非晶合金

    首先，我們聊一聊什么是晶體、什么是非晶。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，評(píng)判晶體非晶體的標(biāo)準(zhǔn)是微觀組成粒子的排列是否具有長(zhǎng)程有序和平移對(duì)稱(chēng)性。如果有，如圖1（a），則是晶體，反之，則如圖1（b）非晶。

 

    當(dāng)然，解決晶體、非晶體的問(wèn)題還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。因?yàn)橐劮蔷Ш辖穑覀冞€會(huì)遇到非晶體、玻璃、非晶合金、金屬玻璃、氧化物玻璃、高分子玻璃、液態(tài)金屬……

    他們之間有區(qū)別也有聯(lián)系。在區(qū)分他們之前，先要介紹一下非晶的制備原理。可以用下面這個(gè)示意圖來(lái)表示：

 

    在非晶合金的開(kāi)發(fā)方面，目前已在包括Pd、Pt、Au、Mg、Ca、Zr、Ti、Hf、Cu、Fe、Co、Ni、和稀土（如La、Nd、Ce）基等在內(nèi)的數(shù)十種合金體系。目前非晶合金一共有非晶薄帶、非晶粉末、塊體非晶這幾種形式，它們的制備方法可以簡(jiǎn)單歸納為：

 

 

    一個(gè)總結(jié)性表格概括非晶合金的應(yīng)用領(lǐng)域

 

    電站材料

    根據(jù)我國(guó)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展需要，發(fā)展核電是我國(guó)優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)先選擇，核電發(fā)展政策由 2005年的“積極發(fā)展核電”變?yōu)楝F(xiàn)在的“大力發(fā)展核電”。為了適應(yīng)新能源發(fā)展戰(zhàn)略，國(guó)家正在調(diào)整核電中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃，加強(qiáng)沿海核電發(fā)展，科學(xué)規(guī)劃內(nèi)陸地區(qū)核電建設(shè)。通過(guò)不斷新增核電機(jī)組開(kāi)工項(xiàng)目，力爭(zhēng)到 2020年核電占電力總裝機(jī)達(dá)到 5％以上。

    核承壓設(shè)備及其制造要求

    核電站用鋼是包括用于核電站的核島、常規(guī)島、電站輔助設(shè)備等設(shè)備制造用鋼鐵材料。核承壓設(shè)備是指核動(dòng)力廠及其他核反應(yīng)堆中執(zhí)行核安全功能的承壓設(shè)備及其支承件，包括反應(yīng)堆壓力容器、穩(wěn)壓器、熱交換器、管道、泵、閥門(mén)、貯罐以及堆內(nèi)構(gòu)件等；反應(yīng)堆系統(tǒng)的鋼制安全殼或混凝土安全殼的鋼襯里；核燃料生產(chǎn)、加工、貯存、后處理設(shè)施以及放射性廢物處理、處置設(shè)施中包容放射性物質(zhì)的承壓設(shè)備及其支承件；其他需要嚴(yán)格監(jiān)督管理的核承壓設(shè)備。

    核承壓設(shè)備根據(jù)核安全要求分為核 1、2、3級(jí)。我國(guó)核安全法規(guī) HAF0901第八條規(guī)定：從事制造核承壓設(shè)備關(guān)鍵承壓材料（包括管材、棒材、板材、鑄鍛件和焊接材料）的單位，必須遵守 HAF0900和 HAF0901實(shí)施細(xì)則，并接受?chē)?guó)家核安全局的獨(dú)立監(jiān)督，其中生產(chǎn)大型鑄鍛件的單位須取得制造資格許可證，焊接材料及其它材料由使用單位通過(guò)質(zhì)量保證體系加以控制和監(jiān)制。借鑒國(guó)外核電發(fā)展經(jīng)驗(yàn)和我國(guó)實(shí)際，民用核安全設(shè)備實(shí)行許可證制度。包括民用核安全設(shè)備設(shè)計(jì)許可證、民用核安全設(shè)備制造許可證、民用核安全設(shè)備安裝許可證、民用核安全電氣設(shè)備許可證、以及民用核安全設(shè)備無(wú)損檢驗(yàn)許可證。其中民用核安全設(shè)備制造許可證按照核級(jí)安全要求級(jí)別，又分為主設(shè)備設(shè)計(jì)/制造許可證、核2/3級(jí)設(shè)備設(shè)計(jì)/制造許可證、核級(jí)泵閥設(shè)計(jì)/制造許可證、核級(jí)管道、管配件、支撐等設(shè)計(jì)/制造許可證。截止到2009年2月底，國(guó)家核安全局頒發(fā)的國(guó)內(nèi)企業(yè)持證單位已有110家，國(guó)外企業(yè)有8家。持證單位只能從事許可證上上標(biāo)記的設(shè)備類(lèi)型或典型設(shè)備的名稱(chēng)的設(shè)計(jì)、制造、安裝和檢測(cè)等內(nèi)容。

    核級(jí)材料的特點(diǎn)

    核級(jí)材料是指用于民用核設(shè)施中的核承壓設(shè)備制造、維修，并需符合有關(guān)核安全法規(guī)、導(dǎo)則和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的鋼鐵和有色金屬材料。這些材料可細(xì)分為碳素鋼、低合金鋼、不銹鋼、鎳基合金、鈦及其合金、鋯合金等，其類(lèi)型涉及板、帶、管、絲、棒和鍛件等。  就核承壓設(shè)備所用材料而言，依托法國(guó)技術(shù)的核電機(jī)組，通過(guò)大亞灣和嶺澳等核電站的建設(shè)，對(duì)核承壓設(shè)備用材已有所了解。AP-1000是我國(guó)首次引進(jìn)的三代堆型，世界上尚無(wú)建成投產(chǎn)業(yè)績(jī)，國(guó)內(nèi)對(duì)其制造標(biāo)準(zhǔn)和選材并不了解。但 CRP-1000與 AP-1000在多數(shù)反應(yīng)堆容器用材上相類(lèi)似，但前者主要依據(jù) RCC-M標(biāo)準(zhǔn)，而后者主要依據(jù) ASME和相關(guān)核電標(biāo)準(zhǔn)。  核電設(shè)備用關(guān)鍵金屬材料的國(guó)產(chǎn)化一直不盡人意。由于沒(méi)有核電站整體設(shè)計(jì)權(quán)和核關(guān)鍵設(shè)備的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，核電關(guān)鍵設(shè)備所用材料的選用和制造、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)也無(wú)話語(yǔ)權(quán)，主要依靠國(guó)外的技術(shù)采購(gòu)規(guī)格書(shū)向國(guó)外企業(yè)采購(gòu)，致使核電關(guān)鍵設(shè)備用金屬材料的開(kāi)發(fā)不能支撐核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化的需要。我國(guó)在建堆型的大型化，以及技術(shù)來(lái)源的多樣化，又為關(guān)鍵設(shè)備用材料國(guó)產(chǎn)化增添了一定的難度。  與常規(guī)壓力容器相比，核電用材料具有以下主要特點(diǎn)：

    （1）核設(shè)備用金屬材料設(shè)計(jì)考慮要素多。核能關(guān)鍵設(shè)備通常在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕和強(qiáng)輻照的工況條件下工作，對(duì)材料的要求極高，通常要滿足核性能、力學(xué)性能、化學(xué)性能、物理性能、輻照性能、工藝性能、經(jīng)濟(jì)性等各種性能的要求，要達(dá)到專(zhuān)用的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求。

    （2）質(zhì)保體系要求嚴(yán)格。按法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)和采購(gòu)技術(shù)條件規(guī)定完成材料的生產(chǎn)。我國(guó) HAF003/01和 ASME等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)核電材料生產(chǎn)全過(guò)程質(zhì)量控制有明確的要求。對(duì)核級(jí)材料的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、探傷運(yùn)輸全過(guò)程在嚴(yán)格的質(zhì)保體系下完成。不符合項(xiàng)等進(jìn)行有效的管理和監(jiān)督，對(duì)有損于質(zhì)量的情況提出切實(shí)有效的糾正措施，對(duì)各流程進(jìn)行記錄和監(jiān)察，過(guò)程要求具有可追溯性。做到凡事有章可循，凡事有據(jù)可查，凡事有人負(fù)責(zé)，凡事有人監(jiān)督。

    （3）化學(xué)成分要求更嚴(yán)格。受壓元件的 S、P含量一般都要求150ppM以下，反應(yīng)堆壓力容器某些部件要求80ppM，個(gè)別部件 S含量要求為50ppM以下。某些特定殘余元素嚴(yán)格規(guī)定，如對(duì)奧氏體不銹鋼硼含量不得超過(guò) 18ppM；與堆內(nèi)冷卻劑接觸的所有零件（一般采用不銹鋼或合金制造），其鈷、鈮和鉭含量嚴(yán)格限定為 Co≤0.20%， Nb+Ta≤0.15%。某些接觸輻照的承壓容器，要求限制材料的銅、磷含量。

    （4）力學(xué)性能試驗(yàn)項(xiàng)目多，指標(biāo)要求嚴(yán)格。取樣數(shù)量比壓力容器多得多。取樣位置也有嚴(yán)格的要求。從指標(biāo)要求上看，夏比 V型沖擊值要求比容器材料高得多，往往要同時(shí)提供 2個(gè)或 3個(gè)試驗(yàn)溫度下的沖擊吸收功、側(cè)向膨脹量和纖維區(qū)面積等。

    （5）無(wú)損檢測(cè)要求更嚴(yán)格的。超聲波探傷的驗(yàn)收要求比常規(guī)壓力容器高得多；部分容器用鋼板 UT探傷重疊部分要求達(dá)到 10%~15%。對(duì)于所有受壓部件都有嚴(yán)格的表面質(zhì)量要求，經(jīng)過(guò) VT和 PT探傷檢驗(yàn)。

    （6）核電用材的規(guī)格大、單重重、甚至有表面光潔度要求。核電設(shè)備用鋼板厚度達(dá)到 300mm，最大鍛件重達(dá) 300噸以上。核級(jí)管材、不銹鋼材等產(chǎn)品尺寸精度要求高，一些小徑、薄壁、特長(zhǎng)管材，要求直度和表面光潔度。需通過(guò)精密超聲波、渦流探傷，制造難度極大。

    百萬(wàn)千瓦壓水堆核島主要設(shè)備及所用金屬材料種類(lèi)

    發(fā)展歷程

    核電技術(shù)的劃分最早起源于美國(guó)能源部。從全球來(lái)講，第一代核電站是指核電由軍用轉(zhuǎn)為民用時(shí)的技術(shù)，上世紀(jì) 50年代中期建成的核電站屬于第一代。目前世界上正在運(yùn)行的核電站都屬于第二代；正在建設(shè)的核電站大都屬于第二代或二代改進(jìn)。目前世界上第三代核電技術(shù)包括法國(guó)阿海琺與德國(guó)西門(mén)子聯(lián)合研發(fā)的 EPR壓水堆技術(shù)以及美國(guó)的西屋公司 AP1000壓水堆技術(shù)。根據(jù)這一劃分，我國(guó)目前運(yùn)行的核電機(jī)組全部屬于第二代，在建核電機(jī)組以二代加為主，有以廣東臺(tái)山核電站為依托的法國(guó) EPR三代技術(shù)的核電工程，浙江三門(mén)核電站 1#和 2號(hào)機(jī)組和山東海陽(yáng)核電站 1#和 2號(hào)機(jī)組為依托的美國(guó)西屋第三代 AP-1000核電工程。

