非晶合金

    首先，我們聊一聊什么是晶體、什么是非晶。簡單來說，評判晶體非晶體的標準是微觀組成粒子的排列是否具有長程有序和平移對稱性。如果有，如圖1（a），則是晶體，反之，則如圖1（b）非晶。

 

    當然，解決晶體、非晶體的問題還遠遠不夠。因為要談非晶合金，我們還會遇到非晶體、玻璃、非晶合金、金屬玻璃、氧化物玻璃、高分子玻璃、液態金屬……

    他們之間有區別也有聯系。在區分他們之前，先要介紹一下非晶的制備原理。可以用下面這個示意圖來表示：

 

    在非晶合金的開發方面，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）基等在內的數十種合金體系。目前非晶合金一共有非晶薄帶、非晶粉末、塊體非晶這幾種形式，它們的制備方法可以簡單歸納為：

 

 

    一個總結性表格概括非晶合金的應用領域

 

    電站材料

    根據我國環境和經濟可持續發展需要，發展核電是我國優化能源結構的優先選擇，核電發展政策由 2005年的“積極發展核電”變為現在的“大力發展核電”。為了適應新能源發展戰略，國家正在調整核電中長期發展規劃，加強沿海核電發展，科學規劃內陸地區核電建設。通過不斷新增核電機組開工項目，力爭到 2020年核電占電力總裝機達到 5％以上。

    核承壓設備及其制造要求

    核電站用鋼是包括用于核電站的核島、常規島、電站輔助設備等設備制造用鋼鐵材料。核承壓設備是指核動力廠及其他核反應堆中執行核安全功能的承壓設備及其支承件，包括反應堆壓力容器、穩壓器、熱交換器、管道、泵、閥門、貯罐以及堆內構件等；反應堆系統的鋼制安全殼或混凝土安全殼的鋼襯里；核燃料生產、加工、貯存、后處理設施以及放射性廢物處理、處置設施中包容放射性物質的承壓設備及其支承件；其他需要嚴格監督管理的核承壓設備。

    核承壓設備根據核安全要求分為核 1、2、3級。我國核安全法規 HAF0901第八條規定：從事制造核承壓設備關鍵承壓材料（包括管材、棒材、板材、鑄鍛件和焊接材料）的單位，必須遵守 HAF0900和 HAF0901實施細則，并接受國家核安全局的獨立監督，其中生產大型鑄鍛件的單位須取得制造資格許可證，焊接材料及其它材料由使用單位通過質量保證體系加以控制和監制。借鑒國外核電發展經驗和我國實際，民用核安全設備實行許可證制度。包括民用核安全設備設計許可證、民用核安全設備制造許可證、民用核安全設備安裝許可證、民用核安全電氣設備許可證、以及民用核安全設備無損檢驗許可證。其中民用核安全設備制造許可證按照核級安全要求級別，又分為主設備設計/制造許可證、核2/3級設備設計/制造許可證、核級泵閥設計/制造許可證、核級管道、管配件、支撐等設計/制造許可證。截止到2009年2月底，國家核安全局頒發的國內企業持證單位已有110家，國外企業有8家。持證單位只能從事許可證上上標記的設備類型或典型設備的名稱的設計、制造、安裝和檢測等內容。

    核級材料的特點

    核級材料是指用于民用核設施中的核承壓設備制造、維修，并需符合有關核安全法規、導則和技術標準的鋼鐵和有色金屬材料。這些材料可細分為碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、鈦及其合金、鋯合金等，其類型涉及板、帶、管、絲、棒和鍛件等。  就核承壓設備所用材料而言，依托法國技術的核電機組，通過大亞灣和嶺澳等核電站的建設，對核承壓設備用材已有所了解。AP-1000是我國首次引進的三代堆型，世界上尚無建成投產業績，國內對其制造標準和選材并不了解。但 CRP-1000與 AP-1000在多數反應堆容器用材上相類似，但前者主要依據 RCC-M標準，而后者主要依據 ASME和相關核電標準。  核電設備用關鍵金屬材料的國產化一直不盡人意。由于沒有核電站整體設計權和核關鍵設備的知識產權，核電關鍵設備所用材料的選用和制造、標準體系建設也無話語權，主要依靠國外的技術采購規格書向國外企業采購，致使核電關鍵設備用金屬材料的開發不能支撐核電設備國產化的需要。我國在建堆型的大型化，以及技術來源的多樣化，又為關鍵設備用材料國產化增添了一定的難度。  與常規壓力容器相比，核電用材料具有以下主要特點：

    （1）核設備用金屬材料設計考慮要素多。核能關鍵設備通常在高溫、高壓、強腐蝕和強輻照的工況條件下工作，對材料的要求極高，通常要滿足核性能、力學性能、化學性能、物理性能、輻照性能、工藝性能、經濟性等各種性能的要求，要達到專用的標準法規要求。

    （2）質保體系要求嚴格。按法規、標準和采購技術條件規定完成材料的生產。我國 HAF003/01和 ASME等標準對核電材料生產全過程質量控制有明確的要求。對核級材料的設計、生產、試驗、探傷運輸全過程在嚴格的質保體系下完成。不符合項等進行有效的管理和監督，對有損于質量的情況提出切實有效的糾正措施，對各流程進行記錄和監察，過程要求具有可追溯性。做到凡事有章可循，凡事有據可查，凡事有人負責，凡事有人監督。

    （3）化學成分要求更嚴格。受壓元件的 S、P含量一般都要求150ppM以下，反應堆壓力容器某些部件要求80ppM，個別部件 S含量要求為50ppM以下。某些特定殘余元素嚴格規定，如對奧氏體不銹鋼硼含量不得超過 18ppM；與堆內冷卻劑接觸的所有零件（一般采用不銹鋼或合金制造），其鈷、鈮和鉭含量嚴格限定為 Co≤0.20%， Nb+Ta≤0.15%。某些接觸輻照的承壓容器，要求限制材料的銅、磷含量。

    （4）力學性能試驗項目多，指標要求嚴格。取樣數量比壓力容器多得多。取樣位置也有嚴格的要求。從指標要求上看，夏比 V型沖擊值要求比容器材料高得多，往往要同時提供 2個或 3個試驗溫度下的沖擊吸收功、側向膨脹量和纖維區面積等。

    （5）無損檢測要求更嚴格的。超聲波探傷的驗收要求比常規壓力容器高得多；部分容器用鋼板 UT探傷重疊部分要求達到 10%~15%。對于所有受壓部件都有嚴格的表面質量要求，經過 VT和 PT探傷檢驗。

    （6）核電用材的規格大、單重重、甚至有表面光潔度要求。核電設備用鋼板厚度達到 300mm，最大鍛件重達 300噸以上。核級管材、不銹鋼材等產品尺寸精度要求高，一些小徑、薄壁、特長管材，要求直度和表面光潔度。需通過精密超聲波、渦流探傷，制造難度極大。

    百萬千瓦壓水堆核島主要設備及所用金屬材料種類

    發展歷程

    核電技術的劃分最早起源于美國能源部。從全球來講，第一代核電站是指核電由軍用轉為民用時的技術，上世紀 50年代中期建成的核電站屬于第一代。目前世界上正在運行的核電站都屬于第二代；正在建設的核電站大都屬于第二代或二代改進。目前世界上第三代核電技術包括法國阿海琺與德國西門子聯合研發的 EPR壓水堆技術以及美國的西屋公司 AP1000壓水堆技術。根據這一劃分，我國目前運行的核電機組全部屬于第二代，在建核電機組以二代加為主，有以廣東臺山核電站為依托的法國 EPR三代技術的核電工程，浙江三門核電站 1#和 2號機組和山東海陽核電站 1#和 2號機組為依托的美國西屋第三代 AP-1000核電工程。

    壓水堆核電站主要由核島、常規島及其它輔助系統構成。核島主要包括核反應堆、主循環泵、穩壓器、蒸汽發生器組成的一回路系統。常規島包括汽輪機、冷凝器、凝結水泵、給水泵、給水加熱器等組成的二回路系統。核電中的容器、泵閥、管道均為核電的關鍵設備。其用材及其制造尤為重要。

