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高性能结构材料发展趋势

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高性能结构材料发展趋势

技术预测与国家关键技术选择》研究组

新材料领域组

金属、陶瓷和高分子材料长期以来是三大工程材料。高性能结构材料是一类具有高比

强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、耐磨损的材料，是在高新技术推动下发展起来的

一类新材料，是国民经济现代化的物质基础之一。例如：发展现代航空航天技术，对

动力机械而言，工作温度愈高、比强度和比刚度愈高，效率亦愈高，先进军用发动机

的发展趋势要求涡轮前温度和推重比不断提高，正在向推重比15～20发展，高温结

构材料技术是关键。有资料指出，飞机及发动机性能的改进分别有2/3和1/2靠材料

性能提高。对卫星和飞船，减重1公斤能带来极高的效益；汽车节油有37%靠材料

轻量化，40%靠发动机改进。绝热发动机（不冷却）主要靠材料性能提高。航空方面

的先进复合材料、单晶合金、涡轮盘合金，航天方面的含能材料、热防护材料、弹头

材料等不仅要先行，而且还要起到先导的作用。如果没有优质的单晶合金、涡轮前温

度无法提高，高推比航空发动机就难以实现。由此可见高性能结构材料在航空航天技

术中的基础性和先导性。因此，世界各先进国家在制定国家关键技术发展计划时，高

温结构材料与技术被列为高性能结构材料领域的重点发展项目之一。发展新型高性能

结构材料将支撑交通运输、能源动力、资源环境、电子信息、农业和建筑、航天航空、

国防军工以及国家重大工程等领域可持续发展，对国家支柱产业的发展和国家安全的

保障起着关键性的作用，同时还将促进包括新材料产业在内的我国高新技术产业的形

成与发展，带动传统产业和支柱产业的改造和产品的升级换代，提高国际竞争力，形

成新的产业和新的经济增长点。

1、国外高性能结构材料的发展现状

钢铁，20世纪下半叶以来，世界钢铁工业发生了巨大变化，先进的产钢国家利用科

技进步完成了从吨位扩张到结构优化的战略转移。据统计从20世纪50年代到90年

代，国际上钢铁工业的重大革新技术共约50多项，其中氧气转炉、连续铸造和薄板

坯连铸连轧是20世纪钢铁工业发展历程中最重大的技术变革，极大地推动了钢铁工

业的发展。2000年钢产量接近8亿t，预计2010年达8.5～9亿t。发达国家对钢的

需求仍有增长，但能力基本饱和。高性钢铁材料是重点的发展方向，为使钢铁材料达

到高性能和长寿命的要求，在质量上已向组织细化和精确控制、提高钢材洁净度和高

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升降副翼，经1500℃/15次+1550℃/12次+1700℃/2次加热，其重量损失仅1.8%。

新型高性能铝合金是美、俄、日、德、法等国重点研究发展的方向之一。如

σ0.2≥500MPa,、密度小于2.4g/cm3的高强可焊铝锂合金，σ0.2≥600MPa、

σb≥750MPa的超高强铝合金，新型耐热、耐磨、高比强、高比模、高韧性铝合金，

以及纤维增强和颗粒增强铝基复合材料等，是国防工业和交通运输急需的新材料。轻

质高性能镁材，因具有一系列优良性能和资源优势而被称为“21世纪新兴绿色工程材

料”，是当前日、法、俄等先进工业国家大力发展的关键轻质结构材料，特别是镁基

压铸材料在汽车、移动通讯工具、便携式计算机、手提箱等方面市场前景广阔。

稀有金属新材料是当前先进国家争相发展的关键新材料。如σb≥1250MPa的高强高

韧高损伤容限钛合金，600℃以上的热强钛合金，新型阻燃、耐蚀钛合金以及新型高

性能锆合金、难熔金属合金、功能重材料钽钨合金、高精度铍材等一直是各国国防新

材料计划的重要研究内容。

先进的陶瓷材料是近年来迅速发展的新材料之一，每年将以10%的速度增长，主要

是功能陶瓷和陶瓷基复合材料。先进结构陶瓷主要有莫来石、氧化铝、