摘要

我國基礎(chǔ)材料產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷壯大，百余種基礎(chǔ)材料產(chǎn)量已達(dá)世界第一，但是大而不強(qiáng)的局面亟待改變。因此，目前迫切需要發(fā)展高性能、差別化、功能化的先進(jìn)基礎(chǔ)材料。本期將基于國家發(fā)布的有關(guān)路線圖，梳理我國先進(jìn)基礎(chǔ)材料的發(fā)展重點(diǎn)，通過已批量產(chǎn)業(yè)化及初步市場化的材料類別，一窺先進(jìn)基礎(chǔ)材料未來升級迭代的方向。

01 先進(jìn)基礎(chǔ)材料發(fā)展重點(diǎn)

《中國制造2025》中明確要加快基礎(chǔ)材料升級換代，其中列明的先進(jìn)基礎(chǔ)材料領(lǐng)域發(fā)展重點(diǎn)及發(fā)展方向主要包括先進(jìn)鋼鐵材料、先進(jìn)有色金屬材料、先進(jìn)石化材料、先進(jìn)建筑材料、先進(jìn)輕工材料及先進(jìn)紡織材料等。

表1：先進(jìn)基礎(chǔ)材料領(lǐng)域發(fā)展重點(diǎn)及發(fā)展方向（資料來源：中國制造2025重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖）

上述先進(jìn)基礎(chǔ)材料領(lǐng)域發(fā)展重點(diǎn)旨在創(chuàng)新研發(fā)出運(yùn)輸、能源動力、海工、建筑等多應(yīng)用場景所需的高穩(wěn)定、長壽命、節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，以及筑牢自主知識產(chǎn)權(quán)根基并實現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用。

02 先進(jìn)基礎(chǔ)材料首批次應(yīng)用

工業(yè)和信息化部發(fā)布《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2024年版）》（以下簡稱“《目錄》”）中，進(jìn)一步細(xì)化了先進(jìn)材料的重點(diǎn)發(fā)展內(nèi)容以及各類材料的性能要求，從產(chǎn)業(yè)化、市場化角度篩選出取得重大創(chuàng)新突破，且已實現(xiàn)批量產(chǎn)業(yè)化，首次進(jìn)入市場階段，用戶使用存在顧慮，未取得市場化業(yè)績的先進(jìn)材料產(chǎn)品，結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展實際，傾斜支持符合標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)材料產(chǎn)品。

圖1：《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2024年版）》部分示例（資料來源：工業(yè)和信息化部）

《目錄》主要涉及先進(jìn)基礎(chǔ)材料中先進(jìn)鋼鐵材料、先進(jìn)有色金屬、先進(jìn)化工材料、先進(jìn)無機(jī)非金屬材料四大類，對共計159種材料提出性能要求，引導(dǎo)材料研發(fā)方向。

表2：《目錄》先進(jìn)基礎(chǔ)材料一覽（資料來源：工業(yè)和信息化部）

《目錄》中先進(jìn)基礎(chǔ)材料分類依據(jù)相較于《中國制造2025》來說，更多聚焦于材料本身的化學(xué)屬性，體現(xiàn)在《目錄》將先進(jìn)建筑材料、先進(jìn)輕工材料和先進(jìn)紡織材料整合為先進(jìn)無機(jī)非金屬材料大類，而非根據(jù)建筑、輕工等應(yīng)用場景分類。

從材料化學(xué)屬性來看，鋼鐵材料和有色金屬材料屬于金屬材料，化工材料主要包括有機(jī)高分子材料，無機(jī)非金屬材料是除有機(jī)高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統(tǒng)稱，種類繁多且復(fù)雜。下文依據(jù)《目錄》的材料分類展開探討。

03 先進(jìn)基礎(chǔ)材料技術(shù)趨勢

作為一個集合概念，先進(jìn)基礎(chǔ)材料的技術(shù)趨勢也不能一概而論。先進(jìn)金屬類材料升級迭代主要聚焦在力學(xué)、物理、化學(xué)、加工工藝性能四個方面；先進(jìn)化工材料的研發(fā)，除了提升各種材料使用壽命、密度、柔韌性等自身性能，統(tǒng)一導(dǎo)向是發(fā)展綠色低碳的生產(chǎn)技術(shù)和材料產(chǎn)品；先進(jìn)無機(jī)非金屬材料的創(chuàng)新方向，一是材料復(fù)合化，二是提高材料純度。

