新型金属合金材料行业讲解（精选五篇）

第一篇：新型金属合金材料行业讲解

新型金属合金材料行业讲解(2011-12-23 06:38:22)转载▼ 标签：

散户之友 分类： 新能源新材料 财经

资料来源：东兴证券

中国航空业步入高速增长，带动航空材料产业腾飞。中国将成为世界增长最快、最具发展潜力的航空市场。根据中国商飞公司的测算，中国航空客流量将以每年7.7%的速度增长，未来20 年，中国总计需要新增飞机3997架。随着国产大飞机计划的推进，以及我国航空材料制造业的不断发展，航空材料国产化率会稳步提升，2010-2019 年是我国新增客机需求增长最快的时期，在此期间航空合金材料的年均增长率保持10%左右。高铁、城市轨道交通材料产业迎来爆发式增长期。随着我国高速铁路和城市轨道交通建设的加速，轨道交通用的铝合金材料、金属基复合材料以及C/C 复合材料将迎来高速增长时期，其中轨道交通用铝合金材料将保持年均25%~30%的增速，总需求量将在2016 年达到30.77 万吨。金属基复合材料和C/C 复合材料将保持年均30%以上的增速，总需求量将从目前的10 万吨左右增长到2014 年的25 万吨。汽车轻量化材料是汽车工业节能减排的必然选择。2011—2015 年，随着中国汽车工业水平的不断提升，汽车工业节能减排的深入，中国汽车单车铝材料用量将以每年10%~12%的速度增长，到2015 年中国汽车用铝量将从目前的190 万吨增长至314 万吨，市场增长潜力巨大。

1．产业背景：战略新兴产业崛起的基础

1.1 新材料产业是新兴产业崛起的前提

新材料本身就是一种高新技术，又是现代高新技术和产业的基础和先导，也是提升传统产业的技术能力、调整产业结构的关键。新材料的突破往往会引发人类划时代的变革。如上世纪60 年代高纯硅半导体材料技术的突破，使人类进入信息化时代。高性能碳纤复合材料在今后20~30 年将迎来新发展时期，引发一场航空工业革命性的变革。新材料产业的发展是带动节能环保、新一代信息技术、生物、高端装备制造、新能源、新材料、新能源汽车等产业发展的前提和保障。

从材料的用途来分，可分为信息材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常见的两种分类法则是结构材料和功能材料；传统材料与新型 材料。新材料产业通常包括：稀土功能材料、高性能膜材料、特种玻璃、功能陶瓷、半导体照明材料等新型功能材料；高品质特殊钢、新型合金材料、工程塑料等先 进结构材料；碳纤维、芳纶、超高分子量聚乙烯纤维等高性能纤维及其复合材料；纳米、超导、智能等共性基础材料。

新材料产业分类：高性能结构材料、先进复合材料、信息功能材料、光学功能材料、电性和磁性材料、新能源材料、生态环境材料、生物医用材料、智能材料、纳米材料

新材料产业包括以下六个子产业：特种金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能纤维及其复合材料和前沿新材料。其中与 金属新材料相关主要是特种金属功能材料和高端金属结构材料。预计在今后相当长一段时间内,金属材料仍是最主要的一类材料,将在人类经济社会发展中发挥重要 作用。金属新材料产业的发展是推动新材料产业发展的重要动力。

表：新材料及金属新材料分类 新材料产业分类

具体包含的材料种类

高性能结构材料

超级钢、先进铝合金、先进钛合金、高温合金、新型陶瓷、新型玻璃、新型高分子材料

先进复合材料

金属基复合材料、陶瓷基复合材料、高分子基复合材料、炭/炭复合材料、梯度功能材料

电性、磁性材料

电阻材料、半导体材料、超导材料、永磁材料、软磁材料、其他新型磁性材料

光学功能材料

红外光学材料、发光材料、激光材料 信息功能材料

信息存储材料、信息显示材料、信息传输材料、信息处理材料

新能源材料

太阳能材料、储氢材料、锂离子电池材料、燃料电池材料、核能材料

智能材料

形状记忆合金智能材料、无机非金属材料智能材料、智能高分子凝胶

生物医用材料

医用金属和合金、生物陶瓷、医用高分子材料 纳米材料

纳米磁性材料、纳米微粒催化剂、生物纳米材料 生态环境材料

天然材料、循环再生材料、低环境负荷材料、环境污染控制材料

全球主要国家都高度重视新材料科学的发展，工业发达国家十分重视新材料在国民经济和国防安全中的基础地位和支撑作用，为保持其经济和科技的领先地位，都把发展新材料作为科技发展战略的目标，在制定国家科技与产业发展计划时将新材料列为21 世纪优先发展的关键技术之一，予以重点发展。

1.2 我国金属新材料发展规划

从我国经济发展水平以及全球金属材料发展的历程来看，目前我国金属材料产业发展水平正处于欧美等发达国家在20 世纪中后期的水平，正是发展现代轨道交通材料和航空航天材料的黄金时期。“十二五”期间，国家已经将新材料列入了七大战略新兴产业中，围绕国家发展战略性 新产业总体部署，我国新材料“十二五”期间重点发展的领域包括：新信息材料、航空航天材料、高轨交通及新能源汽车材料、节能环保材料、生物医用材料等。其 中与有色金属材料相关的领域主要包括：稀土功能材料、稀有金属材料、半导体材料、特殊合金材料、新型轻合金材料、金属基复合材料等。

表：金属新材料分类及相关上市公司

金属新材料类别/材料应用领域 具体内容 相关上市公司

1、新型合金材料

航空航天材料

先进高温材料、钛及钛合金、C/C 复合材料

钢研高纳、宝钛股份、博威合金、西部材料、博云新材、安泰科技

轨道交通材料

高速动车专用铝合金、动车组刹车片、轨道

利源铝业、博深工具、南山铝业、交通减震垫板、铁路车配件

中鼎股份、时代新材

汽车轻量化材料

镁及镁合金、铝及铝合金(汽车型材)

亚太科技、云海金属、宝钛股份

2、稀土功能材料

稀土发光材料

稀土三基色荧光粉

包钢稀土、厦门钨业

稀土

永

磁

材

料

钕

铁

硼

永

磁

合金

广晟有色、中科三环、横店东磁、正海磁材、江粉磁材、太原刚玉

稀土储氢材料

稀土LaNi5 型金属间化合物具有很强的吸氢

能力，用稀土储氢合金粉为负极的稀土镍氢

科力远

电池(Ni-MH)

3、信息功能材料

信息存储材料

高纯稀有金属及靶材、大规格钼电极、高品

厦门钨业、章源钨业、金钼股份、质钼丝、高精度钨窄带、大规格钨钼板材

东方钽业

信息处理材料

半导体材料：电子级多晶硅、砷化镓、碳化

硅、锗等新型半导体材料、铟锡氧化物ITO

贵研铂业、云南锗业

靶材

4、新能源材料

太阳能光伏

碲化镉、铜铟镓硒、铜铟硫等新型薄膜光伏

锡业股份、株冶集团

材料

锂动力电池

高纯碳酸锂、金属锂

天齐锂业、赣锋锂业

5、医用金属材料

医用钛及其合金

钛及钛合金、钴铬钼合金

宝钛股份

医用钴及其合金

钴铬合金

6、国防军工材料

核级锆、核辐射改性新材料

沃尔核材、东方锆业

我国到2020 年金属材料发展目标是：金属材料人均用量到世界平均水平，高品质金属材料基本实现自主供给，冶金行业节能减排和生产效率达到国际领先水平，大型和超大型基 金材料结构件实现自主生产，有自行设计工艺流程和制造重大装备的能力，基本满足国家重大工程建设、国家安全、信息化社会建设、高端装备制造、交通运输等的 需求，企业创新能力得到大幅提升，基础研究水平和新材料新工艺研发能力接近世界发达国家水平。

