第2章　中國材料發展的輝煌成就

2.1　中國已經成為世界材料生產、銷售和消費大國

據統計，2012年全球粗鋼總產量為15.478億噸。我國達到7.16億噸，約占世界粗鋼總量的46.3％，已連續12年居世界第一位。

十種有色金屬從2003年起連續十年生產量居世界第一位。

稀土金屬研究、生產和出口居世界第一位。我國以擁有世界36％的稀土金屬儲量，2008年開采并廉價供應世界各國90％的稀土金屬消費。

2012年世界煤炭產量79.56億噸，我國產煤36.6億噸，約占世界總量的46％，已連續20多年居全球第一位。

2012年世界石油產量為3123.83億桶（約合42.75億噸），我國產量為2.05億噸。

2011年我國電力裝機容量達10.6億千瓦，居世界第二位，年發電量達4.8萬億千瓦時，居世界第一位。

2012年，世界水泥產銷量約39億噸。我國達到21.8億噸，約占世界總量的56％，已經連續23年居世界第一位。

我國是全球第一大產鎢國。

我國是全球花崗石地磚的第一大出口國。

部分中低檔材料，如鋼鐵、水泥、鉛鋅、造紙等十九種材料產能過剩。

2.2　材料品種規格基本滿足建設需求

中國材料種類眾多，品種牌號齊備，基本適應工業、農業、能源、交通、航空航天、基礎設施和國防軍工等各行業對結構和功能材料的需求；擁有了部分適應現代科技制品需求的新型材料、特殊材料，如生物醫學材料、信息材料、微電子材料、光電子材料、信息顯示/存儲與傳輸材料、功能陶瓷和敏感材料、隱身材料、智能結構材料；掌握了部分優質材料、關鍵材料、高新技術材料研制及其制造技術，部分滿足了高端裝備制造業的需求。

2.3　環境適應性材料得到快速發展

按照符合結構和功能要求并在服役環境中可靠使用的標準，材料可以分為環境適應性材料（經實用考核證明，適應服役環境要求的材料）；環境不適應性材料（使用中不斷暴露問題，終將被淘汰的材料）；環境友好型材料（20世紀90年代興起開發的材料，從材料誕生到退役全過程對環境沒有或很少有負面作用）；自然材料（如棉花、木材、石材、竹材等）。只有適應服役環境要求的材料，經性能檢測、成形加工、應用和維護考核后才能稱為環境適應性材料并入編《材料選用手冊》。

中國材料基本上是環境適應性材料。如鋼已形成系列，即工具鋼、刃具鋼、量具鋼、模具鋼、不銹鋼、結構鋼、耐熱鋼、軸承鋼、車軸鋼、彈簧鋼、齒輪鋼、軌道鋼、橋梁鋼、螺紋鋼、鋼筋鋼、高強度鋼、超高強度鋼、船用鋼、錨鏈鋼、鍋爐鋼、耐海水腐蝕鋼、耐酸鋼、耐堿鋼、耐磨鋼、高溫合金鋼等。其中不銹鋼系列，就有耐大氣、耐水、耐海水、耐酸和耐其他腐蝕介質的不銹鋼，僅耐大氣條件下，不同溫度、不同具體使用環境要求的航空不銹鋼就有幾十種，如果包括耐其他介質侵蝕的不銹鋼，品種已超過百種。

2.4　材料檢測技術得到相應提高

材料檢測技術是保證材料產品質量的關鍵，是設計與可靠性工程的重要技術基礎，是安全和維修工程的理論基礎和指導依據。據調查，我國可承擔材料及其制品檢測項目的廠、所、院、校、重點實驗室、研究中心、工程中心有26000多個，研究與測試隊伍龐大，購置了相應的檢測設備、儀器儀表（高精尖測試設備幾乎全部進口），硬件條件已經達到美國、英國、法國等國家的水平。檢測技術規模宏大、設備精良、人員配套，已經進入大有可為的時期。

航空材料代表了一個國家材料發展的最高水平，而檢測技術是保證航空材料產品質量穩定性的關鍵。以發動機用高溫合金為例，1960年前發動機采用靜強度設計，對材料只要提供“五大指標”和持久性能就能滿足要求。1960年以后，采用安全壽命設計，要以高周疲勞S-N曲線來評估。1970年以后，采用有限壽命設計，用應變疲勞ε-N曲線來評估壽命。1980年以后，發動機設計在斷裂力學基礎上，提出了損傷容限設計和概率設計，對材料除要求基本性能外，還要求擁有統計性能、使用性能、斷裂韌性和疲勞裂紋擴張速率等。設計要求：渦輪葉片材料必須具有6個溫度下的短時力學性能、4種溫度下的持久曲線和蠕變曲線疲勞性能以及斷裂韌性等97項力學性能數據，低壓壓氣機零件材料需要79項力學性能數據，轉子葉片材料需要85項，燃燒室材料需要78項，渦輪盤材料需要76項性能數據。此外，制造零件過程中還需要進行近百項指標的測試。只有所有檢測指標都達到要求，才算真正完成從材料到制成制品的任務。只要有一項指標不合格，就要報廢。零件越復雜，成品合格率越低。定向凝固無余量精密鑄造渦輪葉片成品合格率一般僅為20％～40％。