    壓水堆核電站主要由核島、常規(guī)島及其它輔助系統(tǒng)構(gòu)成。核島主要包括核反應(yīng)堆、主循環(huán)泵、穩(wěn)壓器、蒸汽發(fā)生器組成的一回路系統(tǒng)。常規(guī)島包括汽輪機(jī)、冷凝器、凝結(jié)水泵、給水泵、給水加熱器等組成的二回路系統(tǒng)。核電中的容器、泵閥、管道均為核電的關(guān)鍵設(shè)備。其用材及其制造尤為重要。

    一臺(tái)百萬(wàn)壓水堆核電機(jī)組，核島通常包括 1臺(tái)反應(yīng)堆壓力容器、 1臺(tái)穩(wěn)壓器、 3臺(tái)蒸汽發(fā)生器、 3臺(tái)主冷卻泵、3臺(tái)蓄勢(shì)器（安注箱）、1臺(tái)硼注射器、堆芯及堆內(nèi)構(gòu)件和控制棒驅(qū)機(jī)構(gòu)等。所用金屬材料主要有碳鋼、低合金鋼、奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦管和鋯合金等。需要碳鋼、低合金鋼板和鍛件 4000～4500噸；奧氏體不銹鋼板和鍛件 3000～3500噸；馬氏體不銹鋼鍛件 500噸、鑄件 200噸；鎳基、鐵基合金管、棒、帶、絲 600～800噸；鈦直縫焊管 150噸；鋯合金管、棒、帶 8噸/年。

    大型鍛件主要在重型機(jī)器廠冶煉和鍛造，板、帶、管等主要由鋼鐵冶金企業(yè)生產(chǎn)。泵閥的用材自行鑄造或購(gòu)料（坯）后加工。核電設(shè)備制造企業(yè)和鋼鐵企業(yè)已經(jīng)全部能生產(chǎn)所涉及的材料類(lèi)型。目前，我國(guó)幾大核電集團(tuán)，已經(jīng)能夠滿足核承壓容器所需的不同材質(zhì)和噸位的鍛件的生產(chǎn)。

    對(duì)于鋼鐵企業(yè)來(lái)講，較薄或特厚碳鋼、低合金鋼板仍難以滿足核電設(shè)備的制造需求。國(guó)內(nèi)投產(chǎn)的 5米軋制已經(jīng)能夠板材的軋制要求，但受板坯單重，熱處理鋼板寬度或厚度限制，也難以滿足核電容器所需碳鋼、低合金鋼大厚度大單重鋼板的生產(chǎn)需要。對(duì)于核電關(guān)鍵設(shè)備所用的較薄的鋼板，用厚板軋機(jī)軋制困難，用熱卷軋機(jī)，寬度經(jīng)常滿足不了需求，個(gè)別較薄鋼板在熱處理上也難以實(shí)現(xiàn)。對(duì)于核電關(guān)鍵設(shè)備所用不銹鋼，國(guó)內(nèi)幾家不銹鋼生產(chǎn)主要企業(yè)，要么軋機(jī)不配套、要么熱處理設(shè)備不配套，單重大、厚度厚、寬度大的不銹鋼板仍不能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)，個(gè)別不銹鋼，如含硼不銹鋼、控氮不銹鋼等，還需要進(jìn)一步研發(fā)。

    與二代改進(jìn)型和法國(guó) EPR百萬(wàn)千瓦壓水堆相比， AP-1000最大差異就是在核島內(nèi)增加了一個(gè)全鋼安全殼。其設(shè)計(jì)選材為 SA738B高強(qiáng)度調(diào)質(zhì)鋼板，每個(gè)安全殼用量達(dá)到 4000多噸。其他核級(jí)容器的種類(lèi)相同，但選材上略有不同，所用材料的牌號(hào)也不同。前者主要按照 RCC-M標(biāo)準(zhǔn)，后者按照 ASME標(biāo)準(zhǔn)。尤其是不銹鋼差別較大。由于 AP-1000首臺(tái)核島主要容器在韓國(guó)制造，一定程度上延緩國(guó)內(nèi)對(duì)這些容器用材料的了解和開(kāi)發(fā)。

    高溫氣冷堆核電站核島主體設(shè)備及其用金屬材料

    高溫氣冷堆核電站核島主要設(shè)備包括反應(yīng)堆壓力容器、蒸汽發(fā)生器壓力容器以及熱氣導(dǎo)管壓力容器、堆內(nèi)構(gòu)件。中國(guó)華能集團(tuán)公司、中國(guó)核工業(yè)建設(shè)集團(tuán)公司、清華大學(xué)分別出資 47.5％、32.5％、20％，成立華能山東石島灣核電有限公司，負(fù)責(zé)投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)華能山東石島灣核電站 20萬(wàn)千瓦級(jí)高溫氣冷堆核電示范工程。10萬(wàn)千瓦 HTR-PM試驗(yàn)示范堆堆和 20萬(wàn)千瓦 HTR-PM的商業(yè)示范堆。但兩者的材料種類(lèi)相同，但要求不同。如堆內(nèi)構(gòu)件，前者采用 15CrMoR，后者采用 12Cr2Mo1R。反應(yīng)堆壓力容器外殼，前者采用 SA516Gr70，后者采用 SA533B。

    幾個(gè)典型核電用鋼的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)情況

    1.1. AP-1000核電站安全殼用 SA738GrB鋼板

    寶鋼于 2006年開(kāi)發(fā)出 AP-1000核電站安全殼所用的 SA738GrB鋼板。2007年底開(kāi)始，按照美國(guó)西屋的安全殼用鋼采購(gòu)技術(shù)規(guī)格書(shū)，生產(chǎn)了厚度 10~96mm的 SA738GrB鋼板。目前，已經(jīng)交貨 5000多噸，山東核電設(shè)備制造有限公司完成了部分鋼板的壓制，運(yùn)往浙江三門(mén)核電站，具備安裝條件。

    1.2. 核一級(jí)容器用 SA533B（16MND5、18MND5）鋼板

    寶鋼已經(jīng)工業(yè)試制出 76mm、112mm、130mm三個(gè)典型厚度 SA533B（16MND5、 18MND5）鋼板，既滿足法國(guó) RCC-M標(biāo)準(zhǔn)要求，也滿足 ASME SA533TypeB標(biāo)準(zhǔn)要求。可用于穩(wěn)壓器、硼注箱等核島容器制造。目前，正在與國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)單位、設(shè)備制造企業(yè)開(kāi)展聯(lián)合評(píng)價(jià)。

    1.3. 高溫氣冷堆堆內(nèi)構(gòu)件用 12Cr2Mo1R鋼板

    清華核能院設(shè)計(jì)的 HTR-PM高溫氣冷堆的堆內(nèi)構(gòu)件采用 750噸 40~135mm厚 12Cr2Mo1R鋼板。寶鋼按照設(shè)計(jì)技術(shù)要求，在 5米厚板產(chǎn)線上生產(chǎn)該批鋼板。

    1.4. 核電站蒸發(fā)器用 Inconel 690合金管材

    Inconel 690合金管目前核電建設(shè)急需的材料的之一。寶鋼正在進(jìn)行研發(fā)和產(chǎn)品試驗(yàn)。合資建設(shè)了鋼管擠壓機(jī)組，為 Inconel 690合金管材的工業(yè)批量生產(chǎn)提供了設(shè)備硬件上保證。

    總之，我國(guó)大力發(fā)展核電的體現(xiàn)，標(biāo)志著我國(guó)核電發(fā)展的春天已經(jīng)來(lái)臨，在未來(lái) 5～15年迎來(lái)一個(gè)高速發(fā)展期。國(guó)家要求逐步提高核電設(shè)備國(guó)產(chǎn)化比例，為我國(guó)核電材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了廣闊的空間。

    電池材料

    釩電池（VRB）是一種新型清潔能源存儲(chǔ)裝置，與目前市場(chǎng)中的鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，具有大功率、長(zhǎng)壽命、支持頻繁大電流充放電、綠色無(wú)污染等明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于再生能源并網(wǎng)發(fā)電、城市電網(wǎng)儲(chǔ)能、遠(yuǎn)程供電、UPS系統(tǒng)、海島應(yīng)用等領(lǐng)域。

    一、釩電池工作原理

    釩電池（VRB）是一種新型清潔能源存儲(chǔ)裝置，經(jīng)過(guò)美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家的應(yīng)用驗(yàn)證，與目前市場(chǎng)中的鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，具有大功率、長(zhǎng)壽命、支持頻繁大電流充放電、綠色無(wú)污染等明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于再生能源并網(wǎng)發(fā)電、城市電網(wǎng)儲(chǔ)能、遠(yuǎn)程供電、UPS系統(tǒng)、海島應(yīng)用等領(lǐng)域。

    公開(kāi)資料顯示，釩電池一次性充電后，續(xù)航能力可達(dá)1000公里，充電時(shí)間只需3分鐘—5分鐘，成本造價(jià)是目前24V鋰電池的40%，從續(xù)航、充電時(shí)間與成本上均被譽(yù)為“完美電池”。

    與其它蓄能系統(tǒng)相比，全釩氧化還原液流電池應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)是：

    1、電堆作為發(fā)生反應(yīng)的場(chǎng)所與存放電解液的儲(chǔ)罐分開(kāi)，從根本上克服了傳統(tǒng)電池的自放電現(xiàn)象。功率只取決于電堆大小，容量只取決于電解液儲(chǔ)量和濃度，設(shè)計(jì)非常靈活；當(dāng)功率一定時(shí)，要增加儲(chǔ)能容量，只需要增大電解液儲(chǔ)罐容積或提高電解液體積或濃度即可，而不需改變電堆大小；可通過(guò)更換或添加充電狀態(tài)的電解液實(shí)現(xiàn)“瞬間充電”的目的。可用于建造千瓦級(jí)到百兆瓦級(jí)儲(chǔ)能電站，適應(yīng)性很強(qiáng)。

    2、充、放電性能好，可以進(jìn)行大功率的充電和放電，也可以允許浮充和深度放電。對(duì)鉛酸蓄電池來(lái)說(shuō)，放電電流越大，電池的壽命越短；放電深度越深，電池的壽命也越短。而釩電池放電深度即使達(dá)到100%，也不會(huì)對(duì)電池造成影響。而且釩電池不易發(fā)生短路，這就避免了因短路而引起的爆炸等安全問(wèn)題。

    3、可充放電次數(shù)極大，理論上壽命是無(wú)數(shù)次。充放電時(shí)間比為1：1，而鉛酸電池是4：1。而且釩電池充、放切換響應(yīng)速度快，小于20毫秒，非常有利于均衡供電。

    4、能量效率高，直流對(duì)直流能量效率可以達(dá)到80%以上，而鉛酸電池只有60%左右。釩電池組中的各個(gè)單位電池狀態(tài)基本一致，維護(hù)簡(jiǎn)單方便。

    5、選址自由度大，占地少，系統(tǒng)可全自動(dòng)封閉運(yùn)行，不會(huì)產(chǎn)生酸霧，沒(méi)有酸腐蝕。電解液可反復(fù)利用，無(wú)排放，維護(hù)簡(jiǎn)單，操作成本低。是一種綠色環(huán)保儲(chǔ)能技術(shù)。因此對(duì)于可再生能源發(fā)電，釩電池是鉛酸電池理想的替代品。

