塑造中国强度：世界上唯一实现微晶钢工业化生产

南广高铁 · 发表于 2013-3-11 22:27

2013年03月11日 13:07
来源：科技日报作者：贾婧

在刚刚过去的1月份，宝马公司在中国推出了全新进口5系轿车，这款车最大看点之一，就是其超轻量级的碳纤维引擎盖有效的降低了重量。
去年，一家科技网站称，苹果正在打造一款神秘设备，而它要用到碳纤维材质。消息称，碳纤维材质部件主要用于设备的外壳部分。或许不久的将来，iPhone 6外壳由碳纤维材料打造也说不定。
以细晶粒、高强度、低成本、环境友好为特征的超级钢，自本世纪初在宝钢、鞍钢、本钢等实现工业生产之后，在钢铁企业掀起一阵阵超级钢旋风，各厂竞相开发超级钢板带材、棒线材等产品，超级钢产量由最初的几千吨试制品迅速飙升到数千万吨。超级钢的技术思路已经深入人心。目前，已由企业个别行动升级为行业规范和国家标准。
超级钢：挺起和平发展脊梁
“30年后，将是‘超级钢铁’的时代。” 我国轧钢领域的著名专家东北大学刘相华教授在接受科技日报采访时，表达了自己对于超级钢未来发展趋势的预测。
2012年，央视《创新中国》栏目报道，我国的微晶钢（超级钢）居于世界领先地位。超级钢的特点是：低成本、高强韧性、环境友好、节省合金元素和有利于可持续发展，被视为钢铁领域的一次重大革命；我国是目前世界上唯一实现超级钢的工业化生产的国家，其他国家的超级钢尚未走出实验室。
刘相华表示，目前的钢铁材料还远未达到强韧性的理论极限，“超级钢铁”研究还将继续下去，这几年我国陆续出现的第三代汽车钢、高品质特殊钢等就是例证。
超级钢发展的另一个着眼点是废钢的再利用，30年后我国将有更多的钢铁陆续退出服役期成为废钢，废钢的循环利用比用铁矿石炼钢简单廉价，到那时超级钢因其成分简单而发挥出无可比拟的优势。
据刘相华介绍，2012年我国的钢产量已经达到了7.16亿吨，产值超过3万亿元，只要把其中的超级钢比例提高1%，其带来的直接经济效益增量就会超过数十亿元。
刘相华说，开发超级钢的历程可以追溯到1998年，那时我国钢产量已经跃居世界第一，但是品种质量与国外差距很大。科技部分别在1998年和2001年启动了973计划：《新一代钢铁材料研究》和863计划：《500MPa碳素钢先进制造技术》。在这两个重大项目的支持下，东北大学与宝钢、一汽等企业合作，2002年成功地实现了超级钢的工业生产并用于汽车制造，这标志着我国超级钢开发应用走到国际前列。
在这两个重大项目结题之后，作为国家层面的超级钢开发整体上告一段落，超级钢的思想已经深入人心，作为超级钢标志性成果的一系列技术措施在全国遍地开花。
“开发超级钢过程中形成的技术思路，十多年来一直影响着钢材品种开发和质量提升的发展趋势。” 刘相华说道。
近年来已经把超级钢低成本、高强度的思想升级为低成本、高性能。除了强度这个重要的指标之外，在经历一系列破坏性地震、海啸等重大自然灾害之后，人们更加关注钢材的屈强比、抗震性、耐火性等关乎人类生命安全的钢材技术指标。“超级钢的技术指标体系中，不再是‘强度’一枝独秀，而是强度、塑性、韧性以及抗震性和耐火性等使用性能全面提升。” 刘相华说。
随着我国超过美国成为汽车产量第一大国，汽车用钢品种质量发展迅速。刘相华介绍，汽车用钢的主导产品的强度等级正在由200—400MPa向500—800MPa的方向发展，个别部件甚至超过了1000MPa。低成本、高性能的技术路线，取得成功。
贯穿超级钢开发中低成本、高性能的思想，不仅可用于提升材料内部的性能，也可以外延用于优化钢材的形状尺寸。这方面，刘相华教授领导的东北大学差厚板课题组近几年在变厚度轧制方面的科研实践取得了成效。
据统计，差厚板用于汽车制造减重效果可达10—40%。刘相华表示，令人兴奋的是，今年3月7日上海汽车集团召开了“连续差厚板自主技术国内首次成功量产应用总结会”，标志着变厚度轧制技术已经由实验室进入大生产。给超级钢产品插上变厚度的翅膀，将开辟出钢材节能减排的一片新天地。

