钢铁研究总院赵栋梁教案资料

1、钢铁研究总院赵栋梁钢铁研究总院赵栋梁功能材料材料划分为两大类：结构材料和功能材料功能材料功能材料结构材料结构材料信息、生物、能源及信息、生物、能源及先进制造等高新技术先进制造等高新技术领域和国防建设的重领域和国防建设的重要基础材料要基础材料集中体现了材料科学涉及物理学、集中体现了材料科学涉及物理学、化学、数学、力学、光学、信息科化学、数学、力学、光学、信息科学、生物学、医学、微机械学、微学、生物学、医学、微机械学、微加工学等多学科领域的特征加工学等多学科领域的特征大量的材料科学基础大量的材料科学基础问题和材料技术基础问题和材料技术基础问题急待解决问题急待解决高技术产业群，广阔的潜在高技术产业群

2、，广阔的潜在市场、极为重要的战略意义市场、极为重要的战略意义功能材料发展趋势高性能化、多功能化、复合化、智能化和低成本化方向发展。三维三维体材体材料向料向低维低维材料材料发展发展多多学学科科交交叉叉宏观宏观向微向微观纳观纳米发米发展展传统传统材料材料向人向人工设工设计材计材料料主要特点功能特殊、性能优异、不可取代知识密集、技术密集、属高新科技材料，难度大，保密性强。品种规格多、形状差异大、尺寸精度高。单件用量少、生产规模小，产品价格较贵，经济效益和社会效益好。(1)发展迅速，更新换代快。 功能材料功能材料作用和地位：功能材料在信息时代起到基础和核心作用。是现代国防的坚强后盾，是决定武器装备是否

3、先进的基础，是决胜的关键因素之一是国民经济水平的反映，是国民经济收入的主要成分之一。(1) 应用广泛、在许多现代装备系统中，起着大脑、心脏和经络传输等功能。功能材料功能材料功能材料结构化功能材料结构化结构材料功能化结构材料功能化 结构功能一体化结构功能一体化功能材料分类：功能材料分类：精密合金：软磁、永磁、弹性、膨胀、热双金属、电阻合金精密合金：软磁、永磁、弹性、膨胀、热双金属、电阻合金新型功能材料：能源储存与转换材料、超导材料、半导体材料、新型功能材料：能源储存与转换材料、超导材料、半导体材料、金属功能材料 磁性材料磁性材料 软磁材料软磁材料 永磁材料永磁材料 半硬磁材料半硬磁材料特种磁性材

4、料特种磁性材料 金属软磁材料金属软磁材料 软磁铁氧体软磁铁氧体 永磁铁氧体永磁铁氧体 稀土永磁稀土永磁 铝镍钴等铝镍钴等磁致伸缩材料磁致伸缩材料磁阻抗材料磁阻抗材料磁光材料磁光材料电工钢电工钢电磁纯铁电磁纯铁铁镍合金铁镍合金非晶微晶合金非晶微晶合金 特种软磁合金特种软磁合金功能材料的应用状况功能材料的应用状况电力电力军事军事生物生物仪表仪表信息信息新能源新能源通信通信电子电子航天航天交通运输交通运输家用电器家用电器科学研究科学研究产业现状及发展趋势产业现状及发展趋势产业现状：产业现状：1.1.产业体系初步建立产业体系初步建立 形成了研发、设计、生产和应用，品种和门类较为齐全的产业体系形成了研发

5、、设计、生产和应用，品种和门类较为齐全的产业体系2.2.产业规模不断壮大产业规模不断壮大 “十五十五”、“十一五十一五”期间，产业发展迅速，期间，产业发展迅速，部分材料产能居世界前列部分材料产能居世界前列3.3.部分关键技术取得重大突破部分关键技术取得重大突破 非晶合金、取向硅钢等达到或接近国际水平非晶合金、取向硅钢等达到或接近国际水平4.4.创新能力弱、保障能力差创新能力弱、保障能力差产业现状及发展趋势产业现状及发展趋势发展趋势：发展趋势：1.1.新技术的融合：新技术的融合： 纳米技术、生物技术、信息技术等与新材料技术的融合纳米技术、生物技术、信息技术等与新材料技术的融合2.2.结构与功能一

6、体化结构与功能一体化3.3.功能材料智能化功能材料智能化4.4.战略性新型产业需求战略性新型产业需求 节能环保、信息技术、装备制造、新能源节能环保、信息技术、装备制造、新能源规划规划决定中关于新材料产业的论述决定中关于新材料产业的论述积极发展高品质特殊钢、新型合金材料、工程塑料等积极发展高品质特殊钢、新型合金材料、工程塑料等先进结构材料先进结构材料大力发展稀土功能材料、高性能膜材料、特种玻璃、功能陶瓷、半导大力发展稀土功能材料、高性能膜材料、特种玻璃、功能陶瓷、半导体照明材料等体照明材料等新型功能材料新型功能材料提升碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等提升碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高