    二、釩電池能否引領(lǐng)新能源革命

    釩電池（VRB，VanadiumRedoxFlowBattery）是當(dāng)今世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)、最接近產(chǎn)業(yè)化的高效可逆燃料電池，具有功率大、容量大、效率高、成本低、壽命長(zhǎng)、綠色環(huán)保等一系列獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰、分布電站、軍用蓄電、交通市政、通訊基站、UPS電源等廣闊領(lǐng)域有著極其良好的應(yīng)用前景，在日本、加拿大、美國(guó)、澳大利亞、西歐等國(guó)家和地區(qū)已開(kāi)始取代容量小、壽命短、污染大的鉛酸電池。

    風(fēng)力發(fā)電

    目前風(fēng)力發(fā)電機(jī)需要配備功率大約相當(dāng)于其功率1%的鉛酸電池用于緊急情況時(shí)風(fēng)機(jī)保護(hù)收風(fēng)葉用，另外每一臺(tái)風(fēng)機(jī)還需要配備功率大約相當(dāng)于其功率4%的后備蓄電池。由于電網(wǎng)已成為風(fēng)電發(fā)展的瓶頸，隨著風(fēng)電的爆炸式發(fā)展，風(fēng)電與電網(wǎng)的矛盾將越來(lái)越突出，為了減少對(duì)電網(wǎng)的沖擊，大幅度提高風(fēng)電場(chǎng)電力的使用率同時(shí)賺取巨額的電網(wǎng)峰谷差價(jià)，風(fēng)電場(chǎng)將需要配備功率相當(dāng)于其功率10～50%的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能蓄電池。對(duì)于風(fēng)機(jī)離網(wǎng)發(fā)電，則需要更大比例的動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能蓄電池。

    由于風(fēng)機(jī)現(xiàn)在使用的鉛酸電池存在容量小、壽命短、穩(wěn)定性差、維護(hù)費(fèi)時(shí)費(fèi)力、污染大等嚴(yán)重缺陷，風(fēng)機(jī)制造廠家一直在尋找更好的可以替代鉛酸電池的產(chǎn)品，相信擁有眾多杰出優(yōu)點(diǎn)的釩電池完全可以取代現(xiàn)有的鉛酸電池，進(jìn)而構(gòu)建風(fēng)電場(chǎng)的動(dòng)態(tài)能源儲(chǔ)存系統(tǒng)，大幅度提高風(fēng)電場(chǎng)的效率和效益，推動(dòng)風(fēng)電產(chǎn)業(yè)更好更快地發(fā)展。

    光伏發(fā)電

    據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)統(tǒng)計(jì)，近幾年全球光伏組件的年均增長(zhǎng)率高達(dá)30％，光伏產(chǎn)業(yè)成為全球發(fā)展最快的新興行業(yè)之一。特別是2008年，全球光伏發(fā)電裝機(jī)總量達(dá)到3吉瓦。

    顧名思義，光伏發(fā)電需要太陽(yáng)光，一旦到了晚上和陰雨天就發(fā)不了電，因而需要蓄電池為其儲(chǔ)存電力，由于鉛酸電池功率、容量、壽命均非常有限，相信集眾多杰出優(yōu)點(diǎn)于一身的釩電池將作為光伏發(fā)電儲(chǔ)能電池的首選。

    電網(wǎng)調(diào)峰

    電網(wǎng)調(diào)峰的主要手段一直是抽水蓄能電站。近二三十年來(lái)，世界發(fā)達(dá)國(guó)家抽水蓄能電站發(fā)展越來(lái)越快。世界上抽水蓄能電站發(fā)展最快、裝機(jī)容量最多的是日本，其次是美國(guó)、意大利、德國(guó)、法國(guó)、西班牙等，日本和美國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)容量均已超過(guò)2000萬(wàn)千瓦。

    由于抽水蓄能電站需建上、下兩個(gè)水庫(kù)，受地理?xiàng)l件限制較大，在平原地區(qū)不容易建設(shè)，而且占地面積大，維護(hù)成本高。釩電池蓄能電站不受地理?xiàng)l件限制，選址自由，占地少，維護(hù)成本低。可以預(yù)期，隨著釩電池技術(shù)的發(fā)展，釩電池蓄能電站將逐步取代抽水蓄能電站，在電網(wǎng)調(diào)峰中發(fā)揮重要的作用。

    交通市政

    隨著世界城市化進(jìn)程的不斷加快和汽車(chē)保有量的持續(xù)增加，汽車(chē)尾氣污染已經(jīng)成為城市空氣污染的頭號(hào)污染源。大力發(fā)展節(jié)能、環(huán)保的電動(dòng)汽車(chē)替代傳統(tǒng)燃油汽車(chē)，已成為了人們的共識(shí)。隨著釩電池技術(shù)的快速發(fā)展，可以預(yù)期，擁有眾多杰出優(yōu)點(diǎn)的釩電池將在電動(dòng)汽車(chē)（特別是城市公交客車(chē)）、電動(dòng)機(jī)車(chē)、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)船舶、交通信號(hào)、風(fēng)光互補(bǔ)路燈等廣闊領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

    通訊基站

    通信基站和通信機(jī)房需要蓄電池作為后備電源，且時(shí)間通常不能少于10小時(shí)。對(duì)通訊運(yùn)營(yíng)商來(lái)講，安全穩(wěn)定可靠性和使用壽命是最重要的，在這一領(lǐng)域，釩電池有著鉛酸電池?zé)o法比擬的先天優(yōu)勢(shì)。

    UPS電源

    賽迪顧問(wèn)研究顯示，2007年UPS市場(chǎng)出現(xiàn)了持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，主要原因是中國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)高速發(fā)展帶來(lái)的UPS用戶需求分散化，使得更多的行業(yè)和更多的企業(yè)對(duì)UPS產(chǎn)生了持續(xù)的需求。未來(lái)幾年，UPS產(chǎn)品發(fā)展的方向是更高的可用性、安全性以及功能的集成化、智能化和人性化。

    目前中國(guó)的UPS市場(chǎng)強(qiáng)烈需求功率大、安全、穩(wěn)定可靠的蓄電池，釩電池在這一領(lǐng)域，相對(duì)于鉛酸電池?zé)o論在功率、安全穩(wěn)定性、還是使用壽命上都有著絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

    分布電站

    當(dāng)今社會(huì)對(duì)能源與電力供應(yīng)的質(zhì)量、效率、環(huán)保以及安全可靠性要求越來(lái)越高，大電網(wǎng)由于自身的缺陷已經(jīng)不能滿足這種要求。隨著分布電站的崛起，大型中心電站將逐步走向衰落。相信釩電池將首先在醫(yī)院、指揮控制中心、數(shù)據(jù)處理和通訊中心、商業(yè)大樓、娛樂(lè)中心、政府要害部門(mén)、制藥和化學(xué)材料工業(yè)、精密制造工業(yè)的分布電站中發(fā)揮重要作用。

    軍用蓄電

    釩電池還可以在軍事基地、指揮中心等軍事部門(mén)的軍用蓄電中發(fā)揮重要作用。

    航空航天材料

    飛機(jī)上的合金材料主要有鋁合金、鎂合金、鈦合金和鎳鉬鎢合金等，其中鋁合金材料占飛機(jī)用料50%--70%左右，鎂合金材料占飛機(jī)用料5%--10%左右，現(xiàn)代化的飛機(jī)，鈦合金的用量比重越來(lái)越大，而鎳鎢鉬合金則用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。

    1、鋁合金

    鋁是一種輕金屬，比重2.7左右。由于地球的吸引力的作用，要求飛機(jī)質(zhì)量越輕越好。飛機(jī)越輕，飛的越高、越快、越遠(yuǎn)，裝載量越大。但是鋁的強(qiáng)度低，好在飛機(jī)不是拖拉機(jī)，它在空中飛行，不會(huì)碰到別的物體，所以，飛機(jī)的蒙皮大部分是用鋁合金壓制的，還有前機(jī)匣，飛機(jī)框架，肋條等。

    純鋁的密度小（ρ=2.7g/cm3），大約是鐵的 1/3，熔點(diǎn)低（660℃），鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（δ：32~40%，ψ：70~90%），易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好；但是純鋁的強(qiáng)度很低，退火狀態(tài) σb 值約為8kgf/mm2，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，人們逐漸以加入合金元素及運(yùn)用熱處理等方法來(lái)強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。 添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度，σb 值分別可達(dá) 24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強(qiáng)度”（強(qiáng)度與比重的比值 σb/ρ）勝過(guò)很多合金鋼成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。

    鋁合金密度低，但強(qiáng)度比較高，接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼，塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和抗蝕性，工業(yè)上廣泛使用，使用量?jī)H次于鋼。一些鋁合金可以采用熱處理獲得良好的機(jī)械性能，物理性能和抗腐蝕性能。2008年北京奧運(yùn)會(huì)火炬“祥云”就是鋁合金制作的。

    2、鎂合金

    鎂比鋁更輕，比重2.1--2.3左右，熔點(diǎn)300度左右。強(qiáng)度更低。用來(lái)制造不承重的部件、殼體。例如各種活門(mén)殼體，油泵殼體等。

    鎂合金是以鎂為基加入其他元素組成的合金。其特點(diǎn)是：密度小（1.8g/cm3鎂合金左右），比強(qiáng)度高，比彈性模量大，散熱好，消震性好，承受沖擊載荷能力比鋁合金大，耐有機(jī)物和堿的腐蝕性能好。主要合金元素有鋁、鋅、錳、鈰、釷以及少量鋯或鎘等。目前使用最廣的是鎂鋁合金，其次是鎂錳合金和鎂鋅鋯合金。主要用于航空、航天、運(yùn)輸、化工、火箭等工業(yè)部門(mén)。在實(shí)用金屬中是最輕的金屬，鎂的比重大約是鋁的2/3，是鐵的1/4。它是實(shí)用金屬中的最輕的金屬，高強(qiáng)度、高剛性。

    鎂合金是航空器、航天器和火箭導(dǎo)彈制造工業(yè)中使用的最輕金屬結(jié)構(gòu)材料。鎂的重量比鋁輕，比重為1.8，強(qiáng)度也較低，只有200～300兆帕（20～30公斤/毫米2），主要用于制造低承力的零件。

    鎂合金在潮濕空氣中容易氧化和腐蝕，因此零件使用前，表面需要經(jīng)過(guò)化學(xué)處理或涂漆。鎂合金具有較高的抗振能力，在受沖擊載荷時(shí)能吸收較大的能量，還有良好的吸熱性能，因而是制造飛機(jī)輪轂的理想材料。鎂合金在汽油、煤油和潤(rùn)滑油中很穩(wěn)定，適于制造發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪機(jī)匣、油泵和油管，又因在旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的慣性力較小而被用來(lái)制造搖臂、襟翼、艙門(mén)和舵面等活動(dòng)零件。

    3、鈦合金

    鈦也是一種輕金屬，比重4.5左右，比鋁重，但是強(qiáng)度很高，很耐高溫，熔點(diǎn)1660多度，鈦是造飛機(jī)的理想材料，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，防彈部位，強(qiáng)化部位，加固部位，燃燒室，渦輪軸，渦輪盤(pán)，噴口等，大多數(shù)是用鈦合金材料制造的。

    鈦是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，相繼對(duì)其進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，并得到了實(shí)際應(yīng)用。20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開(kāi)發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來(lái)，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。

