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材料图传之材料后传 3 1超级钢领军未来金属材料 1997年日本首先提出 超级钢 的概念 未来20年 超级钢将引领所以金属结构材料的发展 我国继成为第一产钢打过之后 大力研发超级钢 2005年我国超级钢已达到400万吨 20年后 全球超级钢产量可超亿吨 我国需努力在4000万吨以上 什么是超级钢呢 超级钢是在压轧时把压力增加到通常的5倍 并且提高冷却速度和严格控制温度的条件下开发成功的 其晶粒直径仅有1微米 为一般钢铁的1 10 1 20 因此组织细密 强度高 韧性也大 而且即使不添加镍 铜等元素也能够保持很高的强度 思考 还有什么钢呢 超级钢的应用 超级钢面临的问题 一 技术问题超级钢的生产要引起成本的提高 这是涉及价格变动和市场供需的变化 二 是细晶化相关理论问题不同含碳量 不同合金元素含量钢种的细晶化机制有明显差异 进一步深化理论研究 获得认识的进步的推进超级钢发展的重要内容 三 相关工艺问题的研究如超级钢化学冶金与细晶化的关联 提高超级钢的均质工艺 超级钢的焊接问题等等 3 2未来钢铁材料的发展 1997年提出的 超级钢 其实并不限于建筑用钢 还包括汽车这种最活跃的机器钢材和不锈 耐热钢等 例如 机器用钢要求高耐磨 耐疲劳性 船舰甲板要求高耐腐蚀性 货箱用钢要求高强度 高耐大气腐蚀性 3 3守卫人类安全的核防护材料 自1951年美国首次利用核能发电以来 世界核电已有50多年的发展历史 截止2005年底 全世界核电机组共有440多台 发电量约在世界总电量的16 对解决化石能源枯竭 减伤CO2排放发挥了重要作用 核电的利与弊 20年后化石能源更加紧缺 利用核能的大方向不会变 核能的安全应用将会是永恒的主题 其中核电站用防护材料的开发是关键 其中锆合金的材料性能提升和技术更新将成为核心的开发内容 人类历史上最严重的两次核电事故和各国核电的比例 合理安全利用核能的核心 1986年4月26日切尔诺贝利核电站第4号反应堆爆炸 据估算 核泄漏事故的核辐射污染量相当于广岛原子弹爆炸的100倍 所以核电的安全利用的一个无法回避的问题 而作为关键防护材料的锆合金 又有哪些特性呢 锆合金是热中子吸收率小 热导率高 综合机械性能好 有具有良好的加工性能以及与UO2的相容性好 尤其是对高温水 高温水蒸汽具有良好的抗腐蚀性能和足够的热强性 因此被广泛的用作水冷动力堆的包壳材料和堆芯的结构材料 成为核电站重要的防护材料 3 4轻金属更受青睐 人类致力于克服引力 离开地球 对于材料的追求的出于这样的愿望 没有最轻 只有更轻 Al Li合金是更轻的铝合金 相对密度约2 5 是世界航空航天业开发的合金 在从海水萃取Li技术成熟后 Li将降价 Al Li合金也会进入汽车 以降低汽车重量 Mg合金是金属中密度最低的材料 所以在航空航天领域有特殊的应用优势 镁合金是天生的航空材料 3 5对钛合金的期待 钛是综合性能最好的低密度金属 20年后 通过降低钛合金的生产成本 使其用途不仅在航空航天业中有更大的增长 而且在此基础上进一步扩大到更多的部门 钛合金与复合材料相比 孰强孰弱 看谁优势更大 综合实力更强 性能 价格比更高 首先复合材料也并不便宜 而且链接问题很多 回收很难 耐热性有限 而这三点都是钛合金的强项 有很强的竞争力 钛合金是一种可以铸造 有可以进行多种压力加工的材料 板 管 梁 带等都能制造 然而这也并不代表钛合金就比复合材料强 因为复合材料也有很多钛合金不具备的特性 而且两个材料都在不断的研究当中 我们完全可以拭目以待 3 6期望轻质化合物材料 金属间化合物多数密度较小 而钛的铝化物又是密度极小的材料 所以受到各方面的关注 2011年法国布加迪威龙16 4号称 陶瓷汽车 采用陶瓷 铝 钛 玻璃纤维 碳纤维等轻质材料制造 像一件完美的艺术品 价值1600万元 是全球唯一的一辆 3 7挑战金属 特种工程塑料 各种纤维强化聚合物的强度令人刮目相看 其实没有纤维的强化 工程塑料也能挑战金属材料 特种工程塑料是专门开发或进一步改进的高力学性能 耐热高达150 C以上的工程塑料 特种塑料是挑战金属材料的主要品种 有PPS聚苯硫醚 PAR聚芳酯 PI聚酰亚胺 PEAK聚芳醚酮等几十种 未来将向更高强度更高温度发展 所谓特种工程塑料是耐热性更好吗 它们是怎样的塑料 比工程塑料更好的是特种工程塑料 