（一）金屬類

鋼鐵和常用有色金屬是傳統(tǒng)金屬材料，在現(xiàn)代工業(yè)中的重要性不言而喻。鋼鐵是鐵與碳、硅、錳、磷、硫以及少量的其他元素所組成的合金。它是工程技術(shù)中最重要、最主要，也是用量最大的金屬材料。先進(jìn)鋼鐵材料是指在環(huán)境性、經(jīng)濟(jì)性、資源性的約束下，采用綠色化、智能化及定制化生產(chǎn)制備技術(shù)，生產(chǎn)具有高潔凈度、高均勻度、超細(xì)晶粒特征的鋼材，強(qiáng)度和韌度及使用壽命比傳統(tǒng)鋼材有很大提高。有色金屬又稱非鐵金屬，是鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統(tǒng)稱，是經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的基礎(chǔ)性材料，是國防軍工和新科技革命的戰(zhàn)略性材料。先進(jìn)有色金屬主要指高強(qiáng)高韌，耐火、耐蝕、耐候，高精度，高硬度的合金材料，生產(chǎn)方式由原本高耗能生產(chǎn)向綠色、低碳轉(zhuǎn)變。《目錄》對各種金屬類材料的性能要求主要集中在不同環(huán)境下的拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、延伸率、化學(xué)純度、燃點(diǎn)等特性，綜合來看，金屬材料的升級迭代主要聚焦于力學(xué)、物理、化學(xué)、加工工藝性能四個方面。

圖3：金屬材料性能及釋義（資料來源：公開資料整理）

在更高性能需求推動下，具備突出特性的先進(jìn)材料產(chǎn)品、關(guān)鍵工藝及應(yīng)用技術(shù)不斷涌現(xiàn)，下文從四種性能角度出發(fā)，以最具有代表性的先進(jìn)金屬材料為例，介紹金屬性能的提升方向以及技術(shù)趨勢。

1、力學(xué)性能：以 1000MPa 級高強(qiáng)度水電鋼板為例

基于高寒地區(qū)或高水頭大型水電工程的需求，水電用鋼向著大型化、高強(qiáng)化、綠色化、節(jié)能化的方向發(fā)展，1000MPa 級高強(qiáng)度水電鋼板良好解決了800MPa 級鋼板原有的過厚致使卷板、焊接難等一系列問題，具有低的焊接裂紋敏感性、極高的強(qiáng)度、優(yōu)良的低溫沖擊韌性與優(yōu)異的焊接性能。南鋼采用低碳、低 Pcm 、合金鋼的成分設(shè)計，兩階段軋制與淬火和高溫回火的生產(chǎn)工藝，獲得晶粒細(xì)小等軸的 α 相基體上分布著彌散的顆粒狀碳化物的回火索氏體組織，保證鋼板具備高強(qiáng)度、高韌性的同時，還需保證鋼板在一定的焊接熱輸入后，其熱影響區(qū)低溫韌性不出現(xiàn)明顯下降。

圖4：1000MPa 高強(qiáng)度鋼板成分設(shè)計（Wt%）（資料來源：雷清華,夏政海,劉心陽,等.水電工程用1000MPa級高強(qiáng)鋼的研發(fā)與應(yīng)用）鋼種設(shè)計主要包括：

（1）鋼成分設(shè)計與生產(chǎn)工藝的最佳配合；

（2）實現(xiàn)低碳、低硫、低磷純凈鋼的冶煉，提高全厚度韌性；

（3）利用控制軋制及熱處理技術(shù)，實現(xiàn)高強(qiáng)高韌性的同時，具有適應(yīng)焊接和低裂紋敏感性的組織控制；

（4）淬火 + 回火熱處理技術(shù)，組織均勻性和性能穩(wěn)定性控制。經(jīng)過在鋼板上取樣進(jìn)行拉伸、Z 向、沖擊等力學(xué)性能測試，鋼板抗層狀撕裂性能優(yōu)異，板低溫韌性較好。

圖5：1000MPa 高強(qiáng)度鋼板的力學(xué)性能（資料來源：雷清華,夏政海,劉心陽,等.水電工程用1000MPa級高強(qiáng)鋼的研發(fā)與應(yīng)用）顯微組織類型主要為回火索氏體及極少量回火馬氏體，并有細(xì)小的彌散分布的析出相顆粒（Nb，Ti）（C，N）分布在板條束內(nèi)，金相組織整體較為均勻和細(xì)小。

圖6：1000MPa 高強(qiáng)度鋼板 1/4 厚度處的金相組織（資料來源：雷清華,夏政海,劉心陽,等.水電工程用1000MPa級高強(qiáng)鋼的研發(fā)與應(yīng)用）

2、物理性能：以蝕刻引線框架用 C19400 合金帶材為例

目前，C19400 合金在強(qiáng)度、電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率、開發(fā)成熟度、綜合性價比和應(yīng)用廣泛性等方面具有顯著優(yōu)勢，是集成電路引線框架的理想材料。C19400銅合金帶材的實際生產(chǎn)工藝流程為熔鑄－熱軋－銑面－粗軋－鐘罩爐退火－粗軋－連續(xù)式退火－精軋－拉彎矯直－成品，其在熱軋態(tài)、冷軋態(tài)和退火態(tài)３種典型狀態(tài)下力學(xué)性能、導(dǎo)電性能等特性不同。

