摘要

我國基礎材料產業規模不斷壯大，百余種基礎材料產量已達世界第一，但是大而不強的局面亟待改變。因此，目前迫切需要發展高性能、差別化、功能化的先進基礎材料。本期將基于國家發布的有關路線圖，梳理我國先進基礎材料的發展重點，通過已批量產業化及初步市場化的材料類別，一窺先進基礎材料未來升級迭代的方向。

01 先進基礎材料發展重點

《中國制造2025》中明確要加快基礎材料升級換代，其中列明的先進基礎材料領域發展重點及發展方向主要包括先進鋼鐵材料、先進有色金屬材料、先進石化材料、先進建筑材料、先進輕工材料及先進紡織材料等。

表1：先進基礎材料領域發展重點及發展方向（資料來源：中國制造2025重點領域技術路線圖）

上述先進基礎材料領域發展重點旨在創新研發出運輸、能源動力、海工、建筑等多應用場景所需的高穩定、長壽命、節能環保產品，以及筑牢自主知識產權根基并實現規模應用。

02 先進基礎材料首批次應用

工業和信息化部發布《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2024年版）》（以下簡稱“《目錄》”）中，進一步細化了先進材料的重點發展內容以及各類材料的性能要求，從產業化、市場化角度篩選出取得重大創新突破，且已實現批量產業化，首次進入市場階段，用戶使用存在顧慮，未取得市場化業績的先進材料產品，結合產業發展實際，傾斜支持符合標準的先進材料產品。

圖1：《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2024年版）》部分示例（資料來源：工業和信息化部）

《目錄》主要涉及先進基礎材料中先進鋼鐵材料、先進有色金屬、先進化工材料、先進無機非金屬材料四大類，對共計159種材料提出性能要求，引導材料研發方向。

表2：《目錄》先進基礎材料一覽（資料來源：工業和信息化部）

《目錄》中先進基礎材料分類依據相較于《中國制造2025》來說，更多聚焦于材料本身的化學屬性，體現在《目錄》將先進建筑材料、先進輕工材料和先進紡織材料整合為先進無機非金屬材料大類，而非根據建筑、輕工等應用場景分類。

從材料化學屬性來看，鋼鐵材料和有色金屬材料屬于金屬材料，化工材料主要包括有機高分子材料，無機非金屬材料是除有機高分子材料和金屬材料以外的所有材料的統稱，種類繁多且復雜。下文依據《目錄》的材料分類展開探討。

03 先進基礎材料技術趨勢

作為一個集合概念，先進基礎材料的技術趨勢也不能一概而論。先進金屬類材料升級迭代主要聚焦在力學、物理、化學、加工工藝性能四個方面；先進化工材料的研發，除了提升各種材料使用壽命、密度、柔韌性等自身性能，統一導向是發展綠色低碳的生產技術和材料產品；先進無機非金屬材料的創新方向，一是材料復合化，二是提高材料純度。

（一）金屬類

鋼鐵和常用有色金屬是傳統金屬材料，在現代工業中的重要性不言而喻。鋼鐵是鐵與碳、硅、錳、磷、硫以及少量的其他元素所組成的合金。它是工程技術中最重要、最主要，也是用量最大的金屬材料。先進鋼鐵材料是指在環境性、經濟性、資源性的約束下，采用綠色化、智能化及定制化生產制備技術，生產具有高潔凈度、高均勻度、超細晶粒特征的鋼材，強度和韌度及使用壽命比傳統鋼材有很大提高。有色金屬又稱非鐵金屬，是鐵、錳、鉻以外的所有金屬的統稱，是經濟社會發展的基礎性材料，是國防軍工和新科技革命的戰略性材料。先進有色金屬主要指高強高韌，耐火、耐蝕、耐候，高精度，高硬度的合金材料，生產方式由原本高耗能生產向綠色、低碳轉變。《目錄》對各種金屬類材料的性能要求主要集中在不同環境下的拉伸強度、屈服強度、延伸率、化學純度、燃點等特性，綜合來看，金屬材料的升級迭代主要聚焦于力學、物理、化學、加工工藝性能四個方面。

圖3：金屬材料性能及釋義（資料來源：公開資料整理）

在更高性能需求推動下，具備突出特性的先進材料產品、關鍵工藝及應用技術不斷涌現，下文從四種性能角度出發，以最具有代表性的先進金屬材料為例，介紹金屬性能的提升方向以及技術趨勢。

1、力學性能：以 1000MPa 級高強度水電鋼板為例

基于高寒地區或高水頭大型水電工程的需求，水電用鋼向著大型化、高強化、綠色化、節能化的方向發展，1000MPa 級高強度水電鋼板良好解決了800MPa 級鋼板原有的過厚致使卷板、焊接難等一系列問題，具有低的焊接裂紋敏感性、極高的強度、優良的低溫沖擊韌性與優異的焊接性能。南鋼采用低碳、低 Pcm 、合金鋼的成分設計，兩階段軋制與淬火和高溫回火的生產工藝，獲得晶粒細小等軸的 α 相基體上分布著彌散的顆粒狀碳化物的回火索氏體組織，保證鋼板具備高強度、高韌性的同時，還需保證鋼板在一定的焊接熱輸入后，其熱影響區低溫韌性不出現明顯下降。