    一臺百萬壓水堆核電機組，核島通常包括 1臺反應堆壓力容器、 1臺穩壓器、 3臺蒸汽發生器、 3臺主冷卻泵、3臺蓄勢器（安注箱）、1臺硼注射器、堆芯及堆內構件和控制棒驅機構等。所用金屬材料主要有碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦管和鋯合金等。需要碳鋼、低合金鋼板和鍛件 4000～4500噸；奧氏體不銹鋼板和鍛件 3000～3500噸；馬氏體不銹鋼鍛件 500噸、鑄件 200噸；鎳基、鐵基合金管、棒、帶、絲 600～800噸；鈦直縫焊管 150噸；鋯合金管、棒、帶 8噸/年。

    大型鍛件主要在重型機器廠冶煉和鍛造，板、帶、管等主要由鋼鐵冶金企業生產。泵閥的用材自行鑄造或購料（坯）后加工。核電設備制造企業和鋼鐵企業已經全部能生產所涉及的材料類型。目前，我國幾大核電集團，已經能夠滿足核承壓容器所需的不同材質和噸位的鍛件的生產。

    對于鋼鐵企業來講，較薄或特厚碳鋼、低合金鋼板仍難以滿足核電設備的制造需求。國內投產的 5米軋制已經能夠板材的軋制要求，但受板坯單重，熱處理鋼板寬度或厚度限制，也難以滿足核電容器所需碳鋼、低合金鋼大厚度大單重鋼板的生產需要。對于核電關鍵設備所用的較薄的鋼板，用厚板軋機軋制困難，用熱卷軋機，寬度經常滿足不了需求，個別較薄鋼板在熱處理上也難以實現。對于核電關鍵設備所用不銹鋼，國內幾家不銹鋼生產主要企業，要么軋機不配套、要么熱處理設備不配套，單重大、厚度厚、寬度大的不銹鋼板仍不能實現生產，個別不銹鋼，如含硼不銹鋼、控氮不銹鋼等，還需要進一步研發。

    與二代改進型和法國 EPR百萬千瓦壓水堆相比， AP-1000最大差異就是在核島內增加了一個全鋼安全殼。其設計選材為 SA738B高強度調質鋼板，每個安全殼用量達到 4000多噸。其他核級容器的種類相同，但選材上略有不同，所用材料的牌號也不同。前者主要按照 RCC-M標準，后者按照 ASME標準。尤其是不銹鋼差別較大。由于 AP-1000首臺核島主要容器在韓國制造，一定程度上延緩國內對這些容器用材料的了解和開發。

    高溫氣冷堆核電站核島主體設備及其用金屬材料

    高溫氣冷堆核電站核島主要設備包括反應堆壓力容器、蒸汽發生器壓力容器以及熱氣導管壓力容器、堆內構件。中國華能集團公司、中國核工業建設集團公司、清華大學分別出資 47.5％、32.5％、20％，成立華能山東石島灣核電有限公司，負責投資、建設、運營華能山東石島灣核電站 20萬千瓦級高溫氣冷堆核電示范工程。10萬千瓦 HTR-PM試驗示范堆堆和 20萬千瓦 HTR-PM的商業示范堆。但兩者的材料種類相同，但要求不同。如堆內構件，前者采用 15CrMoR，后者采用 12Cr2Mo1R。反應堆壓力容器外殼，前者采用 SA516Gr70，后者采用 SA533B。

    幾個典型核電用鋼的開發和生產情況

    1.1. AP-1000核電站安全殼用 SA738GrB鋼板

    寶鋼于 2006年開發出 AP-1000核電站安全殼所用的 SA738GrB鋼板。2007年底開始，按照美國西屋的安全殼用鋼采購技術規格書，生產了厚度 10~96mm的 SA738GrB鋼板。目前，已經交貨 5000多噸，山東核電設備制造有限公司完成了部分鋼板的壓制，運往浙江三門核電站，具備安裝條件。

    1.2. 核一級容器用 SA533B（16MND5、18MND5）鋼板

    寶鋼已經工業試制出 76mm、112mm、130mm三個典型厚度 SA533B（16MND5、 18MND5）鋼板，既滿足法國 RCC-M標準要求，也滿足 ASME SA533TypeB標準要求。可用于穩壓器、硼注箱等核島容器制造。目前，正在與國內的設計單位、設備制造企業開展聯合評價。

    1.3. 高溫氣冷堆堆內構件用 12Cr2Mo1R鋼板

    清華核能院設計的 HTR-PM高溫氣冷堆的堆內構件采用 750噸 40~135mm厚 12Cr2Mo1R鋼板。寶鋼按照設計技術要求，在 5米厚板產線上生產該批鋼板。

    1.4. 核電站蒸發器用 Inconel 690合金管材

    Inconel 690合金管目前核電建設急需的材料的之一。寶鋼正在進行研發和產品試驗。合資建設了鋼管擠壓機組，為 Inconel 690合金管材的工業批量生產提供了設備硬件上保證。

    總之，我國大力發展核電的體現，標志著我國核電發展的春天已經來臨，在未來 5～15年迎來一個高速發展期。國家要求逐步提高核電設備國產化比例，為我國核電材料的開發和應用提供了廣闊的空間。

    電池材料

    釩電池（VRB）是一種新型清潔能源存儲裝置，與目前市場中的鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，具有大功率、長壽命、支持頻繁大電流充放電、綠色無污染等明顯技術優勢，主要應用于再生能源并網發電、城市電網儲能、遠程供電、UPS系統、海島應用等領域。

    一、釩電池工作原理

    釩電池（VRB）是一種新型清潔能源存儲裝置，經過美國、日本、澳大利亞等國家的應用驗證，與目前市場中的鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，具有大功率、長壽命、支持頻繁大電流充放電、綠色無污染等明顯技術優勢，主要應用于再生能源并網發電、城市電網儲能、遠程供電、UPS系統、海島應用等領域。

    公開資料顯示，釩電池一次性充電后，續航能力可達1000公里，充電時間只需3分鐘—5分鐘，成本造價是目前24V鋰電池的40%，從續航、充電時間與成本上均被譽為“完美電池”。

    與其它蓄能系統相比，全釩氧化還原液流電池應用優點是：

    1、電堆作為發生反應的場所與存放電解液的儲罐分開，從根本上克服了傳統電池的自放電現象。功率只取決于電堆大小，容量只取決于電解液儲量和濃度，設計非常靈活；當功率一定時，要增加儲能容量，只需要增大電解液儲罐容積或提高電解液體積或濃度即可，而不需改變電堆大小；可通過更換或添加充電狀態的電解液實現“瞬間充電”的目的。可用于建造千瓦級到百兆瓦級儲能電站，適應性很強。

    2、充、放電性能好，可以進行大功率的充電和放電，也可以允許浮充和深度放電。對鉛酸蓄電池來說，放電電流越大，電池的壽命越短；放電深度越深，電池的壽命也越短。而釩電池放電深度即使達到100%，也不會對電池造成影響。而且釩電池不易發生短路，這就避免了因短路而引起的爆炸等安全問題。

    3、可充放電次數極大，理論上壽命是無數次。充放電時間比為1：1，而鉛酸電池是4：1。而且釩電池充、放切換響應速度快，小于20毫秒，非常有利于均衡供電。

    4、能量效率高，直流對直流能量效率可以達到80%以上，而鉛酸電池只有60%左右。釩電池組中的各個單位電池狀態基本一致，維護簡單方便。

    5、選址自由度大，占地少，系統可全自動封閉運行，不會產生酸霧，沒有酸腐蝕。電解液可反復利用，無排放，維護簡單，操作成本低。是一種綠色環保儲能技術。因此對于可再生能源發電，釩電池是鉛酸電池理想的替代品。

