化工新材料调研报告

朱磊明

{dy}部分 化工新材料是新材料领域的主力军

随着20世纪后半叶基础科学、工程科学的进步，材料科学技术取得了一系列新的重大突破，层出不穷的新材料大批涌现。加速发展新材料产业，已经成为世界各国，尤其是发达国家抢占国际竞争制高点、谋求政治、经济、军事战略优势的重要组成部分。化工新材料作为新材料的主力军部分，尤为受到关注。

我国化工新材料的研发起步于上世纪50年代中期，主要研究和开发的重点是国防和航空航天等领域。进入上世纪90年代后期，随着交通、能源、通讯等领域在国民经济中的地位越来越重要，新材料的发展开始向民用领域倾斜。

2001年开始，国家明显加大了对新材料产业的政策支持力度，国家通过计委高技术新材料专项、火炬计划、科技攻关计划等7个计划支持新材料产业，并将新材料与信息、生物医药并列为优先发展的三大重点产业。并且根据国家发改委《高新技术产业发展“十一五”规划》，中国将在“十一五”围绕信息、生物、航天航空、重大装备、新能源等产业发展的需求，重点发展特种功能材料、高性能结构材料、纳米材料、复合材料、环保节能材料等产业群，建立和完善新材料创新体系。同时还推出一批材料产业专项工程，这些工程有：建设一批新材料产业基地；支持开发航空航天和现代交通专用钛合金、铝合金、碳纤维、高温合金等高性能材料及其制备技术，实现先进半导体、海量存储、平板显示等领域电子信息材料的规模化生产；开发高性能的光伏、储能、节能等能源材料，实现绿色材料的产业化；形成特种功能材料、纳米材料、复合材料等一批新材料产业群。

当前，能源、环境与资源问题已经成为制约全球经济可持续发展的三大“瓶颈”，化工新材料在应对全球性的能源危机、温室效应、环境污染及水资源匮乏等紧迫需要解决的问题上，发挥着越来越重要的作用。

为了解决能源危机，发展新能源材料成为目前全世界的热点之一。新能源材料主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料；嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料；Si半导体材料为代表的太阳能电池材料；铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。当前的研发方向应当集中于太阳能光伏元件(PV)的关键材料，包括薄膜、板材、树脂及导电浆料等。这些材料必须能在潮湿等各种环境中保护PV元件，包括元件中将光能转化为电能的主要部件。光伏材料不仅抗紫外线、防潮、耐老化，还能承受工作电压高达1000伏的元件所产生的电力负载。

利用氢能也是解决我国能源问题和挑战的有效途径。目前利用太阳能光解水、氢的贮存、燃料电池等面临着许多新材料的研究和开发问题。纳米级材料、新型过渡金属化合物作为光解水材料的研究，镁基贮氢合金、纳米贮氢材料、PEM燃料电池纳米级电极材料的研究都应成为今后关注的热点。

当前，我国大力发展风电的条件已经成熟。风力发电需要大量复合材料，目前绝大多数风力发电机的转子叶片、机舱罩和整流罩都采用复合材料制造。每台风力发电机有3个叶片，叶片的规模越来越大，一个大型的海上风力机叶片长度在60m以上，重量可能达到20t。由此可见，这些风力机部件为复合材料创造了一个非常强大的市场。风力发电机用复合材料主要以玻璃纤维为增强材料，碳纤维的应用也在增多。

此外，特种膜技术在新能源开发方面发挥着重要作用。首先，采用膜技术生产的燃料乙醇是一种可再生的生物质清洁能源，是石油能源的替代品。其次，采用膜技术制造的燃料电池也是一种可再生的高效清洁能源。还有，膜技术本身是一种节能、高效、环境友好的技术。

2008年初，由中国汽车工程学会、中国{dy}汽车集团公司、东风汽车公司等12家单位共同发起的汽车轻量化技术创新战略联盟成立。在全球性能源危机以及世界对环保重视的大环境下，尤其在我国签订《京都议定书》承诺减少CO2排放量的巨大压力下，发改委要求2010年与2003年相比，中国国内乘用车新车平均油耗必须减少15%，要完成这个指标，没有轻量化不行。汽车减重是降低油耗的主要途径，因而也是减少CO2废气排放量的xxx对策。有研究数据显示，若汽车整车质量每降低10%，燃油效率可提高6%～8%；又如美国的汽车质量如果减少25%，燃油消耗将减少13%，1年要节省2.7亿桶石油，少排放CO2 1.01亿t。2007年中国汽车的生产量已达到888.24万辆， 中国汽车产量已占世界第三位，并成为世界第二大汽车消费国，汽车轻量化已成为我国汽车产业发展中的一项关键性研究课题。