    鈦合金是航空航天工業(yè)中使用的一種新的重要結(jié)構(gòu)材料，比重、強(qiáng)度和使用溫度介于鋁和鋼之間，但比鋁、鋼強(qiáng)度高并具有優(yōu)異的抗海水腐蝕性能和超低溫性能。1950年美國(guó)首次在F-84戰(zhàn)斗轟炸機(jī)上用作后機(jī)身隔熱板、導(dǎo)風(fēng)罩、機(jī)尾罩等非承力構(gòu)件。60年代開(kāi)始鈦合金的使用部位從后機(jī)身移向中機(jī)身、部分地代替結(jié)構(gòu)鋼制造隔框、梁、襟翼滑軌等重要承力構(gòu)件。航天器主要利用鈦合金的高比強(qiáng)度，耐腐蝕和耐低溫性能來(lái)制造各種壓力容器、燃料貯箱、緊固件、儀器綁帶、構(gòu)架和火箭殼體。人造地球衛(wèi)星、登月艙、載人飛船和航天飛機(jī)也都使用鈦合金板材焊接件。

    4、鎳鉬鎢合金

    是造發(fā)動(dòng)機(jī)的理想材料。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的溫度高達(dá)2000多度，一般的材料是不行的，只有鎳鎢鉬合金才能勝任。

    5、高強(qiáng)鋼

    高強(qiáng)鋼通常使用在要求有高剛度、高比強(qiáng)度、高疲勞壽命，以及具有良好中溫強(qiáng)度、耐腐蝕性和一系列其它參數(shù)的結(jié)構(gòu)件中。無(wú)論是在半成品生產(chǎn)中，還是在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的構(gòu)造中，尤其是在以焊接作為最終工序的焊接結(jié)構(gòu)件生產(chǎn)中，鋼材都是不可替代的材料。

    長(zhǎng)期以來(lái)，飛機(jī)制造業(yè)使用最多的鋼材，是強(qiáng)度水平為1600-1850MPa、斷裂韌性約為77.5-91MPa每平方米的中合金化高強(qiáng)鋼。目前，在保持同樣斷裂韌性指標(biāo)的條件下，已將鋼材的最低強(qiáng)度水平提高到了1950Mpa。還開(kāi)發(fā)出了新型經(jīng)濟(jì)合金化的高抗裂性、高強(qiáng)度焊接結(jié)構(gòu)鋼，開(kāi)發(fā)強(qiáng)度性能水平為2100-2200Mpa的高可靠性結(jié)構(gòu)鋼；高強(qiáng)度耐蝕鋼強(qiáng)度水平與中合金結(jié)構(gòu)鋼相近，可靠性參數(shù)大大超過(guò)中合金結(jié)構(gòu)鋼。

    隨著高分子材料被應(yīng)用在制作飛機(jī)的材料上，使得飛機(jī)的性能越來(lái)越好。在航空工業(yè)中，腐蝕與防腐是個(gè)重要的問(wèn)題，可是一般的金屬防腐蝕的效果很差，由于高分子材料耐酸，堿，鹽介質(zhì)的腐蝕性優(yōu)于金屬和其他的合金材料，故被應(yīng)用在飛機(jī)的制作上。另外，高分子材料具有密度小，強(qiáng)度大的優(yōu)點(diǎn)，這對(duì)減輕飛機(jī)本身的質(zhì)量和減少能源的消耗都有重要的意義。

    6、復(fù)合材料

    （1）聚合物復(fù)合材料

    代表航空航天技術(shù)開(kāi)發(fā)水平的一個(gè)重要標(biāo)志是看聚合物復(fù)合材料使用數(shù)量的多少。聚合物復(fù)合材料在比強(qiáng)度和比剛度方面具有非常明顯的優(yōu)越性，兼?zhèn)淞己玫慕Y(jié)構(gòu)性能和特殊性能，在航空領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。空中客車(chē)A3XX飛機(jī)使用聚合物復(fù)合材料的比例將達(dá)到25%。

    作為結(jié)構(gòu)材料，新型復(fù)合材料-有機(jī)塑料將發(fā)揮越來(lái)越大的作用。最近幾年，正在研制第二代有機(jī)塑料。單一用途的有機(jī)塑料的σb值達(dá)到3000-3200Mpa，E值提高到130Gpa。試驗(yàn)研究表明，有可能獲得彈性模量為200-250Gpa的有機(jī)塑料。需要指出的是，這實(shí)際上就是將工作溫度范圍擴(kuò)大1倍，還可顯著降低復(fù)合材料的吸水率。在比強(qiáng)度和比彈性模量方面，現(xiàn)代的有機(jī)塑料，特別是未來(lái)的有機(jī)塑料將超過(guò)所有已知的以聚合物、金屬和陶瓷為基體的復(fù)合材料。

    （2）陶瓷基復(fù)合材料

    說(shuō)到陶瓷，人們很自然想到它的特點(diǎn)就是脆性。十幾年前，如果把它用于工程領(lǐng)域的承力件，是任何人都不可能接受的，直到現(xiàn)在說(shuō)到陶瓷復(fù)合材料，也可能還會(huì)有些人不清楚，認(rèn)為陶瓷和金屬原本就是兩種不相關(guān)的基本材料，但是自從人們巧妙地將陶瓷和金屬結(jié)合后，才使人們對(duì)這種材料的概念發(fā)生了根本的變化，這就是陶瓷基復(fù)合材料。

    陶瓷基復(fù)合材料在航空工業(yè)領(lǐng)域是一種非常有發(fā)展前途的新型結(jié)構(gòu)材料，特別是在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造應(yīng)用中，越來(lái)越顯示出它的獨(dú)到之處。陶瓷基復(fù)合材料除了具有重量輕，硬度高的優(yōu)點(diǎn)以外，還具有優(yōu)異的耐高溫和高溫抗腐蝕性能。目前陶瓷基復(fù)合材料在承受高溫方面已經(jīng)超過(guò)了金屬耐熱材料，并具有很好的力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫區(qū)理想的極好材料。

    目前世界各國(guó)針對(duì)下一代先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的要求，正集中研究氮化硅和碳化硅增強(qiáng)陶瓷材料，并取得了較大進(jìn)展，有的已開(kāi)始應(yīng)用在現(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)中。例如美國(guó)驗(yàn)證機(jī)的F120型發(fā)動(dòng)機(jī)，它的高壓渦輪密封裝置，燃燒室的部分高溫零件，均采用了陶瓷材料。法國(guó)的M88-2型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室和噴管等也都采用了陶瓷基復(fù)合材料。據(jù)專(zhuān)家估計(jì)，到2000年陶瓷材料將占高性能渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)重量的30％。

    （3）金屬間化合物

    高性能、高推重比航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，促進(jìn)了金屬間化合物的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。如今金屬間化合物已經(jīng)發(fā)展成為多種多樣的族，它們一般都是由二元三元或多元素金屬元素組成的化合物。金屬間化合物在高溫結(jié)構(gòu)應(yīng)用方面具有巨大的潛力，它具有高的使用溫度以及比強(qiáng)度、導(dǎo)熱率，尤其是在高溫狀態(tài)下，還具有很好的抗氧化，搞腐蝕性和高的蠕變強(qiáng)度。另外由于金屬間化合物是處于高溫合金與陶瓷材料之間的一種新材料，它填補(bǔ)了這兩種材料之間的空檔，因而成為航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的理想材料之一。

    目前在航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中，致力于研究開(kāi)發(fā)的主要是以鈦鋁（TiAl、）和鎳鋁（NIAI）等為重點(diǎn)的金屬間化合物。這些鈦鋁化合物與鈦的密度基本相同，但卻有更高的使用溫度。例如和 TiAl的使用溫度分別為816℃和982℃。

    金屬間化合物原子間的結(jié)合力強(qiáng)，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造成了它的變形困難，在室溫下顯現(xiàn)出硬而脆的特點(diǎn)。目前經(jīng)過(guò)多年的試驗(yàn)研究，一種具有高溫強(qiáng)度和室溫塑性與韌性的新型合金已經(jīng)研制成功，并已裝機(jī)使用，效果很好。例如美國(guó)的高性能F119型發(fā)動(dòng)機(jī)的外涵機(jī)匣、渦輪盤(pán)都是采用的金屬間化合物，驗(yàn)證機(jī)F120型發(fā)動(dòng)機(jī)的壓氣機(jī)葉片和盤(pán)均采用了新的鈦鋁金屬間化合物。

    （4）碳/碳復(fù)合材料

    C/C基復(fù)合材料是近年來(lái)最受重視的一種更耐高溫的新材料。到目前為止，只有C/C復(fù)合材料是被認(rèn)為唯一可做為推重比20以上，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)口溫度可達(dá)1930-2227℃渦輪轉(zhuǎn)子葉片的后繼材料，是美國(guó)21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的耐高溫材料，世界先進(jìn)工業(yè)國(guó)家竭力追求的最高目標(biāo)。

    C/C基復(fù)合材料，即碳纖維增強(qiáng)碳基本復(fù)合材料，它把碳的難熔性與碳纖維的高強(qiáng)度及高剛性結(jié)合于一體，使其呈現(xiàn)出非脆性破壞。由于它具有重量輕、高強(qiáng)度，優(yōu)越的熱穩(wěn)定性和極好的熱傳導(dǎo)性，是當(dāng)今最理想的耐高溫材料，特別是在1000-1300℃的高溫環(huán)境下，它的強(qiáng)度不僅沒(méi)有下降，反而有所提高。在1650℃以下時(shí)依然還保持著室溫環(huán)境下的強(qiáng)度和風(fēng)度。因此C/C基復(fù)合材料在宇航制造業(yè)中具有很大的發(fā)展前途。

    C/C基復(fù)合材料在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上應(yīng)用的主要問(wèn)題是抗氧化性能較差，近幾年美國(guó)通過(guò)采取一系列的工藝措施，使這一問(wèn)題不斷得到解決，逐步應(yīng)用在新型發(fā)動(dòng)機(jī)上。例如美國(guó)的F119發(fā)動(dòng)機(jī)上的加力燃燒室的尾噴管，F(xiàn)100發(fā)動(dòng)機(jī)的噴嘴及燃燒室噴管，F(xiàn)120驗(yàn)證機(jī)燃燒室的部分零件已采用C/C基復(fù)合材料制造。法國(guó)的M88-2發(fā)動(dòng)機(jī)，幻影2000型發(fā)動(dòng)機(jī)的加力燃燒室噴油桿、隔熱屏、噴管等也都采用了C/C基復(fù)合材料。

    高速鐵路用先進(jìn)材料

    高鐵的核心技術(shù)有哪些？

    目前，中國(guó)大陸高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程居世界第一位，預(yù)計(jì)到2020年，高速鐵路建設(shè)里程將超過(guò)1.8萬(wàn)公里，形成整體的高速鐵路網(wǎng)。高速鐵路的建設(shè)將帶來(lái)巨大的商機(jī)。

    高速鐵路除了在列車(chē)在營(yíng)運(yùn)達(dá)到一定速度標(biāo)準(zhǔn)外，車(chē)輛、路軌、操作都需要配合提升。下面請(qǐng)看高鐵上的那些核心技術(shù)。

    世界上首條高鐵

    世界上首條出現(xiàn)的高速鐵路是日本的新干線，于1964年正式營(yíng)運(yùn)。日系新干線列車(chē)由川崎重工建造，行駛在東京－名古屋－京都－大阪的東海道新干線，營(yíng)運(yùn)速度每小時(shí)271公里，營(yíng)運(yùn)最高時(shí)速300公里。學(xué)校地址：陜西省渭南市國(guó)家高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)西新街與石泉路十字西200米（1路公交車(chē)終點(diǎn)站--渭南軌道交通運(yùn)輸學(xué)校下車(chē)即到）

