第一篇：新型金屬合金材料行業(yè)講解

新型金屬合金材料行業(yè)講解(2011-12-23 06:38:22)轉(zhuǎn)載▼ 標(biāo)簽：

散戶之友 分類： 新能源新材料 財(cái)經(jīng)

資料來源：東興證券

中國航空業(yè)步入高速增長，帶動航空材料產(chǎn)業(yè)騰飛。中國將成為世界增長最快、最具發(fā)展?jié)摿Φ暮娇帐袌?。根?jù)中國商飛公司的測算，中國航空客流量將以每年7.7%的速度增長，未來20 年，中國總計(jì)需要新增飛機(jī)3997架。隨著國產(chǎn)大飛機(jī)計(jì)劃的推進(jìn)，以及我國航空材料制造業(yè)的不斷發(fā)展，航空材料國產(chǎn)化率會穩(wěn)步提升，2010-2019 年是我國新增客機(jī)需求增長最快的時期，在此期間航空合金材料的年均增長率保持10%左右。高鐵、城市軌道交通材料產(chǎn)業(yè)迎來爆發(fā)式增長期。隨著我國高速鐵路和城市軌道交通建設(shè)的加速，軌道交通用的鋁合金材料、金屬基復(fù)合材料以及C/C 復(fù)合材料將迎來高速增長時期，其中軌道交通用鋁合金材料將保持年均25%~30%的增速，總需求量將在2016 年達(dá)到30.77 萬噸。金屬基復(fù)合材料和C/C 復(fù)合材料將保持年均30%以上的增速，總需求量將從目前的10 萬噸左右增長到2014 年的25 萬噸。汽車輕量化材料是汽車工業(yè)節(jié)能減排的必然選擇。2011—2015 年，隨著中國汽車工業(yè)水平的不斷提升，汽車工業(yè)節(jié)能減排的深入，中國汽車單車鋁材料用量將以每年10%~12%的速度增長，到2015 年中國汽車用鋁量將從目前的190 萬噸增長至314 萬噸，市場增長潛力巨大。

1．產(chǎn)業(yè)背景：戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)崛起的基礎(chǔ)

1.1 新材料產(chǎn)業(yè)是新興產(chǎn)業(yè)崛起的前提

新材料本身就是一種高新技術(shù)，又是現(xiàn)代高新技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，也是提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)能力、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵。新材料的突破往往會引發(fā)人類劃時代的變革。如上世紀(jì)60 年代高純硅半導(dǎo)體材料技術(shù)的突破，使人類進(jìn)入信息化時代。高性能碳纖復(fù)合材料在今后20~30 年將迎來新發(fā)展時期，引發(fā)一場航空工業(yè)革命性的變革。新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是帶動節(jié)能環(huán)保、新一代信息技術(shù)、生物、高端裝備制造、新能源、新材料、新能源汽車等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前提和保障。

從材料的用途來分，可分為信息材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常見的兩種分類法則是結(jié)構(gòu)材料和功能材料；傳統(tǒng)材料與新型 材料。新材料產(chǎn)業(yè)通常包括：稀土功能材料、高性能膜材料、特種玻璃、功能陶瓷、半導(dǎo)體照明材料等新型功能材料；高品質(zhì)特殊鋼、新型合金材料、工程塑料等先 進(jìn)結(jié)構(gòu)材料；碳纖維、芳綸、超高分子量聚乙烯纖維等高性能纖維及其復(fù)合材料；納米、超導(dǎo)、智能等共性基礎(chǔ)材料。

新材料產(chǎn)業(yè)分類：高性能結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)復(fù)合材料、信息功能材料、光學(xué)功能材料、電性和磁性材料、新能源材料、生態(tài)環(huán)境材料、生物醫(yī)用材料、智能材料、納米材料

新材料產(chǎn)業(yè)包括以下六個子產(chǎn)業(yè)：特種金屬功能材料、高端金屬結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)高分子材料、新型無機(jī)非金屬材料、高性能纖維及其復(fù)合材料和前沿新材料。其中與 金屬新材料相關(guān)主要是特種金屬功能材料和高端金屬結(jié)構(gòu)材料。預(yù)計(jì)在今后相當(dāng)長一段時間內(nèi),金屬材料仍是最主要的一類材料,將在人類經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展中發(fā)揮重要 作用。金屬新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是推動新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要動力。

表：新材料及金屬新材料分類 新材料產(chǎn)業(yè)分類

具體包含的材料種類

高性能結(jié)構(gòu)材料

超級鋼、先進(jìn)鋁合金、先進(jìn)鈦合金、高溫合金、新型陶瓷、新型玻璃、新型高分子材料

先進(jìn)復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、高分子基復(fù)合材料、炭/炭復(fù)合材料、梯度功能材料

電性、磁性材料

電阻材料、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、永磁材料、軟磁材料、其他新型磁性材料

光學(xué)功能材料

紅外光學(xué)材料、發(fā)光材料、激光材料 信息功能材料

信息存儲材料、信息顯示材料、信息傳輸材料、信息處理材料

新能源材料

太陽能材料、儲氫材料、鋰離子電池材料、燃料電池材料、核能材料

智能材料

形狀記憶合金智能材料、無機(jī)非金屬材料智能材料、智能高分子凝膠

生物醫(yī)用材料

醫(yī)用金屬和合金、生物陶瓷、醫(yī)用高分子材料 納米材料

納米磁性材料、納米微粒催化劑、生物納米材料 生態(tài)環(huán)境材料

天然材料、循環(huán)再生材料、低環(huán)境負(fù)荷材料、環(huán)境污染控制材料

全球主要國家都高度重視新材料科學(xué)的發(fā)展，工業(yè)發(fā)達(dá)國家十分重視新材料在國民經(jīng)濟(jì)和國防安全中的基礎(chǔ)地位和支撐作用，為保持其經(jīng)濟(jì)和科技的領(lǐng)先地位，都把發(fā)展新材料作為科技發(fā)展戰(zhàn)略的目標(biāo)，在制定國家科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃時將新材料列為21 世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，予以重點(diǎn)發(fā)展。

1.2 我國金屬新材料發(fā)展規(guī)劃

從我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平以及全球金屬材料發(fā)展的歷程來看，目前我國金屬材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平正處于歐美等發(fā)達(dá)國家在20 世紀(jì)中后期的水平，正是發(fā)展現(xiàn)代軌道交通材料和航空航天材料的黃金時期?！笆濉逼陂g，國家已經(jīng)將新材料列入了七大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)中，圍繞國家發(fā)展戰(zhàn)略性 新產(chǎn)業(yè)總體部署，我國新材料“十二五”期間重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域包括：新信息材料、航空航天材料、高軌交通及新能源汽車材料、節(jié)能環(huán)保材料、生物醫(yī)用材料等。其 中與有色金屬材料相關(guān)的領(lǐng)域主要包括：稀土功能材料、稀有金屬材料、半導(dǎo)體材料、特殊合金材料、新型輕合金材料、金屬基復(fù)合材料等。

表：金屬新材料分類及相關(guān)上市公司

金屬新材料類別/材料應(yīng)用領(lǐng)域 具體內(nèi)容 相關(guān)上市公司

1、新型合金材料

航空航天材料

先進(jìn)高溫材料、鈦及鈦合金、C/C 復(fù)合材料

鋼研高納、寶鈦股份、博威合金、西部材料、博云新材、安泰科技

軌道交通材料

高速動車專用鋁合金、動車組剎車片、軌道

利源鋁業(yè)、博深工具、南山鋁業(yè)、交通減震墊板、鐵路車配件

中鼎股份、時代新材

汽車輕量化材料

鎂及鎂合金、鋁及鋁合金(汽車型材)

亞太科技、云海金屬、寶鈦股份

2、稀土功能材料

稀土發(fā)光材料

稀土三基色熒光粉

包鋼稀土、廈門鎢業(yè)

稀土

永

磁

材

料

釹

鐵

硼

永

磁

合金

廣晟有色、中科三環(huán)、橫店東磁、正海磁材、江粉磁材、太原剛玉

稀土儲氫材料

稀土LaNi5 型金屬間化合物具有很強(qiáng)的吸氫

能力，用稀土儲氫合金粉為負(fù)極的稀土鎳氫

科力遠(yuǎn)

電池(Ni-MH)

3、信息功能材料

信息存儲材料

高純稀有金屬及靶材、大規(guī)格鉬電極、高品

廈門鎢業(yè)、章源鎢業(yè)、金鉬股份、質(zhì)鉬絲、高精度鎢窄帶、大規(guī)格鎢鉬板材

東方鉭業(yè)

信息處理材料

半導(dǎo)體材料：電子級多晶硅、砷化鎵、碳化

硅、鍺等新型半導(dǎo)體材料、銦錫氧化物ITO

貴研鉑業(yè)、云南鍺業(yè)

靶材

4、新能源材料

太陽能光伏

碲化鎘、銅銦鎵硒、銅銦硫等新型薄膜光伏

錫業(yè)股份、株冶集團(tuán)

材料

鋰動力電池

高純碳酸鋰、金屬鋰

天齊鋰業(yè)、贛鋒鋰業(yè)

5、醫(yī)用金屬材料

醫(yī)用鈦及其合金

鈦及鈦合金、鈷鉻鉬合金

寶鈦股份

醫(yī)用鈷及其合金

鈷鉻合金

6、國防軍工材料

核級鋯、核輻射改性新材料

沃爾核材、東方鋯業(yè)