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南广高铁 · 发表于 2013-3-11 22:28

碳纤维：突出技术封锁重围
中国用聚丙烯腈为原料生产碳纤维的研究始于1962年，起步可谓不晚，但长期未取得实质性进展。国家新材料产业发展战略咨询委员会副秘书长李克健在接受采访时曾表示，由于碳纤维在航空航天等国防工业中有重要用途，西方国家将其视为军用物资，对中国“禁运”，更不转让生产技术。
去年9月，中科院宁波材料所把一辆碳纤维小汽车开进了人才科技周的高新技术成果交易洽谈会赚足了眼球，亮点主要在其外壳上：在普通材质的汽车引擎盖上，榔头用力敲击，漆盖上很有可能会有凹陷，而这辆车的车壳却非常坚固，用力敲击车盖后会迅猛反弹，表面丝毫未损。伴随着这次亮相，彻底颠覆了纤维一词在人们脑海中的柔弱印象。
“这种碳纤维复合材料做的车，比起普通用钢材制造的汽车，它的最大特点是轻和快。”中科院宁波材料所的赵晓光介绍说，这辆车抛弃了传统的钢结构，大量采用弹纤维材料制成，比普通钢材的汽车重量能减少60%。在同样用油情况下，这辆车每小时可以多开50公里。
体重减轻了，安全性如何？机械科学研究院复合材料专家陈长年介绍到，虽然碳纤维看起来像塑料，但实际上这种材料抗冲击性比钢铁强，特别是用碳纤维做成的方向盘，机械强度和抗冲性相比大大提高。在复合材料的“武装”下，这辆小车反倒成了家用车中的“装甲车”。据陈长年透露，现在这种碳纤维材料已经在高速列车的裙摆上应用。
碳纤维不仅具有碳材料的固有本征特性，又兼具纺织纤维的柔软可加工性，是新一代增强纤维。与传统的玻璃纤维(GF)相比，杨氏模量是其3倍多；它与凯芙拉纤维(KF-49)相比，不仅杨氏模量是其2倍左右，而且在有机溶剂、酸、碱中不溶不胀，耐蚀性出类拔萃。有学者在1981年将PAN基CF浸泡在强碱NaOH溶液中，时间已过去30多年，它至今仍保持纤维形态。
陈长年说，碳纤维可加工成织物、毡、席、带、纸及其他材料。传统使用中碳纤维除用作绝热保温材料外，一般不单独使用，多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。碳纤维增强的复合材料可用作飞机结构材料、电磁屏蔽除电材料、人工韧带等身体代用材料以及用于制造火箭外壳、机动船、工业机器人、汽车板簧和驱动轴等。
■碳纤维的故事
师昌绪，80岁接过“烫手山芋”
1975年，国防科工委召开了一次专题会议，部署国内碳纤维研究工作，并制定了10年发展规划。1978年，国家科委恢复，碳纤维转由科委为主管理，新材料处把碳纤维视为重中之重，花费大量精力和经费，碳纤维质量虽有所提高，却一直难以有大的突破。一连串的失利严重挫伤了各方面的信心，国家各部门在20世纪后期的10多年内都不愿或不敢大量投资，使碳纤维研发成为一块令人望而生畏的“烫手山芋”。
直到2000年初，我国著名的物理冶金学家、材料科学家师昌绪找到了李克健说：“中国的碳纤维上不去，影响国防科技和高新技术发展，关系到国家安全，不搞上去不行。我已近80岁了，80岁以后要少管点事，但想抓一抓碳纤维。”
师昌绪的意见得到当时科技部高新司副司长石定寰、材料处处长马燕合、“863”计划新材料领域首席科学家石力开等人的支持，决定在“863”新材料领域立软课题“聚丙烯腈基碳纤维发展对策研究”，成立以师昌绪为组长的软课题组。
2001年10月，科技部决定设立碳纤维专项，当年11月成立了专家小组。2002年2月26日科技部高新司召开“863”计划新材料领域“十五”安排通气会，师先生针对碳纤维专项再次提出：一是目标要明确，二是组织形式要创新，要推行联合，不能有门户之见，不能形成“瓜分体制”，支持建设高水平的分析测试平台，支持建立公平、公正、高透明的取样评价体系。