    二、釩電池能否引領新能源革命

    釩電池（VRB，VanadiumRedoxFlowBattery）是當今世界上規模最大、技術最先進、最接近產業化的高效可逆燃料電池，具有功率大、容量大、效率高、成本低、壽命長、綠色環保等一系列獨特優點，在風力發電、光伏發電、電網調峰、分布電站、軍用蓄電、交通市政、通訊基站、UPS電源等廣闊領域有著極其良好的應用前景，在日本、加拿大、美國、澳大利亞、西歐等國家和地區已開始取代容量小、壽命短、污染大的鉛酸電池。

    風力發電

    目前風力發電機需要配備功率大約相當于其功率1%的鉛酸電池用于緊急情況時風機保護收風葉用，另外每一臺風機還需要配備功率大約相當于其功率4%的后備蓄電池。由于電網已成為風電發展的瓶頸，隨著風電的爆炸式發展，風電與電網的矛盾將越來越突出，為了減少對電網的沖擊，大幅度提高風電場電力的使用率同時賺取巨額的電網峰谷差價，風電場將需要配備功率相當于其功率10～50%的動態儲能蓄電池。對于風機離網發電，則需要更大比例的動態儲能蓄電池。

    由于風機現在使用的鉛酸電池存在容量小、壽命短、穩定性差、維護費時費力、污染大等嚴重缺陷，風機制造廠家一直在尋找更好的可以替代鉛酸電池的產品，相信擁有眾多杰出優點的釩電池完全可以取代現有的鉛酸電池，進而構建風電場的動態能源儲存系統，大幅度提高風電場的效率和效益，推動風電產業更好更快地發展。

    光伏發電

    據權威機構統計，近幾年全球光伏組件的年均增長率高達30％，光伏產業成為全球發展最快的新興行業之一。特別是2008年，全球光伏發電裝機總量達到3吉瓦。

    顧名思義，光伏發電需要太陽光，一旦到了晚上和陰雨天就發不了電，因而需要蓄電池為其儲存電力，由于鉛酸電池功率、容量、壽命均非常有限，相信集眾多杰出優點于一身的釩電池將作為光伏發電儲能電池的首選。

    電網調峰

    電網調峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。近二三十年來，世界發達國家抽水蓄能電站發展越來越快。世界上抽水蓄能電站發展最快、裝機容量最多的是日本，其次是美國、意大利、德國、法國、西班牙等，日本和美國抽水蓄能電站裝機容量均已超過2000萬千瓦。

    由于抽水蓄能電站需建上、下兩個水庫，受地理條件限制較大，在平原地區不容易建設，而且占地面積大，維護成本高。釩電池蓄能電站不受地理條件限制，選址自由，占地少，維護成本低。可以預期，隨著釩電池技術的發展，釩電池蓄能電站將逐步取代抽水蓄能電站，在電網調峰中發揮重要的作用。

    交通市政

    隨著世界城市化進程的不斷加快和汽車保有量的持續增加，汽車尾氣污染已經成為城市空氣污染的頭號污染源。大力發展節能、環保的電動汽車替代傳統燃油汽車，已成為了人們的共識。隨著釩電池技術的快速發展，可以預期，擁有眾多杰出優點的釩電池將在電動汽車（特別是城市公交客車）、電動機車、電動自行車、電動船舶、交通信號、風光互補路燈等廣闊領域發揮重要作用。

    通訊基站

    通信基站和通信機房需要蓄電池作為后備電源，且時間通常不能少于10小時。對通訊運營商來講，安全穩定可靠性和使用壽命是最重要的，在這一領域，釩電池有著鉛酸電池無法比擬的先天優勢。

    UPS電源

    賽迪顧問研究顯示，2007年UPS市場出現了持續增長的態勢，主要原因是中國經濟的持續高速發展帶來的UPS用戶需求分散化，使得更多的行業和更多的企業對UPS產生了持續的需求。未來幾年，UPS產品發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。

    目前中國的UPS市場強烈需求功率大、安全、穩定可靠的蓄電池，釩電池在這一領域，相對于鉛酸電池無論在功率、安全穩定性、還是使用壽命上都有著絕對優勢。

    分布電站

    當今社會對能源與電力供應的質量、效率、環保以及安全可靠性要求越來越高，大電網由于自身的缺陷已經不能滿足這種要求。隨著分布電站的崛起，大型中心電站將逐步走向衰落。相信釩電池將首先在醫院、指揮控制中心、數據處理和通訊中心、商業大樓、娛樂中心、政府要害部門、制藥和化學材料工業、精密制造工業的分布電站中發揮重要作用。

    軍用蓄電

    釩電池還可以在軍事基地、指揮中心等軍事部門的軍用蓄電中發揮重要作用。

    航空航天材料

    飛機上的合金材料主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金和鎳鉬鎢合金等，其中鋁合金材料占飛機用料50%--70%左右，鎂合金材料占飛機用料5%--10%左右，現代化的飛機，鈦合金的用量比重越來越大，而鎳鎢鉬合金則用于飛機發動機。

    1、鋁合金

    鋁是一種輕金屬，比重2.7左右。由于地球的吸引力的作用，要求飛機質量越輕越好。飛機越輕，飛的越高、越快、越遠，裝載量越大。但是鋁的強度低，好在飛機不是拖拉機，它在空中飛行，不會碰到別的物體，所以，飛機的蒙皮大部分是用鋁合金壓制的，還有前機匣，飛機框架，肋條等。

    純鋁的密度小（ρ=2.7g/cm3），大約是鐵的 1/3，熔點低（660℃），鋁是面心立方結構，故具有很高的塑性（δ：32~40%，ψ：70~90%），易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好；但是純鋁的強度很低，退火狀態 σb 值約為8kgf/mm2，故不宜作結構材料。通過長期的生產實踐和科學實驗，人們逐漸以加入合金元素及運用熱處理等方法來強化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。 添加一定元素形成的合金在保持純鋁質輕等優點的同時還能具有較高的強度，σb 值分別可達 24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強度”（強度與比重的比值 σb/ρ）勝過很多合金鋼成為理想的結構材料，廣泛用于機械制造、運輸機械、動力機械及航空工業等方面，飛機的機身、蒙皮、壓氣機等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結構重量可減輕50%以上。

    鋁合金密度低，但強度比較高，接近或超過優質鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優良的導電性、導熱性和抗蝕性，工業上廣泛使用，使用量僅次于鋼。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機械性能，物理性能和抗腐蝕性能。2008年北京奧運會火炬“祥云”就是鋁合金制作的。

    2、鎂合金

    鎂比鋁更輕，比重2.1--2.3左右，熔點300度左右。強度更低。用來制造不承重的部件、殼體。例如各種活門殼體，油泵殼體等。

    鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。其特點是：密度小（1.8g/cm3鎂合金左右），比強度高，比彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。主要用于航空、航天、運輸、化工、火箭等工業部門。在實用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4。它是實用金屬中的最輕的金屬，高強度、高剛性。

    鎂合金是航空器、航天器和火箭導彈制造工業中使用的最輕金屬結構材料。鎂的重量比鋁輕，比重為1.8，強度也較低，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。

    鎂合金在潮濕空氣中容易氧化和腐蝕，因此零件使用前，表面需要經過化學處理或涂漆。鎂合金具有較高的抗振能力，在受沖擊載荷時能吸收較大的能量，還有良好的吸熱性能，因而是制造飛機輪轂的理想材料。鎂合金在汽油、煤油和潤滑油中很穩定，適于制造發動機齒輪機匣、油泵和油管，又因在旋轉和往復運動中產生的慣性力較小而被用來制造搖臂、襟翼、艙門和舵面等活動零件。

    3、鈦合金

    鈦也是一種輕金屬，比重4.5左右，比鋁重，但是強度很高，很耐高溫，熔點1660多度，鈦是造飛機的理想材料，飛機發動機，防彈部位，強化部位，加固部位，燃燒室，渦輪軸，渦輪盤，噴口等，大多數是用鈦合金材料制造的。