7、性能纤维及其高性能纤维及其复合材复合材料料发展水平发展水平发展重点发展重点特种功能材料：特种功能材料：1.1.稀土金属功能材料：稀土金属功能材料： 提高性能、扩大高端应用、增加产品附加值，发挥资源优势，壮大产业规提高性能、扩大高端应用、增加产品附加值，发挥资源优势，壮大产业规 模。大力发展稀土永磁、发光、储氢、催化、抛光材料产业。模。大力发展稀土永磁、发光、储氢、催化、抛光材料产业。2.2.稀有金属材料：稀有金属材料： 高纯稀有金属靶材、钨钼、铼等及合金制品，硬质合金、原子能级锆材等高纯稀有金属靶材、钨钼、铼等及合金制品，硬质合金、原子能级锆材等3.3.半导体材料：半导体材料： 高纯度、大尺寸

8、、低缺陷、高性能、低成本。电子级多晶硅、大尺寸单晶高纯度、大尺寸、低缺陷、高性能、低成本。电子级多晶硅、大尺寸单晶 硅、抛光片、外延片等材料，开发硅、抛光片、外延片等材料，开发GaNGaN、GaAsGaAs、SiCSiC、InPInP等半导体，等半导体， CuInGaSn CuInGaSn、CuInSCuInS、CdTeCdTe等光伏薄膜材料等光伏薄膜材料4.4.其它功能材料：其它功能材料： 高磁感取向硅钢、铁基非晶合金带材、超细超纯铜合金高磁感取向硅钢、铁基非晶合金带材、超细超纯铜合金5.5.关键装备关键装备 重大工程（专项工程）重大工程（专项工程）1.1.高强轻型合金材料专项工程高强轻型合

9、金材料专项工程2.2.高性能钢铁材料专项工程高性能钢铁材料专项工程3.3.稀土及稀有金属功能材料专项工程稀土及稀有金属功能材料专项工程4.4.碳纤维低成本化与高端创新示范工程碳纤维低成本化与高端创新示范工程5.5.高性能膜材料专项工程高性能膜材料专项工程6.6.先进电池材料专项工程先进电池材料专项工程7.7.新型节能绿色建材示范应用专项工程新型节能绿色建材示范应用专项工程8.8.电子信息功能材料专项工程电子信息功能材料专项工程9.9.生物医用材料专项工程生物医用材料专项工程10.10.新材料创新能力建设专项工程新材料创新能力建设专项工程一、稀土功能材料一、稀土功能材料稀土在新材料中的应用稀土在

10、新材料中的应用新材料应用比例已上升到应用总量的新材料应用比例已上升到应用总量的53，新材料应用中的新材料应用中的64为稀土永磁，为稀土永磁，9%为稀土储氢合金为稀土储氢合金稀土永磁材料已成为稀土应用领域中发展最快和最大的产业。稀土永磁材料已成为稀土应用领域中发展最快和最大的产业。稀土材料产业状况分析稀土材料产业状况分析稀土功能材料：稀土永磁稀土功能材料：稀土永磁从产值上来说，从产值上来说， 中国占中国占6464， 日本占日本占3434， 欧美欧美2 2。2010年全球年全球NdFeB磁体磁体产值产值分布图分布图2010年全球年全球NdFeB磁体磁体产量产量分布图分布图NdFeB磁体产量磁体产量

11、/产值分布图产值分布图2%34%64% 中 国 日 本 欧洲1%16%83% 中 国 日 本 欧洲中国已超过世界总产量的中国已超过世界总产量的8383 日本占日本占1616 欧美不到欧美不到1 1我国钕铁硼产品结构我国钕铁硼产品结构日本钕铁硼产品结构日本钕铁硼产品结构钕铁硼产品结构钕铁硼产品结构NdFeB产业存在的问题产业存在的问题1.专利许可专利许可2.产业分散产业分散3.缺乏向元器件和整机一体化发展缺乏向元器件和整机一体化发展4.高端产品占有率较低，仅为高端产品占有率较低，仅为37%左右，而日本几乎全部为高端产左右，而日本几乎全部为高端产品；我国生产的磁体磁能积品；我国生产的磁体磁能积+矫