与相同结构性能的钢材相比，塑料和复合材料一般可减轻部件的重量在35%左右，低密度与超低密度片状成型复合材料（SMC）的进展提供了更多的潜力，在重量减轻与强度方面达到甚至超过了铝材，整体成本又通常更低，因此汽车轻量化，在汽车材料的选择上，以塑代钢的收效是{zd0}的。目前，日本、美国和德国等发达国家的每辆轿车平均使用塑料已超过150kg，平均占汽车总量的10%，而中国目前每辆汽车平均塑料使用为100kg，平均占汽车总重量的8%左右，达到国外20世纪80年代中期的水平。当前，将特种工程塑料应用到汽车零部件中，以降低汽车重量，已成为汽车行业的趋势，国外汽车产商已将PA6、ABS、PC、PEEK等大量应用于汽车中，不仅降低了汽车的重量，还有效地提高了汽车的性能。

我国的化工新材料已经进入发展新阶段，其标志就是2008年中国大飞机项目的启动，使中国的新材料产业从量变走向了质变，这意味着中国的新材料产业经过20多年的发展，特别是近10年的发展，已经拥有一批在世界上{lx1}的核心技术，具备了对世界先进技术的吸收能力。大飞机项目投资研究经费约为500亿至600亿人民币，运作周期将超过10年，代表了科技和工业基础的制高点，集现代工业成果于一体，涵盖了机械、电子、材料、冶金、仪器仪表、化工等几乎所有工业门类。

飞机性能的改进有2/3依赖材料的改进，飞机的材料现已进入复合材料为主的时代。飞机的先进性在很大程度上表现在复合材料的使用上。大飞机材料的发展趋势是铝合金的用量大大下降，钢的用量保持一定的水平，而复合材料和钛合金的用量则越来越高。国内的复合材料技术虽有一定的发展与进步，但与国外的先进水平相比尚存在许多问题和相当大的差距。以飞机结构用复合材料技术而言，我们的应用规模与水平、设计的理念、方法和手段、材料的基础和配套、制造的工艺和设备均严重落后，落后是全方位的，差距甚至有越来越大的趋势。其中应用的落后是根本的落后，带有标志性的落后，如我国xx战斗机上{zd0}的用量尚不足10％，世界上军机的机翼上自上世纪80年代后即早已复合材料化了，我国至今尚无批生产的复合材料机翼问世；{zx1}研制的ARJ21支线客机复合材料用量不足2％，微乎其微。我们应该清醒地看到我国复合材料应用落后的严重现实。

神舟七号在2008年9月27日成功实施中国航天员首次空间出舱活动，在这次备受瞩目的航天飞行中，化工新材料发挥了重要的作用。神舟七号航天员身穿的舱外航天服采用由我国自行研发的材料，使用特殊纤维材料，采用特殊纺织加工工艺，并结合新型涂层材料，实现了舱外航天服纺织涂层和外层材料在抗高温、抗辐射等指标上的突破，防护材料具有防撕裂、耐磨损、防热辐射、防微流星、耐化学腐蚀、防离子辐射等性能，达到世界先进水平。

神舟七号飞船上采用了我国自主研制的碳纤维复合材料结构件，用于承载飞船推进系统的心脏变轨发动机、氧化剂储箱、燃料储箱等关键设备。其中推进舱承力结构件是目前世界上在载人飞船上使用的尺寸{zd0}、开口{zd0}的碳纤维复合材料主承力结构件，直径达2.5m。我国自主研发的高性能结构胶粘剂也将发挥超强粘力，使“神七”的天线、地板、座舱等关键部位在经受太空超强高、低温变化和强冲击力的巨大考验时，依然紧紧地粘连在一起，确保飞船安全行驶。

新材料产业成长的另一个推动力是2008北京奥运会的举办。北京奥运会不仅是运动员的竞技场，也是应用展示绿色新材料、新技术的试验田，绿色化工新材料无处不在。从新材料行业向北京奥运会交出的成绩单看，奥运场馆建设充满了“绿色元素”。国家游泳中心（水立方）的泡泡吧采用了无溶剂以及水性聚氨酯体系的绿色环保涂料，国家体育场（鸟巢）钢结构的涂装采用了氟碳涂料，零VOC和低VOC环保水性涂料大量采用，成为本届奥运会场馆建设的一个亮点。此外聚碳酸酯板材、乙烯-聚四氟乙烯膜材料、再生材料和制品及其他高技术含量的绿色新材料在奥运场馆建设中也得到了大量的应用。

新材料领域的国际竞争日趋激烈，新材料产业已成为各国发展的热点。我国是一个发展中大国，人均资源少，环境压力巨大，加速发展新材料产业，对提高国际竞争能力、保障国家安全，增强综合国力都具有重要的现实意义和深远的战略意义。近年来我国新材料发展迅速，取得了令人瞩目的成就，但与世界先进水平相比，在产业规模、自主创新能力等方面还存在相当大的差距。目前急需发展对信息、新能源、生物等高技术产业有重要支撑作用的材料，对空间、海洋开发、交通运输等xxxx工程和保障国家安全所需的关键材料，对提高人们生活质量、环境治理等具有重大作用的相关材料，以及对我国资源丰富、可发展成为优势产业的材料。