2．航空航天材料

在航空航天领域，由于大型客机和航天飞行器对自身结构材料和功能材料具有很高的性能要求，主要性能要求包括：高比强度、高比模量、耐高温、良好的断裂韧 性、抗疲劳及耐腐蚀。大型飞机制造技术发展通常伴随着结构材料的发展，第一代飞机是以木头和布作材料；第二代飞机用钢和铝合金作材料；第三代飞机增加了更 多的钛合金材料；第四代飞机则添进大量的复合材料，这些复合材料比钢铁轻得多，但强度却比钢铁高得多。目前全球大型飞机的材料主要还是以铝合金、钛合金以 及碳纤维复合材料为主，不同类型的飞机对材料需求不同，各种类型的材料使用比例通常会有较大的差别。通常在民用客机使用的铝合金比例较大，而军用飞机钛合 金的使用比例较高。目前最先进的波音787“梦想”飞机是目前惟一的飞机结构以复合材料为主的大型民用客机。

2.1 先进铝合金

先进铝合金由于具有高比模量、抗疲劳以及耐腐蚀等性能，是航空工业中的主要结构材料。在民用和军用飞机结构材料中，铝合金材料的用量比例一般在20%~80%。如代表先进水平的B-777 飞机中铝合金的用量为70%，在A-380 中为60%，C-17 军用运输机中铝合金的用量为70%。近年来，由于复合材料和钛合金的用量增加，最

新设计的飞机中铝合金的用量相对减少，但高纯、高强、高韧、耐蚀的高性能铝合金用量却在增加。

2.2 先进钛合金材料

钛合金具有密度小、强度高、耐度高、耐高温和抗腐蚀性好等优点，在航空航天和军事领域中获得了广泛的应用，包括军用和民用飞机、航空发动机、导弹、舰艇等。美国在20 世纪80 年代以后设计的各种先进军用战斗机中，钛合金的用量一般在20%以上，第三代战斗机F-15 钛合金用量占27%。近年来所开发出的航空航天用新型钛合金主要有高强高韧合金、高温钛合金和阻燃钛合金。

2.3 炭/炭复合材料

C/C 复合材料即为炭纤维增强基复合材料，是以炭或者石墨纤维为增强体，炭或石墨为基体复合而成的材料。它具有耐高温、导热性好、抗热冲击、烧蚀率低、高温下高 强度、一定的化学惰性等特殊性能。炭/炭复合材料的发展主要受宇航工业发展的影响，因为他具有高烧蚀热、低烧蚀率、超热环境下的高强度等优点，被认为是航 天环境中高性能的烧蚀材料。炭/炭复合材料还具有优异的耐摩擦性能和高导热率，使其在飞机、汽车刹车片和轴承等方面得到应用。

目前用于军用飞机和大型超音速客运飞机的刹车片都是C/C 复合材料。飞机使用C/C复合材料刹车片后，其刹车系统比钢刹车装臵减轻重量约680kg。飞机质量的减轻可以提高飞机的加速性和燃油经济性。C/C 刹车片不仅质量轻，而且特别耐磨、操作平稳，当紧急刹车时C/C 刹车片能够经受住摩擦产生的高温。

表：航空航天材料相关上市公司分类 所属领域

公司名称

主营业务

先进高温材料

钢研高纳

公司定位于中国“先进高温材料”技术的引领者与产业升级的推动者，主要

从事航空航天材料中高温材料的研发、生产，为国内先进航空发动机研制了

GH4169、GH901等合金涡轮盘。

铜合金、钛合金

博威合金

公司主要生产有色合金材料、高温超导材料、铜合金制品、不锈钢制品、钛

金属制品的制造加工，产品广泛应用于电子通讯、航天军工、船舶机械、精

密模具等行业。钛及钛合金

宝钛股份

公司是中国最大的钛及钛合金生产企业，国家高新技术企业。公司专业从事

钛加工业务，产量占全国总量的40%左右。公司钛材产品广泛应用在化工、建

筑、航空航天、舰船、医疗等领域。

西部材料

公司是陕西省正在打造的国家级新材料产业基地和西部钛谷的核心企业，公

司控股子公司西部钛业，拥有年产5000 吨的钛熔炼能力，公司致力于打造完

整的钛材产业链。C/C 复合材料

博云新材 C/C 复合材料应用领域包括：C/C 飞机刹车副、航天发动机的喷管等热构件。

公司的C/C 复合材料产品已应用在波音－757 系列、多种军用飞机以及多种

型号火箭上；公司的粉末冶金复合材料产品已应用在波音－737 系列、图－

154 和多种军用飞机上。

2.4 中国航空业步入高速增长，带动航空材料产业腾飞

全球经济的持续增长带动了航空运输业的长期发展。未来20 年，预计全球GDP 年均增长率为3.71%，全球航空旅客周转量(RPKs)的年均增长率为5.2%。其中，中国的GDP 年均增长率为5.87%，中国的航空旅客周转量年均增长率为7.7%，高于全球平均水平。中国经济的长期强劲增长推动力航空运输需求的增长，政府建设“民

航强国”的决心和对航空基础设施的规划建使得航空运输业前景无限。

我国已启动大飞机的发展计划，结构材料以铝合金材料为主。据预测，我国客机在未来10 年每年将需要单通道飞机100 多架；对100~125 座级和210 座级的单通道飞机需求将超过300 架；150~175 座级单通道飞机超过1000 架。为了形成我国大客机特色和竞争优势，必须发展高性能的铝合金材料，包括2000 系(Al-Cu)，7000 系(Al-Zn-Mg-Cu)、6000 系(Al-Mg-Si)及铝锂(Al-Li)合金。

预计随着我国城市化进程的不断提高,居民收入水平也将不断提升,中国将成为世界增长最快、最具发展潜力的航空市场。根据中国商飞公司的测算，中国航空客流量将以每年7.7%的速度增长，未来20 年，中国总计需要新增飞机3997 架。随着国产大飞机计划的推进，以及我国航空材料制造业的不断发展，航空材料国产化率会稳步提升，2010~2019 年是我国新增客机需求增长最快的时期，在此期间航空合金材料的年均增长率保持10%左右，因此相关上市公司也会受益行业高增长带来的发展机会。

2.5 航空航天材料重点公司推荐——宝钛股份、博云新材、钢研高纳

宝钛股份(600456)：公司已与波音、空壳等国家航空巨头建立了稳定的战略合作关系，而且公司主要为A380 和B787 等新机型提供钛材，新机型对钛材的需求量较大，其中每架A380 和B787 用量分别为138 吨和112 吨，远高于A320 和B737 的15 吨和20 吨。如果国产大飞机投产，公司凭借在航空钛材料方面的技术领先优势，将充分享受行业增长带来的业绩增长。