    鈦是20世紀50年代發展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發，并得到了實際應用。20世紀50～60年代，主要是發展航空發動機用的高溫鈦合金和機體用的結構鈦合金，70年代開發出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強鈦合金得到進一步發展鈦合金主要用于制作飛機發動機、壓氣機部件，其次為火箭、導彈和高速飛機的結構件。

    鈦合金是航空航天工業中使用的一種新的重要結構材料，比重、強度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比鋁、鋼強度高并具有優異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國首次在F-84戰斗轟炸機上用作后機身隔熱板、導風罩、機尾罩等非承力構件。60年代開始鈦合金的使用部位從后機身移向中機身、部分地代替結構鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構件。航天器主要利用鈦合金的高比強度，耐腐蝕和耐低溫性能來制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構架和火箭殼體。人造地球衛星、登月艙、載人飛船和航天飛機也都使用鈦合金板材焊接件。

    4、鎳鉬鎢合金

    是造發動機的理想材料。飛機發動機的溫度高達2000多度，一般的材料是不行的，只有鎳鎢鉬合金才能勝任。

    5、高強鋼

    高強鋼通常使用在要求有高剛度、高比強度、高疲勞壽命，以及具有良好中溫強度、耐腐蝕性和一系列其它參數的結構件中。無論是在半成品生產中，還是在復雜結構件的構造中，尤其是在以焊接作為最終工序的焊接結構件生產中，鋼材都是不可替代的材料。

    長期以來，飛機制造業使用最多的鋼材，是強度水平為1600-1850MPa、斷裂韌性約為77.5-91MPa每平方米的中合金化高強鋼。目前，在保持同樣斷裂韌性指標的條件下，已將鋼材的最低強度水平提高到了1950Mpa。還開發出了新型經濟合金化的高抗裂性、高強度焊接結構鋼，開發強度性能水平為2100-2200Mpa的高可靠性結構鋼；高強度耐蝕鋼強度水平與中合金結構鋼相近，可靠性參數大大超過中合金結構鋼。

    隨著高分子材料被應用在制作飛機的材料上，使得飛機的性能越來越好。在航空工業中，腐蝕與防腐是個重要的問題，可是一般的金屬防腐蝕的效果很差，由于高分子材料耐酸，堿，鹽介質的腐蝕性優于金屬和其他的合金材料，故被應用在飛機的制作上。另外，高分子材料具有密度小，強度大的優點，這對減輕飛機本身的質量和減少能源的消耗都有重要的意義。

    6、復合材料

    （1）聚合物復合材料

    代表航空航天技術開發水平的一個重要標志是看聚合物復合材料使用數量的多少。聚合物復合材料在比強度和比剛度方面具有非常明顯的優越性，兼備良好的結構性能和特殊性能，在航空領域獲得了廣泛的應用。空中客車A3XX飛機使用聚合物復合材料的比例將達到25%。

    作為結構材料，新型復合材料-有機塑料將發揮越來越大的作用。最近幾年，正在研制第二代有機塑料。單一用途的有機塑料的σb值達到3000-3200Mpa，E值提高到130Gpa。試驗研究表明，有可能獲得彈性模量為200-250Gpa的有機塑料。需要指出的是，這實際上就是將工作溫度范圍擴大1倍，還可顯著降低復合材料的吸水率。在比強度和比彈性模量方面，現代的有機塑料，特別是未來的有機塑料將超過所有已知的以聚合物、金屬和陶瓷為基體的復合材料。

    （2）陶瓷基復合材料

    說到陶瓷，人們很自然想到它的特點就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現在說到陶瓷復合材料，也可能還會有些人不清楚，認為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結合后，才使人們對這種材料的概念發生了根本的變化，這就是陶瓷基復合材料。

    陶瓷基復合材料在航空工業領域是一種非常有發展前途的新型結構材料，特別是在航空發動機制造應用中，越來越顯示出它的獨到之處。陶瓷基復合材料除了具有重量輕，硬度高的優點以外，還具有優異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復合材料在承受高溫方面已經超過了金屬耐熱材料，并具有很好的力學性能和化學穩定性，是高性能渦輪發動機高溫區理想的極好材料。

    目前世界各國針對下一代先進發動機對材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強陶瓷材料，并取得了較大進展，有的已開始應用在現代航空發動機中。例如美國驗證機的F120型發動機，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。法國的M88-2型發動機的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復合材料。據專家估計，到2000年陶瓷材料將占高性能渦輪發動機重量的30％。

    （3）金屬間化合物

    高性能、高推重比航空發動機的研制，促進了金屬間化合物的開發與應用。如今金屬間化合物已經發展成為多種多樣的族，它們一般都是由二元三元或多元素金屬元素組成的化合物。金屬間化合物在高溫結構應用方面具有巨大的潛力，它具有高的使用溫度以及比強度、導熱率，尤其是在高溫狀態下，還具有很好的抗氧化，搞腐蝕性和高的蠕變強度。另外由于金屬間化合物是處于高溫合金與陶瓷材料之間的一種新材料，它填補了這兩種材料之間的空檔，因而成為航空發動機高溫部件的理想材料之一。

    目前在航空發動機結構中，致力于研究開發的主要是以鈦鋁（TiAl、）和鎳鋁（NIAI）等為重點的金屬間化合物。這些鈦鋁化合物與鈦的密度基本相同，但卻有更高的使用溫度。例如和 TiAl的使用溫度分別為816℃和982℃。

    金屬間化合物原子間的結合力強，晶體結構復雜，造成了它的變形困難，在室溫下顯現出硬而脆的特點。目前經過多年的試驗研究，一種具有高溫強度和室溫塑性與韌性的新型合金已經研制成功，并已裝機使用，效果很好。例如美國的高性能F119型發動機的外涵機匣、渦輪盤都是采用的金屬間化合物，驗證機F120型發動機的壓氣機葉片和盤均采用了新的鈦鋁金屬間化合物。

    （4）碳/碳復合材料

    C/C基復合材料是近年來最受重視的一種更耐高溫的新材料。到目前為止，只有C/C復合材料是被認為唯一可做為推重比20以上，發動機進口溫度可達1930-2227℃渦輪轉子葉片的后繼材料，是美國21世紀重點發展的耐高溫材料，世界先進工業國家竭力追求的最高目標。

    C/C基復合材料，即碳纖維增強碳基本復合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強度及高剛性結合于一體，使其呈現出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強度，優越的熱穩定性和極好的熱傳導性，是當今最理想的耐高溫材料，特別是在1000-1300℃的高溫環境下，它的強度不僅沒有下降，反而有所提高。在1650℃以下時依然還保持著室溫環境下的強度和風度。因此C/C基復合材料在宇航制造業中具有很大的發展前途。

    C/C基復合材料在航空發動機上應用的主要問題是抗氧化性能較差，近幾年美國通過采取一系列的工藝措施，使這一問題不斷得到解決，逐步應用在新型發動機上。例如美國的F119發動機上的加力燃燒室的尾噴管，F100發動機的噴嘴及燃燒室噴管，F120驗證機燃燒室的部分零件已采用C/C基復合材料制造。法國的M88-2發動機，幻影2000型發動機的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復合材料。

    高速鐵路用先進材料

    高鐵的核心技術有哪些？

    目前，中國大陸高速鐵路運營里程居世界第一位，預計到2020年，高速鐵路建設里程將超過1.8萬公里，形成整體的高速鐵路網。高速鐵路的建設將帶來巨大的商機。

    高速鐵路除了在列車在營運達到一定速度標準外，車輛、路軌、操作都需要配合提升。下面請看高鐵上的那些核心技術。

    世界上首條高鐵

    世界上首條出現的高速鐵路是日本的新干線，于1964年正式營運。日系新干線列車由川崎重工建造，行駛在東京－名古屋－京都－大阪的東海道新干線，營運速度每小時271公里，營運最高時速300公里。學校地址：陜西省渭南市國家高新技術開發區西新街與石泉路十字西200米（1路公交車終點站--渭南軌道交通運輸學校下車即到）