产量更少 价格也更加昂贵 它们也叫做高性能工程塑料 是综合性能更高 长期使用温度在150 C以上的工程塑料 主要用于高科技 军事和航空航天等用途 有PPS聚苯硫醚 PAR聚芳酯 PI聚酰亚胺 PEAK聚芳醚酮等品种 PPS是结晶型的高刚性白色聚合物 耐热性高 是机械强度 刚性 阻燃性 耐化学性 尺寸稳定性等都极优的树脂 尤其是以耐磨性 抗蠕变性 阻燃性为优 高温 高湿下仍可保持良好的绝缘性 3 8工程塑料用于3C产品 工程塑料及特种工程塑料是低密度材料 强度和耐热性的不断提高使其成为轻金属的优劣竞争者 未来几十年其使用温度将进一步提高 而3C产业将是工程塑料及特种工程塑料的主要应用领域 我国基础尚薄弱 是需重点研发的领域 工程塑料盒特种工程塑料这么重要 未来发展趋势会如何呢 塑料目前在家电中的用量已占到总原料的40 随着家电产品日趋轻量化 小型化和个性化 工程塑料的应用将越来越广泛 目前我国工程塑料工业水平尚处于较低水平 大部分3C用的塑料还注意依赖外资企业生产或直接从国外进口 改变国内工业塑料落后现状 是未来几十年的严峻任务 3 9现代工具的悄然变化 20世纪后期因提高生产效率和降低金属消耗的需求 工具出现深刻的变化 金属材料精确加工主要依靠切削的状况发生了根本的转变 压力加工取代切削的变革加速进行 塑料与陶瓷材料的兴起 彻底颠覆了切削思维 模具变成了材料的通用工具 模具已经变成第一重要工具 它是针对所有材料吗 模具依用途大致可划分为 冲压模具 塑料模具 压铸模具 锻造模具 陶瓷及粉尘冶金压制模具等 塑料模具和冲压模具占产值的70 以上 每种模具中都有不同的模具材料 但钢铁材料是模具材料的主流 也有少量的耐热合金合陶瓷材料 高温 高耐热蠕变性的要求将使耐热合金 高熔点金属和陶瓷材料也进入模具材料行列 3 10彻底解决排放之路 氢冶金 钢铁冶金的排放大户 高炉炼铁的反应是铁矿石被碳还原 生成物是Fe和CO2 因还原剂是碳故称碳冶金 CO2排放由此而生 如果把还原剂改成氢气 反应产物是铁和水 课实现CO2的零排放 但是彻底解放排放 必须解决氢源的难题 积极推进氢冶金的研究与实验 将逐步走向零排放的目标吗 氢冶金是转变钢铁发展方式的希望所在 是改变钢铁生产高耗能 高污染 高排放的局面的有效 可行的技术措施 也是钢铁工业低碳化的终极性选择 但是 先阶段没有解决大量 高纯度氢资源之前 也必然会长时间存在一个过渡阶段 3 11再制造 材料复活之路 针对资源问题 再制造开始于20世纪80年代 成为先进制造技术的组成部分和发展方向 并与21世纪成为一种极具潜力的新型产业 其中各种与材料相关的表面加工技术有重要的发挥空间 对全寿命周期和产品质量有重要的影响 再制造大有可为 与国外相比 我国情况如何 再制造是首先从国外开始的 但我国跟进很快 而且在再制造理论和关键技术研发方面也已取得重要突破 例如 我国开发的纳米颗粒复合电动化电刷镀的再制造技术 已经达到国际先进水平 3 12资源位移 城市矿山 人们称那些富含锂 钛 金 银 锑 钴 钯等稀有贵金属的废旧家电 电子垃圾为 城市矿山 而大量小型家电沉睡在家中 或随意丢弃 对环境造成污染 城市矿山总量已达到千亿吨 它们也可以成为一座座不容忽视的 资源宝库 一吨废手机可提取400克黄金 2 3千克银 而一吨金矿只能提取5克黄金 一吨废电脑可提取300克金 1千克银 有兴趣的同学可以计算一下利润哟 电子矿山蕴含的巨大财富 金属时评 杂志公布了下面这些数据 电子产品中金为0 68万吨 约占全球天然矿山储量的16 按矿山储量排名居第一位 银为6万吨 约占天然矿山的23 矿山储量排名居第一位 铟为0 17万吨 约占全球天然矿山的38 排名居第一位 铅为560万吨 储量排名第一 3 13高温合金由 谁 接班 世界各国竞相开发的高温用轮盘 叶片的镍基高温合金 当前的最高耐热温度可达到1050 C 已经接近镍基合金的耐热极限 喂达到这一目标 已经在合金化 冶金工业制度上做了最大努力 使用温度提高到1100 C以上时 用什么材料才能取代镍基高温合金 有很多种可能 比如可以选择氮化硅陶瓷Si3N4 它是极好的耐热材料 Si3N4陶瓷是共价键化合物 其基本结构单元与金刚石相同 温度达到1200 C Si3N4仍具有很高的强度和抗冲击性 而且性能几乎不随温度变化 3 14海洋工程材料 20年后 人类将进一步依赖海洋 将出现更多的海洋工程 海洋材料 