我國到2020 年金屬材料發(fā)展目標(biāo)是：金屬材料人均用量到世界平均水平，高品質(zhì)金屬材料基本實(shí)現(xiàn)自主供給，冶金行業(yè)節(jié)能減排和生產(chǎn)效率達(dá)到國際領(lǐng)先水平，大型和超大型基 金材料結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)自主生產(chǎn)，有自行設(shè)計(jì)工藝流程和制造重大裝備的能力，基本滿足國家重大工程建設(shè)、國家安全、信息化社會建設(shè)、高端裝備制造、交通運(yùn)輸?shù)鹊?需求，企業(yè)創(chuàng)新能力得到大幅提升，基礎(chǔ)研究水平和新材料新工藝研發(fā)能力接近世界發(fā)達(dá)國家水平。

2．航空航天材料

在航空航天領(lǐng)域，由于大型客機(jī)和航天飛行器對自身結(jié)構(gòu)材料和功能材料具有很高的性能要求，主要性能要求包括：高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、良好的斷裂韌 性、抗疲勞及耐腐蝕。大型飛機(jī)制造技術(shù)發(fā)展通常伴隨著結(jié)構(gòu)材料的發(fā)展，第一代飛機(jī)是以木頭和布作材料；第二代飛機(jī)用鋼和鋁合金作材料；第三代飛機(jī)增加了更 多的鈦合金材料；第四代飛機(jī)則添進(jìn)大量的復(fù)合材料，這些復(fù)合材料比鋼鐵輕得多，但強(qiáng)度卻比鋼鐵高得多。目前全球大型飛機(jī)的材料主要還是以鋁合金、鈦合金以 及碳纖維復(fù)合材料為主，不同類型的飛機(jī)對材料需求不同，各種類型的材料使用比例通常會有較大的差別。通常在民用客機(jī)使用的鋁合金比例較大，而軍用飛機(jī)鈦合 金的使用比例較高。目前最先進(jìn)的波音787“夢想”飛機(jī)是目前惟一的飛機(jī)結(jié)構(gòu)以復(fù)合材料為主的大型民用客機(jī)。

2.1 先進(jìn)鋁合金

先進(jìn)鋁合金由于具有高比模量、抗疲勞以及耐腐蝕等性能，是航空工業(yè)中的主要結(jié)構(gòu)材料。在民用和軍用飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料中，鋁合金材料的用量比例一般在20%~80%。如代表先進(jìn)水平的B-777 飛機(jī)中鋁合金的用量為70%，在A-380 中為60%，C-17 軍用運(yùn)輸機(jī)中鋁合金的用量為70%。近年來，由于復(fù)合材料和鈦合金的用量增加，最

新設(shè)計(jì)的飛機(jī)中鋁合金的用量相對減少，但高純、高強(qiáng)、高韌、耐蝕的高性能鋁合金用量卻在增加。

2.2 先進(jìn)鈦合金材料

鈦合金具有密度小、強(qiáng)度高、耐度高、耐高溫和抗腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天和軍事領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，包括軍用和民用飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇等。美國在20 世紀(jì)80 年代以后設(shè)計(jì)的各種先進(jìn)軍用戰(zhàn)斗機(jī)中，鈦合金的用量一般在20%以上，第三代戰(zhàn)斗機(jī)F-15 鈦合金用量占27%。近年來所開發(fā)出的航空航天用新型鈦合金主要有高強(qiáng)高韌合金、高溫鈦合金和阻燃鈦合金。

2.3 炭/炭復(fù)合材料

C/C 復(fù)合材料即為炭纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料，是以炭或者石墨纖維為增強(qiáng)體，炭或石墨為基體復(fù)合而成的材料。它具有耐高溫、導(dǎo)熱性好、抗熱沖擊、燒蝕率低、高溫下高 強(qiáng)度、一定的化學(xué)惰性等特殊性能。炭/炭復(fù)合材料的發(fā)展主要受宇航工業(yè)發(fā)展的影響，因?yàn)樗哂懈邿g熱、低燒蝕率、超熱環(huán)境下的高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是航 天環(huán)境中高性能的燒蝕材料。炭/炭復(fù)合材料還具有優(yōu)異的耐摩擦性能和高導(dǎo)熱率，使其在飛機(jī)、汽車剎車片和軸承等方面得到應(yīng)用。

目前用于軍用飛機(jī)和大型超音速客運(yùn)飛機(jī)的剎車片都是C/C 復(fù)合材料。飛機(jī)使用C/C復(fù)合材料剎車片后，其剎車系統(tǒng)比鋼剎車裝臵減輕重量約680kg。飛機(jī)質(zhì)量的減輕可以提高飛機(jī)的加速性和燃油經(jīng)濟(jì)性。C/C 剎車片不僅質(zhì)量輕，而且特別耐磨、操作平穩(wěn)，當(dāng)緊急剎車時C/C 剎車片能夠經(jīng)受住摩擦產(chǎn)生的高溫。

表：航空航天材料相關(guān)上市公司分類 所屬領(lǐng)域

公司名稱

主營業(yè)務(wù)

先進(jìn)高溫材料

鋼研高納

公司定位于中國“先進(jìn)高溫材料”技術(shù)的引領(lǐng)者與產(chǎn)業(yè)升級的推動者，主要

從事航空航天材料中高溫材料的研發(fā)、生產(chǎn)，為國內(nèi)先進(jìn)航空發(fā)動機(jī)研制了

GH4169、GH901等合金渦輪盤。

銅合金、鈦合金

博威合金

公司主要生產(chǎn)有色合金材料、高溫超導(dǎo)材料、銅合金制品、不銹鋼制品、鈦

金屬制品的制造加工，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于電子通訊、航天軍工、船舶機(jī)械、精

密模具等行業(yè)。鈦及鈦合金

寶鈦股份

公司是中國最大的鈦及鈦合金生產(chǎn)企業(yè)，國家高新技術(shù)企業(yè)。公司專業(yè)從事

鈦加工業(yè)務(wù)，產(chǎn)量占全國總量的40%左右。公司鈦材產(chǎn)品廣泛應(yīng)用在化工、建

筑、航空航天、艦船、醫(yī)療等領(lǐng)域。

西部材料

公司是陜西省正在打造的國家級新材料產(chǎn)業(yè)基地和西部鈦谷的核心企業(yè)，公

司控股子公司西部鈦業(yè)，擁有年產(chǎn)5000 噸的鈦熔煉能力，公司致力于打造完

整的鈦材產(chǎn)業(yè)鏈。C/C 復(fù)合材料

博云新材 C/C 復(fù)合材料應(yīng)用領(lǐng)域包括：C/C 飛機(jī)剎車副、航天發(fā)動機(jī)的噴管等熱構(gòu)件。

公司的C/C 復(fù)合材料產(chǎn)品已應(yīng)用在波音－757 系列、多種軍用飛機(jī)以及多種

型號火箭上；公司的粉末冶金復(fù)合材料產(chǎn)品已應(yīng)用在波音－737 系列、圖－

154 和多種軍用飛機(jī)上。

2.4 中國航空業(yè)步入高速增長，帶動航空材料產(chǎn)業(yè)騰飛

全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長帶動了航空運(yùn)輸業(yè)的長期發(fā)展。未來20 年，預(yù)計(jì)全球GDP 年均增長率為3.71%，全球航空旅客周轉(zhuǎn)量(RPKs)的年均增長率為5.2%。其中，中國的GDP 年均增長率為5.87%，中國的航空旅客周轉(zhuǎn)量年均增長率為7.7%，高于全球平均水平。中國經(jīng)濟(jì)的長期強(qiáng)勁增長推動力航空運(yùn)輸需求的增長，政府建設(shè)“民

航強(qiáng)國”的決心和對航空基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)劃建使得航空運(yùn)輸業(yè)前景無限。

我國已啟動大飛機(jī)的發(fā)展計(jì)劃，結(jié)構(gòu)材料以鋁合金材料為主。據(jù)預(yù)測，我國客機(jī)在未來10 年每年將需要單通道飛機(jī)100 多架；對100~125 座級和210 座級的單通道飛機(jī)需求將超過300 架；150~175 座級單通道飛機(jī)超過1000 架。為了形成我國大客機(jī)特色和競爭優(yōu)勢，必須發(fā)展高性能的鋁合金材料，包括2000 系(Al-Cu)，7000 系(Al-Zn-Mg-Cu)、6000 系(Al-Mg-Si)及鋁鋰(Al-Li)合金。

預(yù)計(jì)隨著我國城市化進(jìn)程的不斷提高,居民收入水平也將不斷提升,中國將成為世界增長最快、最具發(fā)展?jié)摿Φ暮娇帐袌?。根?jù)中國商飛公司的測算，中國航空客流量將以每年7.7%的速度增長，未來20 年，中國總計(jì)需要新增飛機(jī)3997 架。隨著國產(chǎn)大飛機(jī)計(jì)劃的推進(jìn)，以及我國航空材料制造業(yè)的不斷發(fā)展，航空材料國產(chǎn)化率會穩(wěn)步提升，2010~2019 年是我國新增客機(jī)需求增長最快的時期，在此期間航空合金材料的年均增長率保持10%左右，因此相關(guān)上市公司也會受益行業(yè)高增長帶來的發(fā)展機(jī)會。