圖7：不同狀態(tài)C19400合金力學(xué)和導(dǎo)電性能對比（資料來源：宋宇,楊婧釗,周延軍,等.不同處理狀態(tài)下C19400銅合金組織、織構(gòu)和性能演變）

經(jīng)過退火后材料的抗拉強(qiáng)度降低到344MPa，硬度（HV）降低到101.45，伸長率提高到33.0%，電導(dǎo)率達(dá)到34.83MS/m，抗拉強(qiáng)度和硬度大幅降低，但導(dǎo)電率大幅提升。這是由于退火處理時位錯發(fā)生回復(fù)，位錯密度降低使得抗拉強(qiáng)度和硬度減小，第二相大量析出降低了 Cu 基體的晶格畸變程度，減少了對自由電子的散射作用，使得合金的電導(dǎo)率大幅提升。由此可見，在兼顧強(qiáng)度和電導(dǎo)率的需求下，合金研發(fā)需綜合考慮位錯、析出相、晶粒和織構(gòu)特征等對材料強(qiáng)度和電導(dǎo)率的影響機(jī)理，根據(jù)應(yīng)用場景找到性能平衡點(diǎn)。

3、化學(xué)性能：以鈦合金、鎂合金為例

在提高材料耐高溫性能方面，鈦合金是先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)的關(guān)鍵支撐材料，高性能航空發(fā)動機(jī)的發(fā)展，對鈦合金耐高溫性能的要求越來越高。

圖8：先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)中關(guān)鍵的熱端承力部件(圖中紅色部分全部為高溫合金）（資料來源：西部超導(dǎo)招股說明書）

未來鈦合金發(fā)展的主要方向是利用合理的微量元素添加和熱處理技術(shù)，突破高溫強(qiáng)度和熱穩(wěn)定性障礙，不斷提升高溫鈦合金的使用溫度，滿足高性能航空發(fā)動機(jī)發(fā)展的需要。在提高材料耐腐蝕性方面，腐蝕問題制約著鎂合金的推廣應(yīng)用，提高鎂合金的耐腐蝕性能，成為鎂材料工程科技的重點(diǎn)。發(fā)展方向一是使其相間電位差趨于零，二是把鎂合金表面的氧化膜由疏松變?yōu)橹旅埽捎貌煌脑匦纬刹煌难趸a(chǎn)物，用多元氧化物填補(bǔ)空隙，提高鎂合金的耐腐蝕性能。

4、加工工藝性能：以鈦合金擠壓型材為例

近年來鈦合金擠壓型材在航空航天領(lǐng)域的用量日益增多。采用鈦合金擠壓型材為坯料，結(jié)合線性摩擦焊及熱拉彎等先進(jìn)工藝技術(shù)，可在實現(xiàn)減重和獲得良好結(jié)構(gòu)剛度的前提下大大提高材料利用率、減少制造工序，從而降低制造成本。鈦合金型材的擠壓及其制品的全流程制造工藝包括二次真空電弧重熔、擠壓錠坯的制備、型材的擠壓、型材的熱成形或機(jī)加工以及后續(xù)熱處理和噴涂等工序。

圖9：鈦合金型材擠壓模芯設(shè)計（資料來源：熱加工行業(yè)論壇）

擠壓工藝不僅與擠壓比等工藝參數(shù)有密切關(guān)系，潤滑條件也影響擠壓制品質(zhì)量，未來研究適合于不同擠壓條件下的潤滑劑，是提高鈦擠壓型材產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵。

（二）化工類

先進(jìn)化工材料是基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)最具活力和發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。隨著全球能源轉(zhuǎn)型和碳中和目標(biāo)的推進(jìn)，我國堅持以安全環(huán)保、集約發(fā)展為重點(diǎn)，升級和調(diào)整傳統(tǒng)化工。因此，先進(jìn)化工材料的研發(fā)，除了提升各種材料使用壽命、密度、柔韌性等自身性能，統(tǒng)一導(dǎo)向是發(fā)展綠色低碳的生產(chǎn)技術(shù)和材料產(chǎn)品?！赌夸洝分蟹磸?fù)提及“環(huán)?！倍?，例如，對生物基增塑劑的要求之一為“環(huán)保指標(biāo)通過歐盟 REACH 法規(guī)認(rèn)證，綠色安全無毒”，支持研發(fā)高拉伸 UV 環(huán)保涂料、聚己內(nèi)酯 PCL 生物降解材料、環(huán)保阻燃聚酰亞胺泡沫保溫隔聲材料、粉末涂料用不含錫環(huán)保聚酯樹脂等環(huán)保材料。