為滿足航空材料和零件的檢測要求，僅北京航空材料研究院檢測中心就擁有測試和研究人員550多人，各種測試設備、儀器儀表1500多臺套，固定資產價值3億元人民幣。該單位能夠自主保證空心無余量定向凝固精密鑄造渦輪葉片和單晶渦輪葉片的生產，葉片材料的研究、制造技術以及檢測技術已進入了世界先進水平。

2.5　自然環境模擬試驗網站已初具規模

材料自然環境適應性基礎數據積累，是材料（制品）在自然環境中腐蝕數據的長期積累和基礎性試驗研究的結果。材料自然環境腐蝕試驗工作于20世紀50年代開始，至2012年，全國共建立44個大氣、海水、土壤腐蝕試驗站，初步建成了“全國材料環境腐蝕體系腐蝕試驗站網”。其中，大氣環境腐蝕試驗站點15個，包括我國溫帶、亞熱帶、熱帶三大氣候帶，加上高原低壓及沙漠干熱環境地區，具有世界上少有的氣候多樣性。水環境腐蝕試驗站點6個，包括青島、舟山、廈門、榆林四個海水腐蝕試驗站，格爾木鹽湖試驗點，武漢港和黃河三門峽淡水試驗點，水環境腐蝕試驗研究由海水擴充到了鹽湖水、淡水環境。我國土壤種類共有41種，已在17種土壤類型中建設了23個土壤試驗站。

截至目前，全國投入腐蝕試驗材料六大類，即黑色金屬、有色金屬、混凝土、高分子材料、保護層、電纜光纜共353種牌號，九萬多個試件，通過4個周期的試驗，現已積累材料大氣腐蝕數據、海水腐蝕8～16年的數據、中堿性土壤腐蝕30～35年的腐蝕數據和自然環境因素測定的數據40多萬個。與此同時，全國建立材料環境腐蝕數據庫和子庫共20個，其中的主體數據庫9個。2006年整個試驗網（站）系統正式進入國家科技基礎條件平臺。

2.6　電子電器產品環境試驗取得相應進步

我國生產的電視機、洗衣機、電冰箱、手機等機電產品，以優質價廉受到全球用戶歡迎。機電產品已出口至全球224個國家和地區，出口量占外貿出口總量的60％。機電產品出口已位居世界第一，電子電器產品適應全球環境要求，關鍵是重視產品環境適應性試驗研究。

廣州電器科學研究院是我國最早的熱帶電工產品環境適應性試驗研究機構，2008年建成首家電子“工業產品環境適應性研究國家重點實驗室”，牽頭投入“機電產品典型環境服役壽命評估與延壽措施技術服務平臺”建設，先后建設了廣州、海南、拉薩、若羌、敦煌五個電子電器自然環境試驗站。

中國電器科學研究院認證檢測基地是亞洲地區規模及能力、范圍最高水平的電子電器檢測中心，并與美國、英國等38個主要國家和地區檢測機構達成數據互換認可。檢測范圍包括：家電、電子、汽車、五金、鋼鐵、石化、材料、電力等8大國民經濟領域，檢測標準達2000余個，檢測項目超過3萬個。能力資質獲50多個國家、65個國際認證機構授權互認。

2.7　運行環境模擬實驗取得長足進展

材料制品大至飛船、火箭、飛機、汽車、輪船、火車，小至剪刀、齒輪、軸承、緊固件，為滿足運行環境的使用要求，除要求提供必要的化學成分及物理、化學、力學性能數據之外，還要通過模擬實際條件的運行環境試驗考核，包括零件、部件、組裝件、單元體和整機的模擬試驗，考核其運行環境下的使用可靠性、安全性、經濟性和耐久性。

根據不同產品特性，我國工業設計所、制造廠建立了各種模擬試驗設備、方法和標準。如民用飛機建立的運行環境模擬試驗包括：適應全球環境需求的電子電器環境適應性試驗；機身、機翼、整機的疲勞試驗和腐蝕疲勞試驗、起落架沖擊試驗、耐久性試驗；發動機葉片、盤、軸等零件耐久性試驗；低壓壓氣機、高壓壓氣機、燃燒室、渦輪等組裝部件和發動機整機可靠性試驗、著火試驗和耐久性試驗；飛機整機風洞試驗、飛機結冰風洞試驗等。