2.5 航空航天材料重點(diǎn)公司推薦——寶鈦股份、博云新材、鋼研高納

寶鈦股份(600456)：公司已與波音、空殼等國家航空巨頭建立了穩(wěn)定的戰(zhàn)略合作關(guān)系，而且公司主要為A380 和B787 等新機(jī)型提供鈦材，新機(jī)型對鈦材的需求量較大，其中每架A380 和B787 用量分別為138 噸和112 噸，遠(yuǎn)高于A320 和B737 的15 噸和20 噸。如果國產(chǎn)大飛機(jī)投產(chǎn)，公司憑借在航空鈦材料方面的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢，將充分享受行業(yè)增長帶來的業(yè)績增長。

博云新材(002297)：公司核心產(chǎn)品飛機(jī)剎車副、航天用炭/炭復(fù)合材料、汽車剎車片都處于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先水平，公司前兩種產(chǎn)品毛利率保持在45%以上。公司與霍尼韋爾聯(lián)合競標(biāo)取得中國商飛C919 大型客機(jī)機(jī)輪、輪胎和剎車系統(tǒng)獨(dú)家供應(yīng)商資格，雙方將通過成立合資公司來承擔(dān)飛機(jī)機(jī)輪剎車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、研發(fā)以及部件制造、系統(tǒng)總裝。公司作為航天用炭/炭復(fù)合材料的領(lǐng)導(dǎo)者，看好公司未來業(yè)績表現(xiàn)。

鋼研高納(300034)：公司核心產(chǎn)品高溫合金材料是制造航空航天發(fā)動機(jī)熱端部件的關(guān)鍵材料，其用量在總重量的45%左右，中國航空領(lǐng)域的耐高溫材料年需求量約為5000 噸，隨著未來航空耐高溫市場的增長和進(jìn)口替代，預(yù)計(jì)該領(lǐng)域年均復(fù)合增長將保持在20%左右，公司目前僅有920 噸的鑄造高溫合金產(chǎn)能和25 噸的新型高溫合金產(chǎn)能，產(chǎn)能限制已經(jīng)成為公司業(yè)績增長的瓶頸，未來隨著募投項(xiàng)目的逐步達(dá)產(chǎn)公司業(yè)績將高速增長。

3．軌道交通專用金屬材料

3.1 中國高鐵、城市軌道交通迎來爆發(fā)式增長期

軌道交通是我國大力發(fā)展的重大工程項(xiàng)目，主要包括城市軌道交通和全國鐵路交通，面對我國人口多、資源少及城市化趨勢加快，發(fā)展軌道交通對全面建設(shè)小康性社會，提高和改善人民生活都有重要意義?！笆濉逼陂g，我國將迎來高速鐵路交通的大發(fā)展時期。2004 年1 月，國務(wù)院批準(zhǔn)了中國鐵路歷史上第一個《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》。2008 年又根據(jù)新的形勢和發(fā)展需求對《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，形成了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃(2008 年調(diào)整)》。根據(jù)規(guī)劃內(nèi)容，到2020 年，全國鐵路營運(yùn)里程達(dá)到12 萬公里以上，復(fù)線率和電化率分別達(dá)到50%和60%以上，主要繁忙干線實(shí)現(xiàn)客貨分線，基本形成布局合理、銜接順暢的鐵路網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)輸能力滿足國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展需要，主要技術(shù)裝備達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平。

高速重載鐵路交通材料主要包括，高速列車車體材料和高速鐵路軌道建設(shè)材料，其中高速列車車體材料主要包括以下六個方面的材料：列車車體材料和內(nèi)飾材料、高速轉(zhuǎn)向架構(gòu)架材料、輪-軌系統(tǒng)材料、高速弓網(wǎng)系統(tǒng)材料、制動摩擦系統(tǒng)材料、減振、降噪材料。

目前國外高速列車車體主要用的鋁合金和不銹鋼，不銹鋼主要用鎳鉻奧氏體不銹鋼，由于其耐高溫蝕性和美觀的特點(diǎn)，在日本、美國應(yīng)用較多，在保證強(qiáng)度和剛度前提下，如梁、柱等骨架的板厚由普通鋼的3.2~6.0mm 減至1.0~1.5mm,可減重40%左右。20 世紀(jì)60 年代，日本率先研制出不銹鋼車輛，其輕量、節(jié)能、不需涂裝，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。不銹鋼車體由于不易解決車體氣密性問題，只用于制造200km/h 速度級的車體及車內(nèi)承載和裝飾件。法國TGV 高速列車骨架和車底架梁采用優(yōu)質(zhì)不銹鋼，再通過輕量化設(shè)計(jì)，重量進(jìn)一步減輕。鋁合金比強(qiáng)度高，特別是大型空心薄壁鋁材軋制技術(shù)的完善，使鋁合金成為目前高速列車最理想的材料，歐洲以及日本應(yīng)用較多。與鋼車體相比，減重45%~50%，是車體使用壽命延長10 以上。

5000 系(Al-Mg)和6000 系(Al-Mg-Si)及一些2000 系、7000 系鋁合金都可用于鐵路車輛的建造，特別是一些新的連接技術(shù)，具有節(jié)能、減重和一體化結(jié)構(gòu)等顯著優(yōu)點(diǎn)，因而鋁合金材料在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用將持續(xù)增長。相關(guān)上市公司將明顯受益行業(yè)市場空間增長帶來的業(yè)績提升。

表：高鐵專用金屬材料相關(guān)上市公司

所屬領(lǐng)域

公司名稱 主營業(yè)務(wù)

鋁合金(軌道型材)

利源鋁業(yè)

公司是國內(nèi)領(lǐng)先的鋁合金型材生產(chǎn)廠商，主要從事各種鋁合金型材產(chǎn)品的

開發(fā)、生產(chǎn)。公司設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，大部分設(shè)備從國外進(jìn)口，在熔鑄、擠壓、表面處理各個環(huán)節(jié)均具有國際先進(jìn)水平。公司擁有的客戶包括：英利汽車、長春軌道客車公司、山東泰開集團(tuán)，遼寧遠(yuǎn)大集團(tuán)。

動車組剎車片

博深工具

公司基于在金剛石工具及冶金粉末材料領(lǐng)域的領(lǐng)先優(yōu)勢，公司多年前已經(jīng)

開始了動車組剎車片研究，已研發(fā)出了動車組剎車片并通過了試驗(yàn)環(huán)境驗(yàn)

證，目前只待鐵道部的上車試驗(yàn)。動車組剎車片是耗材，毛利率高，預(yù)計(jì)

動車組剎車片2012 年和2015 年市場容量分別為37 億和70 億左右。高速動車專用鋁合金

南山鋁業(yè)

公司是軌道交通車輛型材市場的龍頭企業(yè)，公司已與中國北車集團(tuán)簽定新

一代高速動車組技術(shù)協(xié)議，承接350km/h 動車組用74 個斷面鋁合金型材

研發(fā)試制，目前開模已經(jīng)完成，正在處于試制階段，成功后將進(jìn)入批量生

產(chǎn)。高鐵和城市軌道交通

中鼎股份

公司耗資4200 萬突入高鐵領(lǐng)域。公司全資子公司天津天拓鐵路橡膠制品有

減震墊板

限公司則專業(yè)生產(chǎn)高鐵和城市軌道交通減震橡膠墊板。

鐵路車配件、鐵路線

時代新材

公司的主導(dǎo)產(chǎn)品包括：鐵路車配件、鐵路線路配件和風(fēng)電產(chǎn)品三類。主營

路配件

產(chǎn)品包括抗震減噪彈性元件、高分子復(fù)合材料、電磁線(主要為鐵路機(jī)車

車輛和風(fēng)機(jī)配套)、特種涂料及新型絕緣材料、復(fù)合材料制品等，主要應(yīng)

用于軌道交通線路車輛以及風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域。

高速鐵路的建設(shè)帶來了對動車組的巨大需求。目前中國鐵路客運(yùn)專線動車組采用的CRHI、CRH2、CRH3、CRH5 四種類型中,除CRHI 型車體采用的是不銹鋼材外,其余3 種動車組車體均為鋁合金材質(zhì)。每輛動車用鋁型材8～9 噸、鋁板材1.5 噸。按此推算,中國2010～2012 年動車組車體就需鋁型材7 萬噸、鋁板材1.2 萬噸。隨著城際客運(yùn)系統(tǒng)的建設(shè)及高鐵網(wǎng)絡(luò)向國外的不斷延伸,動車組鋁材的需求將不斷增加。

除動車組外，我國很多個城市正在新建和擴(kuò)建地鐵或輕軌，預(yù)計(jì)全國城市軌道線路總長8000Km,軌道列車的需求量預(yù)測在5000~6000 輛，其列車箱體大量采用鋁合金材料，因此對鋁合金型材尤其是大規(guī)格高性能鋁材需求量也將快速增長，市場空間巨大。

隨著我國高速鐵路和城市軌道交通建設(shè)的加速，軌道交通用的鋁合金材料、金屬基復(fù)合材料以及C/C 復(fù)合材料將迎來高速增長時期，其中軌道交通用鋁合金材料將保持年均25%~30%的增速，總需求量將在2016 年達(dá)到30.77 萬噸。金屬基復(fù)合材料和C/C 復(fù)合材料將保持年均30%以上的增速，總需求量將從目前的10 萬噸左右增長到2014 年的25 萬噸。

3.2 軌道交通材料重點(diǎn)公司推薦——南山鋁業(yè)、博深工具、中鼎股份

南山鋁業(yè)(600219)：目前公司軌道交通用鋁型材產(chǎn)能為2 萬噸，募投項(xiàng)目22 萬噸“軌道交通新型合金生產(chǎn)項(xiàng)目”將繼續(xù)加大公司在軌道交通領(lǐng)域的產(chǎn)能擴(kuò)張。為了充分利用美國的市場和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，公司將募投項(xiàng)目中約4 萬噸產(chǎn)能在美國生產(chǎn)，項(xiàng)目預(yù)計(jì)于2012 年底建成，屆時公司業(yè)績將顯著提升。