    此后高鐵技術得到各個國家的重視，高鐵在世界各個城市遍地開花，緣起法國的TGV技術、緣起德國的ICE技術、緣起西班牙的Talgo技術以及得益于航空航天技術發展而誕生的磁懸浮技術都為高鐵速度的提升探索了思路和方式。而中國研究的CRH技術是高鐵科技領域的又一重大突破。本文就是向各位介紹CRH技術，而CRH技術正是高鐵與普通鐵路區分的關鍵技術因素之一。

    高鐵動車的基本組成

    1.車體

    車體的作用是安裝基礎和承載骨架。現代動車組車體均采用整體承載的鋼結構或者輕金屬結構，以實現在最輕的自重下滿足強度和剛度要求。

    2.轉向架

    轉向架有動力轉向架和非動力轉向架之分。其作用是承載、轉向、減振、制動，動力轉向架還具有驅動的功能。轉向架由構架、懸掛裝置、輪對軸箱裝置和基礎制動裝置等組成。而動力轉向架還有驅動裝置。

    3.牽引傳動控制系統

    作用是傳遞能量和運行控制。牽引傳動系統主要是指列車的電氣設備，分為傳動電路系統、輔助電路系統和電子與控制電路系統。主傳動電路系統主要包括主變壓器、主變流器、牽引電機。輔助電路系統主要包括通風冷卻裝置、車內供電裝置。

    4.制動裝置

    該裝置包括機械部分、空氣管路部分和電氣控制部分。制動方式有空氣制動和電氣制動，不同的制動方式有不同的制動裝置。

    5.車端連接裝置

    該裝置包括各種車購緩沖裝置、鉸接裝置和風擋等。作用是連接車輛成列及緩和縱向沖擊。

    6.受流裝置

    動車組均采用受電弓受流器。

    7.車輛內部設備和駕駛室設備

    這里面就是些類似于“家具”一樣的東西了，如空調、燈、座椅等。

    CRH核心技術點

    動車本質上是人類科學技術水平的集中體現，里面的所有設備裝置都是科技在鐵路運輸上的應用。所以談到動車組的核心技術，很多都是在別的地方有應用的。

    動車組核心的核心是牽引傳動系統

    我國動車組均采用交直交傳動，接觸網上的交流電經過受電弓和變壓器之后，被整流成直流，再逆變成交流通入異步牽引電機。

    弓網關系

    高速列車在運行的時候，列車速度越高，受電弓與接觸網的良好接觸就越難實現，這就是弓網關系。

    輪軌關系（轉向架）

    高速下，輪對與鋼軌之間的蠕滑、輪軌動力學、運動穩定性、曲線通過性能，這些基本上可以歸納到轉向架中。

    變流技術

    要實現整流和逆變最根本的是器件，所以動車的運行必須要大功率的可控器件。其中以IGBT為代表。其次，逆變器和整流器的拓撲結構決定了輸出的性能。再者，整流器和逆變器的控制技術也非常重要，而且控制技術牽涉到整車的運行策略和工況，難度非常高。

    牽引電機控制技術

    對牽引電機的控制一般是將逆變器和電機作為整體進行控制的，現在最成熟的兩種控制方法一個是矢量控制一個是直接轉矩控制。在具體的控制方法中，還有很多實現上的困難。在其中，會添加一些技術，比如無傳感器技術，非線性解耦等。

    再生制動

    再生制動是一種非常環保的制動技術，它利用列車的動能發電，將電能返送到電網中去。再生制動技術本質上是控制技術，它不需要額外的主電氣設備，它只是將電動機作為發電機，逆變器作為整流器，整流器作為逆變器，參照上圖。再生制動技術中最主要的，是如何保證返送回電網的電能的質量。

    網絡控制系統和列車運行系統

    動車組通常動力較為分散，設備都分布在不同的車廂上，在高速運行中，如何使設備協調工作，消除延時，這個是網絡控制系統解決的。其中涉及到信號傳輸、通信協議、車載計算機等技術。

    至于列車運行系統主要針對外部和列車的協調。這其中包括區間閉塞技術、無線通信技術。

    輔助供電系統

    這段不多說，詳情見目前火車是如何供電的。

    動車組CRH和和諧電HXD系列。動車組的牽引供電系統由接觸網經受電弓到牽引變壓器，牽引變壓器變壓后到牽引整流器，然后是牽引逆變器，最后到牽引電機。這是牽引供電系統。而車廂內照明、空氣制動機和列車控制系統供電來源是由輔助變流器得到，在變壓器后面有另一個繞組接出，接上輔助變流器。而控制電路和照明供電有專門的蓄電池備用。

    材料技術

    車窗、車體、轉向架、輪對、閘瓦都需要材料技術的支撐。這個無需贅言。

    此外，高鐵和普通鐵路還有很大差別。

    1.高速鐵路使用無砟軌道（在中國是設計時速超過250km/h的高速鐵路使用無渣軌道，設計時速200-250km/h的客運專線很多使用的是有砟軌道）。

    普通鐵路軌道是在小塊石頭堆砌的基礎上，再鋪設枕木或水泥枕木，被稱為有砟軌道。京滬高鐵用的是無砟軌道，路基不用碎石，鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上，整條線路水平誤差不超過0.1毫米。在軌道方面，大量采用長距離無縫鋼軌。也就是在高鐵上幾乎聽不到傳統火車的哐當哐當的聲音。沒有了鋼軌接縫，對于列車速度的提高也有幫助。而且道岔都采用高速可動心道岔。其通過速度比普通道岔高很多。且高速鐵路線路彎道更少，火車盡可能的是直線。（需要說明的是無砟軌道的技術僅日本和德國擁有，中國缺乏軌道板制造技術，遂選擇引進外國技術及自主研發。）

    2.高速鐵路使用的列車是動力分散式動車組。

    動力分布式列車是鐵路列車的一種和動力集中式相對的牽引方式，特點是動力來源分散在列車各個車廂上的發動機，而不是集中在機車上，中國的“和諧號”動車組是以架空電纜方式提供電力來驅動牽引電動機的電力動車組。而普通列車是由火車頭牽引的，這是動力集中式的牽引方式。

    3.信號控制系統不同。

    中國列車控制系統，簡稱CTCS，是中國鐵路參照歐洲列車控制系統，并結合中國國情構建的技術體系。使用數字控制信號，比傳統的模擬信號更加的精確和穩定，確保列車運行安全。

    4.定價和定位不同。

    需要注意的是磁懸浮列車也屬于高速鐵路的一種。

    高速鐵路用材料有哪些？

    鐵道車輛（車體、轉向架、車輛內裝及設備）

    輪-軌、受電弓滑板、制動摩擦、路基等，高速需要大的動力，導致更大的振動。

    為滿足節能、安全、環保、舒適目標，對于高速鐵路用材料的要求：輕質高強、隔振減振、高鐵輕量化材料、不銹鋼和鋁合金。

    車體

    與普通鋼相比，不銹鋼減重40%。

    不銹鋼車體不易解決車體氣密性問題，只用于制造時速200公里級的車體。

    由于鋁合金比強度高，特別是大型空心薄壁鋁材軋制技術的完善，成為高速列車車體最理想的材料。

    鋁合金車體的發展

    輕量化車體用中空雙表面大型鋁合金擠壓型材中空雙表面大型鋁合金擠壓型材，可大幅度減少焊接工作量，簡化車輛的制造工藝。

    日本新干線選用的鋁合金大體上有：Al-Mg  系合金、Al-Mg-Si  系合金，Al-Zn-Mg 系合金。如系合金。如5083 、7003  等牌號的鋁合金。

    由于車輛輕量化的要求越來越高，于是人們把目光注視到復合材料上來。

    復合材料車體的發展

    意大利 ETR500 高速列車的車頭前突部分采用的是芳綸纖維增強環氧樹脂的 FRP，用這種材料模型成型的符合空氣動力學線型要求的車頭，具有優異的抗沖擊能力，當列車以 300 km/h 速度行駛時有很好的尺寸穩定性。