博云新材(002297)：公司核心产品飞机刹车副、航天用炭/炭复合材料、汽车刹车片都处于业内领先水平，公司前两种产品毛利率保持在45%以上。公司与霍尼韦尔联合竞标取得中国商飞C919 大型客机机轮、轮胎和刹车系统独家供应商资格，双方将通过成立合资公司来承担飞机机轮刹车系统的设计、研发以及部件制造、系统总装。公司作为航天用炭/炭复合材料的领导者，看好公司未来业绩表现。

钢研高纳(300034)：公司核心产品高温合金材料是制造航空航天发动机热端部件的关键材料，其用量在总重量的45%左右，中国航空领域的耐高温材料年需求量约为5000 吨，随着未来航空耐高温市场的增长和进口替代，预计该领域年均复合增长将保持在20%左右，公司目前仅有920 吨的铸造高温合金产能和25 吨的新型高温合金产能，产能限制已经成为公司业绩增长的瓶颈，未来随着募投项目的逐步达产公司业绩将高速增长。

3．轨道交通专用金属材料

3.1 中国高铁、城市轨道交通迎来爆发式增长期

轨道交通是我国大力发展的重大工程项目，主要包括城市轨道交通和全国铁路交通，面对我国人口多、资源少及城市化趋势加快，发展轨道交通对全面建设小康性社会，提高和改善人民生活都有重要意义。“十二五”期间，我国将迎来高速铁路交通的大发展时期。2004 年1 月，国务院批准了中国铁路历史上第一个《中长期铁路网规划》。2008 年又根据新的形势和发展需求对《中长期铁路网规划》进行相应调整，形成了《中长期铁路网规划(2008 年调整)》。根据规划内容，到2020 年，全国铁路营运里程达到12 万公里以上，复线率和电化率分别达到50%和60%以上，主要繁忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、衔接顺畅的铁路网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。

高速重载铁路交通材料主要包括，高速列车车体材料和高速铁路轨道建设材料，其中高速列车车体材料主要包括以下六个方面的材料：列车车体材料和内饰材料、高速转向架构架材料、轮-轨系统材料、高速弓网系统材料、制动摩擦系统材料、减振、降噪材料。

目前国外高速列车车体主要用的铝合金和不锈钢，不锈钢主要用镍铬奥氏体不锈钢，由于其耐高温蚀性和美观的特点，在日本、美国应用较多，在保证强度和刚度前提下，如梁、柱等骨架的板厚由普通钢的3.2~6.0mm 减至1.0~1.5mm,可减重40%左右。20 世纪60 年代，日本率先研制出不锈钢车辆，其轻量、节能、不需涂装，产生了显著的经济效益。不锈钢车体由于不易解决车体气密性问题，只用于制造200km/h 速度级的车体及车内承载和装饰件。法国TGV 高速列车骨架和车底架梁采用优质不锈钢，再通过轻量化设计，重量进一步减轻。铝合金比强度高，特别是大型空心薄壁铝材轧制技术的完善，使铝合金成为目前高速列车最理想的材料，欧洲以及日本应用较多。与钢车体相比，减重45%~50%，是车体使用寿命延长10 以上。

5000 系(Al-Mg)和6000 系(Al-Mg-Si)及一些2000 系、7000 系铝合金都可用于铁路车辆的建造，特别是一些新的连接技术，具有节能、减重和一体化结构等显著优点，因而铝合金材料在轨道交通领域的应用将持续增长。相关上市公司将明显受益行业市场空间增长带来的业绩提升。

表：高铁专用金属材料相关上市公司

所属领域

公司名称 主营业务

铝合金(轨道型材)

利源铝业

公司是国内领先的铝合金型材生产厂商，主要从事各种铝合金型材产品的

开发、生产。公司设备技术先进，大部分设备从国外进口，在熔铸、挤压、表面处理各个环节均具有国际先进水平。公司拥有的客户包括：英利汽车、长春轨道客车公司、山东泰开集团，辽宁远大集团。

动车组刹车片

博深工具

公司基于在金刚石工具及冶金粉末材料领域的领先优势，公司多年前已经

开始了动车组刹车片研究，已研发出了动车组刹车片并通过了试验环境验

证，目前只待铁道部的上车试验。动车组刹车片是耗材，毛利率高，预计

动车组刹车片2012 年和2015 年市场容量分别为37 亿和70 亿左右。高速动车专用铝合金

南山铝业

公司是轨道交通车辆型材市场的龙头企业，公司已与中国北车集团签定新

一代高速动车组技术协议，承接350km/h 动车组用74 个断面铝合金型材

研发试制，目前开模已经完成，正在处于试制阶段，成功后将进入批量生

产。高铁和城市轨道交通

中鼎股份

公司耗资4200 万突入高铁领域。公司全资子公司天津天拓铁路橡胶制品有

减震垫板

限公司则专业生产高铁和城市轨道交通减震橡胶垫板。

铁路车配件、铁路线

时代新材

公司的主导产品包括：铁路车配件、铁路线路配件和风电产品三类。主营

路配件

产品包括抗震减噪弹性元件、高分子复合材料、电磁线(主要为铁路机车

车辆和风机配套)、特种涂料及新型绝缘材料、复合材料制品等，主要应

用于轨道交通线路车辆以及风力发电领域。

高速铁路的建设带来了对动车组的巨大需求。目前中国铁路客运专线动车组采用的CRHI、CRH2、CRH3、CRH5 四种类型中,除CRHI 型车体采用的是不锈钢材外,其余3 种动车组车体均为铝合金材质。每辆动车用铝型材8～9 吨、铝板材1.5 吨。按此推算,中国2010～2012 年动车组车体就需铝型材7 万吨、铝板材1.2 万吨。随着城际客运系统的建设及高铁网络向国外的不断延伸,动车组铝材的需求将不断增加。

除动车组外，我国很多个城市正在新建和扩建地铁或轻轨，预计全国城市轨道线路总长8000Km,轨道列车的需求量预测在5000~6000 辆，其列车箱体大量采用铝合金材料，因此对铝合金型材尤其是大规格高性能铝材需求量也将快速增长，市场空间巨大。

随着我国高速铁路和城市轨道交通建设的加速，轨道交通用的铝合金材料、金属基复合材料以及C/C 复合材料将迎来高速增长时期，其中轨道交通用铝合金材料将保持年均25%~30%的增速，总需求量将在2016 年达到30.77 万吨。金属基复合材料和C/C 复合材料将保持年均30%以上的增速，总需求量将从目前的10 万吨左右增长到2014 年的25 万吨。

3.2 轨道交通材料重点公司推荐——南山铝业、博深工具、中鼎股份

南山铝业(600219)：目前公司轨道交通用铝型材产能为2 万吨，募投项目22 万吨“轨道交通新型合金生产项目”将继续加大公司在轨道交通领域的产能扩张。为了充分利用美国的市场和技术经验，公司将募投项目中约4 万吨产能在美国生产，项目预计于2012 年底建成，届时公司业绩将显著提升。