虽然目前大部分还属于 建筑用钢 的种类 但由于服役的特殊性以及用途的重要性 还是应当单独分离出来 在明确材料未来的服役方向的基础上 创造出一种新型材料 海洋工程用钢材的耐海水腐蚀性是个非常突出的问题 这是海洋工程用材料的特殊服役问题 海洋腐蚀问题特别复杂 包括大气区腐蚀 飞溅区和潮差区腐蚀以及海泥区腐蚀 海水不仅是含盐高达3 5 的强腐蚀性电解液 而且还有海洋生物新陈代谢产物 浪波潮流冲击作用 湿地腐蚀也成为极大的科学难题 3 15当厚度极小化 薄膜材料 三维材料的某一纬度如果不断变小至微米 纳米量级 而另两个纬度不变成了膜 这时材料的结构 性质会发生巨大的变化 磁头的演变是一个极好的例证 未来20年材料的纬度变化会展示出无穷的魅力 会不断给我们带来新的希望 怎样理解超晶格多层膜 1970年美国IBM实验室学者提出了 超晶格 概念 所谓超晶格就是指由两种或两种以上不同成分 厚度极小的薄层交替生长在一起而得到的一种周期结构的材料 3 16几种特殊薄膜材料 早在1957年M 法拉第基友提出沉积法制膜的基本原理 1930年达到了实用化 其后发展处物理 化学气相沉积 分子束外延等多种制备薄膜的方法 永磁材料也要做成薄膜 这是怎样的实际需求推动的 这是微电子科学发展的需求 电子器件向着微 精 薄 智的方向发展 促成了相应磁性元件的薄膜化 包括永磁材料 因为高性能永磁材料都很脆 所以 微米量级薄膜永磁体必须直接制备在要求提供磁场元件上 这才适应微机械系统的高性能要求 3 17材料涂层无所不在 涂层是表面改性的最有效手段 所以靠表面发挥作用的材料从来离不开涂层表面处理 即使以支撑为主要作用的结构材料 仍需要防腐蚀 防氧化表面处理 镀锌钢板就是一例 所以材料涂层无所不在 未来20年涂层需求将与日俱增 如果想在工件表面涂较厚的涂层 有什么好的工艺方法 1980年代兴起并广泛应用的热喷技术是一种好的选择 热喷涂是利用热源将喷涂材料加热至融化或半融化的状态 并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的工件表面层 以达到防腐 耐磨 减摩 抗高温 抗氧化 隔热 绝缘 导电 防微波辐射等一系列不同性能的要求 所以是一种应用范围极其广泛的表面处理 3 18高熔点金属不会缺席 作为比镍基高温合金更耐高温的材料 已有陶瓷材料作后备军 但是陶瓷材料性能离散度大的弱点不可能在20年内解决 所以尽管高熔点金属密度很大 但从安全性出发 它们仍有重要的前途 是不能简单 轻易地退出耐高温材料的历史舞台的 思考 还有什么耐高温金属呢 3 19五彩缤纷碳纤维结构 碳是所以元素中发现纳米结构最多的 而且是唯一可以零维 碳60 一维 碳纳米管 二维 石墨烯 三维 金刚石 同素异形体纳米结构存在的元素 可以期待 20年后异彩缤纷的碳纳米结构一定能创造出多种多样 性能各异的碳纳米材料 富勒烯的实用价值 如果仅就富勒烯而言 由于富勒烯形成机理已经基本明确 科学家们用各种方法合成分离了小至C20 大致C240的富勒烯结构 还发现 当有金属原子嵌入而形成金属富勒烯时 可使极其不稳定的结构能够稳定存在 由C60衍生物制作的太阳能电池具有柔性和低成本等特点 正在被开发 3 20纳米结构的特异性能 纳米材料并不特指某种类型的实用材料 而是对材料可能具有的结构尺寸特征的称谓 所以任何材料都可以设法制成纳米结构状态 以追求某些特殊的性能 这些特殊性能可以归纳成几大类 实例不胜枚举 例举一下你所知道的纳米材料 3 21未来重大工程的材料 未来20年 我国将有许多的重大工程建设 如新能源汽车 大飞机 航天器等 这些工程中的材料创新与可靠性是高质量完成这些工程的重要保证 还有一些工程虽然不是第一次新建 如磁悬浮列车 核电及其他能源工程等 特需要持续关注材料的问题 大飞机的材料还要求综合性能优良的各种铝合金 国产大飞机的前期 需要抗拉强度为650兆帕的高强铝合金 抗拉强度为450兆帕的高损失容限铝合金 在中期还需要抗拉强度高达700 800兆帕的高强高韧性耐蚀铝合金 600兆帕的高强高韧耐蚀Al Li合金 3 22对特殊领域的关注 未来20年我国不仅将面对许多重大工程 而且也存在一些需求特殊关注的重要材料领域 着i写领域随时间的推移将发生不断变化 而其中的一些特殊材料问题却无论涉及材料数量之多寡 都可能因问题的特殊性 对经济和科技产生重要影响 列举超导材料的优势 3 23 特斯