    法國國營鐵路公司（SNCF）認為對于未來的 TGV 高速列車，考慮到迫切需要進一步減輕車體質量，采用法國國營鐵路公司（SNCF）認為對于未來的 TGV 高速列車，考慮到迫切需要進一步減輕車體質量，采用碳和玻璃纖維強化環氧脂包覆發泡蜂窩材料芯碳和玻璃纖維強化環氧樹脂包覆發泡蜂窩材料芯，制造雙層掛車，并進行線路運行試驗，對其耐火性、抗沖擊強度等進行運行測試，結果表明：

    復合材料車體的制造工藝是有效的，它比鋁制或鋼制車體的強度大，用碳纖維復材預計可比鋁制車的質量減少25 %；

    復合材料車體在振動性能、透聲性能和絕熱性能方面的優點，提高了車體的舒適性。

    轉向架

    能相對車體回轉的一種裝置，起支承車體、轉向和制動的作用，并保證機車車輛在軌道上安全平穩地運行。

    轉向架的構架是特別重要的高強度部件，關系到整個車輛安全性。轉向架必須滿足安全、運行舒適度以及耐磨損、易檢修等要求。

    多采用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼制造的構架。近來研究熱點為高分子復合材料和鋁合金制造的構架。

    德國開發了世界上第一個纖復合材料的轉向架構架，并過了靜態模擬實驗、耐久試驗、運行試驗，運營了 100多萬km后檢測未現任何損壞、磨損或撕裂。

    車輛內裝及設備

    車輛內裝及設備主要有裝飾板、廁所、盟洗室、座椅及水箱等， 應以鋁合金和高分子材料為主， 如裝飾板采用鋁合金上疊合一層不燃性的纖維增強塑料， 廁所、盟洗室、座椅及水箱還要考慮到衛生和耐腐蝕性， 也以不燃性的為佳。

    輪 輪 -  軌材料

    輪- 軸

    當列車的時速達到300公里時，高速列車車輪的雜質含量必須嚴格控制。在鋼鐵冶煉的時候，就必須要求車輪鋼當列車的時速達到300公里時，高速列車車輪的雜質含量必須嚴格控制。在鋼鐵冶煉的時候，就必須要求車輪鋼雜質含量極低且分布均勻。由于車輪不過關，曾經導致德國高速列車脫軌，人員傷亡。車軸是空心軸，列車所有的重量都壓在車軸上，技術雖然不是特別尖端，但批量生產的時候單件產品質量控制必須非常嚴格。

    鋼軌

    就線路而言， 高速鐵路區別于一般鐵路最主要的特點是曲率半徑大、應變速率高、軸重輕和牽引力大， 鋼軌的磨耗較小， 疲勞損傷相對突出， 因此對鋼軌材料的選擇要求較高。

    對于鋼軌材料而言， 歐洲鐵路一直在合金鋼軌上進行研究，如非熱處理的Cr-Mo。合金鋼軌除了有較高的循環軟化抗力外，也有較好的抵抗短波磨損的能力， 是今后鋼軌材料的重點選擇對象之一。

    此外， 還應從鋼軌鋼的 強韌化 和 純凈化方面進行努力， 大力發展全長熱處理鋼軌、稀土鋼軌和降噪降振新鋼軌。

    接觸網導線材料

    高速列車通常采用電力牽引。需要保證接觸網導線與受電弓滑板之間在高速運行時具有良好的受流性能，目前高速鐵路研究開發了銅合金導線，主要品種有高速列車通常采用電力牽引。需要保證接觸網導線與受電弓滑板之間在高速運行時具有良好的受流性能，目前高速鐵路研究開發了銅合金導線，主要品種有 銅銀合金導線 、 銅鎘合金 及 銅錫合金導線等。

    隨著車速進一步提高，導線材料已由 單一材料 向 復合材料的方向發展，其中一個品種是 鋼芯銅皮的銅— 鋼復合材料 。

    受電弓滑板材料

    受電弓滑板是機車供電系統中的重要集電元件， 高速運行的電力機車上的滑板一旦失效， 將嚴重危及行車安全， 因此要求它的使用必須經濟安全， 既對接觸網導線磨耗小， 自身有足夠的使用壽命， 又不影響弓網關系。

    目前， 國內外研究的浸金屬碳滑板已步入了實用化的階段，它主要是利用了碳滑板材料的多孔性質， 將熔融的銅或銅合金等高導電性金屬， 在高溫高壓下浸入到碳滑板基體中去， 使它既有碳材料的自潤滑和抗電弧性能， 又具備金屬材料的集電、強度高、抗彈撞擊力強的特點， 成為最理想的滑板材料。

    與此同時， 還應加強 碳纖維一金屬復合材料滑板的研究， 這種滑板在集電、潤滑、抗撞擊性能方面都會超過現有的的研究， 這種滑板在集電、潤滑、抗撞擊性能方面都會超過現有的金屬滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板金屬滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板 , 其應用前景十分廣闊。

    無砟軌道系統

    板式無砟軌道是由長鋼軌、扣件系統、軌道板、水泥瀝青砂漿、混凝土底座及凸形擋臺組成長鋼軌、扣件系統、軌道板、水泥瀝青砂漿、混凝土底座及凸形擋臺組成 的一種新型軌道結構。

    為了使板式軌道具有一定的彈性，并固定軌道結構的位置，在混凝土底座和軌道板之間，以及凸形擋臺周圍填充緩沖材料層，同時消除混凝土構件施工誤差。

    作為緩沖充填材料，應既有一定的彈性，又有一定的強度，水泥砂漿強度足夠高，但彈性不足，瀝青彈性好，但強度低，受溫度影響大，因此采用了將二者結合的水泥瀝青砂漿，一般采用水泥、乳化瀝青、砂及各種摻和料混合而成，通稱作為緩沖充填材料，應既有一定的彈性，又有一定的強度，水泥砂漿強度足夠高，但彈性不足，瀝青彈性好，但強度低，受溫度影響大，因此采用了將二者結合的水泥瀝青砂漿，一般采用水泥、乳化瀝青、砂及各種摻和料混合而成，通稱CA 砂漿。

    鐵路軌道扣件分類

    木制枕木扣件、水泥枕木扣件、高速鐵路扣件系統

    每公里客運專線需要的扣件在6200-6600 套之間，以1.6萬公里計算，高鐵共需要萬公里計算，高鐵共需要9920-10560萬套扣件，如果按照現在的萬套扣件，如果按照現在的300元左右的價格，市場空間為元左右的價格，市場空間300億元左右。

    高速鐵路無砟軌道系統用高分子材料

    高鐵鐵軌所用到的高分子減振、降噪材料多達十幾種。聚氨酯、碳纖維復合材料、熱塑性彈性體、聚氯乙烯、硅橡膠、環氧樹脂、丁基橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙膠等。

    CA 砂漿及專用瀝青乳液

    微粒帶正電荷；貯存穩定性好；配制砂漿外加水少，有利于防止砂漿泌水；與水泥、細骨料附著力好，可有效防止砂漿離析；抗凍性與耐候性好，有效延長了使用壽命。

    凸形擋臺填充聚氨酯樹脂

    粘度小，易于施工；防沉降效果好，具有較高的承載強度及韌性，抗沖擊性能優秀，并擁有良好粘結強度，優異的抗疲勞性、耐熱老化性及耐腐蝕性。

    聚脲彈性體涂層在高鐵中的應用由于高鐵采用無碴軌道，要求防護層不僅具有防水、防滲和抗裂等基本性能，還要能經受火車高速行駛帶來的高速、重載、交變沖擊等作用。聚脲涂層無接縫，粘結力強，真正做到了整體防水，同時還具有優異的耐磨性、抗沖擊、抗開裂、耐紫外光和耐高低溫性能，可滿足高鐵的特殊要求。

    PU 枕木

    PU枕木是一種玻纖增強的硬質PU微孔彈性體，具有比強度大、減震、降噪、耐電氣絕緣、高耐久和環保等優良性能。在日本，塑料枕木的應用歷史已超過25年，且已應用於新乾線高速列車的鐵軌上。

