第2章　中国材料发展的辉煌成就

2.1　中国已经成为世界材料生产、销售和消费大国

据统计，2012年全球粗钢总产量为15.478亿吨。我国达到7.16亿吨，约占世界粗钢总量的46.3％，已连续12年居世界第一位。

十种有色金属从2003年起连续十年生产量居世界第一位。

稀土金属研究、生产和出口居世界第一位。我国以拥有世界36％的稀土金属储量，2008年开采并廉价供应世界各国90％的稀土金属消费。

2012年世界煤炭产量79.56亿吨，我国产煤36.6亿吨，约占世界总量的46％，已连续20多年居全球第一位。

2012年世界石油产量为3123.83亿桶（约合42.75亿吨），我国产量为2.05亿吨。

2011年我国电力装机容量达10.6亿千瓦，居世界第二位，年发电量达4.8万亿千瓦时，居世界第一位。

2012年，世界水泥产销量约39亿吨。我国达到21.8亿吨，约占世界总量的56％，已经连续23年居世界第一位。

我国是全球第一大产钨国。

我国是全球花岗石地砖的第一大出口国。

部分中低档材料，如钢铁、水泥、铅锌、造纸等十九种材料产能过剩。

2.2　材料品种规格基本满足建设需求

中国材料种类众多，品种牌号齐备，基本适应工业、农业、能源、交通、航空航天、基础设施和国防军工等各行业对结构和功能材料的需求；拥有了部分适应现代科技制品需求的新型材料、特殊材料，如生物医学材料、信息材料、微电子材料、光电子材料、信息显示/存储与传输材料、功能陶瓷和敏感材料、隐身材料、智能结构材料；掌握了部分优质材料、关键材料、高新技术材料研制及其制造技术，部分满足了高端装备制造业的需求。

2.3　环境适应性材料得到快速发展

按照符合结构和功能要求并在服役环境中可靠使用的标准，材料可以分为环境适应性材料（经实用考核证明，适应服役环境要求的材料）；环境不适应性材料（使用中不断暴露问题，终将被淘汰的材料）；环境友好型材料（20世纪90年代兴起开发的材料，从材料诞生到退役全过程对环境没有或很少有负面作用）；自然材料（如棉花、木材、石材、竹材等）。只有适应服役环境要求的材料，经性能检测、成形加工、应用和维护考核后才能称为环境适应性材料并入编《材料选用手册》。

中国材料基本上是环境适应性材料。如钢已形成系列，即工具钢、刃具钢、量具钢、模具钢、不锈钢、结构钢、耐热钢、轴承钢、车轴钢、弹簧钢、齿轮钢、轨道钢、桥梁钢、螺纹钢、钢筋钢、高强度钢、超高强度钢、船用钢、锚链钢、锅炉钢、耐海水腐蚀钢、耐酸钢、耐碱钢、耐磨钢、高温合金钢等。其中不锈钢系列，就有耐大气、耐水、耐海水、耐酸和耐其他腐蚀介质的不锈钢，仅耐大气条件下，不同温度、不同具体使用环境要求的航空不锈钢就有几十种，如果包括耐其他介质侵蚀的不锈钢，品种已超过百种。

2.4　材料检测技术得到相应提高

材料检测技术是保证材料产品质量的关键，是设计与可靠性工程的重要技术基础，是安全和维修工程的理论基础和指导依据。据调查，我国可承担材料及其制品检测项目的厂、所、院、校、重点实验室、研究中心、工程中心有26000多个，研究与测试队伍庞大，购置了相应的检测设备、仪器仪表（高精尖测试设备几乎全部进口），硬件条件已经达到美国、英国、法国等国家的水平。检测技术规模宏大、设备精良、人员配套，已经进入大有可为的时期。

航空材料代表了一个国家材料发展的最高水平，而检测技术是保证航空材料产品质量稳定性的关键。以发动机用高温合金为例，1960年前发动机采用静强度设计，对材料只要提供“五大指标”和持久性能就能满足要求。1960年以后，采用安全寿命设计，要以高周疲劳S-N曲线来评估。1970年以后，采用有限寿命设计，用应变疲劳ε-N曲线来评估寿命。1980年以后，发动机设计在断裂力学基础上，提出了损伤容限设计和概率设计，对材料除要求基本性能外，还要求拥有统计性能、使用性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩张速率等。设计要求：涡轮叶片材料必须具有6个温度下的短时力学性能、4种温度下的持久曲线和蠕变曲线疲劳性能以及断裂韧性等97项力学性能数据，低压压气机零件材料需要79项力学性能数据，转子叶片材料需要85项，燃烧室材料需要78项，涡轮盘材料需要76项性能数据。此外，制造零件过程中还需要进行近百项指标的测试。只有所有检测指标都达到要求，才算真正完成从材料到制成制品的任务。只要有一项指标不合格，就要报废。零件越复杂，成品合格率越低。定向凝固无余量精密铸造涡轮叶片成品合格率一般仅为20％～40％。

