高端金属材料的分类及其发展的三大挑战

文摘 2024-11-12 16:30 上海

高端金属新材料是全球新材料产业发展的重要方向之一，是能源、海洋和交通等高端装备不可或缺的关键结构材料。然而随着中国科学技术的快速发展，发达国家逐渐对中国的全球化进程采取了符合其国家利益的技术封锁限制，一些高精尖科技被发达国家限制出口，例如制造业发展的核心要素——高端金属材料，其目的就是为降低中国在相关领域对其的竞争威胁。

阵列不断扩大、性能更显精准的金属新材料正逐步打破现有材料领域存在的诸多困局。高性能金属新材料不断涌现，成为各个产业领域能级提升的关键要素。但金属新材料发展仍需闯过“创新关”“成本关”“应用关”，才能助力相关产业深度拓掘出高附加值。

一、高端金属材料分类

金属新材料按功能和应用领域可划分为高性能金属结构材料和金属功能材料。高性能金属结构材料指与传统结构材料相比具备更高的耐高温性、抗腐蚀性、高延展性等特性的新型金属材料，主要包括钛、镁、锆及其合金、钽铌、硬质材料等，以及高端特殊钢、铝新型材等。金属功能材料指具有辅助实现光、电、磁或其他特殊功能的材料，包括磁性材料、金属能源材料、催化净化材料、信息材料、超导材料、功能陶瓷材料等。

与其他材料相比，稀土具有优异的光、电、磁、催化等物理特性，近年来在新兴领域的应用急速增长，其中永磁材料是稀土应用领域最重要的组成部分，2009年永磁材料占稀土新材料消费总量的57%。在国家新兴产业政策的推动下，新能源汽车、风力发电、节能家电等领域将拉动稀土永磁材料钕铁硼磁体的需求出现爆发式增长。

从世界上新材料的发展趋势看，钢铁材料和有色金属材料的生产一直在向短流程、高效率、节能降耗、洁净化、高性能化、多功能化的方向发展。结构材料其主要功能是承担负载（如火车、汽车、飞机）。汽车用钢近年来已从一般钢铁发展为使用高强合金钢、铝合金或特殊的高强Mg基合金，高强Ti合金在高强钢中有重要位置，不锈钢则有取代碳钢的趋势。用于军用飞机的Al合金及一般钢材则被先进的Ti合金及高分子基复合材料所取代。进一步还需要发展碳纤维增强复合材料或Al基复合材料。结构材料的主体有：

钢铁

钢铁材料，特别是具有多相结构和复杂成分的优质钢具有重要的应用前景和潜在优势，需要开展相应的基础研究。联系微米和纳米技术的纳米层间结构、组织以及晶界和界面都可视为改善钢铁材料的重要途径。

铝合金

铝基材料及相应的沉淀硬化效应导致高强铝合金的出现，相关技术工艺已发展为“沉淀科学”，它涉及“相”间晶体结构的匹配性以及合金的稳定性，特别是时效合金的稳定性直接影响航空或空间应用，因此可视为Al合金基础研究中的重要问题。

镁合金

镁及镁合金广泛应用于冶金、汽车、摩托车、航空航天、光学仪器、计算机、电子与通讯、电动、风动工具和医疗器械等领域。镁合金是最轻的工程结构材料，以其优良的导热性、减振性、可回收性、抗电磁干扰及优良的屏蔽性能等特点，被誉为新型“绿色工程材料”、21世纪的“时代金属”。

钛合金

钛合金在军用或民用航空工业的发展中有重要位置，多相纳米尺度层状微结构问题对高强Ti基合金的特性具有重要意义，它将成为设计新Ti基合金的关键因素。

二、高端金属材料之争

从2018年起，美国商务部就陆续将一个个中国制造公司加入无法从美国购买原材料、零部件、软件与技术产品的黑名单，之后类似的科技霸凌事件依旧时有发生。面对民用市场的禁运，中国无疑会受到很大影响，因为该领域市场不同于特殊领域市场，只能依赖于进口。

因此，我们一面要寻求方式突破西方的技术封锁，一面又要警惕西方市场竞争中的价格战，其难度不容小觑。成绩有目共睹，差距依旧存在。高端金属材料是一个需要技术沉淀与持续创新的行业，发达国家在该领域技术沉淀已有上百年。小编重点整理了四项发达国家限制出口的高端金属材料，我们可以更加了解我国高端金属材料技术封锁现状。