博深工具(002282)：公司多年前已經(jīng)開始了動車組剎車片研究，已研發(fā)出了動車組剎車片并通過了試驗(yàn)環(huán)境驗(yàn)證，目前只待鐵道部的上車試驗(yàn)。動車組剎車片是耗材，毛利率高，預(yù)計(jì)動車組剎車片2012 年和2015 年市場容量分別為37 億和70 億左右，公司在技術(shù)上處于領(lǐng)先地位，將充分享受動車組剎車片市場高速增長帶來的業(yè)績提升。

中鼎股份(000887)：公司將以1000 萬元的價格，受讓天津飛龍橡膠制品公司50%股權(quán)。天津飛龍是鐵道部指定供貨商，并參加了高鐵和城市軌道交通相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。天津飛龍全資子公司天津天拓是專業(yè)生產(chǎn)高鐵和城市軌道交通用減震橡膠墊板，目前，天津飛龍已經(jīng)與鐵道部簽訂了價值4303.13 萬元的高鐵的訂單，預(yù)計(jì)未來2~3 年，公司高鐵業(yè)務(wù)將保持年均25%的高速增長。

4．汽車輕量化材料

近年來我國石油消費(fèi)中汽車燃油的消費(fèi)迅速增長，以2010 年為例，汽車用燃油消耗占國內(nèi)石油消耗總量的29%，其中車用汽油占汽油總消耗量的86.4%，車用柴油占柴油總消耗量的38.5%(其中農(nóng)用車對柴油消耗達(dá)到11%)。另一方面，按2005 年美國環(huán)保局(EPA)的數(shù)據(jù)，各個產(chǎn)業(yè)的溫室氣體排放情況中交通運(yùn)輸業(yè)的溫室氣體排放量僅次于電力工業(yè)，這些數(shù)據(jù)表明，汽車工業(yè)節(jié)能減排對于一個國家的能源供應(yīng)、環(huán)境保護(hù)、乃至于國家安全都具有重要的意義。

汽車輕量化是現(xiàn)實(shí)汽車工業(yè)節(jié)能減排的有效手段，研究表明，約75%的油耗與整車質(zhì)量有關(guān)，降低汽車質(zhì)量就可以有效降低油耗以及排放。目前，大量的研究表明，汽車質(zhì)量每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%。美國在歐洲全順車的實(shí)驗(yàn)室表明,在滿足歐IV 標(biāo)準(zhǔn)條件下,每百公里耗油Y 與自重X 滿足以下關(guān)系Y =0.003X+3.3。

對商用汽車的研究表明，汽車質(zhì)量每減少1000kg,油耗可降低6%~7%。于此同時，油耗的下降，意味著二氧化碳以及氮氧化物等有害氣體排放量的下降。對于新能源汽車，如混合動力汽車由于增加了混合動力系統(tǒng)裝臵而增加了車重，更加需要在混合動力汽車中實(shí)現(xiàn)輕量化，來減少油耗和降低制造費(fèi)用。

汽車輕量化是在保證汽車功能(包括：被動安全的碰撞性能；與汽車振動和行駛穩(wěn)定性相關(guān)的車身剛度；與汽車運(yùn)動聲學(xué)和舒適性相關(guān)的NVH 特性等；與汽車使用期限和壽命相關(guān)的振動穩(wěn)定性)的前提下，汽車自重量的下降。汽車輕量化設(shè)計(jì)要求采用高強(qiáng)度輕量化材料選擇和應(yīng)用的欲望和需求。汽車輕量 化設(shè)計(jì)和輕量化的概念應(yīng)從以下三個方面來闡明：首先是對于已有的功能可滿足要求的汽車，輕量化的設(shè)計(jì)是降低重量而保持原功能不變；現(xiàn)有功能尚不能全部滿足 要求的汽車，輕量化設(shè)計(jì)室完善功能而保持汽車重量不變；再次是汽車輕量化設(shè)計(jì)既要提高改進(jìn)性能，同時也使汽車減重。

在汽車輕量化設(shè)計(jì)和輕量化工程實(shí)施中，輕量化材料和先進(jìn)成形技術(shù)具有十分重要的地位，輕量化材料產(chǎn)業(yè)是汽車輕量化實(shí)施和發(fā)展的前提。輕量化的設(shè)計(jì)而又保證 高性能的要求給設(shè)計(jì)師提出了對高強(qiáng)度輕量化材料選擇和應(yīng)用的欲望和需求。汽車工業(yè)生產(chǎn)上的這種需求，導(dǎo)致汽車輕量化材料產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。在汽車中，常用的 輕量化材料與汽車用材的構(gòu)成密切相關(guān)，通常家庭乘用車用材料構(gòu)成為：鋼54%，鑄鐵10%，塑料8%，鋁合金8%，鎂合金1%，橡膠玻璃7%，其他 12%。在這些構(gòu)成汽車的主要材料中，鋼、塑料、鋁合金、鎂合金這四種基本的材料是汽車輕量化材料的首選。

4.1 鋁合金材料將成為汽車輕量化的首選材料

鋁合金的密度只有2.68g/cm3,僅為鋼的30%，在等彎曲剛度的條件下，鋁對鋼的厚度比是1.43，在等彎曲剛度的條件下，鋁的減重的潛力是49%，在等彎曲強(qiáng)度的情況下，鋁對鋼減重的潛力是3%。根據(jù)Alcoa 的數(shù)據(jù)，汽車中典型的鋁質(zhì)零件的一次減重效果可達(dá)30%~40%，二次減重可進(jìn)一步提高到50%；每使用1kg 鋁，可使轎車壽命周期中減少20kg 的尾氣排放；在發(fā)動機(jī)中用鋁合金代替鑄鐵，其減重效果達(dá)50%，每應(yīng)用1kg 鋁，則可使轎車壽命周期中減少22kg 的CO2 排放量。

鋁合金是既提升汽車性能又是滿足某些法規(guī)要求的輕量化材料，近些年來，鋁合金在汽車上的用量不斷增加，用作發(fā)動機(jī)、熱交換器、渦輪增壓器、變速箱體、車輪 以及車聲等部件。鋁合金板的沖壓性能已經(jīng)接近或在某些方面超過了鋼板，因此可替代鋼板來制備汽車車身板。鋁合金的應(yīng)用可起到很好的減重效果，如采用鋁合金 沖制汽車車身，質(zhì)量可以降低約10%。

歐美等發(fā)達(dá)國家汽車工業(yè)發(fā)達(dá)，非常重視汽車節(jié)能和環(huán)保，鋁合金在汽車輕量化方面的使用量和比例逐年提高，例如：德國奧迪A8 首創(chuàng)了ASF 鋁合金空間桁架車身輕量化技術(shù)，成為世界上首輛全鋁合金車身的產(chǎn)量型轎車，其采用ASF 鋁合金空間桁架車身結(jié)構(gòu)，其整體結(jié)構(gòu)剛性則提升25％，但車輛結(jié)構(gòu)因大量采用鋁合金材質(zhì)而節(jié)省6.5 公斤。ASF 組件大多以鋁制成，不僅幫助奧迪減輕車身重量，也保證了良好的吸能和制動的效果。與此同時，這些鋁制零件還可以大規(guī)模回收再利用。

對于歐美等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家，鋁合金材料已經(jīng)成為汽車輕量化的主要材料。以歐洲為例，1971 年平均每輛汽車的鋁用量為34kg,到2001 年則達(dá)到112kg,2005 年為130Kg,目前已經(jīng)達(dá)到150kg 左右。據(jù)Ducker worldwide 預(yù)測，到2015 年，歐洲主要國家平均每輛汽車鋁使用量將增長至180kg, 鋁材料占整部汽車的重量也將由目前的9%提高到12%。

中國汽車鋁合金使用比例較低，2010 年中國平均每年汽車鋁使用量為99kg,低于全球平均112kg 的使用量，比歐洲、北美發(fā)達(dá)國家汽車用鋁量差距則更大。

2011—2015 年，隨著中國汽車工業(yè)水平的不斷提升，汽車工業(yè)節(jié)能減排的深入，中國汽車單車鋁材料用量將以每年10%~12%的速度增長，到2015 年中國汽車用鋁量將從目前的190 萬噸增長至314 萬噸，市場增長潛力巨大。

4.2 鎂合金是有發(fā)展前景的汽車輕量化材料

鎂合金重量比鋼和鋁合金輕，強(qiáng)度高于鋁合金和鋼，剛度接近鋁合金，具有良好的鑄造性和穩(wěn)定性，可在一定程度上替代傳統(tǒng)的鋼和鋁合金材料。鎂的密度為 1.74g/cm3,是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料之一；鎂合金代替某些鋼鐵材料可以有效地減輕汽車的重量，如以剛度為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的材料。在等彎曲剛度條件下，采用 鎂代替鋼可以減重61%，在等彎曲強(qiáng)度條件下，鎂代替鋼可減重74%，每使用1kg 鎂，可使轎車壽命期減少30kg 尾氣排放(和鋁的比對值)；鎂還是綠色環(huán)保材料，可循環(huán)回收。鎂合金是具有廣泛發(fā)展前景的汽車輕量化的結(jié)構(gòu)材料。