博深工具(002282)：公司多年前已经开始了动车组刹车片研究，已研发出了动车组刹车片并通过了试验环境验证，目前只待铁道部的上车试验。动车组刹车片是耗材，毛利率高，预计动车组刹车片2012 年和2015 年市场容量分别为37 亿和70 亿左右，公司在技术上处于领先地位，将充分享受动车组刹车片市场高速增长带来的业绩提升。

中鼎股份(000887)：公司将以1000 万元的价格，受让天津飞龙橡胶制品公司50%股权。天津飞龙是铁道部指定供货商，并参加了高铁和城市轨道交通相关行业标准的制定。天津飞龙全资子公司天津天拓是专业生产高铁和城市轨道交通用减震橡胶垫板，目前，天津飞龙已经与铁道部签订了价值4303.13 万元的高铁的订单，预计未来2~3 年，公司高铁业务将保持年均25%的高速增长。

4．汽车轻量化材料

近年来我国石油消费中汽车燃油的消费迅速增长，以2010 年为例，汽车用燃油消耗占国内石油消耗总量的29%，其中车用汽油占汽油总消耗量的86.4%，车用柴油占柴油总消耗量的38.5%(其中农用车对柴油消耗达到11%)。另一方面，按2005 年美国环保局(EPA)的数据，各个产业的温室气体排放情况中交通运输业的温室气体排放量仅次于电力工业，这些数据表明，汽车工业节能减排对于一个国家的能源供应、环境保护、乃至于国家安全都具有重要的意义。

汽车轻量化是现实汽车工业节能减排的有效手段，研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量就可以有效降低油耗以及排放。目前，大量的研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%。美国在欧洲全顺车的实验室表明,在满足欧IV 标准条件下,每百公里耗油Y 与自重X 满足以下关系Y =0.003X+3.3。

对商用汽车的研究表明，汽车质量每减少1000kg,油耗可降低6%~7%。于此同时，油耗的下降，意味着二氧化碳以及氮氧化物等有害气体排放量的下降。对于新能源汽车，如混合动力汽车由于增加了混合动力系统装臵而增加了车重，更加需要在混合动力汽车中实现轻量化，来减少油耗和降低制造费用。

汽车轻量化是在保证汽车功能(包括：被动安全的碰撞性能；与汽车振动和行驶稳定性相关的车身刚度；与汽车运动声学和舒适性相关的NVH 特性等；与汽车使用期限和寿命相关的振动稳定性)的前提下，汽车自重量的下降。汽车轻量化设计要求采用高强度轻量化材料选择和应用的欲望和需求。汽车轻量 化设计和轻量化的概念应从以下三个方面来阐明：首先是对于已有的功能可满足要求的汽车，轻量化的设计是降低重量而保持原功能不变；现有功能尚不能全部满足 要求的汽车，轻量化设计室完善功能而保持汽车重量不变；再次是汽车轻量化设计既要提高改进性能，同时也使汽车减重。

在汽车轻量化设计和轻量化工程实施中，轻量化材料和先进成形技术具有十分重要的地位，轻量化材料产业是汽车轻量化实施和发展的前提。轻量化的设计而又保证 高性能的要求给设计师提出了对高强度轻量化材料选择和应用的欲望和需求。汽车工业生产上的这种需求，导致汽车轻量化材料产业的迅速发展。在汽车中，常用的 轻量化材料与汽车用材的构成密切相关，通常家庭乘用车用材料构成为：钢54%，铸铁10%，塑料8%，铝合金8%，镁合金1%，橡胶玻璃7%，其他 12%。在这些构成汽车的主要材料中，钢、塑料、铝合金、镁合金这四种基本的材料是汽车轻量化材料的首选。

4.1 铝合金材料将成为汽车轻量化的首选材料

铝合金的密度只有2.68g/cm3,仅为钢的30%，在等弯曲刚度的条件下，铝对钢的厚度比是1.43，在等弯曲刚度的条件下，铝的减重的潜力是49%，在等弯曲强度的情况下，铝对钢减重的潜力是3%。根据Alcoa 的数据，汽车中典型的铝质零件的一次减重效果可达30%~40%，二次减重可进一步提高到50%；每使用1kg 铝，可使轿车寿命周期中减少20kg 的尾气排放；在发动机中用铝合金代替铸铁，其减重效果达50%，每应用1kg 铝，则可使轿车寿命周期中减少22kg 的CO2 排放量。

铝合金是既提升汽车性能又是满足某些法规要求的轻量化材料，近些年来，铝合金在汽车上的用量不断增加，用作发动机、热交换器、涡轮增压器、变速箱体、车轮 以及车声等部件。铝合金板的冲压性能已经接近或在某些方面超过了钢板，因此可替代钢板来制备汽车车身板。铝合金的应用可起到很好的减重效果，如采用铝合金 冲制汽车车身，质量可以降低约10%。

欧美等发达国家汽车工业发达，非常重视汽车节能和环保，铝合金在汽车轻量化方面的使用量和比例逐年提高，例如：德国奥迪A8 首创了ASF 铝合金空间桁架车身轻量化技术，成为世界上首辆全铝合金车身的产量型轿车，其采用ASF 铝合金空间桁架车身结构，其整体结构刚性则提升25％，但车辆结构因大量采用铝合金材质而节省6.5 公斤。ASF 组件大多以铝制成，不仅帮助奥迪减轻车身重量，也保证了良好的吸能和制动的效果。与此同时，这些铝制零件还可以大规模回收再利用。

对于欧美等汽车工业发达国家，铝合金材料已经成为汽车轻量化的主要材料。以欧洲为例，1971 年平均每辆汽车的铝用量为34kg,到2001 年则达到112kg,2005 年为130Kg,目前已经达到150kg 左右。据Ducker worldwide 预测，到2015 年，欧洲主要国家平均每辆汽车铝使用量将增长至180kg, 铝材料占整部汽车的重量也将由目前的9%提高到12%。

中国汽车铝合金使用比例较低，2010 年中国平均每年汽车铝使用量为99kg,低于全球平均112kg 的使用量，比欧洲、北美发达国家汽车用铝量差距则更大。

2011—2015 年，随着中国汽车工业水平的不断提升，汽车工业节能减排的深入，中国汽车单车铝材料用量将以每年10%~12%的速度增长，到2015 年中国汽车用铝量将从目前的190 万吨增长至314 万吨，市场增长潜力巨大。

4.2 镁合金是有发展前景的汽车轻量化材料

镁合金重量比钢和铝合金轻，强度高于铝合金和钢，刚度接近铝合金，具有良好的铸造性和稳定性，可在一定程度上替代传统的钢和铝合金材料。镁的密度为 1.74g/cm3,是最轻的金属结构材料之一；镁合金代替某些钢铁材料可以有效地减轻汽车的重量，如以刚度为设计准则的材料。在等弯曲刚度条件下，采用 镁代替钢可以减重61%，在等弯曲强度条件下，镁代替钢可减重74%，每使用1kg 镁，可使轿车寿命期减少30kg 尾气排放(和铝的比对值)；镁还是绿色环保材料，可循环回收。镁合金是具有广泛发展前景的汽车轻量化的结构材料。