2.8　“材料延壽”工程已啟動并積累豐富經驗

2.8.1　腐蝕預防與控制系統工程在航空業率先實施

1980年國家科委領導下的“腐蝕科學”學科組組織的全國腐蝕調查中的航空航天腐蝕調查，發現航空腐蝕事故頻頻發生源于設計、制造工程師沒有腐蝕預防與控制的責任和知識，造成設計與制造的不科學。1984年底編寫出版的《航空產品腐蝕及其控制手冊》提出了腐蝕控制需要從設計開始，進行系統控制的理念。經過多年的不懈努力，1995年北京航空材料研究院、成都飛機設計研究所和成都飛機制造公司三家聯合組織材料、工藝、設計和制造技術人員研究編寫了《軍用飛機腐蝕控制設計細則》，以指令性和指導性文件下達殲-××設計與制造工程師，從此，從設計開始，貫穿于設計、制造、使用、維護、維修和管理全過程，進行全方位、全員參與的腐蝕預防與控制系統工程進入了我國殲-××飛機的設計與制造。殲-××飛機開創了我國軍用飛機使用20年、飛行5000h不出現“重大腐蝕故障”的先河，該機已經成為我國的主力機種之一，為國防事業做出了貢獻。

2.8.2　腐蝕預防與控制系統工程得到實際應用

1955年蘇聯援建的武漢長江大橋，因缺少該地區自然環境對橋梁鋼的腐蝕數據，沒有規定“設計使用壽命”，但確定成立專門車間，跟蹤檢查結構表面、確保表面涂料完好。起初每年涂刷涂料一遍，隨著涂料耐久性能的提高，后改為3～5年、10年涂刷一次，該橋現已使用近60年，狀況良好。同樣，1968年12月通車的南京長江大橋，沿用了“始終確保表面涂料完好”的指導思想，堅持定期涂刷，做好維護保養，也取得了良好效果。

2005年12月上海東海大橋通車，采用了耐久性安全設計、磨損和腐蝕控制設計，首次提出了100年設計基準期的設想。現今，我國是擁有世界上鋼結構橋梁數量第一、長度第一的橋梁技術的先進國家。在我國鋼結構橋梁建設史上，從沒有規定設計壽命指標發展到30年、50年、100年、120年，這不僅是對材料、橋梁使用壽命問題充分認知和覺醒、經驗的積累，更是延壽工程技術措施的跨越提高。

又如鋼結構的國家體育場“鳥巢”，采用“振邦氟碳涂料”，涂裝面積達到28.4×104m2，首次維修期延長到25年，相比武漢長江大橋當初每年涂覆一次，使用壽命有了顯著的進步。國家大劇院屋面選用了耐腐蝕優良的鈦合金，大劇院的外殼是36000m2的大穹體，中部為漸開式玻璃幕墻結構，其中鈦金屬幕墻30000m2、玻璃幕墻6000m2。鈦合金屋面確保做到長壽命使用。

再如，毛主席紀念堂屋頂材料，在銅頂、鉛頂、三合土、琉璃瓦頂等結構材料比較中，科研人員決定采用北京大氣試驗站提供的經十年自然環境暴露試驗、具有優良耐腐蝕性能的F-21防銹鋁，并采用“硫酸陽極氧化+封閉+丙烯酸聚氨酯涂裝體系”保護，其中丙烯酸聚氨酯具有十年的抗老化能力。紀念堂1977年建成投入使用，35年后即2012年檢查屋頂表面涂料完好，達到長使用壽命。

2.8.3　延壽技術研究和應用取得重要突破

腐蝕在表面發生，摩擦磨損在表面進行，疲勞因表面損傷而顯著加速，為了降低失效程度，我國已經廣泛采用了表面工程技術，近30年來我國的表面工程技術取得了顯著的進步，其標識是：①可以給任何材料制品表面施加其本來沒有而又希望擁有的功能；②進行任何產品設計的時候，可以同時進行表面設計，以求獲得盡善盡美的產品；③只要確保表面保護層完好，就可以延長其使用壽命；④我國已經擁有各種各樣的表面工程技術，滿足各種要求。

例如，涂料生產方面，2007年美國生產700多萬噸有機涂料，中國生產600多萬噸，日本生產200多萬噸。2009年起我國已超過美國，成為全球涂料生產和消費第一大國。專家預測，未來我國涂料還將保持穩定增長，2012年已達到1299.5萬噸，2015年將達到1941萬噸。涂料涂裝技術被認為是控制鋼鐵腐蝕、延長使用壽命貢獻率最高的表面工程技術；熱噴涂技術多附屬于大型的制造工廠，其數量在千家；全自動化連續熱浸鍍生產線達到430多條；幕墻玻璃表面薄膜濺射生產線數百條；以及大量PVD、CVD加工生產線等，形成一個由眾多表面工程技術應用工廠組成的龐大表面工程應用技術網絡，為行業材料及其制品的表面保護提供配套技術。

2.8.4　“材料延壽”工程理論體系初步建立

“材料延壽”工程豐富了實踐經驗和認知，在該領域出版了《現代腐蝕科學和防蝕技術全書》、《腐蝕控制系統工程學概論》、《現代表面工程設計手冊》、《腐蝕控制設計手冊》、《摩擦學原理》、《摩擦副的匹配設計及摩擦磨損的控制》、《近代飛機耐久性設計技術》等系列理論和實踐指導性著作；本項目完成的19部《材料延壽與可持續發展》叢書和353個材料的幾十萬個腐蝕數據及大量材料性能數據和產品材料成形數據庫等，為“材料延壽”工程做了堅實的支撐。