上世紀(jì)20 年代，德國最先把鎂合金應(yīng)用于汽車制造業(yè)，此后歐美汽車制造企業(yè)紛紛應(yīng)用鎂合金零部件，主要用于生產(chǎn)汽車坐椅、輪圈、前端、轉(zhuǎn)向盤、踏板托架、油箱門等。目前，北美汽車生產(chǎn)廠家每輛汽車用鎂量為1.5~3.5kg,但鎂在汽車中的應(yīng)用增長很快，某些車型已達(dá)到將近10kg；美國福特汽車公司已經(jīng)先行一步，在澳大利亞購買了鎂的礦產(chǎn)開采權(quán)，為鎂合金的擴(kuò)大應(yīng)用做準(zhǔn)備。

國外對鎂合金在汽車上的應(yīng)用十分重視，2004 年6 月，美國、加拿大的相關(guān)機(jī)構(gòu)和公司共同設(shè)立了一項(xiàng)汽車用的鎂合金中長期研究計(jì)劃。2006 年12 月，北美汽車研究聯(lián)盟(USCAR)發(fā)布的《2020 年北美汽車用鎂合金及輕量化戰(zhàn)略展望》報告。根據(jù)報告中的規(guī)劃，到2020 年，北美乘用車用鎂量將會達(dá)到160kg/輛，屆時鎂將會成為第二大汽車材料，在乘用車中材料重量的比例將從目前的0.3%增加到12%。

我國在汽車鎂合金應(yīng)用領(lǐng)域起步較晚，目前平均每輛汽車的鎂使用量在0.8~1kg 之間，但是隨著我國鎂工業(yè)和汽車工業(yè)的快速發(fā)展，鎂合金這一高強(qiáng)度輕型金屬材料的應(yīng)用正在加快，目前長安、一汽集團(tuán)、東風(fēng)、奇瑞、吉利、隆鑫等汽摩企業(yè)已開發(fā)出數(shù)十種鎂合金部件，并在具有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車上裝車運(yùn)行，效果顯著。

2011—2015 年，隨著鎂合金在汽車工業(yè)應(yīng)該的不斷深入，全球汽車鎂合金需求都將

保持15%以上的增速，中國鎂合金輕量化產(chǎn)業(yè)起步較晚，增長潛力更大。未來5 年中國汽車鎂合金材料平均用量將以每年50%以上的速度增長，到2015 年中國汽車用鎂合金用量將從目前的1.6 萬噸增長至68 萬噸，市場增長潛力巨大。

4.3 汽車輕量化材料重點(diǎn)推薦——亞太科技、云海金屬

亞太科技(002540)：公司是A 股市場中僅有的一家專注于汽車高端鋁擠壓材業(yè)務(wù)的上市公司，其產(chǎn)品包括：管材、型材和棒材，主要應(yīng)用于汽車中的熱交換系統(tǒng)、懸掛系統(tǒng)及制動系統(tǒng)。目前，公司鋁擠壓材產(chǎn)能約為4.2 萬噸，公司產(chǎn)能利用率已經(jīng)達(dá)到120%，公司產(chǎn)品供不應(yīng)求，現(xiàn)階段公司正在加緊建設(shè)5.7 萬噸鋁擠壓材項(xiàng)目(募投項(xiàng)目)，預(yù)計(jì)2012 年能夠達(dá)產(chǎn)，屆時總產(chǎn)能將達(dá)9.9 萬噸。隨著募投項(xiàng)目的達(dá)產(chǎn)，公司將迅速跨越產(chǎn)能瓶頸，盈利能力迅速提升。

云海金屬(002182)：公司是全球規(guī)模最大的鎂合金專業(yè)生產(chǎn)企業(yè)，公司鎂合金產(chǎn)銷量居全國第一。公司擁有的鎂合金產(chǎn)能約為9 萬噸，鋁合金產(chǎn)能13 萬噸，不僅如此，在建產(chǎn)能幅度超過現(xiàn)有規(guī)模的一倍以上，其中鎂合金在建產(chǎn)能約為10 萬噸，鋁合金在建產(chǎn)能15 萬噸。預(yù)計(jì)新增產(chǎn)能將于2012 年達(dá)產(chǎn)，公司鎂合金、鋁合金產(chǎn)能將得到迅速提升。于此同時，公司為保障滿足產(chǎn)能擴(kuò)大帶來的原材料需求，分別在山西、安徽取得了兩個鎂礦采礦權(quán)，進(jìn)一步向上游產(chǎn)業(yè)鏈延伸?？春霉疚磥淼臉I(yè)績增長。

5．投資策略

看好航空航天材料、軌道交通材料及汽車輕量化材料相關(guān)的上市公司。

(1)航空航天材料——先進(jìn)鈦合金、鋁合金、炭/炭復(fù)合材料

國產(chǎn)大飛機(jī)計(jì)劃加快推進(jìn)，航空材料國產(chǎn)化率會穩(wěn)步提升，2010~2019 年是我國新增客機(jī)需求增長最快的時期，在此期間航空金屬材料的年均增長率保持10%左右，重點(diǎn)推薦寶鈦股份、博云新材、鋼研高納。

(2)軌道交通材料——鋁合金、金屬基復(fù)合材料

高速鐵路和城市軌道交通建設(shè)將迎來建設(shè)高峰，軌道交通用的鋁合金材料、金屬基復(fù)合材料以及C/C 復(fù)合材料將迎來高速增長期，其中軌道交通用鋁合金材料將保持年均25%~30%的增速，重點(diǎn)推薦南山鋁業(yè)、博深工具、中鼎股份。

(3)汽車輕量化材料——鋁合金、鎂合金

2011—2015 年，中國汽車單車鋁材料用量將以每年10%~12%的速度增長，到2015年中國汽車用鋁量將從目前的190 萬噸增長至314 萬噸，市場增長潛力巨大。重點(diǎn)推薦亞太科技、云海金屬。

? 行業(yè)重點(diǎn)公司盈利預(yù)測與評級

簡稱

EPS(元)

PE

PB

10A

11E

12E 10A

11E

12E

寶

鈦

股

份

0.008 0.20 0.56

—

博

云

新材 0.12 0.18 0.29 171

6.6

納 0.39

業(yè) 0.40

具 0.38

技 1.00

屬 0.14

鋼

0.39 南

0.71 博

0.48 亞

1.12 云

0.21 研

山

深

太

海

112

高

鋁

0.91 工

3.8 科

1.86 金

4.7 0.29

0.56

0.34

0.65

0.13 128 69

第二篇：奇妙的金屬物理性質(zhì)及合金教學(xué)設(shè)計(jì)

奇妙的金屬物理性質(zhì)及合金教學(xué)設(shè)計(jì) 教學(xué)目標(biāo)

1、知識與技能

（1）認(rèn)識金屬與人類生活和社會發(fā)展的密切關(guān)系

（2）了解常見金屬的物理性質(zhì)，了解物質(zhì)的性質(zhì)與用途的關(guān)系（3）認(rèn)識合金及其特性，知道幾種重要的常見合金

2、過程與方法

（1）由學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)和對實(shí)物性質(zhì)的討論導(dǎo)入，讓學(xué)生了解金屬常見的物理性質(zhì)（2）通過對生活中常見的一些金屬制品材料選擇的討論及物質(zhì)的性質(zhì)在很大程度上決定了物質(zhì)的用途但不是唯一的決定因素的認(rèn)識，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

（3）通過實(shí)驗(yàn)比較鋁合金和鋁片的硬度，焊錫和鉛、錫的熔點(diǎn)，認(rèn)識加入其它金屬可以改良金屬特性，以及合金具有更廣泛的用途。

（4）學(xué)習(xí)運(yùn)用比較、分析、歸納等方法對獲取的信息進(jìn)行加工。

3、情感態(tài)度與價值觀（1）利用日常生活中廣泛使用金屬材料等具體事例，讓學(xué)生認(rèn)識到金屬材料和人類文明進(jìn)步的密切關(guān)系。（2）利用考慮金屬的用途除了要了解金屬性質(zhì)的基礎(chǔ)上還要考慮如價格、資源、是否美觀、是否便利以及廢料是否易于回收等因素，讓學(xué)生形成多方位、多角度考慮問題的觀念。（3）進(jìn)一步培養(yǎng)對生活中化學(xué)現(xiàn)象的好奇心和探究欲，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。教學(xué)重點(diǎn)

1、金屬的物理性質(zhì)和合金的特性

2、物質(zhì)性質(zhì)與用途的關(guān)系 教學(xué)難點(diǎn)

1、培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用探究方法得出相關(guān)結(jié)論的能力

2、提高學(xué)生綜合分析問題的能力 教具準(zhǔn)備

教師用具：投影儀、金屬制品的圖片、鐵片、鋼片、鋁片、鋁合金、銅片、黃銅片、焊錫、鉛、錫、砂布、燒杯、酒精燈、鑷子、火柴等。教學(xué)方法

通過多媒體課件展示、學(xué)生閱讀材料、學(xué)生實(shí)驗(yàn)等多種形式 課時安排：1課時 教學(xué)過程 教師活動：根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)?zāi)闼赖慕饘僦破酚心男?？你見過那些金屬制品？說出他們的元素符號和名稱。

學(xué)生活動：寫出金屬的元素符號和名稱。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生感知學(xué)習(xí)的對象，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。小結(jié)：其實(shí)生活中常見的金屬很多，例如：展示金屬標(biāo)本。