南广高铁 · 发表于 2013-3-11 22:28

2002年3月9日，专家组在太原开会，最后修改审定“‘十五’战略目标”，并按此对战略目标作了若干重要修改。
2003年1月17日，国家自然科学基金委员会批准碳纤维领域两个重点项目，由“宏观调控经费”资助。2005年碳纤维项目被批准为国家重大基础研究项目，获得了宝贵的基础研究经费。
当我国碳纤维技术取得进展，产业化起步后，师昌绪立即把国产碳纤维应用提上日程，努力支持开展相关应用研究，并为此争取专项经费，取得重要成绩。
国产碳纤维生产即将取得突破。李克健说，我国碳纤维产业化采取自主开发和引进相结合的道路已初见成效，到“十一五”末期基本实现了相当于日本T300的国产碳纤维规模生产线，并且有一些企业已形成了T700以上水平的百吨生产线、中国碳纤维产业已经从重重封锁及围追堵截中找到突破点！
■创新驱动
超级钢：为大桥减重让汽车省油
建筑行业，我国新修订的混凝土结构设计规范将屈服强度为400MPa级钢筋作为主导受力钢筋，500MPa级已经开始应用，我国混凝土用钢水平落后的局面将得到扭转。超级钢棒线材解决了强屈比、时效性等问题，通过轧制及冷却工艺制度的优化来减少使用微合金元素，降低生产成本，其市场潜力巨大。
利用超级钢热轧带钢产品减重节材，已有很多成功的实例，如宝钢梅山超级钢板卷、钢管研究开发成功，用6mm超级钢钢管替代8mm厚度低合金钢管，抗撞击性能大大优于普通的结构钢，并且直接应用于国家重点工程上海东海大桥，钢板减薄后，降低了大桥整体自重，经济效益和社会效益都相当可观。超级钢用于汽车减重，经济效益更加明显。纵梁是卡车的关键承重部件，将500MPa级超级钢用于卡车纵梁，可大幅度减轻车身自重，取得了钢材生产厂和用户双赢的效果。普碳钢品种的升级换代，带动了汽车行业的技术进步。
超级钢中厚板多用于造船、建筑、桥梁等行业，来替代传统的普通板材具有良好的前景。高强度船板可以减轻船体重量，增加载货量；低成本、高性能桥梁板有利于桥梁结构的优化设计，使桥梁更加坚固耐用。在这里，超级钢大有用武之地。
超级钢已经渗透到我们身边的各个领域，在节约型社会中扮演着节能减排的重要角色。
碳纤维：给体育换器材为航天配装备
碳纤维和人们生活的距离已经十分密切，最为我们熟知的就是一些体育用品器材。传统的体育用品大多采用木材及其复合材料制品。但是碳纤维增强复合材料的力学性能比木材高得多，它的比强度和比模量分别是杉木的4倍和3倍，是梧桐木的3.4倍和4.4倍。因此，它在体育用品方面得到了广泛的应用。在文体用品方面，碳纤维增强复合材料主要用在以下几个方面: 高尔夫球棒,钓鱼竿,网球拍,羽毛球拍,赛车,滑雪板,车架等。此外，碳纤维增强复合材料在体育用品方面还可以制造动力雪撬用的弹簧板、洋弓、箭、跳竿、冰球棒、游艇、赛艇、赛艇桨、帆船桅杆、摩托车零件、登山用品以及滑翔机、人力飞机等。
世界碳纤维的消费结构集中在工业应用、航天航空和体育休闲三个方面，目前工业应用约占总消费量的58%；航空航天方面应用约占23%，体育运动器材应用约占19%。1991—2009年，碳纤维在工业应用领域的消耗是持续增长的，航空航天领域基本保持平衡，而体育用品在碳纤维应用的比例则持续下降，碳纤维应用逐渐从航空航天、体育用品向民用工业应用转移，特别是随着大丝束碳纤维的大规模生产，其价格将不断降低，民用工业用量将继续保持大幅度增加的趋势。