上世纪20 年代，德国最先把镁合金应用于汽车制造业，此后欧美汽车制造企业纷纷应用镁合金零部件，主要用于生产汽车坐椅、轮圈、前端、转向盘、踏板托架、油箱门等。目前，北美汽车生产厂家每辆汽车用镁量为1.5~3.5kg,但镁在汽车中的应用增长很快，某些车型已达到将近10kg；美国福特汽车公司已经先行一步，在澳大利亚购买了镁的矿产开采权，为镁合金的扩大应用做准备。

国外对镁合金在汽车上的应用十分重视，2004 年6 月，美国、加拿大的相关机构和公司共同设立了一项汽车用的镁合金中长期研究计划。2006 年12 月，北美汽车研究联盟(USCAR)发布的《2020 年北美汽车用镁合金及轻量化战略展望》报告。根据报告中的规划，到2020 年，北美乘用车用镁量将会达到160kg/辆，届时镁将会成为第二大汽车材料，在乘用车中材料重量的比例将从目前的0.3%增加到12%。

我国在汽车镁合金应用领域起步较晚，目前平均每辆汽车的镁使用量在0.8~1kg 之间，但是随着我国镁工业和汽车工业的快速发展，镁合金这一高强度轻型金属材料的应用正在加快，目前长安、一汽集团、东风、奇瑞、吉利、隆鑫等汽摩企业已开发出数十种镁合金部件，并在具有自主知识产权的汽车上装车运行，效果显著。

2011—2015 年，随着镁合金在汽车工业应该的不断深入，全球汽车镁合金需求都将

保持15%以上的增速，中国镁合金轻量化产业起步较晚，增长潜力更大。未来5 年中国汽车镁合金材料平均用量将以每年50%以上的速度增长，到2015 年中国汽车用镁合金用量将从目前的1.6 万吨增长至68 万吨，市场增长潜力巨大。

4.3 汽车轻量化材料重点推荐——亚太科技、云海金属

亚太科技(002540)：公司是A 股市场中仅有的一家专注于汽车高端铝挤压材业务的上市公司，其产品包括：管材、型材和棒材，主要应用于汽车中的热交换系统、悬挂系统及制动系统。目前，公司铝挤压材产能约为4.2 万吨，公司产能利用率已经达到120%，公司产品供不应求，现阶段公司正在加紧建设5.7 万吨铝挤压材项目(募投项目)，预计2012 年能够达产，届时总产能将达9.9 万吨。随着募投项目的达产，公司将迅速跨越产能瓶颈，盈利能力迅速提升。

云海金属(002182)：公司是全球规模最大的镁合金专业生产企业，公司镁合金产销量居全国第一。公司拥有的镁合金产能约为9 万吨，铝合金产能13 万吨，不仅如此，在建产能幅度超过现有规模的一倍以上，其中镁合金在建产能约为10 万吨，铝合金在建产能15 万吨。预计新增产能将于2012 年达产，公司镁合金、铝合金产能将得到迅速提升。于此同时，公司为保障满足产能扩大带来的原材料需求，分别在山西、安徽取得了两个镁矿采矿权，进一步向上游产业链延伸。看好公司未来的业绩增长。

5．投资策略

看好航空航天材料、轨道交通材料及汽车轻量化材料相关的上市公司。

(1)航空航天材料——先进钛合金、铝合金、炭/炭复合材料

国产大飞机计划加快推进，航空材料国产化率会稳步提升，2010~2019 年是我国新增客机需求增长最快的时期，在此期间航空金属材料的年均增长率保持10%左右，重点推荐宝钛股份、博云新材、钢研高纳。

(2)轨道交通材料——铝合金、金属基复合材料

高速铁路和城市轨道交通建设将迎来建设高峰，轨道交通用的铝合金材料、金属基复合材料以及C/C 复合材料将迎来高速增长期，其中轨道交通用铝合金材料将保持年均25%~30%的增速，重点推荐南山铝业、博深工具、中鼎股份。

(3)汽车轻量化材料——铝合金、镁合金

2011—2015 年，中国汽车单车铝材料用量将以每年10%~12%的速度增长，到2015年中国汽车用铝量将从目前的190 万吨增长至314 万吨，市场增长潜力巨大。重点推荐亚太科技、云海金属。

 行业重点公司盈利预测与评级

简称

EPS(元)

PE

PB

10A

11E

12E 10A

11E

12E

宝

钛

股

份

0.008 0.20 0.56

—

博

云

新材 0.12 0.18 0.29 171

6.6

纳 0.39

业 0.40

具 0.38

技 1.00

属 0.14

钢

0.39 南

0.71 博

0.48 亚

1.12 云

0.21 研

山

深

太

海

112

高

铝

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：奇妙的金属物理性质及合金教学设计

奇妙的金属物理性质及合金教学设计 教学目标

1、知识与技能

（1）认识金属与人类生活和社会发展的密切关系

（2）了解常见金属的物理性质，了解物质的性质与用途的关系（3）认识合金及其特性，知道几种重要的常见合金

2、过程与方法

（1）由学生的生活经验和对实物性质的讨论导入，让学生了解金属常见的物理性质（2）通过对生活中常见的一些金属制品材料选择的讨论及物质的性质在很大程度上决定了物质的用途但不是唯一的决定因素的认识，培养学生分析问题和解决问题的能力。

（3）通过实验比较铝合金和铝片的硬度，焊锡和铅、锡的熔点，认识加入其它金属可以改良金属特性，以及合金具有更广泛的用途。

（4）学习运用比较、分析、归纳等方法对获取的信息进行加工。

3、情感态度与价值观（1）利用日常生活中广泛使用金属材料等具体事例，让学生认识到金属材料和人类文明进步的密切关系。（2）利用考虑金属的用途除了要了解金属性质的基础上还要考虑如价格、资源、是否美观、是否便利以及废料是否易于回收等因素，让学生形成多方位、多角度考虑问题的观念。（3）进一步培养对生活中化学现象的好奇心和探究欲，激发学习化学的兴趣。教学重点

1、金属的物理性质和合金的特性

2、物质性质与用途的关系 教学难点

1、培养学生运用探究方法得出相关结论的能力

2、提高学生综合分析问题的能力 教具准备

教师用具：投影仪、金属制品的图片、铁片、钢片、铝片、铝合金、铜片、黄铜片、焊锡、铅、锡、砂布、烧杯、酒精灯、镊子、火柴等。教学方法

通过多媒体课件展示、学生阅读材料、学生实验等多种形式 课时安排：1课时 教学过程 教师活动：根据生活经验你所知道的金属制品有哪些？你见过那些金属制品？说出他们的元素符号和名称。

学生活动：写出金属的元素符号和名称。

设计意图：让学生感知学习的对象，激发学习的兴趣。小结：其实生活中常见的金属很多，例如：展示金属标本。

展示幻灯片，和学生一起讨论，注意引导学生观察金属的颜色和状态。教师提问：你知道我们在什么地方使用了金属吗？想一想，你会发现我们的生活离不开金属。学生回答完以后，展示幻灯片，提问：图片中的生活日用品都是用哪些金属制成的？ 交流与讨论；性质决定了用途，反过来用途也可以反映性质，请分析屏幕上的金属制品图片，体现了该金属哪些物理性质？