展示幻燈片，和學(xué)生一起討論，注意引導(dǎo)學(xué)生觀察金屬的顏色和狀態(tài)。教師提問：你知道我們在什么地方使用了金屬嗎？想一想，你會發(fā)現(xiàn)我們的生活離不開金屬。學(xué)生回答完以后，展示幻燈片，提問：圖片中的生活日用品都是用哪些金屬制成的？ 交流與討論；性質(zhì)決定了用途，反過來用途也可以反映性質(zhì)，請分析屏幕上的金屬制品圖片，體現(xiàn)了該金屬哪些物理性質(zhì)？

教師活動：展示幻燈片，讓學(xué)生總結(jié)。板書：

一、金屬的物理性質(zhì)

1、大多數(shù)的金屬是銀白色的固體（銅是紫紅色，金是黃色）

2、金屬的熔點(diǎn)一般較高（汞常溫是液態(tài)）

3、金屬的密度硬度一般較大

4、有導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性

5、有延展性

教師活動：金屬不僅具有以上共性還有各自的特點(diǎn)。

展示幻燈片，常見金屬的物理性質(zhì)和學(xué)生討論交流并提問，投影展示：

1、為什么菜刀、鐮刀、剪刀等用鐵制而不用鉛制？

2、銀的導(dǎo)電性比銅好，為什么電線一般用銅制而不用銀制？

3、為什么燈泡里的燈絲用鎢制而不用錫制？如果用錫制的話，可能會出現(xiàn)什么情況？ 學(xué)生分組討論后匯報交流，請學(xué)生起來回答。

教師總結(jié)投影展示：物質(zhì)的用途主要由性質(zhì)決定，還需要考慮價格、資源、是否美觀，使用是否便利，廢料是否容易回收利用以及對環(huán)境的影響等。練習(xí)：以下鐵的用途中，涉及了鐵的哪些性質(zhì)？

1、鐵錠可以軋成鐵板或拉成鐵絲。

2、油罐車行駛時罐內(nèi)石油震蕩產(chǎn)生靜電，易發(fā)生火險，因此車尾有一條拖地的鐵鏈。

討論：投影展示：用來鑄造硬幣的金屬材料需要具有什么性質(zhì)？

引導(dǎo)學(xué)生從日常生活出發(fā)回答：資源豐富，無毒輕便，耐磨耐腐蝕，美觀易加工。提問：一毛錢硬幣是用鋁合金制成的，為什么不用純鋁制造呢？ 設(shè)疑：那么，什么是合金？合金的性質(zhì)與其組分金屬有何不同？合金的應(yīng)用范圍怎樣？我們常用的合金有哪些？哪些合金最有前途？ 閱讀：課本P8的內(nèi)容

歸納：合金是指由一種金屬與其他金屬或非金屬熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。比較：合金與組成他們的金屬性質(zhì)有什么不同呢？ 學(xué)生分組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)6-2 結(jié)論：填入課本

過渡：合金的熔點(diǎn)與其組分金屬相比，又有何特點(diǎn)呢？下面我們以焊錫為例，進(jìn)行研究。老師演示實(shí)驗(yàn)，學(xué)生觀察，回答現(xiàn)象。

老師總結(jié)：合金和組成成分金屬相比較：硬度增大，熔點(diǎn)降低。講解：合金比純金屬具有更廣泛的用途。

幻燈片展示：幾種常見合金的主要成分、性能和用途。

過渡：合金在人類生活和生產(chǎn)中具有極為廣泛的應(yīng)用，尤其是科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，新的金屬和合金一直在被不斷的發(fā)展和應(yīng)用。例如，鈦和鈦合金就是近30年來引起人們普遍重視和關(guān)注的一種新型金屬材料。

幻燈片展示：鈦合金以及新型金屬材料。

總結(jié)本節(jié)課內(nèi)容，學(xué)生通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)可以做一個趣味活動，搶答“金屬之最”，本活動目的是引起學(xué)生興趣，鞏固之前學(xué)習(xí)的內(nèi)容。板書設(shè)計(jì)：第六章第一節(jié)奇妙的金屬性質(zhì)

一、金屬的物理性質(zhì)

1、常溫下多數(shù)是固體（汞是液體）

2、都有金屬光澤

3、具有導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性

4、具有延展性（可以拉成細(xì)絲，可以展成薄片）

5、金屬的硬度、密度一般較大，熔點(diǎn)較高。

二、合金

1、合金：由一種金屬與其他金屬或非金屬熔合而成的具有金屬特性的物質(zhì)

2、合金與組成成分相比：硬度增大，熔點(diǎn)降低

第三篇：新型智能材料(形狀記憶合金)論文（范文）

鐵素體、奧氏體、馬氏體

組成鐵碳合金的鐵具有兩種晶格結(jié)構(gòu)：910℃以下為具有體心立方晶格結(jié)構(gòu)的α——鐵，910℃以上為具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)的Υ——鐵。如果碳原子擠到鐵的晶格中去，而又不破壞鐵所具有的晶格結(jié)構(gòu)，這樣的物質(zhì)稱為固溶體。碳溶解到α——鐵中形成的固溶體稱鐵素體。而碳溶解到Υ——鐵中形成的固溶體則稱奧氏體。奧氏體是鐵碳合金的高溫相。

鋼在高溫時所形成的奧氏體，過冷到727℃以下時變成不穩(wěn)定的過冷奧氏體。如以極大的冷卻速度過冷到230℃以下，這時奧氏體中的碳原子已無擴(kuò)散的可能，奧氏體將直接轉(zhuǎn)變成一種含碳過飽和的α固溶體，稱為馬氏體。由于含碳量過飽和，引起馬氏體強(qiáng)度和硬度提高、塑性降低，脆性增大。

高分子形狀記憶合金的發(fā)展及趨勢

摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關(guān)內(nèi)容,扼要地?cái)⑹隽诵螤钣洃浐辖鸬陌l(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類, 介紹了形狀記憶合金在工程中應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。引言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價值。到目前為止,應(yīng)用得最多的是Ni2Ti 合金和銅基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動于一體的智能材料,因其功能獨(dú)特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應(yīng)用。

二、形狀記憶合金的發(fā)展史

1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

1938年。當(dāng)時美國的在Cu-Zn合金小發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)對這種行為進(jìn)行了研究。1951年美國的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報道。數(shù)年后，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當(dāng)時，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962年，美國海軍機(jī)械研究所r發(fā)現(xiàn)了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應(yīng)，才開創(chuàng)了“形狀記憶”的實(shí)用階斷。

1969年，美國一家 公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應(yīng)用于美國F14 戰(zhàn)斗機(jī)上；1970年，美國將Ti-Ni記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應(yīng)用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀(jì)7 年代，相繼開發(fā)出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金，由于其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀(jì)90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點(diǎn)。

從SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應(yīng)用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實(shí)現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國從上世紀(jì)70 年代末才開始對SMA 的研究工作，起步較晚，但起點(diǎn)較高。在材料冶金學(xué)方面，特別是實(shí)用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學(xué)術(shù)界的公認(rèn)，在應(yīng)用開發(fā)上也有一些獨(dú)到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)方面的研究我國與國際先進(jìn)水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國外差距較大。記憶合金主要分為以下幾種

（1）單程記憶效應(yīng)：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。（2）雙程記憶效應(yīng)：

某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。（3）全程記憶效應(yīng)： 加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤?，稱為全程記憶效應(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項(xiàng)自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項(xiàng)自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。

在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

形狀記憶合金的歷史只有70多年，開發(fā)迄今不過20余年，但由于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用，正廣為世人所矚目，被譽(yù)為“神奇的功能材料”，其實(shí)用價值相當(dāng)廣泛，其應(yīng)用范圍涉及機(jī)械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域.二、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:(1)自由回復(fù)。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA)將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。發(fā)射衛(wèi)星并進(jìn)入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過導(dǎo)管插入靜脈腔,經(jīng)體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動。有人設(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機(jī)構(gòu),即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機(jī)構(gòu)。(2)強(qiáng)制回復(fù)。

強(qiáng)制回復(fù)最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)徑加工成比被接管外徑小4 % ,當(dāng)進(jìn)行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴(kuò)徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內(nèi)徑回復(fù)到擴(kuò)徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 復(fù)合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。(3)動力裝置。

有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)運(yùn)動中對外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機(jī)、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動閘門、自動收進(jìn)煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學(xué)家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅(qū)動火星探測器上的太陽能電池?fù)醢?加熱SMA ,使其收縮,通過傳動裝置,打開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)位。擋板的有效開合可起到防塵的目的。(4)精密控制。

因?yàn)镾MA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點(diǎn),我們往往只利用一部分形狀回復(fù),使機(jī)械裝置定位于指定的位姿。微型機(jī)器人、昆蟲型生物機(jī)械、機(jī)器人手抓及微型調(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機(jī)器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結(jié)構(gòu)微型集成化等優(yōu)點(diǎn)。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機(jī)器人。俄羅斯St1Petersburg 機(jī)器人及控制技術(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)上,研制出了擬人機(jī)械手(115m 長),其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進(jìn)行手術(shù)的機(jī)器人也屬于這一類型。現(xiàn)有的大腸鏡的直徑為10～20mm ,這種內(nèi)窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內(nèi)窺鏡前進(jìn)、后退指令,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行柔性控制,使內(nèi)窺鏡能夠平滑地沿著通路前進(jìn)或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準(zhǔn)確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,可進(jìn)一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。(5)超彈性應(yīng)用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,市場上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關(guān)節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti 絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti 絲用于嬌形上,即使應(yīng)變量高達(dá)10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應(yīng)變增大較多時矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力,既可保證療效,也可減輕患者的不適感。