12、顽力在矫顽力在56-65之间，在耐高温及超之间，在耐高温及超高矫顽力高矫顽力NdFeB磁体（磁能积磁体（磁能积+矫顽力矫顽力70）的产业化生产上仍存）的产业化生产上仍存在一定差距。在一定差距。在高技术领域对永磁材料提出更为全面的技术指标在高技术领域对永磁材料提出更为全面的技术指标要求。要求。我国烧结我国烧结NdFeB研发和产业回顾研发和产业回顾“十五十五”、“十一五十一五”期间，在期间，在“863863”等国家等国家项目的支持下，我国高性能烧结钕铁硼的研发及项目的支持下，我国高性能烧结钕铁硼的研发及产业化取得了一系列可喜的进步。产业化取得了一系列可喜的进步。重点解决重点解决 产业化各环节关键技

13、术产业化各环节关键技术 产业化技术装备和工艺产业化技术装备和工艺 提升了提升了 稀土永磁产品档次稀土永磁产品档次 国家稀土永磁产业的国际竞争力国家稀土永磁产业的国际竞争力掌握掌握N55N55系列高档烧结钕铁硼磁体制备技术系列高档烧结钕铁硼磁体制备技术 解决了千吨级高性能钕铁硼永磁生产线中存在解决了千吨级高性能钕铁硼永磁生产线中存在的共性问题，提升了我国烧结钕铁硼产业水平。的共性问题，提升了我国烧结钕铁硼产业水平。三、稀土永磁产业技术发展方向三、稀土永磁产业技术发展方向根据国家战略规划和重大工程根据国家战略规划和重大工程对稀土永磁材料提出新的需求对稀土永磁材料提出新的需求重点集中在以下六个方面重

14、点集中在以下六个方面 一、超高磁能积一、超高磁能积 超高矫顽力烧结钕铁硼磁体的研制超高矫顽力烧结钕铁硼磁体的研制二、低成本、低重稀土永磁材料的制备二、低成本、低重稀土永磁材料的制备三、粘结稀土永磁材料制备与应用关键技术三、粘结稀土永磁材料制备与应用关键技术四、高性能稀土永磁材料表面处理关键技术四、高性能稀土永磁材料表面处理关键技术五、先进热压钕铁硼永磁材料及其规模化制备技术五、先进热压钕铁硼永磁材料及其规模化制备技术六、六、高性能稀土永磁材料的温度稳定性和长期服役特性高性能稀土永磁材料的温度稳定性和长期服役特性1.1.超高磁能积、超高矫顽力烧结钕铁硼磁体的研制超高磁能积、超高矫顽力烧结钕铁硼磁

15、体的研制性能提高性能提高10%节约原材料节约原材料20%Br(T)M0HcJ(T)(BH)MAX(kJ/m3)理论值理论值1.606.7512实验值实验值1.550.82474达到程度，达到程度，%97%12%93%NdFeB主要指标与理论指标对比主要指标与理论指标对比HHcjcj+(BH)+(BH)maxmax 7070低重稀土低重稀土 混合稀土混合稀土高丰度稀土高丰度稀土2. 2. 低成本、低重稀土永磁材料的研究低成本、低重稀土永磁材料的研究使用使用LaCe等替代等替代Nd, 平衡利用稀土资源。平衡利用稀土资源。3. 3. 粘结稀土永磁材料制备与应用关键技术粘结稀土永磁材料制备与应用关键技

16、术粘结稀土永磁是稀土永磁行业的一个重要分支，粘结稀土永磁是稀土永磁行业的一个重要分支，与烧结磁体的比例大约为与烧结磁体的比例大约为1:101:10。MQ磁粉垄断磁粉垄断（NdFeB各向同性）各向同性）SmFeN磁粉磁粉NdFeBNdFeB各向异性磁粉各向异性磁粉p相同的价格，磁性能翻番相同的价格，磁性能翻番稀土粘结永磁稀土粘结永磁p磁性能比磁性能比MQ粉高粉高20%p耐腐蚀耐腐蚀p热稳定性好热稳定性好pSm替代替代Nd价格便宜价格便宜4. 4. 高性能稀土永磁材料表面处理关键技术高性能稀土永磁材料表面处理关键技术（1 1）钕铁硼磁体基体耐蚀性研究。）钕铁硼磁体基体耐蚀性研究。（2 2）烧结稀土

17、永磁材料表面预处理技术。）烧结稀土永磁材料表面预处理技术。（3 3）烧结）烧结NdFeBNdFeB永磁镀层附着力、老化特性研究永磁镀层附着力、老化特性研究（4 4）降低电镀、化学镀污染的产业关键技术）降低电镀、化学镀污染的产业关键技术（5 5）新型表面防护技术的研发。）新型表面防护技术的研发。5. 先进热压钕铁硼永磁材料及其规模化制备技术先进热压钕铁硼永磁材料及其规模化制备技术6.6.高性能稀土永磁材料的温度稳定性和长期服役特性高性能稀土永磁材料的温度稳定性和长期服役特性稀土功能材料：稀土储氢合金稀土功能材料：稀土储氢合金稀土储氢合金产量稀土储氢合金产量/产值产值国内国际 年份2000 200