    此后高鐵技術(shù)得到各個(gè)國(guó)家的重視，高鐵在世界各個(gè)城市遍地開(kāi)花，緣起法國(guó)的TGV技術(shù)、緣起德國(guó)的ICE技術(shù)、緣起西班牙的Talgo技術(shù)以及得益于航空航天技術(shù)發(fā)展而誕生的磁懸浮技術(shù)都為高鐵速度的提升探索了思路和方式。而中國(guó)研究的CRH技術(shù)是高鐵科技領(lǐng)域的又一重大突破。本文就是向各位介紹CRH技術(shù)，而CRH技術(shù)正是高鐵與普通鐵路區(qū)分的關(guān)鍵技術(shù)因素之一。

    高鐵動(dòng)車(chē)的基本組成

    1.車(chē)體

    車(chē)體的作用是安裝基礎(chǔ)和承載骨架。現(xiàn)代動(dòng)車(chē)組車(chē)體均采用整體承載的鋼結(jié)構(gòu)或者輕金屬結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在最輕的自重下滿足強(qiáng)度和剛度要求。

    2.轉(zhuǎn)向架

    轉(zhuǎn)向架有動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架之分。其作用是承載、轉(zhuǎn)向、減振、制動(dòng)，動(dòng)力轉(zhuǎn)向架還具有驅(qū)動(dòng)的功能。轉(zhuǎn)向架由構(gòu)架、懸掛裝置、輪對(duì)軸箱裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等組成。而動(dòng)力轉(zhuǎn)向架還有驅(qū)動(dòng)裝置。

    3.牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)

    作用是傳遞能量和運(yùn)行控制。牽引傳動(dòng)系統(tǒng)主要是指列車(chē)的電氣設(shè)備，分為傳動(dòng)電路系統(tǒng)、輔助電路系統(tǒng)和電子與控制電路系統(tǒng)。主傳動(dòng)電路系統(tǒng)主要包括主變壓器、主變流器、牽引電機(jī)。輔助電路系統(tǒng)主要包括通風(fēng)冷卻裝置、車(chē)內(nèi)供電裝置。

    4.制動(dòng)裝置

    該裝置包括機(jī)械部分、空氣管路部分和電氣控制部分。制動(dòng)方式有空氣制動(dòng)和電氣制動(dòng)，不同的制動(dòng)方式有不同的制動(dòng)裝置。

    5.車(chē)端連接裝置

    該裝置包括各種車(chē)購(gòu)緩沖裝置、鉸接裝置和風(fēng)擋等。作用是連接車(chē)輛成列及緩和縱向沖擊。

    6.受流裝置

    動(dòng)車(chē)組均采用受電弓受流器。

    7.車(chē)輛內(nèi)部設(shè)備和駕駛室設(shè)備

    這里面就是些類(lèi)似于“家具”一樣的東西了，如空調(diào)、燈、座椅等。

    CRH核心技術(shù)點(diǎn)

    動(dòng)車(chē)本質(zhì)上是人類(lèi)科學(xué)技術(shù)水平的集中體現(xiàn)，里面的所有設(shè)備裝置都是科技在鐵路運(yùn)輸上的應(yīng)用。所以談到動(dòng)車(chē)組的核心技術(shù)，很多都是在別的地方有應(yīng)用的。

    動(dòng)車(chē)組核心的核心是牽引傳動(dòng)系統(tǒng)

    我國(guó)動(dòng)車(chē)組均采用交直交傳動(dòng)，接觸網(wǎng)上的交流電經(jīng)過(guò)受電弓和變壓器之后，被整流成直流，再逆變成交流通入異步牽引電機(jī)。

    弓網(wǎng)關(guān)系

    高速列車(chē)在運(yùn)行的時(shí)候，列車(chē)速度越高，受電弓與接觸網(wǎng)的良好接觸就越難實(shí)現(xiàn)，這就是弓網(wǎng)關(guān)系。

    輪軌關(guān)系（轉(zhuǎn)向架）

    高速下，輪對(duì)與鋼軌之間的蠕滑、輪軌動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性、曲線通過(guò)性能，這些基本上可以歸納到轉(zhuǎn)向架中。

    變流技術(shù)

    要實(shí)現(xiàn)整流和逆變最根本的是器件，所以動(dòng)車(chē)的運(yùn)行必須要大功率的可控器件。其中以IGBT為代表。其次，逆變器和整流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了輸出的性能。再者，整流器和逆變器的控制技術(shù)也非常重要，而且控制技術(shù)牽涉到整車(chē)的運(yùn)行策略和工況，難度非常高。

    牽引電機(jī)控制技術(shù)

    對(duì)牽引電機(jī)的控制一般是將逆變器和電機(jī)作為整體進(jìn)行控制的，現(xiàn)在最成熟的兩種控制方法一個(gè)是矢量控制一個(gè)是直接轉(zhuǎn)矩控制。在具體的控制方法中，還有很多實(shí)現(xiàn)上的困難。在其中，會(huì)添加一些技術(shù)，比如無(wú)傳感器技術(shù)，非線性解耦等。

    再生制動(dòng)

    再生制動(dòng)是一種非常環(huán)保的制動(dòng)技術(shù)，它利用列車(chē)的動(dòng)能發(fā)電，將電能返送到電網(wǎng)中去。再生制動(dòng)技術(shù)本質(zhì)上是控制技術(shù)，它不需要額外的主電氣設(shè)備，它只是將電動(dòng)機(jī)作為發(fā)電機(jī)，逆變器作為整流器，整流器作為逆變器，參照上圖。再生制動(dòng)技術(shù)中最主要的，是如何保證返送回電網(wǎng)的電能的質(zhì)量。

    網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和列車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)

    動(dòng)車(chē)組通常動(dòng)力較為分散，設(shè)備都分布在不同的車(chē)廂上，在高速運(yùn)行中，如何使設(shè)備協(xié)調(diào)工作，消除延時(shí)，這個(gè)是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)解決的。其中涉及到信號(hào)傳輸、通信協(xié)議、車(chē)載計(jì)算機(jī)等技術(shù)。

    至于列車(chē)運(yùn)行系統(tǒng)主要針對(duì)外部和列車(chē)的協(xié)調(diào)。這其中包括區(qū)間閉塞技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)。

    輔助供電系統(tǒng)

    這段不多說(shuō)，詳情見(jiàn)目前火車(chē)是如何供電的。

    動(dòng)車(chē)組CRH和和諧電HXD系列。動(dòng)車(chē)組的牽引供電系統(tǒng)由接觸網(wǎng)經(jīng)受電弓到牽引變壓器，牽引變壓器變壓后到牽引整流器，然后是牽引逆變器，最后到牽引電機(jī)。這是牽引供電系統(tǒng)。而車(chē)廂內(nèi)照明、空氣制動(dòng)機(jī)和列車(chē)控制系統(tǒng)供電來(lái)源是由輔助變流器得到，在變壓器后面有另一個(gè)繞組接出，接上輔助變流器。而控制電路和照明供電有專(zhuān)門(mén)的蓄電池備用。

    材料技術(shù)

    車(chē)窗、車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、輪對(duì)、閘瓦都需要材料技術(shù)的支撐。這個(gè)無(wú)需贅言。

    此外，高鐵和普通鐵路還有很大差別。

    1.高速鐵路使用無(wú)砟軌道（在中國(guó)是設(shè)計(jì)時(shí)速超過(guò)250km/h的高速鐵路使用無(wú)渣軌道，設(shè)計(jì)時(shí)速200-250km/h的客運(yùn)專(zhuān)線很多使用的是有砟軌道）。

    普通鐵路軌道是在小塊石頭堆砌的基礎(chǔ)上，再鋪設(shè)枕木或水泥枕木，被稱(chēng)為有砟軌道。京滬高鐵用的是無(wú)砟軌道，路基不用碎石，鐵軌、軌枕直接鋪在混凝土路上，整條線路水平誤差不超過(guò)0.1毫米。在軌道方面，大量采用長(zhǎng)距離無(wú)縫鋼軌。也就是在高鐵上幾乎聽(tīng)不到傳統(tǒng)火車(chē)的哐當(dāng)哐當(dāng)?shù)穆曇簟](méi)有了鋼軌接縫，對(duì)于列車(chē)速度的提高也有幫助。而且道岔都采用高速可動(dòng)心道岔。其通過(guò)速度比普通道岔高很多。且高速鐵路線路彎道更少，火車(chē)盡可能的是直線。（需要說(shuō)明的是無(wú)砟軌道的技術(shù)僅日本和德國(guó)擁有，中國(guó)缺乏軌道板制造技術(shù)，遂選擇引進(jìn)外國(guó)技術(shù)及自主研發(fā)。）

    2.高速鐵路使用的列車(chē)是動(dòng)力分散式動(dòng)車(chē)組。

    動(dòng)力分布式列車(chē)是鐵路列車(chē)的一種和動(dòng)力集中式相對(duì)的牽引方式，特點(diǎn)是動(dòng)力來(lái)源分散在列車(chē)各個(gè)車(chē)廂上的發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是集中在機(jī)車(chē)上，中國(guó)的“和諧號(hào)”動(dòng)車(chē)組是以架空電纜方式提供電力來(lái)驅(qū)動(dòng)牽引電動(dòng)機(jī)的電力動(dòng)車(chē)組。而普通列車(chē)是由火車(chē)頭牽引的，這是動(dòng)力集中式的牽引方式。

    3.信號(hào)控制系統(tǒng)不同。

    中國(guó)列車(chē)控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CTCS，是中國(guó)鐵路參照歐洲列車(chē)控制系統(tǒng)，并結(jié)合中國(guó)國(guó)情構(gòu)建的技術(shù)體系。使用數(shù)字控制信號(hào)，比傳統(tǒng)的模擬信號(hào)更加的精確和穩(wěn)定，確保列車(chē)運(yùn)行安全。

    4.定價(jià)和定位不同。

    需要注意的是磁懸浮列車(chē)也屬于高速鐵路的一種。

    高速鐵路用材料有哪些？

    鐵道車(chē)輛（車(chē)體、轉(zhuǎn)向架、車(chē)輛內(nèi)裝及設(shè)備）

    輪-軌、受電弓滑板、制動(dòng)摩擦、路基等，高速需要大的動(dòng)力，導(dǎo)致更大的振動(dòng)。

    為滿足節(jié)能、安全、環(huán)保、舒適目標(biāo)，對(duì)于高速鐵路用材料的要求：輕質(zhì)高強(qiáng)、隔振減振、高鐵輕量化材料、不銹鋼和鋁合金。

    車(chē)體

    與普通鋼相比，不銹鋼減重40%。

    不銹鋼車(chē)體不易解決車(chē)體氣密性問(wèn)題，只用于制造時(shí)速200公里級(jí)的車(chē)體。

    由于鋁合金比強(qiáng)度高，特別是大型空心薄壁鋁材軋制技術(shù)的完善，成為高速列車(chē)車(chē)體最理想的材料。

    鋁合金車(chē)體的發(fā)展

    輕量化車(chē)體用中空雙表面大型鋁合金擠壓型材中空雙表面大型鋁合金擠壓型材，可大幅度減少焊接工作量，簡(jiǎn)化車(chē)輛的制造工藝。

    日本新干線選用的鋁合金大體上有：Al-Mg  系合金、Al-Mg-Si  系合金，Al-Zn-Mg 系合金。如系合金。如5083 、7003  等牌號(hào)的鋁合金。