为满足航空材料和零件的检测要求，仅北京航空材料研究院检测中心就拥有测试和研究人员550多人，各种测试设备、仪器仪表1500多台套，固定资产价值3亿元人民币。该单位能够自主保证空心无余量定向凝固精密铸造涡轮叶片和单晶涡轮叶片的生产，叶片材料的研究、制造技术以及检测技术已进入了世界先进水平。

2.5　自然环境模拟试验网站已初具规模

材料自然环境适应性基础数据积累，是材料（制品）在自然环境中腐蚀数据的长期积累和基础性试验研究的结果。材料自然环境腐蚀试验工作于20世纪50年代开始，至2012年，全国共建立44个大气、海水、土壤腐蚀试验站，初步建成了“全国材料环境腐蚀体系腐蚀试验站网”。其中，大气环境腐蚀试验站点15个，包括我国温带、亚热带、热带三大气候带，加上高原低压及沙漠干热环境地区，具有世界上少有的气候多样性。水环境腐蚀试验站点6个，包括青岛、舟山、厦门、榆林四个海水腐蚀试验站，格尔木盐湖试验点，武汉港和黄河三门峡淡水试验点，水环境腐蚀试验研究由海水扩充到了盐湖水、淡水环境。我国土壤种类共有41种，已在17种土壤类型中建设了23个土壤试验站。

截至目前，全国投入腐蚀试验材料六大类，即黑色金属、有色金属、混凝土、高分子材料、保护层、电缆光缆共353种牌号，九万多个试件，通过4个周期的试验，现已积累材料大气腐蚀数据、海水腐蚀8～16年的数据、中碱性土壤腐蚀30～35年的腐蚀数据和自然环境因素测定的数据40多万个。与此同时，全国建立材料环境腐蚀数据库和子库共20个，其中的主体数据库9个。2006年整个试验网（站）系统正式进入国家科技基础条件平台。

2.6　电子电器产品环境试验取得相应进步

我国生产的电视机、洗衣机、电冰箱、手机等机电产品，以优质价廉受到全球用户欢迎。机电产品已出口至全球224个国家和地区，出口量占外贸出口总量的60％。机电产品出口已位居世界第一，电子电器产品适应全球环境要求，关键是重视产品环境适应性试验研究。

广州电器科学研究院是我国最早的热带电工产品环境适应性试验研究机构，2008年建成首家电子“工业产品环境适应性研究国家重点实验室”，牵头投入“机电产品典型环境服役寿命评估与延寿措施技术服务平台”建设，先后建设了广州、海南、拉萨、若羌、敦煌五个电子电器自然环境试验站。

中国电器科学研究院认证检测基地是亚洲地区规模及能力、范围最高水平的电子电器检测中心，并与美国、英国等38个主要国家和地区检测机构达成数据互换认可。检测范围包括：家电、电子、汽车、五金、钢铁、石化、材料、电力等8大国民经济领域，检测标准达2000余个，检测项目超过3万个。能力资质获50多个国家、65个国际认证机构授权互认。

2.7　运行环境模拟实验取得长足进展

材料制品大至飞船、火箭、飞机、汽车、轮船、火车，小至剪刀、齿轮、轴承、紧固件，为满足运行环境的使用要求，除要求提供必要的化学成分及物理、化学、力学性能数据之外，还要通过模拟实际条件的运行环境试验考核，包括零件、部件、组装件、单元体和整机的模拟试验，考核其运行环境下的使用可靠性、安全性、经济性和耐久性。

根据不同产品特性，我国工业设计所、制造厂建立了各种模拟试验设备、方法和标准。如民用飞机建立的运行环境模拟试验包括：适应全球环境需求的电子电器环境适应性试验；机身、机翼、整机的疲劳试验和腐蚀疲劳试验、起落架冲击试验、耐久性试验；发动机叶片、盘、轴等零件耐久性试验；低压压气机、高压压气机、燃烧室、涡轮等组装部件和发动机整机可靠性试验、着火试验和耐久性试验；飞机整机风洞试验、飞机结冰风洞试验等。

2.8　“材料延寿”工程已启动并积累丰富经验

2.8.1　腐蚀预防与控制系统工程在航空业率先实施

1980年国家科委领导下的“腐蚀科学”学科组组织的全国腐蚀调查中的航空航天腐蚀调查，发现航空腐蚀事故频频发生源于设计、制造工程师没有腐蚀预防与控制的责任和知识，造成设计与制造的不科学。1984年底编写出版的《航空产品腐蚀及其控制手册》提出了腐蚀控制需要从设计开始，进行系统控制的理念。经过多年的不懈努力，1995年北京航空材料研究院、成都飞机设计研究所和成都飞机制造公司三家联合组织材料、工艺、设计和制造技术人员研究编写了《军用飞机腐蚀控制设计细则》，以指令性和指导性文件下达歼-××设计与制造工程师，从此，从设计开始，贯穿于设计、制造、使用、维护、维修和管理全过程，进行全方位、全员参与的腐蚀预防与控制系统工程进入了我国歼-××飞机的设计与制造。歼-××飞机开创了我国军用飞机使用20年、飞行5000h不出现“重大腐蚀故障”的先河，该机已经成为我国的主力机种之一，为国防事业做出了贡献。