18、5 2009 2010 2015 2020 2000 2005 2009 2010 2015 2020 产值3.5203540671003.28.510.612.11827 产能0.51.82.12.5581.534.04.26.510 产量0.121.31.82.234.50.72.533.34.35.2 需求0.51.11.51.72.63.40.71.92.42.63.54.4 进出口产值：国内（亿元）、国际（亿美元），其他（万吨）产值：国内（亿元）、国际（亿美元），其他（万吨） 中国占中国占5050 日本韩国占日本韩国占50502010年全球储氢合金年全球储氢合金产值产值分布分布201

19、0年全球储氢合金年全球储氢合金产量产量分布分布稀土储氢合金产量稀土储氢合金产量/产值产值中国已超过世界总产量的中国已超过世界总产量的6060 日本韩国占日本韩国占4040储氢材料生产主要为中日韩三国。日本质量最好，中国产量最大。主要分布在8个省市自治区的10多家家企业，年产能2.5万吨。国内国际 年份2000 2005 2009 2010 2015 2020 2000 2005 2009 2010 2015 2020 产值3.5203542671003.28.510.612.11827 产能0.51.833581.534.54.56.510 产量0.121.31.8234.50.72.533.

20、34.35.2 需求0.51.11.51.72.63.40.71.92.42.63.54.4 产值：国内（亿元）、国际（亿美元），其他（万吨）产值：国内（亿元）、国际（亿美元），其他（万吨）产值、产能、产量、需求及进出口情况产值、产能、产量、需求及进出口情况1.大部分企业仍采用传统的熔铸技术和设备，无法有效控制合金的微观大部分企业仍采用传统的熔铸技术和设备，无法有效控制合金的微观组织，产品性能稳定性和一致性有待提高；组织，产品性能稳定性和一致性有待提高；2. 大电流充放电性能差，使用温度窄等，不能满足动力型镍氢电池的大电流充放电性能差，使用温度窄等，不能满足动力型镍氢电池的需求；需求；3. 低

21、自放电储氢合金方面的研究相对滞后，与国外尤其是三洋公司相低自放电储氢合金方面的研究相对滞后，与国外尤其是三洋公司相比还存在很大的差距（循环寿命不到比还存在很大的差距（循环寿命不到1000次次,前六个月自放电率大于前六个月自放电率大于15%）。）。4. 下游市场的应用开发环节相对较弱。下游市场的应用开发环节相对较弱。储氢产业与日本的主要差距储氢产业与日本的主要差距1997年10月丰田汽车普锐斯prius问世，是世界上最早实现批量生产的混合动力汽车。2010年9月，丰田汽车宣布其混合动力汽车prius累计销售突破200万辆，未来每年销售目标为100万辆。2010年，普锐斯在美国的销量，占美国新能源

22、汽车销售总量的70%，市场满意度高达90%。 市场需求市场需求混合动力汽车混合动力汽车表表1 1 日本电动汽车发展预测日本电动汽车发展预测2010年2020年2030年2040年2050年EV万辆万辆0.366.8 214.4 286.3 326.6 平均年增长平均年增长%2216.7 22.1 3.4 1.4 HEV万辆万辆33.7794.51176.61354.91446.6平均年增长平均年增长%225.8 4.8 1.5 0.7 PHEV 万辆万辆3131.3496693.9779.7平均年增长平均年增长%427.7 27.8 4.0 1.2 根据美国能源部对每辆混合动力车所使用镍氢电池

23、用量的评估（低度混合为根据美国能源部对每辆混合动力车所使用镍氢电池用量的评估（低度混合为4.964.96公斤，高公斤，高度混合为度混合为6.296.29公斤），可以得到，混合动力汽车市场未来的需求，到公斤），可以得到，混合动力汽车市场未来的需求，到20202020年需求量为年需求量为3.93.9至至5.05.0万吨，到万吨，到20502050年需求为年需求为7.27.2至至9.19.1万吨。万吨。市场需求市场需求混合动力汽车混合动力汽车市场需求市场需求小型二次电池小型二次电池2001200220032004200520062007200820092010024681012141618 8.50%9.28%12.00%13.64%14.58%60.00%42.86%23.53%13.33%7.14%16.615.31412.5119.664.23.43年年年年年年年年年年0.00%10.00%20.00%30.00%40.00%50.00%60.00%70.00% 产量单位：亿只 增长 率“十二五十二五”期期间镍氢电池产间镍氢电池产量继续保持增量继续保持增长的趋势。长的趋势。2001年2010年我国Ni-