南广高铁 · 发表于 2013-3-11 22:29

国家新材料产业发展战略咨询委员会副秘书长李克健表示，碳纤维品种很多，我国目前只是做出了几个最基本同时也是用量最大的品种，许多很有发展潜力的品种仍还在努力阶段。
从国内碳纤维需求结构看，体育休闲领域碳纤维的需求仍占据中国碳纤维需求的首位，但其年增长率呈下降趋势，表明2005年后体育休闲对碳纤维的需求基本上达到饱和。工业应用领域对碳纤维的需求呈现了较快的增长趋势，2010年对碳纤维的需求量达到1900t/a（吨/年），是2003年需求量的9.5倍。航空航天领域对碳纤维的需求也较快，2010年对碳纤维的需求量达250t/a，是2003年需求量的4.2倍。2003—2010年中国碳纤维需求总量呈持续增长趋势。
李克健认为国内新材料产业目前还比较薄弱，我国的潜在市场巨大，但现实市场却尚存不足。
2012年5月，国务院通过《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》，新材料产业被列入其中。作为高性能纤维材料及复合功能材料用料，碳纤维将获得更多的政策扶持，为经济社会发展做出更大贡献。
2015年，我国高强度钢筋产量比例将达到80%
■专家展望
刘相华
超级钢开发应用是近年来国际上钢铁领域令人瞩目的研究热点。据东北大学刘相华教授表示，美国、日本、韩国、欧洲等国外的超级钢开发项目，虽然做了大量实验室研究和理论研究，但尚未见工业应用报道。我国在超级钢开发和应用这一轮国际竞争中走到了前面。超级钢产品已应用于汽车、建筑等各个行业，实现了产业化目标，在钢铁产品节能减排中发挥了重要作用。
随着近年来建设部把III级钢筋作为主力钢筋的产业政策出台，细晶粒超级钢棒线材的产量近几年大幅度增长，用400—500MPa的钢筋取代普通的200—300MPa级钢筋的过程进展迅速，预计到2015年，我国高强度钢筋产量比例将达到80%。其中三分之一按照超级钢的思路组织生产，其产量将超过3000万吨。在经济高速发展大背景下，建筑业的繁荣为超级钢棒线材提供广阔的市场，低成本、高强度的超级钢棒线材也将为建筑业提供有力的支撑。
超级钢在其他行业中也有广阔的应用前景。过去依靠添加微合金元素来改善性能的船板钢、桥梁钢、容器板等，均可通过细化晶粒来提高强度，改善韧性，提高使用性能。借助于开发超级钢的思路来节省微合金元素，降低成本，增强产品的市场竞争能力，已经成为钢铁生产者的自觉行动。
超级钢开发成功，已经对我国钢材品种更新换代产生重要影响，具备超级钢特征的低成本、高性能、细晶粒新一代钢种系列，已经开始逐渐取代陈旧的钢号标准，超级钢作为里程碑式的标志，载入了我国钢铁产品开发的史册。
未来十年中国碳纤维材料将高度发展
国家新材料产业发展战略咨询委员会副秘书长李克健教授预测未来十年是中国碳纤维材料高度发展的十年。力学性能优良的复合增强基材，应用领域广泛。碳纤维具有出色的力学性能和化学稳定性，是目前已大量生产的高性能纤维中具有最高的比强度和最高的比模量的纤维。此外，碳纤维还兼有其他多种优良性能，如低密度、耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、抗疲劳、震动衰减性高、电及热导性高、热膨胀系数低、X光穿透性高，非磁体但有电磁屏蔽性等。多作为增强材料加入到树脂、金属、陶瓷、混凝土等材料中，构成复合材料。从这个意义上已预示了碳纤维在工程的广阔应用前景。
在世界碳纤维格局方面，发达国家产业成熟，行业集中度高。世界碳纤维的生产主要集中在日本、英国、美国、法国、韩国等少数发达国家和我国的台湾省，日本的三家企业就占据了世界78%左右的产量。发达国家的碳纤维行业已逐步走向成熟。截至2008年，主要的碳纤维生产厂商大、小丝束产能共计64200吨。
但李克健同时也指出，现在的碳纤维市场投资具有盲目性，国营、民营都在做，导致了严重的低水平重复。甚至有的打着“新材料产业”的旗号，将碳纤维的生产当作一项政绩工程，只考虑招商引资，根本不顾新材料产业整体发展的大局。这其实造成很大的资金浪费。