教师活动：展示幻灯片，让学生总结。板书：

一、金属的物理性质

1、大多数的金属是银白色的固体（铜是紫红色，金是黄色）

2、金属的熔点一般较高（汞常温是液态）

3、金属的密度硬度一般较大

4、有导电性和导热性

5、有延展性

教师活动：金属不仅具有以上共性还有各自的特点。

展示幻灯片，常见金属的物理性质和学生讨论交流并提问，投影展示：

1、为什么菜刀、镰刀、剪刀等用铁制而不用铅制？

2、银的导电性比铜好，为什么电线一般用铜制而不用银制？

3、为什么灯泡里的灯丝用钨制而不用锡制？如果用锡制的话，可能会出现什么情况？ 学生分组讨论后汇报交流，请学生起来回答。

教师总结投影展示：物质的用途主要由性质决定，还需要考虑价格、资源、是否美观，使用是否便利，废料是否容易回收利用以及对环境的影响等。练习：以下铁的用途中，涉及了铁的哪些性质？

1、铁锭可以轧成铁板或拉成铁丝。

2、油罐车行驶时罐内石油震荡产生静电，易发生火险，因此车尾有一条拖地的铁链。

讨论：投影展示：用来铸造硬币的金属材料需要具有什么性质？

引导学生从日常生活出发回答：资源丰富，无毒轻便，耐磨耐腐蚀，美观易加工。提问：一毛钱硬币是用铝合金制成的，为什么不用纯铝制造呢？ 设疑：那么，什么是合金？合金的性质与其组分金属有何不同？合金的应用范围怎样？我们常用的合金有哪些？哪些合金最有前途？ 阅读：课本P8的内容

归纳：合金是指由一种金属与其他金属或非金属熔合而成的具有金属特性的物质。比较：合金与组成他们的金属性质有什么不同呢？ 学生分组进行实验6-2 结论：填入课本

过渡：合金的熔点与其组分金属相比，又有何特点呢？下面我们以焊锡为例，进行研究。老师演示实验，学生观察，回答现象。

老师总结：合金和组成成分金属相比较：硬度增大，熔点降低。讲解：合金比纯金属具有更广泛的用途。

幻灯片展示：几种常见合金的主要成分、性能和用途。

过渡：合金在人类生活和生产中具有极为广泛的应用，尤其是科学技术日益发达的今天，新的金属和合金一直在被不断的发展和应用。例如，钛和钛合金就是近30年来引起人们普遍重视和关注的一种新型金属材料。

幻灯片展示：钛合金以及新型金属材料。

总结本节课内容，学生通过本节课的学习可以做一个趣味活动，抢答“金属之最”，本活动目的是引起学生兴趣，巩固之前学习的内容。板书设计：第六章第一节奇妙的金属性质

一、金属的物理性质

1、常温下多数是固体（汞是液体）

2、都有金属光泽

3、具有导电性和导热性

4、具有延展性（可以拉成细丝，可以展成薄片）

5、金属的硬度、密度一般较大，熔点较高。

二、合金

1、合金：由一种金属与其他金属或非金属熔合而成的具有金属特性的物质

2、合金与组成成分相比：硬度增大，熔点降低

第三篇：新型智能材料(形状记忆合金)论文（范文）

铁素体、奥氏体、马氏体

组成铁碳合金的铁具有两种晶格结构：910℃以下为具有体心立方晶格结构的α——铁，910℃以上为具有面心立方晶格结构的Υ——铁。如果碳原子挤到铁的晶格中去，而又不破坏铁所具有的晶格结构，这样的物质称为固溶体。碳溶解到α——铁中形成的固溶体称铁素体。而碳溶解到Υ——铁中形成的固溶体则称奥氏体。奥氏体是铁碳合金的高温相。

钢在高温时所形成的奥氏体，过冷到727℃以下时变成不稳定的过冷奥氏体。如以极大的冷却速度过冷到230℃以下，这时奥氏体中的碳原子已无扩散的可能，奥氏体将直接转变成一种含碳过饱和的α固溶体，称为马氏体。由于含碳量过饱和，引起马氏体强度和硬度提高、塑性降低，脆性增大。

高分子形状记忆合金的发展及趋势

摘要：本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。引言

形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。

二、形状记忆合金的发展史

1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

1938年。当时美国的在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。随后，前苏联对这种行为进行了研究。1951年美国的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中发现了行状记忆效应。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后，Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直至1962年，美国海军机械研究所r发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶断。

1969年，美国一家 公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14 战斗机上；1970年，美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。20世纪7 年代，相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形状记忆合金；80 年代开发出了Fe-Mn-Si 基、不锈钢基等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。从20世纪90 年代至今，高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。

从SMA 的发现至今已有四十余年历史，美国、日本等国家对SMA 的研究和应用开发已较为成熟，同时也较早地实现了SMA 的产业化。我国从上世纪70 年代末才开始对SMA 的研究工作，起步较晚，但起点较高。在材料冶金学方面，特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公认，在应用开发上也有一些独到的成果。但是，由于研究条件的限制，在SMA 的基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定差距，尤其是在SMA 产业化和工程应用方面与国外差距较大。记忆合金主要分为以下几种

（1）单程记忆效应：

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应：

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。（3）全程记忆效应： 加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。

在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。至今为止发现的记忆合金体系

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。

形状记忆合金的历史只有70多年，开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料”，其实用价值相当广泛，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域.二、形状记忆效应的应用

迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:(1)自由回复。

SMA 在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA)将Ti2Ni 合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti 合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。(2)强制回复。

强制回复最成功的例子是SMA 管接头。事先把内径加工成比被接管外径小4 % ,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径回复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧。利用SMA 制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死。本田等人用厚度为015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好。此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。(3)动力装置。

有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用。温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。1997 年美国航空航天局(NASA)的科学家利用长3cm ,直径0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA ,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。挡板的有效开合可起到防尘的目的。(4)精密控制。

因为SMA 的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。俄罗斯St1Petersburg 机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手(115m 长),其手爪能移动200kg的物体。该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型。现有的大肠镜的直径为10～20mm ,这种内窥镜的直径为13mm ,因此它特别适用于作大肠镜。诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图象,一边移动操纵杆给出前端的第1 ,2 节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制,使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减小了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性。随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。(5)超弹性应用。

SMA 的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上的很多产品都应用了SMA 的伪弹性(超弹性)性质。主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti 丝、玩具及塑料眼镜镜框等。Ni2Ti 丝用于娇形上,即使应变量高达10 %也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少。故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感。

三、存在的问题和研究方向

在SMA 的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,例如:(1)由于SMA 的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此SMA 只适用于低频(10Hz 以下)窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。

(2)SMA 自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。

(3)现有的SMA 机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出SMA 的材料行为也是一个需要研究的重要课题;(4)在医学应用方面,还需继续研究SMA 的生物相容性和细胞毒性。

(5)SMA 作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条SMA 自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。

(6)为了提高应用水平,SMA 元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。

SMA 研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:(1)充分发掘、改进和完善现有SMA 的性能;(2)研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究与应用;(4)SMA 智能复合材料的研究与开发;(5)高温SMA 的开发。