UV 固化涂料的發(fā)展受高性能和環(huán)保需求的引領(lǐng)，其固含量高，不含揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），且能耗少，對環(huán)境污染較小，受到了下游應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。我國正積極推進(jìn)新型UV固化涂料研究，并取得了一定的進(jìn)展。

表3：新型UV固化涂料制備方法（資料來源：于國玲,劉云凡,王學(xué)克.幾種新型UV固化涂料的研究進(jìn)展）

上述各種新型UV涂料無論是制備過程還是材料成品，都已符合可持續(xù)發(fā)展要求，且相較于傳統(tǒng)材料在耐腐蝕性、耐溶劑性、熱穩(wěn)定性等方面已創(chuàng)新提升，但仍存在改善空間，例如某些應(yīng)用仍然需要使用溶劑或單體（有遷移的風(fēng)險）來達(dá)到足夠低的粘度，從而在涂敷涂層或油墨時獲得滿意的結(jié)果，因此UV固化涂料的發(fā)展方向之一是水性涂料。

（三）無機(jī)非金屬類

無機(jī)非金屬材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質(zhì)組成的材料，與有機(jī)高分子材料和金屬材料并列為三大材料。其特點(diǎn)在于耐壓強(qiáng)度高、硬度大、耐高溫、抗腐蝕，化學(xué)物質(zhì)和物理物質(zhì)穩(wěn)定性更強(qiáng)，另外各種細(xì)分材料具有相應(yīng)的優(yōu)異理化性能，例如水泥的膠凝性能、玻璃的光學(xué)性能、陶瓷的介電性能等。但和有機(jī)高分子材料、金屬材料相比，其密度較大，制造工藝較復(fù)雜，延展性相對較弱。因此，介于三大材料之間的互補(bǔ)優(yōu)勢，需要思考如何能夠很好地?fù)P長避短、更大程度上發(fā)揮無機(jī)非金屬材料的獨(dú)特優(yōu)勢，據(jù)《目錄》中對于先進(jìn)無機(jī)非金屬材料的性能要求，總結(jié)得出兩大趨勢，一是材料復(fù)合化，二是提高材料純度。

1、復(fù)合材料：以SiCf/SiC復(fù)合材料為例

連續(xù)碳化硅纖維增強(qiáng)碳化硅基復(fù)合材料（SiCf/SiC）具有低密度、高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、抗熱震、低活化、耐輻照和耐腐蝕等優(yōu)異性能。核能的先進(jìn)性、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性與所用包殼材料的性能密切相關(guān)，包殼材料工作在高溫、高壓和輻照條件下，運(yùn)行工況非?？量?，相對于鋯合金，SiCf/SiC復(fù)合材料應(yīng)用于包殼材料具有以下方面的優(yōu)勢：其一，耐溫性好，作為包殼材料在核反應(yīng)堆環(huán)境中能長期在800°C環(huán)境下使用，短期可承受1200°C的高溫，提高了反應(yīng)堆的安全性；其二，慢化吸收比佳，寄生熱中子吸收橫截面較鋯合金降低15％以上，采用同樣的鈾235燃料（濃縮度5％）時，燃料燃耗可以由60000 MWD/tU提高到70000 MWD/tU；其三，硬度高，可以有效減少由于冷卻劑中碎片和格柵導(dǎo)致的磨損，延長燃料棒使用壽命和反應(yīng)堆正常工作時間。

圖11：不同結(jié)構(gòu)的SiCf/SiC復(fù)合材料包殼管（資料來源：美國通用電子公司）

2、高純無機(jī)非金屬：以光學(xué)高純合成石英材料為例

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，對通信設(shè)備提出了更高的要求。與電纜線或者銅線作為傳輸媒介相比，石英光纖具有更強(qiáng)的抗電磁波干擾能力、抗腐蝕能力、更優(yōu)異的頻帶寬和容量、資源損耗更少的特點(diǎn)。

石英光纖的性能受到光纖材料的本征缺陷、摻雜缺陷和形貌損傷的影響，其中本征點(diǎn)缺陷如氧空位中心（ODC）、過氧鏈缺陷（POL）、色心、非橋氧缺陷中心（NBOHC）和過氧自由基（POR）等，摻雜缺陷如材料中引入金屬元素或者非金屬 H、F 元素等，形貌損傷是表面缺陷如微裂紋等。本征缺陷與溫度有關(guān)，摻雜缺陷與雜質(zhì)有關(guān)，雜質(zhì)引起的吸收損耗將會導(dǎo)致傳輸損耗大和傳輸效率低。因此研究外來引入粒子與其他缺陷的相關(guān)反應(yīng)機(jī)制以及鈍化機(jī)制，對于石英光纖的電光性能和抗輻射韌性以及深紫外區(qū)的光傳輸性能有著重要的意義。

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