圖4：1000MPa 高強度鋼板成分設計（Wt%）（資料來源：雷清華,夏政海,劉心陽,等.水電工程用1000MPa級高強鋼的研發與應用）鋼種設計主要包括：

（1）鋼成分設計與生產工藝的最佳配合；

（2）實現低碳、低硫、低磷純凈鋼的冶煉，提高全厚度韌性；

（3）利用控制軋制及熱處理技術，實現高強高韌性的同時，具有適應焊接和低裂紋敏感性的組織控制；

（4）淬火 + 回火熱處理技術，組織均勻性和性能穩定性控制。經過在鋼板上取樣進行拉伸、Z 向、沖擊等力學性能測試，鋼板抗層狀撕裂性能優異，板低溫韌性較好。

圖5：1000MPa 高強度鋼板的力學性能（資料來源：雷清華,夏政海,劉心陽,等.水電工程用1000MPa級高強鋼的研發與應用）顯微組織類型主要為回火索氏體及極少量回火馬氏體，并有細小的彌散分布的析出相顆粒（Nb，Ti）（C，N）分布在板條束內，金相組織整體較為均勻和細小。

圖6：1000MPa 高強度鋼板 1/4 厚度處的金相組織（資料來源：雷清華,夏政海,劉心陽,等.水電工程用1000MPa級高強鋼的研發與應用）

2、物理性能：以蝕刻引線框架用 C19400 合金帶材為例

目前，C19400 合金在強度、電導率、熱導率、開發成熟度、綜合性價比和應用廣泛性等方面具有顯著優勢，是集成電路引線框架的理想材料。C19400銅合金帶材的實際生產工藝流程為熔鑄－熱軋－銑面－粗軋－鐘罩爐退火－粗軋－連續式退火－精軋－拉彎矯直－成品，其在熱軋態、冷軋態和退火態３種典型狀態下力學性能、導電性能等特性不同。

圖7：不同狀態C19400合金力學和導電性能對比（資料來源：宋宇,楊婧釗,周延軍,等.不同處理狀態下C19400銅合金組織、織構和性能演變）

經過退火后材料的抗拉強度降低到344MPa，硬度（HV）降低到101.45，伸長率提高到33.0%，電導率達到34.83MS/m，抗拉強度和硬度大幅降低，但導電率大幅提升。這是由于退火處理時位錯發生回復，位錯密度降低使得抗拉強度和硬度減小，第二相大量析出降低了 Cu 基體的晶格畸變程度，減少了對自由電子的散射作用，使得合金的電導率大幅提升。由此可見，在兼顧強度和電導率的需求下，合金研發需綜合考慮位錯、析出相、晶粒和織構特征等對材料強度和電導率的影響機理，根據應用場景找到性能平衡點。

3、化學性能：以鈦合金、鎂合金為例

在提高材料耐高溫性能方面，鈦合金是先進航空發動機的關鍵支撐材料，高性能航空發動機的發展，對鈦合金耐高溫性能的要求越來越高。

圖8：先進航空發動機中關鍵的熱端承力部件(圖中紅色部分全部為高溫合金）（資料來源：西部超導招股說明書）

未來鈦合金發展的主要方向是利用合理的微量元素添加和熱處理技術，突破高溫強度和熱穩定性障礙，不斷提升高溫鈦合金的使用溫度，滿足高性能航空發動機發展的需要。在提高材料耐腐蝕性方面，腐蝕問題制約著鎂合金的推廣應用，提高鎂合金的耐腐蝕性能，成為鎂材料工程科技的重點。發展方向一是使其相間電位差趨于零，二是把鎂合金表面的氧化膜由疏松變為致密，采用不同的元素形成不同的氧化產物，用多元氧化物填補空隙，提高鎂合金的耐腐蝕性能。

4、加工工藝性能：以鈦合金擠壓型材為例

近年來鈦合金擠壓型材在航空航天領域的用量日益增多。采用鈦合金擠壓型材為坯料，結合線性摩擦焊及熱拉彎等先進工藝技術，可在實現減重和獲得良好結構剛度的前提下大大提高材料利用率、減少制造工序，從而降低制造成本。鈦合金型材的擠壓及其制品的全流程制造工藝包括二次真空電弧重熔、擠壓錠坯的制備、型材的擠壓、型材的熱成形或機加工以及后續熱處理和噴涂等工序。