四、前景展望

在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。用途：航天领域在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。1)汽车：后雾灯罩、手动变速箱的防噪音装置、燃料蒸发气体排出控制阀；(2)电子设备：电子炉灶换气门的开闭器、空调风向自动调节器、咖啡牛奶沸腾感知器、电饭锅压力调节器、电磁调理器过热感知器、温泉浴池调理器等；(3)安全器具：过热报警器、火灾报警器、烟灰缸灭火栓等；(4)医疗方面：人工牙根、牙齿矫正丝、导线等；(5)生活用品：自动干燥库门开闭器、卫生间洗涤器水管转换开关、空调进出口风向调节器、浴池保温器、玩具、路标方向指示转换器、家庭换气门开闭器、防火挡板、净水器热水防止阀、恒温箱混合水栓温度调节阀、眼镜固定件、眼镜框架、胸罩丝、钓鱼线、便携电话天线、装饰品等。

五、结语

记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观。这些研究表明我们已经做出了一个迈步，但我们需要将这一步迈的更大。加以时日，它将大展宏图、造福于人类。崔海宁.形状记忆合金在建筑领域中的应用[J].山西建筑, 20062 高志刚.形状记忆合金的应用[J].现代制造技术与装备, 20073 吴根华.形状记忆合金及其应用[J].安庆师范学院学报(自然科学版), 20044 周海锋.形状记忆合金及其应用[J].机电设备, 20025 王永前，赵连城.高温形状记忆合金研究进展[J].功能材料, 19956 杨凯,辜承林.形状记忆合金的研究与应用[J].金属功能材料, 2000 7 李建忱，吕晓霞，蒋青，周明.形状记忆合金研究的回顾与前瞻[J].吉林工业大学学报, 1995 8 张红，王小杰，涂水华.形状记忆合金及其应用[J].河南科技, 19969 曹运红.形状记忆合金的发展及其在导弹与航天领域的应用[J].飞航导弹, 200010 肖恩忠.形状记忆合金的应用现状与发展趋势[J].工具技术, 200511 刘建辉, 李宁, 文玉华.形状记忆合金的应用[J].机械,2001 , 28(3): 56～58

第四篇：新型航空材料铝锂合金项目

新型航空材料铝锂合金项目

一、项目名称

新型航空材料铝锂合金项目

二、项目概况

锂是自然界最轻，最活泼的金属元素。把金属锂作为合金元素加到金属铝中，就形成了铝锂合金。加入金属锂之后，可以降低合金的比重，增加刚度，同时仍然保持较高的强度、较好的抗腐蚀性和抗疲劳性以及适宜的延展性。

铝锂合金目前主要用于现代电子工业、有色冶金、航空航天、化学工业、橡胶工业、核工业等领域，是近十几年来航空金属材料中发展最为迅速的一个领域。据了解，目前许多先进的战斗机和民航飞机大都采用了这种合金。我国于94年在国产飞机上装机试用，并通过三年装机考核。铝锂合金的成本大约只是碳纤维增强塑料的1/10。如果采用铝锂合金制造波音飞机，重量可以减轻14.6％，燃料节省5.4％，飞机成本将下降2.1％，每架飞机每年的飞行费用将降低2.2％。

三、市场状况

由于铝锂的应用领域不断拓宽，它的国际市场空间不断拓展。仅据美国铝工业学会预测，21世纪铝锂合金需求量将达60万吨，市场潜力较大，目前市场销售价格为100万元/吨。我国仅有重庆112军工厂生产，年产量为1000吨，远远满足不了现在的市场需求。

四、投资规模

年产1000吨，总投资1.1亿元。

五、合作方式

合作、合资、独资。

第五篇：新型智能材料(形状记忆合金)论文

高分子形状记忆合金的发展及趋势

摘要：本论文主要讨论形状记忆合金相关内容,扼要地叙述了形状记忆合金的发现以及发展历史和分类, 介绍了形状记忆合金在工程中应用的现状以及发展前景。

关键词：形状记忆合金、形状记忆合金效应、应用

一、引言

形状记忆合金(Shape Memory Alloy ,SMA)是指具有一定初始形状的合金在低温下经塑性形变并固定成另一种形状后,通过加热到某一临界温度以上又可恢复成初始形状的一类合金。形状记忆合金具有的能够记住其原始形状的功能称为形状记忆效应(Shape Memory Effect ,SME)。研究表明, 很多合金材料都具有SME ,但只有在形状变化过程中产生较大回复应变和较大形状回复力的,才具有利用价值。到目前为止,应用得最多的是Ni2Ti 合金和铜基合金(CuZnAl 和CuAlNi)。

形状记忆合金作为一种特殊的新型功能材料,是集感知与驱动于一体的智能材料,因其功能独特,可以制作小巧玲珑、高度自动化、性能可靠的元器件而备受瞩目,并获得了广泛应用。

二、形状记忆合金的发展史

1932年,瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度时，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。

1938年。当时美国的在Cu-Zn合金小发现了马氏体的热弹件转变。随后，前苏联对这种行为进行了研究。1951年美国的Chang相Read在Au47·5Cd(％原子)合金中发现了行状记忆效应。这是最早观察到金属形状记忆效应的报道。数年后，Burkhart 在In-Ti 合金中观察到同样的现象。然而在当时，这些现象的发现只被看作是个别材料的特殊现象而未能引起人们足够的兴趣和重视。直至1962年，美国海军机械研究所r发现了Ni-Ti合金中的的形状记忆效应，才开创了“形状记忆”的实用阶断。

1969年，美国一家 公司首次将Ni-Ti合金制成管接头应用于美国F14 战斗机上；1970年，美国将Ti-Ni记忆合金丝制成宇宙飞船用天线。这些应用大大激励了国际上对形状记忆合金的研究与开发。20世纪7 年代，相继开发出了Ni-Ti 基、Cu-Al2-Ni 基和Cu-Zn-Al 基形状记忆合金；80 年代开发出了Fe-Mn-Si 基、不锈钢基等铁基形状记忆合金，由于其成本低廉、加工简便而引起材料工作者的极大兴趣。从20世纪90 年代至今，高温形状记忆合金、宽滞后记忆合金以及记忆合金薄膜等已成为研究热点。

从SMA 的发现至今已有四十余年历史，美国、日本等国家对SMA 的研究和应用开发已较为成熟，同时也较早地实现了SMA 的产业化。我国从上世纪70 年代末才开始对SMA 的研究工作，起步较晚，但起点较高。在材料冶金学方面，特别是实用形状记忆合金的炼制水平已得到国际学术界的公认，在应用开发上也有一些独到的成果。但是，由于研究条件的限制，在SMA 的基础理论和材料科学方面的研究我国与国际先进水平尚有一定差距，尤其是在SMA 产业化和工程应用方面与国外差距较大。

记忆合金主要分为以下几种（1）单程记忆效应：

形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。（2）双程记忆效应：

某些合金加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状，称为双程记忆效应。

（3）全程记忆效应：

加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的低温相形状，称为全程记忆效应。SMA的形状记忆效应源于热弹性马氏体相变，这种马氏体一旦形成，就会随着温度下降而继续生长，如果温度上升它又会减少，以完全相反的过程消失。两项自由能之差作为相变驱动力。两项自由能相等的温度T0称为平衡温度。只有当温度低于平衡温度T0时才会产生马氏体相变，反之，只有当温度高于平衡温度T0时才会发生逆相变。