三、存在的問題和研究方向

在SMA 的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:(1)由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動中,這就大大限制了材料的應(yīng)用。

(2)SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

(3)現(xiàn)有的SMA 機(jī)構(gòu)模型在實(shí)際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點(diǎn),從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個需要研究的重要課題;(4)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細(xì)胞毒性。

(5)SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA 自動生產(chǎn)線,此外材料成本也相當(dāng)昂貴。

(6)為了提高應(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進(jìn)一步微型化,提高反應(yīng)速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。

SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:(1)充分發(fā)掘、改進(jìn)和完善現(xiàn)有SMA 的性能;(2)研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應(yīng)用;(4)SMA 智能復(fù)合材料的研究與開發(fā);(5)高溫SMA 的開發(fā)。

四、前景展望

在形狀記憶合金的實(shí)用化進(jìn)程中,急需積累并分析關(guān)于材料特性、功能可靠性、生物相容性和細(xì)胞毒性等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料?？梢灶A(yù)言,隨著對SMA 研究的進(jìn)一步深化,傳統(tǒng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)完全有可能發(fā)展成為材料電子一體化系統(tǒng)。用途：航天領(lǐng)域在室溫下用形狀記憶合金制成拋物面天線，然后把它揉成直徑5厘米以下的小團(tuán)，放入阿波羅11號的艙內(nèi)，在月面上經(jīng)太陽光的照射加熱使它恢復(fù)到原來的拋物面形狀。這樣就能用空間有限的火箭艙運(yùn)送體積龐大的天線了。1)汽車：后霧燈罩、手動變速箱的防噪音裝置、燃料蒸發(fā)氣體排出控制閥；(2)電子設(shè)備：電子爐灶換氣門的開閉器、空調(diào)風(fēng)向自動調(diào)節(jié)器、咖啡牛奶沸騰感知器、電飯鍋壓力調(diào)節(jié)器、電磁調(diào)理器過熱感知器、溫泉浴池調(diào)理器等；(3)安全器具：過熱報警器、火災(zāi)報警器、煙灰缸滅火栓等；(4)醫(yī)療方面：人工牙根、牙齒矯正絲、導(dǎo)線等；(5)生活用品：自動干燥庫門開閉器、衛(wèi)生間洗滌器水管轉(zhuǎn)換開關(guān)、空調(diào)進(jìn)出口風(fēng)向調(diào)節(jié)器、浴池保溫器、玩具、路標(biāo)方向指示轉(zhuǎn)換器、家庭換氣門開閉器、防火擋板、凈水器熱水防止閥、恒溫箱混合水栓溫度調(diào)節(jié)閥、眼鏡固定件、眼鏡框架、胸罩絲、釣魚線、便攜電話天線、裝飾品等。

五、結(jié)語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀。這些研究表明我們已經(jīng)做出了一個邁步，但我們需要將這一步邁的更大。加以時日，它將大展宏圖、造福于人類。崔海寧.形狀記憶合金在建筑領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].山西建筑, 20062 高志剛.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備, 20073 吳根華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].安慶師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版), 20044 周海鋒.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].機(jī)電設(shè)備, 20025 王永前，趙連城.高溫形狀記憶合金研究進(jìn)展[J].功能材料, 19956 楊凱,辜承林.形狀記憶合金的研究與應(yīng)用[J].金屬功能材料, 2000 7 李建忱，呂曉霞，蔣青，周明.形狀記憶合金研究的回顧與前瞻[J].吉林工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 1995 8 張紅，王小杰，涂水華.形狀記憶合金及其應(yīng)用[J].河南科技, 19969 曹運(yùn)紅.形狀記憶合金的發(fā)展及其在導(dǎo)彈與航天領(lǐng)域的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈, 200010 肖恩忠.形狀記憶合金的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].工具技術(shù), 200511 劉建輝, 李寧, 文玉華.形狀記憶合金的應(yīng)用[J].機(jī)械,2001 , 28(3): 56～58

第四篇：新型航空材料鋁鋰合金項(xiàng)目

新型航空材料鋁鋰合金項(xiàng)目

一、項(xiàng)目名稱

新型航空材料鋁鋰合金項(xiàng)目

二、項(xiàng)目概況

鋰是自然界最輕，最活潑的金屬元素。把金屬鋰作為合金元素加到金屬鋁中，就形成了鋁鋰合金。加入金屬鋰之后，可以降低合金的比重，增加剛度，同時仍然保持較高的強(qiáng)度、較好的抗腐蝕性和抗疲勞性以及適宜的延展性。

鋁鋰合金目前主要用于現(xiàn)代電子工業(yè)、有色冶金、航空航天、化學(xué)工業(yè)、橡膠工業(yè)、核工業(yè)等領(lǐng)域，是近十幾年來航空金屬材料中發(fā)展最為迅速的一個領(lǐng)域。據(jù)了解，目前許多先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)和民航飛機(jī)大都采用了這種合金。我國于94年在國產(chǎn)飛機(jī)上裝機(jī)試用，并通過三年裝機(jī)考核。鋁鋰合金的成本大約只是碳纖維增強(qiáng)塑料的1/10。如果采用鋁鋰合金制造波音飛機(jī)，重量可以減輕14.6％，燃料節(jié)省5.4％，飛機(jī)成本將下降2.1％，每架飛機(jī)每年的飛行費(fèi)用將降低2.2％。

三、市場狀況

由于鋁鋰的應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，它的國際市場空間不斷拓展。僅據(jù)美國鋁工業(yè)學(xué)會預(yù)測，21世紀(jì)鋁鋰合金需求量將達(dá)60萬噸，市場潛力較大，目前市場銷售價格為100萬元/噸。我國僅有重慶112軍工廠生產(chǎn)，年產(chǎn)量為1000噸，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)在的市場需求。

四、投資規(guī)模

年產(chǎn)1000噸，總投資1.1億元。

五、合作方式

合作、合資、獨(dú)資。

第五篇：新型智能材料(形狀記憶合金)論文

高分子形狀記憶合金的發(fā)展及趨勢

摘要：本論文主要討論形狀記憶合金相關(guān)內(nèi)容,扼要地?cái)⑹隽诵螤钣洃浐辖鸬陌l(fā)現(xiàn)以及發(fā)展歷史和分類, 介紹了形狀記憶合金在工程中應(yīng)用的現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：形狀記憶合金、形狀記憶合金效應(yīng)、應(yīng)用

一、引言

形狀記憶合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形狀的合金在低溫下經(jīng)塑性形變并固定成另一種形狀后,通過加熱到某一臨界溫度以上又可恢復(fù)成初始形狀的一類合金。形狀記憶合金具有的能夠記住其原始形狀的功能稱為形狀記憶效應(yīng)(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形狀變化過程中產(chǎn)生較大回復(fù)應(yīng)變和較大形狀回復(fù)力的,才具有利用價值。到目前為止,應(yīng)用得最多的是Ni2Ti 合金和銅基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形狀記憶合金作為一種特殊的新型功能材料,是集感知與驅(qū)動于一體的智能材料,因其功能獨(dú)特,可以制作小巧玲瓏、高度自動化、性能可靠的元器件而備受矚目,并獲得了廣泛應(yīng)用。

二、形狀記憶合金的發(fā)展史

1932年,瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。

1938年。當(dāng)時美國的在Cu-Zn合金小發(fā)現(xiàn)了馬氏體的熱彈件轉(zhuǎn)變。隨后，前蘇聯(lián)對這種行為進(jìn)行了研究。1951年美國的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中發(fā)現(xiàn)了行狀記憶效應(yīng)。這是最早觀察到金屬形狀記憶效應(yīng)的報道。數(shù)年后，Burkhart 在In-Ti 合金中觀察到同樣的現(xiàn)象。然而在當(dāng)時，這些現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)只被看作是個別材料的特殊現(xiàn)象而未能引起人們足夠的興趣和重視。直至1962年，美國海軍機(jī)械研究所r發(fā)現(xiàn)了Ni-Ti合金中的的形狀記憶效應(yīng)，才開創(chuàng)了“形狀記憶”的實(shí)用階斷。

1969年，美國一家 公司首次將Ni-Ti合金制成管接頭應(yīng)用于美國F14 戰(zhàn)斗機(jī)上；1970年，美國將Ti-Ni記憶合金絲制成宇宙飛船用天線。這些應(yīng)用大大激勵了國際上對形狀記憶合金的研究與開發(fā)。20世紀(jì)7 年代，相繼開發(fā)出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形狀記憶合金；80 年代開發(fā)出了Fe-Mn-Si 基、不銹鋼基等鐵基形狀記憶合金，由于其成本低廉、加工簡便而引起材料工作者的極大興趣。從20世紀(jì)90 年代至今，高溫形狀記憶合金、寬滯后記憶合金以及記憶合金薄膜等已成為研究熱點(diǎn)。

從SMA 的發(fā)現(xiàn)至今已有四十余年歷史，美國、日本等國家對SMA 的研究和應(yīng)用開發(fā)已較為成熟，同時也較早地實(shí)現(xiàn)了SMA 的產(chǎn)業(yè)化。我國從上世紀(jì)70 年代末才開始對SMA 的研究工作，起步較晚，但起點(diǎn)較高。在材料冶金學(xué)方面，特別是實(shí)用形狀記憶合金的煉制水平已得到國際學(xué)術(shù)界的公認(rèn)，在應(yīng)用開發(fā)上也有一些獨(dú)到的成果。但是，由于研究條件的限制，在SMA 的基礎(chǔ)理論和材料科學(xué)方面的研究我國與國際先進(jìn)水平尚有一定差距，尤其是在SMA 產(chǎn)業(yè)化和工程應(yīng)用方面與國外差距較大。