圖9：鈦合金型材擠壓模芯設計（資料來源：熱加工行業論壇）

擠壓工藝不僅與擠壓比等工藝參數有密切關系，潤滑條件也影響擠壓制品質量，未來研究適合于不同擠壓條件下的潤滑劑，是提高鈦擠壓型材產品競爭力的關鍵。

（二）化工類

先進化工材料是基礎化學工業最具活力和發展潛力的領域。隨著全球能源轉型和碳中和目標的推進，我國堅持以安全環保、集約發展為重點，升級和調整傳統化工。因此，先進化工材料的研發，除了提升各種材料使用壽命、密度、柔韌性等自身性能，統一導向是發展綠色低碳的生產技術和材料產品。《目錄》中反復提及“環保”二字，例如，對生物基增塑劑的要求之一為“環保指標通過歐盟 REACH 法規認證，綠色安全無毒”，支持研發高拉伸 UV 環保涂料、聚己內酯 PCL 生物降解材料、環保阻燃聚酰亞胺泡沫保溫隔聲材料、粉末涂料用不含錫環保聚酯樹脂等環保材料。

UV 固化涂料的發展受高性能和環保需求的引領，其固含量高，不含揮發性有機化合物（VOC），且能耗少，對環境污染較小，受到了下游應用領域的廣泛關注。我國正積極推進新型UV固化涂料研究，并取得了一定的進展。

表3：新型UV固化涂料制備方法（資料來源：于國玲,劉云凡,王學克.幾種新型UV固化涂料的研究進展）

上述各種新型UV涂料無論是制備過程還是材料成品，都已符合可持續發展要求，且相較于傳統材料在耐腐蝕性、耐溶劑性、熱穩定性等方面已創新提升，但仍存在改善空間，例如某些應用仍然需要使用溶劑或單體（有遷移的風險）來達到足夠低的粘度，從而在涂敷涂層或油墨時獲得滿意的結果，因此UV固化涂料的發展方向之一是水性涂料。

（三）無機非金屬類

無機非金屬材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、鹵素化合物、硼化物以及硅酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽、硼酸鹽等物質組成的材料，與有機高分子材料和金屬材料并列為三大材料。其特點在于耐壓強度高、硬度大、耐高溫、抗腐蝕，化學物質和物理物質穩定性更強，另外各種細分材料具有相應的優異理化性能，例如水泥的膠凝性能、玻璃的光學性能、陶瓷的介電性能等。但和有機高分子材料、金屬材料相比，其密度較大，制造工藝較復雜，延展性相對較弱。因此，介于三大材料之間的互補優勢，需要思考如何能夠很好地揚長避短、更大程度上發揮無機非金屬材料的獨特優勢，據《目錄》中對于先進無機非金屬材料的性能要求，總結得出兩大趨勢，一是材料復合化，二是提高材料純度。

1、復合材料：以SiCf/SiC復合材料為例

連續碳化硅纖維增強碳化硅基復合材料（SiCf/SiC）具有低密度、高比強度、高比模量、耐高溫、抗熱震、低活化、耐輻照和耐腐蝕等優異性能。核能的先進性、安全可靠性和經濟性與所用包殼材料的性能密切相關，包殼材料工作在高溫、高壓和輻照條件下，運行工況非常苛刻，相對于鋯合金，SiCf/SiC復合材料應用于包殼材料具有以下方面的優勢：其一，耐溫性好，作為包殼材料在核反應堆環境中能長期在800°C環境下使用，短期可承受1200°C的高溫，提高了反應堆的安全性；其二，慢化吸收比佳，寄生熱中子吸收橫截面較鋯合金降低15％以上，采用同樣的鈾235燃料（濃縮度5％）時，燃料燃耗可以由60000 MWD/tU提高到70000 MWD/tU；其三，硬度高，可以有效減少由于冷卻劑中碎片和格柵導致的磨損，延長燃料棒使用壽命和反應堆正常工作時間。

圖11：不同結構的SiCf/SiC復合材料包殼管（資料來源：美國通用電子公司）

2、高純無機非金屬：以光學高純合成石英材料為例

隨著電子信息技術的發展，對通信設備提出了更高的要求。與電纜線或者銅線作為傳輸媒介相比，石英光纖具有更強的抗電磁波干擾能力、抗腐蝕能力、更優異的頻帶寬和容量、資源損耗更少的特點。

石英光纖的性能受到光纖材料的本征缺陷、摻雜缺陷和形貌損傷的影響，其中本征點缺陷如氧空位中心（ODC）、過氧鏈缺陷（POL）、色心、非橋氧缺陷中心（NBOHC）和過氧自由基（POR）等，摻雜缺陷如材料中引入金屬元素或者非金屬 H、F 元素等，形貌損傷是表面缺陷如微裂紋等。本征缺陷與溫度有關，摻雜缺陷與雜質有關，雜質引起的吸收損耗將會導致傳輸損耗大和傳輸效率低。因此研究外來引入粒子與其他缺陷的相關反應機制以及鈍化機制，對于石英光纖的電光性能和抗輻射韌性以及深紫外區的光傳輸性能有著重要的意義。

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