    由于車(chē)輛輕量化的要求越來(lái)越高，于是人們把目光注視到復(fù)合材料上來(lái)。

    復(fù)合材料車(chē)體的發(fā)展

    意大利 ETR500 高速列車(chē)的車(chē)頭前突部分采用的是芳綸纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂的 FRP，用這種材料模型成型的符合空氣動(dòng)力學(xué)線型要求的車(chē)頭，具有優(yōu)異的抗沖擊能力，當(dāng)列車(chē)以 300 km/h 速度行駛時(shí)有很好的尺寸穩(wěn)定性。

    法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司（SNCF）認(rèn)為對(duì)于未來(lái)的 TGV 高速列車(chē)，考慮到迫切需要進(jìn)一步減輕車(chē)體質(zhì)量，采用法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路公司（SNCF）認(rèn)為對(duì)于未來(lái)的 TGV 高速列車(chē)，考慮到迫切需要進(jìn)一步減輕車(chē)體質(zhì)量，采用碳和玻璃纖維強(qiáng)化環(huán)氧脂包覆發(fā)泡蜂窩材料芯碳和玻璃纖維強(qiáng)化環(huán)氧樹(shù)脂包覆發(fā)泡蜂窩材料芯，制造雙層掛車(chē)，并進(jìn)行線路運(yùn)行試驗(yàn)，對(duì)其耐火性、抗沖擊強(qiáng)度等進(jìn)行運(yùn)行測(cè)試，結(jié)果表明：

    復(fù)合材料車(chē)體的制造工藝是有效的，它比鋁制或鋼制車(chē)體的強(qiáng)度大，用碳纖維復(fù)材預(yù)計(jì)可比鋁制車(chē)的質(zhì)量減少25 %；

    復(fù)合材料車(chē)體在振動(dòng)性能、透聲性能和絕熱性能方面的優(yōu)點(diǎn)，提高了車(chē)體的舒適性。

    轉(zhuǎn)向架

    能相對(duì)車(chē)體回轉(zhuǎn)的一種裝置，起支承車(chē)體、轉(zhuǎn)向和制動(dòng)的作用，并保證機(jī)車(chē)車(chē)輛在軌道上安全平穩(wěn)地運(yùn)行。

    轉(zhuǎn)向架的構(gòu)架是特別重要的高強(qiáng)度部件，關(guān)系到整個(gè)車(chē)輛安全性。轉(zhuǎn)向架必須滿足安全、運(yùn)行舒適度以及耐磨損、易檢修等要求。

    多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金低碳高強(qiáng)度鋼、耐候鋼制造的構(gòu)架。近來(lái)研究熱點(diǎn)為高分子復(fù)合材料和鋁合金制造的構(gòu)架。

    德國(guó)開(kāi)發(fā)了世界上第一個(gè)纖復(fù)合材料的轉(zhuǎn)向架構(gòu)架，并過(guò)了靜態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、運(yùn)行試驗(yàn)，運(yùn)營(yíng)了 100多萬(wàn)km后檢測(cè)未現(xiàn)任何損壞、磨損或撕裂。

    車(chē)輛內(nèi)裝及設(shè)備

    車(chē)輛內(nèi)裝及設(shè)備主要有裝飾板、廁所、盟洗室、座椅及水箱等， 應(yīng)以鋁合金和高分子材料為主， 如裝飾板采用鋁合金上疊合一層不燃性的纖維增強(qiáng)塑料， 廁所、盟洗室、座椅及水箱還要考慮到衛(wèi)生和耐腐蝕性， 也以不燃性的為佳。

    輪 輪 -  軌材料

    輪- 軸

    當(dāng)列車(chē)的時(shí)速達(dá)到300公里時(shí)，高速列車(chē)車(chē)輪的雜質(zhì)含量必須嚴(yán)格控制。在鋼鐵冶煉的時(shí)候，就必須要求車(chē)輪鋼當(dāng)列車(chē)的時(shí)速達(dá)到300公里時(shí)，高速列車(chē)車(chē)輪的雜質(zhì)含量必須嚴(yán)格控制。在鋼鐵冶煉的時(shí)候，就必須要求車(chē)輪鋼雜質(zhì)含量極低且分布均勻。由于車(chē)輪不過(guò)關(guān)，曾經(jīng)導(dǎo)致德國(guó)高速列車(chē)脫軌，人員傷亡。車(chē)軸是空心軸，列車(chē)所有的重量都?jí)涸谲?chē)軸上，技術(shù)雖然不是特別尖端，但批量生產(chǎn)的時(shí)候單件產(chǎn)品質(zhì)量控制必須非常嚴(yán)格。

    鋼軌

    就線路而言， 高速鐵路區(qū)別于一般鐵路最主要的特點(diǎn)是曲率半徑大、應(yīng)變速率高、軸重輕和牽引力大， 鋼軌的磨耗較小， 疲勞損傷相對(duì)突出， 因此對(duì)鋼軌材料的選擇要求較高。

    對(duì)于鋼軌材料而言， 歐洲鐵路一直在合金鋼軌上進(jìn)行研究，如非熱處理的Cr-Mo。合金鋼軌除了有較高的循環(huán)軟化抗力外，也有較好的抵抗短波磨損的能力， 是今后鋼軌材料的重點(diǎn)選擇對(duì)象之一。

    此外， 還應(yīng)從鋼軌鋼的 強(qiáng)韌化 和 純凈化方面進(jìn)行努力， 大力發(fā)展全長(zhǎng)熱處理鋼軌、稀土鋼軌和降噪降振新鋼軌。

    接觸網(wǎng)導(dǎo)線材料

    高速列車(chē)通常采用電力牽引。需要保證接觸網(wǎng)導(dǎo)線與受電弓滑板之間在高速運(yùn)行時(shí)具有良好的受流性能，目前高速鐵路研究開(kāi)發(fā)了銅合金導(dǎo)線，主要品種有高速列車(chē)通常采用電力牽引。需要保證接觸網(wǎng)導(dǎo)線與受電弓滑板之間在高速運(yùn)行時(shí)具有良好的受流性能，目前高速鐵路研究開(kāi)發(fā)了銅合金導(dǎo)線，主要品種有 銅銀合金導(dǎo)線 、 銅鎘合金 及 銅錫合金導(dǎo)線等。

    隨著車(chē)速進(jìn)一步提高，導(dǎo)線材料已由 單一材料 向 復(fù)合材料的方向發(fā)展，其中一個(gè)品種是 鋼芯銅皮的銅— 鋼復(fù)合材料 。

    受電弓滑板材料

    受電弓滑板是機(jī)車(chē)供電系統(tǒng)中的重要集電元件， 高速運(yùn)行的電力機(jī)車(chē)上的滑板一旦失效， 將嚴(yán)重危及行車(chē)安全， 因此要求它的使用必須經(jīng)濟(jì)安全， 既對(duì)接觸網(wǎng)導(dǎo)線磨耗小， 自身有足夠的使用壽命， 又不影響弓網(wǎng)關(guān)系。

    目前， 國(guó)內(nèi)外研究的浸金屬碳滑板已步入了實(shí)用化的階段，它主要是利用了碳滑板材料的多孔性質(zhì)， 將熔融的銅或銅合金等高導(dǎo)電性金屬， 在高溫高壓下浸入到碳滑板基體中去， 使它既有碳材料的自潤(rùn)滑和抗電弧性能， 又具備金屬材料的集電、強(qiáng)度高、抗彈撞擊力強(qiáng)的特點(diǎn)， 成為最理想的滑板材料。

    與此同時(shí)， 還應(yīng)加強(qiáng) 碳纖維一金屬?gòu)?fù)合材料滑板的研究， 這種滑板在集電、潤(rùn)滑、抗撞擊性能方面都會(huì)超過(guò)現(xiàn)有的的研究， 這種滑板在集電、潤(rùn)滑、抗撞擊性能方面都會(huì)超過(guò)現(xiàn)有的金屬滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板金屬滑板、碳滑板、浸金屬碳滑板和粉末冶金滑板 , 其應(yīng)用前景十分廣闊。

    無(wú)砟軌道系統(tǒng)

    板式無(wú)砟軌道是由長(zhǎng)鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、水泥瀝青砂漿、混凝土底座及凸形擋臺(tái)組成長(zhǎng)鋼軌、扣件系統(tǒng)、軌道板、水泥瀝青砂漿、混凝土底座及凸形擋臺(tái)組成 的一種新型軌道結(jié)構(gòu)。

    為了使板式軌道具有一定的彈性，并固定軌道結(jié)構(gòu)的位置，在混凝土底座和軌道板之間，以及凸形擋臺(tái)周?chē)畛渚彌_材料層，同時(shí)消除混凝土構(gòu)件施工誤差。

    作為緩沖充填材料，應(yīng)既有一定的彈性，又有一定的強(qiáng)度，水泥砂漿強(qiáng)度足夠高，但彈性不足，瀝青彈性好，但強(qiáng)度低，受溫度影響大，因此采用了將二者結(jié)合的水泥瀝青砂漿，一般采用水泥、乳化瀝青、砂及各種摻和料混合而成，通稱(chēng)作為緩沖充填材料，應(yīng)既有一定的彈性，又有一定的強(qiáng)度，水泥砂漿強(qiáng)度足夠高，但彈性不足，瀝青彈性好，但強(qiáng)度低，受溫度影響大，因此采用了將二者結(jié)合的水泥瀝青砂漿，一般采用水泥、乳化瀝青、砂及各種摻和料混合而成，通稱(chēng)CA 砂漿。

    鐵路軌道扣件分類(lèi)

    木制枕木扣件、水泥枕木扣件、高速鐵路扣件系統(tǒng)

    每公里客運(yùn)專(zhuān)線需要的扣件在6200-6600 套之間，以1.6萬(wàn)公里計(jì)算，高鐵共需要萬(wàn)公里計(jì)算，高鐵共需要9920-10560萬(wàn)套扣件，如果按照現(xiàn)在的萬(wàn)套扣件，如果按照現(xiàn)在的300元左右的價(jià)格，市場(chǎng)空間為元左右的價(jià)格，市場(chǎng)空間300億元左右。

    高速鐵路無(wú)砟軌道系統(tǒng)用高分子材料

    高鐵鐵軌所用到的高分子減振、降噪材料多達(dá)十幾種。聚氨酯、碳纖維復(fù)合材料、熱塑性彈性體、聚氯乙烯、硅橡膠、環(huán)氧樹(shù)脂、丁基橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙膠等。

    CA 砂漿及專(zhuān)用瀝青乳液

    微粒帶正電荷；貯存穩(wěn)定性好；配制砂漿外加水少，有利于防止砂漿泌水；與水泥、細(xì)骨料附著力好，可有效防止砂漿離析；抗凍性與耐候性好，有效延長(zhǎng)了使用壽命。

    凸形擋臺(tái)填充聚氨酯樹(shù)脂

    粘度小，易于施工；防沉降效果好，具有較高的承載強(qiáng)度及韌性，抗沖擊性能優(yōu)秀，并擁有良好粘結(jié)強(qiáng)度，優(yōu)異的抗疲勞性、耐熱老化性及耐腐蝕性。

    聚脲彈性體涂層在高鐵中的應(yīng)用由于高鐵采用無(wú)碴軌道，要求防護(hù)層不僅具有防水、防滲和抗裂等基本性能，還要能經(jīng)受火車(chē)高速行駛帶來(lái)的高速、重載、交變沖擊等作用。聚脲涂層無(wú)接縫，粘結(jié)力強(qiáng)，真正做到了整體防水，同時(shí)還具有優(yōu)異的耐磨性、抗沖擊、抗開(kāi)裂、耐紫外光和耐高低溫性能，可滿足高鐵的特殊要求。

