杜善义:新材料提升自主创新力

2017-08-24  来源:复材在线 浏览次数:9129 收藏  |  分享

杜善义,哈尔滨工业大学教授,是我国力学和复合材料领域的知名专家、学术带头人,长期致力于教学和科研工作。在先进复合材料结构设计、分析、评价及复合材料力学、细观力学与断裂力学、智能材料系统与结构等方面开展了系统的研究工作...

  杜善义,哈尔滨工业大学教授,是我国力学和复合材料领域的知名专家、学术带头人,长期致力于教学和科研工作。在先进复合材料结构设计、分析、评价及复合材料力学、细观力学与断裂力学、智能材料系统与结构等方面开展了系统的研究工作,解决了多项理论和应用技术的关键问题。
材料技术是总揽人类全局的新技术之一
材料科学和技术的应用是国民经济发展,特别是一些高技术产业发展的物质基础和先导。历史上,人类曾经以天然材料、人工材料、合成材料、复合材料来划分人类文明时代的四次重大突破。
新材料技术是总揽人类全局的高技术之一,它与信息技术、生物技术、能源技术一起,被公认为是当今社会及今后相当长时间内总揽人类全局的高技术。正是由于新材料在国民经济和国防建设中具有先导作用,许多国家都把先进材料的研发列入国家预算,制定相关的发展规划,发挥政府的宏观组织与引导作用,积极鼓励产学研相结合。比如,美国制定的“21世纪国家纳米纲要”、日本的纳米材料计划、欧盟的纳米计划等。我国制定了20个国家科技中长期规划,其中有6个与新材料建设计划有关,包括科技发展总体战略研究专题、制造业发展科技问题研究专题、交通科技问题研究专题等。
新材料产业化发展呈现“四大趋势”
新材料突出“新”字。它具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能,包括高性能结构材料、新型建筑材料、先进陶瓷材料、新型功能材料、复合材料、纳米材料、智能材料、电子信息材料、新能源材料、生态环境材料、生物医用材料等。
目前,新材料产业化发展具体表现出四大趋势:第一,新材料无论在全球还是在中国,市场需求旺盛,发展迅速。2003年,全球半导体专用新材料市场规模为200亿美元;目前世界纳米技术的年产值为500亿美元,预计2010年纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界第二大产业,年产值将达14400亿美元;2010年,全世界功能陶瓷的市场总规模预计可达800亿美元,生物医用材料的产值将达到4000亿美元。
第二,新材料呈现集团化、规模化、国际化发展态势。目前,世界著名材料企业纷纷结成战略联盟展开全球化合作。2002年,仅在纳米技术与材料领域进行的国际重大合作就有17项。比如,半绝缘砷化镓这种重要的功能性材料,市场90%以上被日本的日立电工、住友电工、三菱化学和德国FCM所占有,有机氟材料市场则是杜邦等7大公司占据了全球90%的生产能力,市场垄断非常明显。
第三,新材料发展向高性能、低成本及绿色化发展。21世纪新材料技术的突破将使新材料产品实现高性能化、多功能化、智能化,从而降低生产成本、延长使用寿命、提高新材料产品的附加值和市场竞争力。
第四,新材料发展的驱动力由军事需求向经济需求转变。进入21世纪,生命科学技术、信息科学技术的发展和经济持续增长将成为新材料发展的最根本动力,工业和商业的全球化更加注重材料的经济性。
我国新材料发展总体水平与发达国家相差约10至15年
当前,我国的新材料产业在国际产业布局中正处于由低级向高级发展的阶段。我国的复合材料研究及产业化,在创新结构设计和工艺研究方面与国外有着较大差距。
我国是新材料生产和消费的大国。钢、水泥、有色金属基础材料的产量均居世界前列,我国新材料产值从2000年到2005年的平均增长率达15.6%,是历史上增长最快的时期,在电子信息材料、先进金属材料、电池和电池材料、磁性材料、稀土提取及相关产品、新型高分子材料、高性能陶瓷和复合材料等方面形成了一批高技术新材料核心产业,包括威海在内也有一些新材料方面的产业。威海拓展公司研发的碳纤维技术,自主性和产业化方面均是最突出的。目前碳纤维技术被国际少数国家所垄断,我们必须走自主创新道路,威海在这方面做出了贡献。另外,威海中复西港的船舰技术、三角集团的轮胎技术都走在全国乃至世界的前,威海在新材料研发方面走出了一条自主创新的道路,也起到了拓展市场的作用。
但是,总的来说,我国新材料发展的总体水平与发达国家相差约10至15年。主要存在的问题,一是新材料产业的科技创新能力不强,产业跟踪仿制多,缺乏拥有自主知识产权的新材料产品及技术,在高端产品方面缺乏国际竞争力。二是应用开发滞后,成果转化率低,规模化生产程度低,新材料成果转化和产业化过程需要大量资金投入,但多元化的投融资体系尚未建立,面向产业化服务的中介服务体系尚不完善,这在某种程度上制约了我国新材料产业的发展。三是新材料产业技术集成能力差、加工技术及装备制造水平低,造成了长期过多依赖成套设备技术引进又不能有效消化吸收的被动局面。四是资源和能源利用率低,资源优势转化为产业优势尚有较大的差距。如,我国稀土资源储量居世界第一,产量占世界总产量的70%,但其中的2/3是以资源或初级产品的方式出口国外。单位国民生产总值所消耗的矿物原料比发达国家高2至4倍,二次资源利用率只相当于世界发达水平的1/4至1/3。