钨合金

钨合金是以钨为基加入其他元素组成的合金。在金属中，钨呈银白色，熔点3400℃，是熔点最高的金属，密度与黄金相当，为钢的2.5倍，除大量用于制造硬质合金和作合金添加剂外，钨及其合金广泛用于电子、电光源工业，也在航天、铸造、武器等部门中用于制作火箭喷管、压铸模具、穿甲弹芯、触点、发热体和隔热屏等。

事件：稀土、钼钨等稀有资源均涉及武器、高科技制造，中国对那些以关系国家安全为由禁止向中国出口武器、高科技的国家，禁止出口稀土、钼钨等稀有资源。

应用：在工业上，钨主要用于硬质合金、钨材、钨化工和钨钢，被誉为“工业的牙齿”；而在国防领域，钨主要应用于制造钨合金钢，其为制作现代兵器的主要钢种，由于密度较高，即使在恶劣的环境条件下也能够很好的保持其形状，备用做枪弹中集束箭弹的小箭，聚能弹中的“火药性罩”，例如散弹、子母弹、穿甲弹，具有很大的杀伤威力；在环保性上，在使用和生产加工过程中不会产生有毒物质，因此钨合金的环保性使得它在军事上是个不二选择。

现状：中国钨储量丰富，国内已探明储量占比达到60%以上，全球大部分钨供应来自中国；但是中国钨企业深加工产品与技术创新能力与国外大型钨企业相比差距还是很大，硬质合金产品以中低档为主，且多数还是烧结态产品，高性能、高精度的高档硬质合金数控刀片等高技术含量、高附加值的钨制品仍需依赖国外进口。

超高纯钛

超高纯钛被广泛应用于超大规模集成电路制造、高端新型钛合金等产业，对航空航天、国防建设起着至关重要的作用，市场价高达100万元/吨。

事件：之前，由于中国没有自己的超高纯钛，受原材料源限制，一直采用其他替代金属，综合性能一直未能达到最佳状态。随着国产超高纯钛的诞生，这一关键零部件可望在不久的将来实现巨大的技术突破。

应用：超高纯钛是配制生产高端钛合金材料的重要基础材料，而钛合金是飞机制造的关键材料之一，因此，超高纯钛对于生产制造性能稳定的优质高端钛合金至关重要。超高纯钛自身极高的纯净度，大大降低了由于微量成分波动而导致的高端钛合金机械性能不稳定。这对于从根本上提高飞机零部件的整体性能稳定性，在确保安全的前提下，最大化延长零部件的使用寿命意义重大。

现状：超高纯钛属于国家战略性新材料，之前很长一段时间都由美国霍尼韦尔、日本东邦和大阪钛业3家公司垄断，并对我国严格出口。不过该局面在2014年由宁波创润新材料所打破，其“年产250吨电子级低氧超高纯钛项目”的正式投产标志着我国成为继美日后第三个可自主生产超高纯钛材料的国家。

马氏体时效钢

马氏体时效钢是一种以无碳（或微碳）马氏体为基体的，时效时能产生金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢。与传统高强度钢不同，它不用碳而靠金属间化合物的弥散析出来强化。这使其具有一些独特的性能：高强韧性，低硬化指数，良好成形性，简单的热处理工艺，时效时几乎不变形，以及很好的焊接性能。因而马氏体时效钢已在需要此种特性的部门获得广泛的应用。

现状：中国从20世纪60年代中期就开始研制马氏体时效钢。最初以仿制18Ni（250）和18Ni（300）为主。到70年代中期又开始研究强度级别更高的钢种和无钴或镍钴马氏体时效钢，还开发出用于高速旋转体的超高纯、高强高韧的马氏体时效钢，研制出高弹性的马氏体时效钢和低镍无钴马氏体时效钢。

金属磁性材料

磁性材料是金属功能材料的重要分支，具有转换、传递、处理、存储信息和能量等功能，是重要的基础功能材料，应用范围广泛，如电声、选矿、能源、家用电器、医疗卫生、汽车、自动控制、信息技术等领域对金属磁性材料都有着不可替代的需求。

现状：在军工上，美国磁性材料公司占有60%的市场；而在工业上，韩国企业占据70%。

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