    PU 枕木

    PU枕木是一種玻纖增強(qiáng)的硬質(zhì)PU微孔彈性體，具有比強(qiáng)度大、減震、降噪、耐電氣絕緣、高耐久和環(huán)保等優(yōu)良性能。在日本，塑料枕木的應(yīng)用歷史已超過(guò)25年，且已應(yīng)用於新乾線高速列車(chē)的鐵軌上。

    PU枕木目前已受到PU和鐵路業(yè)界高度關(guān)注，是全球PU材料界研究的一個(gè)熱點(diǎn)課題。根據(jù)國(guó)家發(fā)展高速鐵路長(zhǎng)遠(yuǎn)計(jì)劃，為了適應(yīng)高速列車(chē)提速要求，開(kāi)發(fā)PU枕木以取代或部分取代混凝土枕木必將是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。按國(guó)外經(jīng)驗(yàn)1km高速鐵路需用1800根左右軌枕計(jì)，則7000km高速鐵路PU枕木市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到500億元，這無(wú)疑將給我國(guó)新型PU彈性體帶來(lái)巨大市場(chǎng)空間。

    高鐵會(huì)給我們帶來(lái)什么投資機(jī)會(huì)？

    年均投資將達(dá)8000億元，為高速鐵路系統(tǒng)配套的化工材料將扮演越來(lái)越重要的角色。中國(guó)高速鐵路這塊大蛋糕吸引的不僅僅是中國(guó)企業(yè)，國(guó)外的供應(yīng)商同樣嗅到了商機(jī)。德國(guó)巴斯夫公司專(zhuān)門(mén)組建了高速鐵路團(tuán)隊(duì)，向中國(guó)提供從防水材料

    到沙漿材料、從道碴膠到土工布膠、從外加劑到防腐劑、從涂料到地坪、從保溫到吸音等系列解決方案。

    中國(guó)的高速鐵路建設(shè)不僅僅給新材料企業(yè)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)會(huì)，同時(shí)也給新材料產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求。用于高速鐵路路基和軌道之間的減振材料中國(guó)的高速鐵路建設(shè)不僅僅給新材料企業(yè)帶來(lái)了發(fā)展機(jī)會(huì)，同時(shí)也給新材料產(chǎn)業(yè)提出了更高的要求。用于高速鐵路路基和軌道之間的減振材料——聚酯聚醚彈性體，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)還不能滿足需求，主要從國(guó)外進(jìn)口。 而美國(guó)杜邦公司的聚酯聚醚彈性體材料售價(jià)在每噸10萬(wàn)元左右甚至更高。如果該材料實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，價(jià)格可以降低一半。

    海洋工程用先進(jìn)材料

    在現(xiàn)代船舶發(fā)展過(guò)程中，美、俄（蘇）、英、德、法、日等船舶強(qiáng)國(guó)，均將材料技術(shù)發(fā)展視作船舶發(fā)展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)，對(duì)材料技術(shù)發(fā)展給予了高度重視，不僅在不同的發(fā)展時(shí)期從船舶材料技術(shù)發(fā)展的頂層研究，制定了發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃，投入大量人力、財(cái)力持續(xù)開(kāi)展基礎(chǔ)材料技術(shù)、新興材料技術(shù)的研發(fā)和前沿技術(shù)的探索，而且非常注重試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)（包括試驗(yàn)潛艇）的建設(shè)。伴隨著船舶發(fā)展，經(jīng)過(guò)不斷創(chuàng)新，與時(shí)俱進(jìn)，人們不僅研制了滿足船舶各發(fā)展時(shí)期所需的各種材料，而且已形成很強(qiáng)的材料技術(shù)的研究、生產(chǎn)能力和完整的門(mén)類(lèi)齊全的配套體系，建立起了較完善的船舶材料體系和船舶材料技術(shù)的基本理論、方法、工藝等。

    著眼于當(dāng)前船舶材料技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，立足于21世紀(jì)前期（2035年前）的高新技術(shù)發(fā)展，可以預(yù)見(jiàn)，21世紀(jì)前期船舶材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)將呈現(xiàn)出“高”、“復(fù)”、“鈦”、‘穩(wěn)“、”防“、”有“、”無(wú)“、’前”、“用”、“低”等十大特征。

    “高”--船舶船體鋼材仍向高性能化發(fā)展

    船舶結(jié)構(gòu)鋼未來(lái)的發(fā)展趨向主要為：

    1.仍將高性能化作為追求的主要發(fā)展方向，注重提高鋼材的整體性能，包括強(qiáng)度、塑性、韌性、抗爆性能、抗脆性破壞、耐海水腐蝕、抗疲勞特性等。

    2.極其注重冷熱加工、焊接等工藝性能的研究，將改善結(jié)構(gòu)鋼工藝性能作為今后重要的發(fā)展方向。

    3.注重高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼配方設(shè)計(jì)、制備應(yīng)用技術(shù)的理論和方法的研究、完善。

    4.在注重高性能化發(fā)展的同時(shí)，追求低成本的經(jīng)濟(jì)性能，等等。

    “復(fù)”--研發(fā)高性能多功能復(fù)合材料的趨勢(shì)方興未艾

    船舶復(fù)合材料技術(shù)未來(lái)發(fā)展的趨向主要為：

    1.一發(fā)低成本/高性能化的復(fù)合材料及其產(chǎn)品是未來(lái)的主要發(fā)展趨勢(shì)。

    2.由單純承載結(jié)構(gòu)型復(fù)合材料向多功能型復(fù)合材料（兼具結(jié)構(gòu)型、隔聲、吸聲、阻尼、雷達(dá)隱身等特性）發(fā)展。

    3.船舶復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的壽命一般要求長(zhǎng)達(dá)20年以上，研發(fā)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)和修補(bǔ)技術(shù)，以保證其長(zhǎng)期安全可靠，是未來(lái)發(fā)展的重要方向。

    4.注重研發(fā)得合材料部件之間及其與鋼結(jié)構(gòu)之間的方便、可靠的連接技術(shù)，等等。

    “鈦”--高性能鈦合金的研發(fā)與推廣應(yīng)用勢(shì)在必行

    未來(lái)船舶防護(hù)材料技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)為：

    1.在繼續(xù)提高或保持鈦合金現(xiàn)有特性的同時(shí)，應(yīng)將降低鈦合金及其產(chǎn)品的制造成本作為未來(lái)發(fā)展的重要方向。

    2.開(kāi)展施工方便、安全、可靠的鈦合金焊接及制造（彎曲、成型等）工藝等技術(shù)研究是未來(lái)發(fā)展的又一重要方向。

    3.注重在船舶研制中進(jìn)一步推廣應(yīng)用鈦合金及其產(chǎn)品。

    4.進(jìn)一步完善鈦合金材料體系，繼續(xù)研發(fā)、拓展船用鈦合金產(chǎn)品系列，等等。

    “隱”--仍將研發(fā)高性能隱身材料列為重要發(fā)展方向

    未來(lái)隱身材料技術(shù)發(fā)展的主要方向?yàn)椋?/span>

    1.綜合化、高性能化是未來(lái)船舶隱身材料技術(shù)發(fā)展的主要方向。

    2.適應(yīng)主動(dòng)振動(dòng)噪聲控制元器件需求的隱身材料技術(shù)研究。

    3.具有低頻消聲和去耦作用的聲學(xué)覆蓋層（含消聲瓦）的材料技術(shù)研究。

    4.聲隱身、尾跡隱身等前沿技術(shù)研究。

    5.新型隱身材料制備與應(yīng)用（含檢測(cè)、施工工藝）技術(shù)研究，等等。

    “防”--船舶防護(hù)材料以環(huán)保高壽命為重點(diǎn)正蓄勢(shì)待發(fā)

    未來(lái)船舶防護(hù)材料技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)為：

    1.以高性能防護(hù)材料（如金屬合金、納米材料、生物仿生材料等）替代單一防護(hù)功能材料為發(fā)展方向，力爭(zhēng)一材多用，一材足用。

    2.艦艇易腐蝕和污損部位（如海水管系、上層建筑、緊固件、液艙等）的腐蝕和污損特性、機(jī)理及涂層防護(hù)技術(shù)的研究，將能有的放矢、因地制宜、因材施用地解決不同部位的防護(hù)難題。

    3.鑒于新的國(guó)際海洋法的需求，以及海洋環(huán)境污染的嚴(yán)峻形勢(shì)，防護(hù)材料技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，在加強(qiáng)防護(hù)性能的同時(shí)，以追求環(huán)保、經(jīng)濟(jì)性為重耍指標(biāo)。

    4.應(yīng)加強(qiáng)研究船舶的全壽期最佳防護(hù)技術(shù)方案，并注重對(duì)防護(hù)效果進(jìn)行有效監(jiān)控與合理預(yù)測(cè)。

    5.注重防滑、耐高溫密封防漏、艙室高性能環(huán)保性裝飾等船舶用特殊材料技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，等等。

    “有”--船舶用有色金屬材料仍需加強(qiáng)推廣應(yīng)用

    未來(lái)船舶用有色金屬材料技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)為：

    1.鋁合金。開(kāi)展高強(qiáng)度耐腐蝕鋁合金材料的研究，以滿足新一代航空母艦大量減輕重量、提高結(jié)構(gòu)的疲勞強(qiáng)度等需求；同時(shí)，開(kāi)展鋁合金結(jié)構(gòu)可靠性研究，以提高高速鋁質(zhì)船的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、操縱和維護(hù)能力。

    2.銅合金。研制更高流速極限的船舶用銅質(zhì)管系（目前通常為3m／s），以解決目前紫銅或B10鎳銅合金耐海水沖刷腐蝕性能或耐含砂海水腐蝕性能差的問(wèn)題。

    3.鎂合金。開(kāi)展鎂包鋅型、鎂包鋁型復(fù)合犧牲陽(yáng)極的研究，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)實(shí)施長(zhǎng)期、穩(wěn)定的保護(hù)。

    “無(wú)”--開(kāi)辟無(wú)機(jī)材料在船舶裝備上應(yīng)用的新領(lǐng)域

    未采船舶用無(wú)機(jī)材料技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)為：

    1.開(kāi)展無(wú)機(jī)材料在復(fù)雜海洋環(huán)境中的工作性能和腐蝕作用規(guī)律研究，提高環(huán)境適應(yīng)性，提高防火、保溫、吸振、防腐等特殊性能。

    2.開(kāi)展高強(qiáng)輕質(zhì)海工混凝土制備、生產(chǎn)及應(yīng)用技術(shù)的研究，進(jìn)一步促進(jìn)類(lèi)似海工建筑物的發(fā)展和應(yīng)用，如離岸混凝土鉆采平臺(tái)及儲(chǔ)運(yùn)平臺(tái)、躉船、浮船塢、起重船等工程船舶。

    3.研發(fā)具有優(yōu)良綜合性能（如工藝性、保溫隔熱、防火、防腐、經(jīng)濟(jì)性）的船舶內(nèi)裝飾材料。

    “前”--船舶材料前沿技術(shù)呈現(xiàn)百花齊放的發(fā)展趨勢(shì)

    未來(lái)船舶前沿材料技術(shù)的發(fā)展主要呈現(xiàn)如下趨勢(shì)：

    1.自主創(chuàng)新、“奇思妙想”，提出新穎的前沿材料技術(shù)項(xiàng)目，并下功夫攻克技術(shù)難點(diǎn)，取得創(chuàng)新突破，發(fā)揮前沿材料技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，從而給船舶裝備性能帶來(lái)顯著的提升。如壓電阻尼新型減振材料技術(shù)、智能可見(jiàn)光隱身材料技術(shù)、潛艇液體隱身衣材料技術(shù)、納米材料技術(shù)等前沿材料技術(shù)。