新材料向高性能化、复合化、智能化等方向发展
当前,随着经济的发展和全球化趋势的加快,国际、国内对新材料产业发展的要求也越来越高。新材料产业成为技术、知识和资金高度密集型产业,当然也是一种高风险、高收益产业。目前,新材料的重点发展领域有信息材料、生物医用材料、新能源材料、航空航天材料、生态环境材料、纳米材料、超导材料,将向高性能化、复合化、高功能化、低维化、仿生化、极限化、智能化、设计化、轻量化、综合化十大方向发展。
“十一五”期间,我国新材料产业的发展重点主要有航空航天用关键材料、超级钢材料与技术、高速铁路及汽车用材料、核能工程材料、新能源材料、先进陶瓷材料、超导材料、稀土功能材料、海水淡化材料与技术等领域。
我国在2006年明确指出,在科技方面,加强国家创新体系、基础研究和基础设施建设,集成电路芯片设计开发、第三代移动通信、高性能复合材料、高档数控机床研制等重大科技专项要取得重要进展。在国务院领导下,我国组织和动员各方面力量,经过两年多的深入研究和广泛论证,制定了《国家中长期科学和技术发展规划纲要》。这是国防方面和国家科技部“863”新材料应用的发展重点,当然也是新材料产业化发展的重点。我国新材料产业的发展思路,将紧紧围绕经济建设目标,通过发展新材料带动制造业和相关产业的发展,同时提高新材料产业规模和产业集中度,培育一批具有国际竞争力的龙头企业,形成以企业为新主体的材料工业创新体系。
21世纪复合材料广泛应用于航空航天和民用领域
一项报告显示,到2020年,只有复合材料才有潜力获得20%至25%的性能提升。这足以说明复合材料技术发展和应用的广阔潜力。
到2010年或者到2020年,材料产业将形成金属材料、高分子塑料材料、陶瓷材料和复合材料四大体系。复合材料的应用非常广泛,它是20世纪材料产业的一个革命,主要应用在航空航天和民用领域。在民用方面,主要应用于船舰、交通、能源、建筑、桥梁等,因为其性能突出而比较有发展潜力。
目前,航空航天飞行器结构呈现复合材料化的发展趋势。航天航空飞行器过去主要是铝合金为主,还有少量的钢、钛合金,也有复合材料,但所占比例很小。现在复合材料成为飞机结构最为重要的基本材料,可达到56%。预计到2020年,飞机的主要材料是复合材料,可以占到65%,其次是铝合金以及钛合金、钢。航空航天器结构应用实现复合材料化后,可以减重20%至30%,增加有效载荷、提升飞行器功能、增大航程、降低油耗等。
复合材料是典型的军民两用技术,民用领域的规模远远大于军用领域。以碳纤维为例,在宇宙航空领域的应用率为18%,在体育休闲用品领域的应用率为37%,在工业领域应用率为45%。
在船舰工业上,复合材料的应用是一次技术革命,复合材料船舶的寿命可达50至70年,而且不需要保养和外部喷涂,并增加有效载荷,增加速度,同时降低成本,复合材料比钢船降低成本10%至40%;基础设施修复、更新、加固已构成复合材料非常重要的应用领域,建筑、桥梁、土木工程等方面应用广泛;在汽车工业方面,能够采用新兴的复合材料来实现节能,代钢可减重40%以上,节省燃油21%;复合材料在海洋石油工业领域应用广泛,包括管道系统、油罐、油箱、围栏、扶手、通道、抽油杆等。在新能源工业方面,复合材料应用于风力发电机的叶片和塔身。风力发电最核心的技术就是它的叶片,目前国内风力发电的叶片都是来自德国,我们必须进行自主研发。现在,我国已有几个生产复合材料的企业在做,它的产值非常可观。据了解,在北京玻璃钢研究院,如果叶片达到标准,可以实现2000套的规模,约有40亿元的产值,发展前景广阔。
复合材料研发向超轻、超强、多功能化发展
从复合材料发展来看,目前向轻量化、高性能化、多功能化等方面发展。
超轻——格栅结构,抗腐蚀能力强,自动化制造,结构设计灵活性。点阵材料,目前,国外同行正在研究更超轻的产品用于国防事业,包括减震的材料,以适应航空业的发展。
超强——纳米复合材料,抗受力、导热性能都非常优良。
多功能化——需求迫切。研发重点有防热、承载一体化,防热、透波、承载一体化,承载、隐身一体化等。
复合材料的应用是未来的发展方向。中国将来不仅是复合材料生产的第一大国,同时又是复合材料应用的第一大国家。与国外相比,我们还有差距。
新材料的发展是随着其他高技术的发展而不断发展。目前,我国正全力研究大的航空飞行器,其中有三个核心问题需要解决,分别是发动机、材料和机载设备。要达到世界先进水平,我们生产复合材料的技术储备仍然需要完善。
总的来说,作为新材料应用,国家需求是第一位的,我们国家已将其列入发展的中长期计划,战略的需求必将促进新材料的发展。随着新材料技术的发展,我们国家的新材料发展将从一个消费大国逐渐变成技术强国,来满足国家的需求,促进经济发展。

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