是叶片涡流干扰，以及叶片型线的微小偏差。这就需要一种平衡叶片螺距的装置，使各叶片能精确地在同一平面旋转。目前已开发出一种叶片的轨迹控制器，它是用一个小的双管形状记忆合金驱动器控制叶片边缘轨迹上的小翼片的位置，使其震动降到最低。

    还可用于制造探索宇宙奥秘的月球天线，人们利用形状记忆合金在高温环境下制做好天线，再在低温下把它压缩成一个小铁球，使它的体积缩小到原来的千分之一，这样很容易运上月球，太阳的强烈的辐射使它恢复原来的形状，按照需求向地球发回宝贵的宇宙信息。

    另外，在卫星中使用一种可打开容器的形状记忆释放装置，该容器用于保护灵敏的锗探测器免受装配和发射期间的污染。

    机械电子产品

    1970 年美国用形状记忆合金制作 F-14 战斗上的低温配合连接器，随后有数以百万以上的连件的应用[5]。形状记忆合金作为低温配合连接在飞机的液压系统中及体积较小的石油、石化、电工业产品中应用。另一种连接件的形状是焊接的网状金属丝，用于制造导体的金属丝编织层的安全接头。这种接件已经用于密封装置、电气连接装置、电子工程机械装置，并能在-65~300℃可靠地工作。已开出的密封系统装置可在严酷的环境中用作电气件连接。

    将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门的弹簧，用于保护雾灯免于飞行碎片的击坏。用于制造精密仪器或精密车床，一旦由于震动、碰撞等原因变形，只需加热即可排除故障。在机械制造过程中，各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另一台机器上，现在利用形状记忆合金开发了一种取代手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率高灵活，装夹力大等特点。

    生物医疗

    用于医学领域的 TiNi 形状记忆合金，除了利用其形状记忆效应或超弹性外，还应满足化学和生物学等方面的要求，即良好的生物相容性。TiNi 可与生物体形成稳定的钝化膜。在医学上 TiNi 合金主要应用有：

    （a）牙齿矫形丝 用超弹性 TiNi 合金丝和不锈钢丝做的牙齿矫正丝，其中用超弹性 TiNi 合金丝是最适宜的。通常牙齿矫形用不锈钢丝 CoCr 合金丝，但这些材料有弹性模量高，弹性应变小的缺点。为了给出适宜的矫正力，在矫正前就要加工成弓形，而且结扎固定要求熟练。如果用 TiNi 合金作牙齿矫形丝，即使应变高达10%也不会产生塑性变形，而且应力诱发马氏体相变（stress-induced martensite）使弹性模量呈现非线型特性，即应变增大时矫正力波动很少。这种材料不仅操作简单，疗效好，也可减轻患者不适感。

    （b） 脊柱侧弯矫形 各种脊柱侧弯症（先天性、习惯性、神经性、佝偻病性、特发性等）疾病，不仅身心受到严重损伤，而且内脏也受到压迫，所以有必要进行外科手术矫形。目前这种手术采用不锈钢制哈伦敦棒矫形，在手术中安放矫形棒时，要求固定后脊柱受到的矫正力保持在30~40kg以下，一但受力过大，矫形棒就会破坏，结果不仅是脊柱，而且连神经也有受损伤的危险。同时存在矫形棒安放后矫正力会随时间变化，大约矫正力降到初始时的30%时，就需要再进行手术调整矫正力，这样给患者在精神和肉体上都造成极大痛苦。采用形状记忆合金制作的哈伦顿棒，只需要进行一次安放矫形棒固定。如果矫形棒的矫正力有变化，以通过体外加热形状记忆合金，把温度升高到比体温约高5℃，就能恢复足够的矫正力。

    另外，外科中用 TiNi 形状记忆合金制做各种骨连接器、血管夹、凝血滤器以及血管扩张元件等。同时还广泛应用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝胆科、泌尿科、妇科等，随着形状记忆的发展，医学应用将会更加广泛。

    建筑结构

    利用形状记忆合金的伪弹性性能和动阻尼特性，形状记忆合金被用于被动控制结构受地震影响，起到抗震的作用。应运于结构振动的主动阻尼控制等。

    日常生活

    （a） 防烫伤阀 在家庭生活中，已开发的形状记忆阀可用来防止洗涤槽中、浴盆和浴室的热水意外烫伤；这些阀门也可用于旅馆和其他适宜的地方。如果水龙头流出的水温达到可能烫伤人的温度（大约 48℃）时，形状记忆合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温度，阀门才重新打开。

    （b） 眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 TiNi 合金可使人感到舒适并抗磨损，由于 TiNi 合金所具有的柔韧性已使它们广泛用于改变眼镜时尚界。用超弹性 TiNi 合金丝做眼镜框架，即使镜片热膨胀，该形状记忆合金丝也能靠超弹性的恒定力夹牢镜片。这些超弹性合金制造的眼镜框架的变形能力很大，而普通的眼镜框则不能做到。

    （c） 移动电话天线和火灾检查阀门 使用超弹性TiNi金属丝做蜂窝状电话天线是形状记忆合金的另一个应用。过去使用不锈钢天线，由于弯曲常常出现损坏问题。使用TiNi形状记忆合金丝移动电话天线，具有高抗破坏性受到人们普遍欢迎。因此常用来制作蜂窝状电话天线和火灾检查阀门。火灾中，当局部地方升温时阀门会自动关闭，防止了危险气体进入。这种特殊结构设计的优点是，它具有检查阀门的操作，然后又能复位到安全状态；这种火灾检查阀门在半导体制造业中得到使用，在半导体制造的扩散过程中使用了有毒的气体；这种火灾检查阀也可在化学和石油工厂应用。

    其它

    在工程和建筑领域用 TiNi 形状记忆合金作为隔音材料及探测地震损害控制的潜力已显示出来。已试验了桥梁和建筑物中的应用，因此作为隔音材料及探测损害控制的应用已成为一个新的应用领域。

    随着薄膜形状记忆合金材料的出现和开发利用，形状记忆合金在智能材料系统中受到高度重视，应用前景更广阔。

 

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