    2.加強(qiáng)船舶裝備對(duì)材料技術(shù)發(fā)展的需求探索，為研發(fā)新型材料技術(shù)提供思路和方法；加強(qiáng)對(duì)新材料原理、方法、設(shè)計(jì)及制造技術(shù)的研究，為上船使用做好技術(shù)儲(chǔ)備。

    3.加強(qiáng)新材料新工藝的應(yīng)用技術(shù)研究，必要時(shí)可通過(guò)條件保障設(shè)施開(kāi)展陸上演示驗(yàn)證，或在其他非船舶行業(yè)開(kāi)展應(yīng)用探索，從中積累經(jīng)驗(yàn)，完善技術(shù)，給艦艇裝備一次性成功使用新興材料奠定基礎(chǔ)，等等。

    “用”--加強(qiáng)材料應(yīng)用技術(shù)的研究不可或缺

    未來(lái)船舶材料應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要有：

    1.開(kāi)展面向應(yīng)用對(duì)象的材料技術(shù)研究，使任何一項(xiàng)材料技術(shù)的研制有據(jù)可循，任何一項(xiàng)材料技術(shù)的應(yīng)用有需求空間，這對(duì)推進(jìn)新材料和新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，具有重要意義。

    2.開(kāi)展新型船舶材料應(yīng)用技術(shù)研究與試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)先進(jìn)的材料應(yīng)用技術(shù)與優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，推動(dòng)新材料的發(fā)展與應(yīng)用。

    3.開(kāi)展新型船舶材料實(shí)船應(yīng)用與推廣研究，通過(guò)實(shí)船應(yīng)用驗(yàn)證其上船效果，尋求契機(jī)進(jìn)行推廣應(yīng)用，等等。

    “低”--船舶材料技術(shù)一如既往向低成本化的方向發(fā)展

    未來(lái)船舶材料技術(shù)低成本化的發(fā)展趨勢(shì)主要為：

    1.研究、建立一套較為完善的、可滿足工程實(shí)際應(yīng)用的衡量、評(píng)估船舶材料經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)理論、指標(biāo)體系。

    2.船舶材料經(jīng)濟(jì)性評(píng)估（計(jì)算）方法研究。

    3.船舶材料經(jīng)濟(jì)性設(shè)計(jì)指導(dǎo)性文件（標(biāo)準(zhǔn)）研究、編制，等等。

    記憶合金

    航空航天工業(yè)

    形狀記憶合金已應(yīng)用到航空和太空裝置。如用在軍用飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中的低溫配合連接件，歐洲和美國(guó)正在研制用于直升飛機(jī)的智能水平旋翼中的形狀記憶合金材料。由于直升飛機(jī)高震動(dòng)和高噪聲使用受到限制，其噪聲和震動(dòng)的來(lái)源主要是葉片渦流干擾，以及葉片型線的微小偏差。這就需要一種平衡葉片螺距的裝置，使各葉片能精確地在同一平面旋轉(zhuǎn)。目前已開(kāi)發(fā)出一種葉片的軌跡控制器，它是用一個(gè)小的雙管形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)器控制葉片邊緣軌跡上的小翼片的位置，使其震動(dòng)降到最低。

    還可用于制造探索宇宙奧秘的月球天線，人們利用形狀記憶合金在高溫環(huán)境下制做好天線，再在低溫下把它壓縮成一個(gè)小鐵球，使它的體積縮小到原來(lái)的千分之一，這樣很容易運(yùn)上月球，太陽(yáng)的強(qiáng)烈的輻射使它恢復(fù)原來(lái)的形狀，按照需求向地球發(fā)回寶貴的宇宙信息。

    另外，在衛(wèi)星中使用一種可打開(kāi)容器的形狀記憶釋放裝置，該容器用于保護(hù)靈敏的鍺探測(cè)器免受裝配和發(fā)射期間的污染。

    機(jī)械電子產(chǎn)品

    1970 年美國(guó)用形狀記憶合金制作 F-14 戰(zhàn)斗上的低溫配合連接器，隨后有數(shù)以百萬(wàn)以上的連件的應(yīng)用[5]。形狀記憶合金作為低溫配合連接在飛機(jī)的液壓系統(tǒng)中及體積較小的石油、石化、電工業(yè)產(chǎn)品中應(yīng)用。另一種連接件的形狀是焊接的網(wǎng)狀金屬絲，用于制造導(dǎo)體的金屬絲編織層的安全接頭。這種接件已經(jīng)用于密封裝置、電氣連接裝置、電子工程機(jī)械裝置，并能在-65~300℃可靠地工作。已開(kāi)出的密封系統(tǒng)裝置可在嚴(yán)酷的環(huán)境中用作電氣件連接。

    將形狀記憶合金制作成一個(gè)可打開(kāi)和關(guān)閉快門(mén)的彈簧，用于保護(hù)霧燈免于飛行碎片的擊壞。用于制造精密儀器或精密車(chē)床，一旦由于震動(dòng)、碰撞等原因變形，只需加熱即可排除故障。在機(jī)械制造過(guò)程中，各種沖壓和機(jī)械操作常需將零件從一臺(tái)機(jī)器轉(zhuǎn)移到另一臺(tái)機(jī)器上，現(xiàn)在利用形狀記憶合金開(kāi)發(fā)了一種取代手動(dòng)或液壓夾具，這種裝置叫驅(qū)動(dòng)汽缸，它具有效率高靈活，裝夾力大等特點(diǎn)。

    生物醫(yī)療

    用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的 TiNi 形狀記憶合金，除了利用其形狀記憶效應(yīng)或超彈性外，還應(yīng)滿足化學(xué)和生物學(xué)等方面的要求，即良好的生物相容性。TiNi 可與生物體形成穩(wěn)定的鈍化膜。在醫(yī)學(xué)上 TiNi 合金主要應(yīng)用有：

    （a）牙齒矯形絲 用超彈性 TiNi 合金絲和不銹鋼絲做的牙齒矯正絲，其中用超彈性 TiNi 合金絲是最適宜的。通常牙齒矯形用不銹鋼絲 CoCr 合金絲，但這些材料有彈性模量高，彈性應(yīng)變小的缺點(diǎn)。為了給出適宜的矯正力，在矯正前就要加工成弓形，而且結(jié)扎固定要求熟練。如果用 TiNi 合金作牙齒矯形絲，即使應(yīng)變高達(dá)10%也不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，而且應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變（stress-induced martensite）使彈性模量呈現(xiàn)非線型特性，即應(yīng)變?cè)龃髸r(shí)矯正力波動(dòng)很少。這種材料不僅操作簡(jiǎn)單，療效好，也可減輕患者不適感。

    （b） 脊柱側(cè)彎矯形 各種脊柱側(cè)彎癥（先天性、習(xí)慣性、神經(jīng)性、佝僂病性、特發(fā)性等）疾病，不僅身心受到嚴(yán)重?fù)p傷，而且內(nèi)臟也受到壓迫，所以有必要進(jìn)行外科手術(shù)矯形。目前這種手術(shù)采用不銹鋼制哈倫敦棒矯形，在手術(shù)中安放矯形棒時(shí)，要求固定后脊柱受到的矯正力保持在30~40kg以下，一但受力過(guò)大，矯形棒就會(huì)破壞，結(jié)果不僅是脊柱，而且連神經(jīng)也有受損傷的危險(xiǎn)。同時(shí)存在矯形棒安放后矯正力會(huì)隨時(shí)間變化，大約矯正力降到初始時(shí)的30%時(shí)，就需要再進(jìn)行手術(shù)調(diào)整矯正力，這樣給患者在精神和肉體上都造成極大痛苦。采用形狀記憶合金制作的哈倫頓棒，只需要進(jìn)行一次安放矯形棒固定。如果矯形棒的矯正力有變化，以通過(guò)體外加熱形狀記憶合金，把溫度升高到比體溫約高5℃，就能恢復(fù)足夠的矯正力。

    另外，外科中用 TiNi 形狀記憶合金制做各種骨連接器、血管夾、凝血濾器以及血管擴(kuò)張?jiān)取Ｍ瑫r(shí)還廣泛應(yīng)用于口腔科、骨科、心血管科、胸外科、肝膽科、泌尿科、婦科等，隨著形狀記憶的發(fā)展，醫(yī)學(xué)應(yīng)用將會(huì)更加廣泛。

    建筑結(jié)構(gòu)

    利用形狀記憶合金的偽彈性性能和動(dòng)阻尼特性，形狀記憶合金被用于被動(dòng)控制結(jié)構(gòu)受地震影響，起到抗震的作用。應(yīng)運(yùn)于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)阻尼控制等。

    日常生活

    （a） 防燙傷閥 在家庭生活中，已開(kāi)發(fā)的形狀記憶閥可用來(lái)防止洗滌槽中、浴盆和浴室的熱水意外燙傷；這些閥門(mén)也可用于旅館和其他適宜的地方。如果水龍頭流出的水溫達(dá)到可能燙傷人的溫度（大約 48℃）時(shí)，形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)閥門(mén)關(guān)閉，直到水溫降到安全溫度，閥門(mén)才重新打開(kāi)。

    （b） 眼鏡框架 在眼鏡框架的鼻梁和耳部裝配 TiNi 合金可使人感到舒適并抗磨損，由于 TiNi 合金所具有的柔韌性已使它們廣泛用于改變眼鏡時(shí)尚界。用超彈性 TiNi 合金絲做眼鏡框架，即使鏡片熱膨脹，該形狀記憶合金絲也能靠超彈性的恒定力夾牢鏡片。這些超彈性合金制造的眼鏡框架的變形能力很大，而普通的眼鏡框則不能做到。

    （c） 移動(dòng)電話天線和火災(zāi)檢查閥門(mén) 使用超彈性TiNi金屬絲做蜂窩狀電話天線是形狀記憶合金的另一個(gè)應(yīng)用。過(guò)去使用不銹鋼天線，由于彎曲常常出現(xiàn)損壞問(wèn)題。使用TiNi形狀記憶合金絲移動(dòng)電話天線，具有高抗破壞性受到人們普遍歡迎。因此常用來(lái)制作蜂窩狀電話天線和火災(zāi)檢查閥門(mén)。火災(zāi)中，當(dāng)局部地方升溫時(shí)閥門(mén)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，防止了危險(xiǎn)氣體進(jìn)入。這種特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是，它具有檢查閥門(mén)的操作，然后又能復(fù)位到安全狀態(tài)；這種火災(zāi)檢查閥門(mén)在半導(dǎo)體制造業(yè)中得到使用，在半導(dǎo)體制造的擴(kuò)散過(guò)程中使用了有毒的氣體；這種火災(zāi)檢查閥也可在化學(xué)和石油工廠應(yīng)用。

    其它

    在工程和建筑領(lǐng)域用 TiNi 形狀記憶合金作為隔音材料及探測(cè)地震損害控制的潛力已顯示出來(lái)。已試驗(yàn)了橋梁和建筑物中的應(yīng)用，因此作為隔音材料及探測(cè)損害控制的應(yīng)用已成為一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。

    隨著薄膜形狀記憶合金材料的出現(xiàn)和開(kāi)發(fā)利用，形狀記憶合金在智能材料系統(tǒng)中受到高度重視，應(yīng)用前景更廣闊。

 

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