高性能结构材料

一、高性能结构材料

高性能结构材料主要指具有高强度、高韧性、耐高温、耐磨损、抗腐蚀的结构材料。它已成为发展新能源、核技术、空间开发、海洋工程以及医疗等高技术产业的基础材料，也是改造传统产业的关键材料。

在高温陶瓷方面，高效陶瓷发动机和燃气轮机所需的新结构材料，已成为世界各国高技术竞争的热点之一，因为陶瓷发动机可以把工作温度从1 000℃提高到1 300℃，无需冷却系统就能把发动机原来损失在冷却系统中的能源变为动力，使发动机热效率从30%提高到50%左右，重量减轻20%，油耗节省30%～50%，且可以使用替代燃料。美国组织十几家公司从事此项开发工作，70年代完成热压碳化硅和氮化硅发动机的台架试验，现已进行批量生产；日本把结构陶瓷看作是继电子之后又一个可以给企业带来巨大利润的新产业领域，被视为20世纪90年代日本的明星工业，因此不惜一切代价同美国进行竞争，其开发新品的能力和速度已超过美国。日本290马力陶瓷发动机已规模生产，并装备了数十万辆小汽车。德国在陶瓷热机研究开发方面走在世界前列。其中最引人注目的是奔驰公司研制的“2000轿车”，由陶瓷燃气轮机驱动，其涡轮转子全部用热压陶瓷材料整体构成，在试运行中未发生任何故障。依据“尤里卡”计划，法国、德国和瑞典从1987年开始联合进行陶瓷燃气轮机开发，已制成200马力的陶瓷涡轮喷气发动机，工作温度达到1 600℃。

复合材料广泛应用于航空、航天、汽车、运输、桥梁、民用建筑以及国防等各个方面，对未来的结构设计有革命性的影响。当前研究发展的重点是热塑性树脂复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料和碳基复合材料。其中树脂基复合材料已成为先进复合材料的主角。美国出于军事需要，加大了对树脂基复合材料的开发力度，技术上处于领先地位，产品产值年增长率达15%。德国在将该材料用于医用设备上处于领先地位，法国用于民航上有独到之处，日本是世界上碳纤维的最大生产者，但树脂基复合材料的市场份额不大。随着世界航空航天工业的蓬勃发展，金属基复合材料由于具有高比强度、高比刚度、抗疲劳、热冲击以及良好的耐磨蚀性而日益受到重视。美国已把它列为关键军事技术而加以保密，硼纤维增强的金属基复合材料已应用于航天飞机。在民用方面，日本丰田汽车公司正在以每年200万件以上的产量，生产供柴油发动机用的纤维度增强铝合金活塞，重量可减轻5%～10%，且抗磨性大大改善，在技术上处于世界领先地位。

近年来，超合金已有很大发展，并开始进入实用阶段。竞争主要在美、日之间展开。美国的最新产品是在合金中加入陶瓷粉末，使抗磨性提高30余倍。日本的铁基记忆合金正在替代镍-钛基合金，成本降低90%。

此外，用于制造人造组织和人造脏器的医用材料也发展很快，这种材料除具有高强度、高耐磨、良好的化学稳定性和持久的使用寿命外，还必须具有与人体的良好相容性。由于生物医学产业的发展，医用新材料有着巨大的潜在市场。