2.8.2　腐蚀预防与控制系统工程得到实际应用

1955年苏联援建的武汉长江大桥，因缺少该地区自然环境对桥梁钢的腐蚀数据，没有规定“设计使用寿命”，但确定成立专门车间，跟踪检查结构表面、确保表面涂料完好。起初每年涂刷涂料一遍，随着涂料耐久性能的提高，后改为3～5年、10年涂刷一次，该桥现已使用近60年，状况良好。同样，1968年12月通车的南京长江大桥，沿用了“始终确保表面涂料完好”的指导思想，坚持定期涂刷，做好维护保养，也取得了良好效果。

2005年12月上海东海大桥通车，采用了耐久性安全设计、磨损和腐蚀控制设计，首次提出了100年设计基准期的设想。现今，我国是拥有世界上钢结构桥梁数量第一、长度第一的桥梁技术的先进国家。在我国钢结构桥梁建设史上，从没有规定设计寿命指标发展到30年、50年、100年、120年，这不仅是对材料、桥梁使用寿命问题充分认知和觉醒、经验的积累，更是延寿工程技术措施的跨越提高。

又如钢结构的国家体育场“鸟巢”，采用“振邦氟碳涂料”，涂装面积达到28.4×104m2，首次维修期延长到25年，相比武汉长江大桥当初每年涂覆一次，使用寿命有了显著的进步。国家大剧院屋面选用了耐腐蚀优良的钛合金，大剧院的外壳是36000m2的大穹体，中部为渐开式玻璃幕墙结构，其中钛金属幕墙30000m2、玻璃幕墙6000m2。钛合金屋面确保做到长寿命使用。

再如，毛主席纪念堂屋顶材料，在铜顶、铅顶、三合土、琉璃瓦顶等结构材料比较中，科研人员决定采用北京大气试验站提供的经十年自然环境暴露试验、具有优良耐腐蚀性能的F-21防锈铝，并采用“硫酸阳极氧化+封闭+丙烯酸聚氨酯涂装体系”保护，其中丙烯酸聚氨酯具有十年的抗老化能力。纪念堂1977年建成投入使用，35年后即2012年检查屋顶表面涂料完好，达到长使用寿命。

2.8.3　延寿技术研究和应用取得重要突破

腐蚀在表面发生，摩擦磨损在表面进行，疲劳因表面损伤而显著加速，为了降低失效程度，我国已经广泛采用了表面工程技术，近30年来我国的表面工程技术取得了显著的进步，其标识是：①可以给任何材料制品表面施加其本来没有而又希望拥有的功能；②进行任何产品设计的时候，可以同时进行表面设计，以求获得尽善尽美的产品；③只要确保表面保护层完好，就可以延长其使用寿命；④我国已经拥有各种各样的表面工程技术，满足各种要求。

例如，涂料生产方面，2007年美国生产700多万吨有机涂料，中国生产600多万吨，日本生产200多万吨。2009年起我国已超过美国，成为全球涂料生产和消费第一大国。专家预测，未来我国涂料还将保持稳定增长，2012年已达到1299.5万吨，2015年将达到1941万吨。涂料涂装技术被认为是控制钢铁腐蚀、延长使用寿命贡献率最高的表面工程技术；热喷涂技术多附属于大型的制造工厂，其数量在千家；全自动化连续热浸镀生产线达到430多条；幕墙玻璃表面薄膜溅射生产线数百条；以及大量PVD、CVD加工生产线等，形成一个由众多表面工程技术应用工厂组成的庞大表面工程应用技术网络，为行业材料及其制品的表面保护提供配套技术。

2.8.4　“材料延寿”工程理论体系初步建立

“材料延寿”工程丰富了实践经验和认知，在该领域出版了《现代腐蚀科学和防蚀技术全书》、《腐蚀控制系统工程学概论》、《现代表面工程设计手册》、《腐蚀控制设计手册》、《摩擦学原理》、《摩擦副的匹配设计及摩擦磨损的控制》、《近代飞机耐久性设计技术》等系列理论和实践指导性著作；本项目完成的19部《材料延寿与可持续发展》丛书和353个材料的几十万个腐蚀数据及大量材料性能数据和产品材料成形数据库等，为“材料延寿”工程做了坚实的支撑。