    PU枕木目前已受到PU和鐵路業界高度關注，是全球PU材料界研究的一個熱點課題。根據國家發展高速鐵路長遠計劃，為了適應高速列車提速要求，開發PU枕木以取代或部分取代混凝土枕木必將是未來發展趨勢。按國外經驗1km高速鐵路需用1800根左右軌枕計，則7000km高速鐵路PU枕木市場規模將達到500億元，這無疑將給我國新型PU彈性體帶來巨大市場空間。

    高鐵會給我們帶來什么投資機會？

    年均投資將達8000億元，為高速鐵路系統配套的化工材料將扮演越來越重要的角色。中國高速鐵路這塊大蛋糕吸引的不僅僅是中國企業，國外的供應商同樣嗅到了商機。德國巴斯夫公司專門組建了高速鐵路團隊，向中國提供從防水材料

    到沙漿材料、從道碴膠到土工布膠、從外加劑到防腐劑、從涂料到地坪、從保溫到吸音等系列解決方案。

    中國的高速鐵路建設不僅僅給新材料企業帶來了發展機會，同時也給新材料產業提出了更高的要求。用于高速鐵路路基和軌道之間的減振材料中國的高速鐵路建設不僅僅給新材料企業帶來了發展機會，同時也給新材料產業提出了更高的要求。用于高速鐵路路基和軌道之間的減振材料——聚酯聚醚彈性體，目前國內生產企業還不能滿足需求，主要從國外進口。 而美國杜邦公司的聚酯聚醚彈性體材料售價在每噸10萬元左右甚至更高。如果該材料實現國產化，價格可以降低一半。

    海洋工程用先進材料

    在現代船舶發展過程中，美、俄（蘇）、英、德、法、日等船舶強國，均將材料技術發展視作船舶發展的基礎和先導，對材料技術發展給予了高度重視，不僅在不同的發展時期從船舶材料技術發展的頂層研究，制定了發展戰略規劃，投入大量人力、財力持續開展基礎材料技術、新興材料技術的研發和前沿技術的探索，而且非常注重試驗驗證平臺（包括試驗潛艇）的建設。伴隨著船舶發展，經過不斷創新，與時俱進，人們不僅研制了滿足船舶各發展時期所需的各種材料，而且已形成很強的材料技術的研究、生產能力和完整的門類齊全的配套體系，建立起了較完善的船舶材料體系和船舶材料技術的基本理論、方法、工藝等。

    著眼于當前船舶材料技術的發展狀況，立足于21世紀前期（2035年前）的高新技術發展，可以預見，21世紀前期船舶材料技術的發展趨勢將呈現出“高”、“復”、“鈦”、‘穩“、”防“、”有“、”無“、’前”、“用”、“低”等十大特征。

    “高”--船舶船體鋼材仍向高性能化發展

    船舶結構鋼未來的發展趨向主要為：

    1.仍將高性能化作為追求的主要發展方向，注重提高鋼材的整體性能，包括強度、塑性、韌性、抗爆性能、抗脆性破壞、耐海水腐蝕、抗疲勞特性等。

    2.極其注重冷熱加工、焊接等工藝性能的研究，將改善結構鋼工藝性能作為今后重要的發展方向。

    3.注重高強度結構鋼配方設計、制備應用技術的理論和方法的研究、完善。

    4.在注重高性能化發展的同時，追求低成本的經濟性能，等等。

    “復”--研發高性能多功能復合材料的趨勢方興未艾

    船舶復合材料技術未來發展的趨向主要為：

    1.一發低成本/高性能化的復合材料及其產品是未來的主要發展趨勢。

    2.由單純承載結構型復合材料向多功能型復合材料（兼具結構型、隔聲、吸聲、阻尼、雷達隱身等特性）發展。

    3.船舶復合材料結構和構件的壽命一般要求長達20年以上，研發復合材料結構健康監測和修補技術，以保證其長期安全可靠，是未來發展的重要方向。

    4.注重研發得合材料部件之間及其與鋼結構之間的方便、可靠的連接技術，等等。

    “鈦”--高性能鈦合金的研發與推廣應用勢在必行

    未來船舶防護材料技術的主要發展趨勢為：

    1.在繼續提高或保持鈦合金現有特性的同時，應將降低鈦合金及其產品的制造成本作為未來發展的重要方向。

    2.開展施工方便、安全、可靠的鈦合金焊接及制造（彎曲、成型等）工藝等技術研究是未來發展的又一重要方向。

    3.注重在船舶研制中進一步推廣應用鈦合金及其產品。

    4.進一步完善鈦合金材料體系，繼續研發、拓展船用鈦合金產品系列，等等。

    “隱”--仍將研發高性能隱身材料列為重要發展方向

    未來隱身材料技術發展的主要方向為：

    1.綜合化、高性能化是未來船舶隱身材料技術發展的主要方向。

    2.適應主動振動噪聲控制元器件需求的隱身材料技術研究。

    3.具有低頻消聲和去耦作用的聲學覆蓋層（含消聲瓦）的材料技術研究。

    4.聲隱身、尾跡隱身等前沿技術研究。

    5.新型隱身材料制備與應用（含檢測、施工工藝）技術研究，等等。

    “防”--船舶防護材料以環保高壽命為重點正蓄勢待發

    未來船舶防護材料技術的主要發展趨勢為：

    1.以高性能防護材料（如金屬合金、納米材料、生物仿生材料等）替代單一防護功能材料為發展方向，力爭一材多用，一材足用。

    2.艦艇易腐蝕和污損部位（如海水管系、上層建筑、緊固件、液艙等）的腐蝕和污損特性、機理及涂層防護技術的研究，將能有的放矢、因地制宜、因材施用地解決不同部位的防護難題。

    3.鑒于新的國際海洋法的需求，以及海洋環境污染的嚴峻形勢，防護材料技術的發展過程中，在加強防護性能的同時，以追求環保、經濟性為重耍指標。

    4.應加強研究船舶的全壽期最佳防護技術方案，并注重對防護效果進行有效監控與合理預測。

    5.注重防滑、耐高溫密封防漏、艙室高性能環保性裝飾等船舶用特殊材料技術的研發和應用，等等。

    “有”--船舶用有色金屬材料仍需加強推廣應用

    未來船舶用有色金屬材料技術的主要發展趨勢為：

    1.鋁合金。開展高強度耐腐蝕鋁合金材料的研究，以滿足新一代航空母艦大量減輕重量、提高結構的疲勞強度等需求；同時，開展鋁合金結構可靠性研究，以提高高速鋁質船的結構設計、操縱和維護能力。

    2.銅合金。研制更高流速極限的船舶用銅質管系（目前通常為3m／s），以解決目前紫銅或B10鎳銅合金耐海水沖刷腐蝕性能或耐含砂海水腐蝕性能差的問題。

    3.鎂合金。開展鎂包鋅型、鎂包鋁型復合犧牲陽極的研究，對鋼結構實施長期、穩定的保護。

    “無”--開辟無機材料在船舶裝備上應用的新領域

    未采船舶用無機材料技術的主要發展趨勢為：

    1.開展無機材料在復雜海洋環境中的工作性能和腐蝕作用規律研究，提高環境適應性，提高防火、保溫、吸振、防腐等特殊性能。

    2.開展高強輕質海工混凝土制備、生產及應用技術的研究，進一步促進類似海工建筑物的發展和應用，如離岸混凝土鉆采平臺及儲運平臺、躉船、浮船塢、起重船等工程船舶。

    3.研發具有優良綜合性能（如工藝性、保溫隔熱、防火、防腐、經濟性）的船舶內裝飾材料。

    “前”--船舶材料前沿技術呈現百花齊放的發展趨勢

    未來船舶前沿材料技術的發展主要呈現如下趨勢：

    1.自主創新、“奇思妙想”，提出新穎的前沿材料技術項目，并下功夫攻克技術難點，取得創新突破，發揮前沿材料技術獨特的優勢，從而給船舶裝備性能帶來顯著的提升。如壓電阻尼新型減振材料技術、智能可見光隱身材料技術、潛艇液體隱身衣材料技術、納米材料技術等前沿材料技術。