記憶合金主要分為以下幾種（1）單程記憶效應(yīng)：

形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。（2）雙程記憶效應(yīng)：

某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng)。

（3）全程記憶效應(yīng)：

加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng)。SMA的形狀記憶效應(yīng)源于熱彈性馬氏體相變，這種馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失。兩項(xiàng)自由能之差作為相變驅(qū)動力。兩項(xiàng)自由能相等的溫度T0稱為平衡溫度。只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0時才會發(fā)生逆相變。

在SMA中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力呈線性關(guān)系。

至今為止發(fā)現(xiàn)的記憶合金體系

Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn-Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe-Mn-Si等。

形狀記憶合金的歷史只有70多年，開發(fā)迄今不過20余年，但由于其在各領(lǐng)域的特效應(yīng)用，正廣為世人所矚目，被譽(yù)為“神奇的功能材料”，其實(shí)用價值相當(dāng)廣泛，其應(yīng)用范圍涉及機(jī)械、電子、化工、宇航、能源和醫(yī)療等許多領(lǐng)域。

二、形狀記憶效應(yīng)的應(yīng)用

迄今為止,形狀記憶合金在空間技術(shù)、醫(yī)療器械、機(jī)械器具、電子設(shè)備、能源開發(fā)、汽車工業(yè)及日常生活各方面都得到了廣泛的應(yīng)用,總的來說,按使用特性的不同,可歸納為下面幾類:

(1)自由回復(fù)。

SMA 在馬氏體相時產(chǎn)生塑性形變,溫度升高自由回復(fù)到記憶的形狀。自由回復(fù)的典型例子是人造衛(wèi)星的天線和血栓過濾器。美國航空航天局(NASA)將Ti2Ni 合金板或棒卷成竹筍狀或旋渦狀發(fā)條,收縮后安裝在衛(wèi)星內(nèi)。發(fā)射衛(wèi)星并進(jìn)入軌道后,利用加熱器或太陽能加熱天線,使之向宇宙空間撐開。血栓過濾器把Ni2Ti 合金記憶成網(wǎng)狀,低溫下拉直,通過導(dǎo)管插入靜脈腔,經(jīng)體溫加熱后,形狀變?yōu)榫W(wǎng)狀,可以阻止凝血塊流動。有人設(shè)想,利用形狀記憶合金制作宇宙空間站的可展機(jī)構(gòu),即以小體積發(fā)射,于空間展開成所需的形狀,這是很有吸引力的機(jī)構(gòu)。

(2)強(qiáng)制回復(fù)。

強(qiáng)制回復(fù)最成功的例子是SMA 管接頭。事先把內(nèi)徑加工成比被接管外徑小4 % ,當(dāng)進(jìn)行連接操作時,首先把管接頭浸泡在液態(tài)空氣中,在低溫保溫狀態(tài)下擴(kuò)徑后,把被接管從兩端插入,升高溫度,內(nèi)徑回復(fù)到擴(kuò)徑前的狀態(tài),把被接管牢牢箍緊。利用SMA 制作的腦動脈瘤夾可夾住動脈瘤根部,防止血液流入,使動脈瘤缺血壞死。本田等人用厚度為015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 復(fù)合夾滿足小而輕、裝卸簡便等要求,效果良好。此外,類似的用途還有電源連接器、自緊固螺釘、自緊固夾板、固定銷、密封墊圈、接骨板和脊柱側(cè)彎嬌形哈倫頓棒等。

(3)動力裝置。

有些應(yīng)用領(lǐng)域,要求形狀記憶元件在多次循環(huán)往復(fù)運(yùn)動中對外產(chǎn)生力的作用。溫度繼電器和溫度保持器、自動干燥箱、電子灶、熱機(jī)、衛(wèi)星儀器艙窗門自動啟閉、自動火警警報器、熱敏閥門、液氨泄漏探測器、煤氣安全閥、通風(fēng)管道緊急啟動閘門、自動收進(jìn)煙頭的煙灰盒及人工心臟等都屬于這種應(yīng)用類型。1997 年美國航空航天局(NASA)的科學(xué)家利用長3cm ,直徑0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驅(qū)動火星探測器上的太陽能電池?fù)醢?加熱SMA ,使其收縮,通過傳動裝置,打開太陽能電池上的玻璃擋板,電池充電。充電結(jié)束后,偏置彈簧重新使擋板復(fù)位。擋板的有效開合可起到防塵的目的。

(4)精密控制。

因?yàn)镾MA 的相變發(fā)生在一定溫度范圍而不是某一固定溫度點(diǎn),我們往往只利用一部分形狀回復(fù),使機(jī)械裝置定位于指定的位姿。微型機(jī)器人、昆蟲型生物機(jī)械、機(jī)器人手抓及微型調(diào)節(jié)器、筆尖記錄器及醫(yī)用內(nèi)窺鏡都屬于這一類。形狀記憶合金用作機(jī)器智能人的執(zhí)行器,集傳感、控制、換能、制動于一身,具有仿真性好、控制靈活、動作柔順、無振動噪聲、易于結(jié)構(gòu)微型集成化等優(yōu)點(diǎn)。日本的日立公司已研制出具有13個自由度的能揀取雞蛋的機(jī)器人。俄羅斯St1Petersburg 機(jī)器人及控制技術(shù)學(xué)院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基礎(chǔ)上,研制出了擬人機(jī)械手(115m 長),其手爪能移動200kg的物體。該研究小組還給出了手爪的精確控制系統(tǒng)。醫(yī)學(xué)上用到的具有多自由度能彎曲轉(zhuǎn)入腸道內(nèi)診斷疾病,進(jìn)行手術(shù)的機(jī)器人也屬于這一類型。現(xiàn)有的大腸鏡的直徑為10～20mm ,這種內(nèi)窺鏡的直徑為13mm ,因此它特別適用于作大腸鏡。診斷過程中,醫(yī)生一邊看纖維鏡中的圖象,一邊移動操縱桿給出前端的第1 ,2 節(jié)彎曲角指令和內(nèi)窺鏡前進(jìn)、后退指令,通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行柔性控制,使內(nèi)窺鏡能夠平滑地沿著通路前進(jìn)或后退,大大減小了患者的痛苦,也增加了診斷的準(zhǔn)確性。隨著目前超大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,可進(jìn)一步制成微米級甚至更小的超微仿生物。

(5)超彈性應(yīng)用。

SMA 的偽彈性在醫(yī)學(xué)上和日常生活中得到了廣泛的應(yīng)用,市場上的很多產(chǎn)品都應(yīng)用了SMA 的偽彈性(超彈性)性質(zhì)。主要有牙齒嬌形絲、人工關(guān)節(jié)用自固定桿、接骨用超彈性Ni2Ti 絲、玩具及塑料眼鏡鏡框等。Ni2Ti 絲用于嬌形上,即使應(yīng)變量高達(dá)10 %也不會產(chǎn)生塑性變形,而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變的過程中,應(yīng)變增大較多時矯正力卻增加很少。故能保持適宜的矯正力,既可保證療效,也可減輕患者的不適感。

三、存在的問題和研究方向

在SMA 的研究和應(yīng)用中,目前尚存在許多有待解決的問題,例如:(1)由于SMA 的各種功能均依賴于馬氏體相變,需要不斷對其加熱、冷卻及加載、卸載,且材料變化具有遲滯性,因此SMA 只適用于低頻(10Hz 以下)窄帶振動中,這就大大限制了材料的應(yīng)用。

(2)SMA 自身存在損傷和裂紋等缺陷,如何克服這些缺陷,改善材料性能是當(dāng)前迫切需要解決的問題。

(3)現(xiàn)有的SMA 機(jī)構(gòu)模型在實(shí)際工程應(yīng)用中都還存在一些缺陷,如何克服這些缺點(diǎn),從而精確地模擬出SMA 的材料行為也是一個需要研究的重要課題;(4)在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面,還需繼續(xù)研究SMA 的生物相容性和細(xì)胞毒性。(5)SMA 作為一種新型功能材料,其加工和制備工藝較難控制,目前還沒有形成一條SMA 自動生產(chǎn)線,此外材料成本也相當(dāng)昂貴。

(6)為了提高應(yīng)用水平,SMA 元器件還需要進(jìn)一步微型化,提高反應(yīng)速度和控制精度,在這方面仍有許多工作要做。

SMA 研究今后的發(fā)展方向和趨勢可歸納為以下幾方面:(1)充分發(fā)掘、改進(jìn)和完善現(xiàn)有SMA 的性能;(2)研究開發(fā)新的具有形狀記憶效應(yīng)的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究與應(yīng)用;(4)SMA 智能復(fù)合材料的研究與開發(fā);(5)高溫SMA 的開發(fā)。

四、前景展望

在形狀記憶合金的實(shí)用化進(jìn)程中,急需積累并分析關(guān)于材料特性、功能可靠性、生物相容性和細(xì)胞毒性等方面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料。可以預(yù)言,隨著對SMA 研究的進(jìn)一步深化,傳統(tǒng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)完全有可能發(fā)展成為材料電子一體化系統(tǒng)。

五、結(jié)語

記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀。這些研究表明我們已經(jīng)做出了一個邁步，但我們需要將這一步邁的更大。加以時日，它將大展宏圖、造福于人類。

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