在SMA中，马氏体相变不仅由温度引起，也可以由应力引起，这种由应力引起的马氏体相变叫做应力诱发马氏体相变，且相变温度同应力呈线性关系。

至今为止发现的记忆合金体系

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。

形状记忆合金的历史只有70多年，开发迄今不过20余年，但由于其在各领域的特效应用，正广为世人所瞩目，被誉为“神奇的功能材料”，其实用价值相当广泛，其应用范围涉及机械、电子、化工、宇航、能源和医疗等许多领域。

二、形状记忆效应的应用

迄今为止,形状记忆合金在空间技术、医疗器械、机械器具、电子设备、能源开发、汽车工业及日常生活各方面都得到了广泛的应用,总的来说,按使用特性的不同,可归纳为下面几类:

(1)自由回复。

SMA 在马氏体相时产生塑性形变,温度升高自由回复到记忆的形状。自由回复的典型例子是人造卫星的天线和血栓过滤器。美国航空航天局(NASA)将Ti2Ni 合金板或棒卷成竹笋状或旋涡状发条,收缩后安装在卫星内。发射卫星并进入轨道后,利用加热器或太阳能加热天线,使之向宇宙空间撑开。血栓过滤器把Ni2Ti 合金记忆成网状,低温下拉直,通过导管插入静脉腔,经体温加热后,形状变为网状,可以阻止凝血块流动。有人设想,利用形状记忆合金制作宇宙空间站的可展机构,即以小体积发射,于空间展开成所需的形状,这是很有吸引力的机构。

(2)强制回复。

强制回复最成功的例子是SMA 管接头。事先把内径加工成比被接管外径小4 % ,当进行连接操作时,首先把管接头浸泡在液态空气中,在低温保温状态下扩径后,把被接管从两端插入,升高温度,内径回复到扩径前的状态,把被接管牢牢箍紧。利用SMA 制作的脑动脉瘤夹可夹住动脉瘤根部,防止血液流入,使动脉瘤缺血坏死。本田等人用厚度为015mm 的Ti2Ni 板制作的Ag2TiNi 复合夹满足小而轻、装卸简便等要求,效果良好。此外,类似的用途还有电源连接器、自紧固螺钉、自紧固夹板、固定销、密封垫圈、接骨板和脊柱侧弯娇形哈伦顿棒等。

(3)动力装置。

有些应用领域,要求形状记忆元件在多次循环往复运动中对外产生力的作用。温度继电器和温度保持器、自动干燥箱、电子灶、热机、卫星仪器舱窗门自动启闭、自动火警警报器、热敏阀门、液氨泄漏探测器、煤气安全阀、通风管道紧急启动闸门、自动收进烟头的烟灰盒及人工心脏等都属于这种应用类型。1997 年美国航空航天局(NASA)的科学家利用长3cm ,直径0115mm(01006″)的Ni-Ti SMA 驱动火星探测器上的太阳能电池挡板,加热SMA ,使其收缩,通过传动装置,打开太阳能电池上的玻璃挡板,电池充电。充电结束后,偏置弹簧重新使挡板复位。挡板的有效开合可起到防尘的目的。

(4)精密控制。

因为SMA 的相变发生在一定温度范围而不是某一固定温度点,我们往往只利用一部分形状回复,使机械装置定位于指定的位姿。微型机器人、昆虫型生物机械、机器人手抓及微型调节器、笔尖记录器及医用内窥镜都属于这一类。形状记忆合金用作机器智能人的执行器,集传感、控制、换能、制动于一身,具有仿真性好、控制灵活、动作柔顺、无振动噪声、易于结构微型集成化等优点。日本的日立公司已研制出具有13个自由度的能拣取鸡蛋的机器人。俄罗斯St1Petersburg 机器人及控制技术学院在Cu-Al-Ni 基合金材料的研究基础上,研制出了拟人机械手(115m 长),其手爪能移动200kg的物体。该研究小组还给出了手爪的精确控制系统。医学上用到的具有多自由度能弯曲转入肠道内诊断疾病,进行手术的机器人也属于这一类型。现有的大肠镜的直径为10～20mm ,这种内窥镜的直径为13mm ,因此它特别适用于作大肠镜。诊断过程中,医生一边看纤维镜中的图象,一边移动操纵杆给出前端的第1 ,2 节弯曲角指令和内窥镜前进、后退指令,通过计算机进行柔性控制,使内窥镜能够平滑地沿着通路前进或后退,大大减小了患者的痛苦,也增加了诊断的准确性。随着目前超大规模集成电路技术的飞速发展,可进一步制成微米级甚至更小的超微仿生物。

(5)超弹性应用。

SMA 的伪弹性在医学上和日常生活中得到了广泛的应用,市场上的很多产品都应用了SMA 的伪弹性(超弹性)性质。主要有牙齿娇形丝、人工关节用自固定杆、接骨用超弹性Ni2Ti 丝、玩具及塑料眼镜镜框等。Ni2Ti 丝用于娇形上,即使应变量高达10 %也不会产生塑性变形,而且应力诱发马氏体相变的过程中,应变增大较多时矫正力却增加很少。故能保持适宜的矫正力,既可保证疗效,也可减轻患者的不适感。

三、存在的问题和研究方向

在SMA 的研究和应用中,目前尚存在许多有待解决的问题,例如:(1)由于SMA 的各种功能均依赖于马氏体相变,需要不断对其加热、冷却及加载、卸载,且材料变化具有迟滞性,因此SMA 只适用于低频(10Hz 以下)窄带振动中,这就大大限制了材料的应用。

(2)SMA 自身存在损伤和裂纹等缺陷,如何克服这些缺陷,改善材料性能是当前迫切需要解决的问题。

(3)现有的SMA 机构模型在实际工程应用中都还存在一些缺陷,如何克服这些缺点,从而精确地模拟出SMA 的材料行为也是一个需要研究的重要课题;(4)在医学应用方面,还需继续研究SMA 的生物相容性和细胞毒性。(5)SMA 作为一种新型功能材料,其加工和制备工艺较难控制,目前还没有形成一条SMA 自动生产线,此外材料成本也相当昂贵。

(6)为了提高应用水平,SMA 元器件还需要进一步微型化,提高反应速度和控制精度,在这方面仍有许多工作要做。

SMA 研究今后的发展方向和趋势可归纳为以下几方面:(1)充分发掘、改进和完善现有SMA 的性能;(2)研究开发新的具有形状记忆效应的合金材料;(3)SMA 薄膜的研究与应用;(4)SMA 智能复合材料的研究与开发;(5)高温SMA 的开发。

四、前景展望

在形状记忆合金的实用化进程中,急需积累并分析关于材料特性、功能可靠性、生物相容性和细胞毒性等方面的基础数据资料。可以预言,随着对SMA 研究的进一步深化,传统的机电一体化系统完全有可能发展成为材料电子一体化系统。

五、结语

记忆合金目前已发展到几十种，在航空、军事、工业、农业、医疗等领域有着用途，而且发展趋势十分可观。这些研究表明我们已经做出了一个迈步，但我们需要将这一步迈的更大。加以时日，它将大展宏图、造福于人类。

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