    2.加強船舶裝備對材料技術發展的需求探索，為研發新型材料技術提供思路和方法；加強對新材料原理、方法、設計及制造技術的研究，為上船使用做好技術儲備。

    3.加強新材料新工藝的應用技術研究，必要時可通過條件保障設施開展陸上演示驗證，或在其他非船舶行業開展應用探索，從中積累經驗，完善技術，給艦艇裝備一次性成功使用新興材料奠定基礎，等等。

    “用”--加強材料應用技術的研究不可或缺

    未來船舶材料應用技術的發展趨勢主要有：

    1.開展面向應用對象的材料技術研究，使任何一項材料技術的研制有據可循，任何一項材料技術的應用有需求空間，這對推進新材料和新技術的研發與應用，具有重要意義。

    2.開展新型船舶材料應用技術研究與試驗驗證，通過先進的材料應用技術與優良的實驗驗證結果，推動新材料的發展與應用。

    3.開展新型船舶材料實船應用與推廣研究，通過實船應用驗證其上船效果，尋求契機進行推廣應用，等等。

    “低”--船舶材料技術一如既往向低成本化的方向發展

    未來船舶材料技術低成本化的發展趨勢主要為：

    1.研究、建立一套較為完善的、可滿足工程實際應用的衡量、評估船舶材料經濟性的基礎理論、指標體系。

    2.船舶材料經濟性評估（計算）方法研究。

    3.船舶材料經濟性設計指導性文件（標準）研究、編制，等等。

    記憶合金

    航空航天工業

    形狀記憶合金已應用到航空和太空裝置。如用在軍用飛機的液壓系統中的低溫配合連接件，歐洲和美國正在研制用于直升飛機的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由于直升飛機高震動和高噪聲使用受到限制，其噪聲和震動的來源主要是葉片渦流干擾，以及葉片型線的微小偏差。這就需要一種平衡葉片螺距的裝置，使各葉片能精確地在同一平面旋轉。目前已開發出一種葉片的軌跡控制器，它是用一個小的雙管形狀記憶合金驅動器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置，使其震動降到最低。

    還可用于制造探索宇宙奧秘的月球天線，人們利用形狀記憶合金在高溫環境下制做好天線，再在低溫下把它壓縮成一個小鐵球，使它的體積縮小到原來的千分之一，這樣很容易運上月球，太陽的強烈的輻射使它恢復原來的形狀，按照需求向地球發回寶貴的宇宙信息。

    另外，在衛星中使用一種可打開容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用于保護靈敏的鍺探測器免受裝配和發射期間的污染。

    機械電子產品

    1970 年美國用形狀記憶合金制作 F-14 戰斗上的低溫配合連接器，隨后有數以百萬以上的連件的應用[5]。形狀記憶合金作為低溫配合連接在飛機的液壓系統中及體積較小的石油、石化、電工業產品中應用。另一種連接件的形狀是焊接的網狀金屬絲，用于制造導體的金屬絲編織層的安全接頭。這種接件已經用于密封裝置、電氣連接裝置、電子工程機械裝置，并能在-65~300℃可靠地工作。已開出的密封系統裝置可在嚴酷的環境中用作電氣件連接。

    將形狀記憶合金制作成一個可打開和關閉快門的彈簧，用于保護霧燈免于飛行碎片的擊壞。用于制造精密儀器或精密車床，一旦由于震動、碰撞等原因變形，只需加熱即可排除故障。在機械制造過程中，各種沖壓和機械操作常需將零件從一臺機器轉移到另一臺機器上，現在利用形狀記憶合金開發了一種取代手動或液壓夾具，這種裝置叫驅動汽缸，它具有效率高靈活，裝夾力大等特點。

    生物醫療

    用于醫學領域的 TiNi 形狀記憶合金，除了利用其形狀記憶效應或超彈性外，還應滿足化學和生物學等方面的要求，即良好的生物相容性。TiNi 可與生物體形成穩定的鈍化膜。在醫學上 TiNi 合金主要應用有：

    （a）牙齒矯形絲 用超彈性 TiNi 合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性 TiNi 合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不銹鋼絲 CoCr 合金絲，但這些材料有彈性模量高，彈性應變小的缺點。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且結扎固定要求熟練。如果用 TiNi 合金作牙齒矯形絲，即使應變高達10%也不會產生塑性變形，而且應力誘發馬氏體相變（stress-induced martensite）使彈性模量呈現非線型特性，即應變增大時矯正力波動很少。這種材料不僅操作簡單，療效好，也可減輕患者不適感。

    （b） 脊柱側彎矯形 各種脊柱側彎癥（先天性、習慣性、神經性、佝僂病性、特發性等）疾病，不僅身心受到嚴重損傷，而且內臟也受到壓迫，所以有必要進行外科手術矯形。目前這種手術采用不銹鋼制哈倫敦棒矯形，在手術中安放矯形棒時，要求固定后脊柱受到的矯正力保持在30~40kg以下，一但受力過大，矯形棒就會破壞，結果不僅是脊柱，而且連神經也有受損傷的危險。同時存在矯形棒安放后矯正力會隨時間變化，大約矯正力降到初始時的30%時，就需要再進行手術調整矯正力，這樣給患者在精神和肉體上都造成極大痛苦。采用形狀記憶合金制作的哈倫頓棒，只需要進行一次安放矯形棒固定。如果矯形棒的矯正力有變化，以通過體外加熱形狀記憶合金，把溫度升高到比體溫約高5℃，就能恢復足夠的矯正力。

    另外，外科中用 TiNi 形狀記憶合金制做各種骨連接器、血管夾、凝血濾器以及血管擴張元件等。同時還廣泛應用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝膽科、泌尿科、婦科等，隨著形狀記憶的發展，醫學應用將會更加廣泛。

    建筑結構

    利用形狀記憶合金的偽彈性性能和動阻尼特性，形狀記憶合金被用于被動控制結構受地震影響，起到抗震的作用。應運于結構振動的主動阻尼控制等。

    日常生活

    （a） 防燙傷閥 在家庭生活中，已開發的形狀記憶閥可用來防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷；這些閥門也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達到可能燙傷人的溫度（大約 48℃）時，形狀記憶合金驅動閥門關閉，直到水溫降到安全溫度，閥門才重新打開。

    （b） 眼鏡框架 在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配 TiNi 合金可使人感到舒適并抗磨損，由于 TiNi 合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用于改變眼鏡時尚界。用超彈性 TiNi 合金絲做眼鏡框架，即使鏡片熱膨脹，該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的恒定力夾牢鏡片。這些超彈性合金制造的眼鏡框架的變形能力很大，而普通的眼鏡框則不能做到。

    （c） 移動電話天線和火災檢查閥門 使用超彈性TiNi金屬絲做蜂窩狀電話天線是形狀記憶合金的另一個應用。過去使用不銹鋼天線，由于彎曲常常出現損壞問題。使用TiNi形狀記憶合金絲移動電話天線，具有高抗破壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來制作蜂窩狀電話天線和火災檢查閥門。火災中，當局部地方升溫時閥門會自動關閉，防止了危險氣體進入。這種特殊結構設計的優點是，它具有檢查閥門的操作，然后又能復位到安全狀態；這種火災檢查閥門在半導體制造業中得到使用，在半導體制造的擴散過程中使用了有毒的氣體；這種火災檢查閥也可在化學和石油工廠應用。

    其它

    在工程和建筑領域用 TiNi 形狀記憶合金作為隔音材料及探測地震損害控制的潛力已顯示出來。已試驗了橋梁和建筑物中的應用，因此作為隔音材料及探測損害控制的應用已成為一個新的應用領域。

    隨著薄膜形狀記憶合金材料的出現和開發利用，形狀記憶合金在智能材料系統中受到高度重視，應用前景更廣闊。

 

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