1、新材料與新技術在新產品開發中的應用(一)摘 要 為推動新材料與新技術在新產品開發創新活動的深入開展，不斷積極探索新產品開發工作，在改進新產品開發體制、改善新產品開發運行狀態、提高新產品開發在企業經濟效益等方面大膽創新，總結新產品開發成果經驗，弘揚新產品開發工作者的創新精神，促進新產品開發工作方法。探討新產品開發現代化。關鍵詞 新材料 新技術 新產品開發1 引言 在科學技術迅猛發展的今天、國際化的市場競爭愈趨激烈的現代，產品創新是一切企業活動的核心和出發點，是企業賴以生存和發展的基礎。 今天的產品創新所面臨的問題更加復雜化、系統化，設計是不能靠設計師的靈感閃現一蹴而就，這樣是很難客觀地把握解決設

2、計問題的實質。因此，設計師要掌握科學的認識一切人為事物的方法，使設計過程能夠科學地、有序地解決產品創新問題。設計思維、設計方法、產品創新設計和產品設計等。 隨著科學技術的迅速發展，新型工程材料不斷涌現和被采用，新材料與新技術在新產品開發中的應用要求越來越高，對新材料與新技術在新產品開發中的應用提出了更高的要求。由于受新材料性能、結構、設備加工能力的限制，使用傳統的方法很難完成新產品開發。為了解決這些難題，人們不斷開發研究并成功采用新材料與新技術解決了很多工藝問題，發揮了很大的作用。進入二十世紀以來，制造技術，特別是先進制造技術不斷發展，作為新材料與新技術在新產品開發中的應用的作用日益重要。它解

3、決了加工方法所遇到的難以解決的問題，并有著自己獨特的特點，新材料及特種加工技術在國際上被稱為21世紀的技術，尤其對新型武器裝備的研制和生產，起到舉足輕重的作用，可以說新材料及特種加工技術已經成為現代工業不可缺少的重要加工方法和手段。工業和信息化部發布新材料產業“十二五”發展規劃，規劃指出，材料工業是國民經濟的基礎產業，新材料是材料工業發展的先導，是重要的戰略性新興產業。高性能復合材料和前沿新材料將是我國重點發展的新材料品種。規劃主要包括以下六大領域：特種金屬功能材料。具有獨特的聲、光、電、熱、磁等性能的金屬材料。高端金屬結構材料。較傳統金屬結構材料具有更高的強度、韌性和耐高溫、抗腐蝕等性能的金

4、屬材料。先進高分子材料。具有相對獨特物理化學性能、適宜在特殊領域或特定環境下應用的人工合成高分子新材料。新型無機非金屬材料。在傳統無機非金屬材料基礎上新出現的具有耐磨、耐腐蝕、光電等特殊性能的材料。高性能復合材料。由兩種或兩種以上異質、異型、異性材料（一種作為基體，其他作為增強體）復合而成的具有特殊功能和結構的新型材料。前沿新材料。當前以基礎研究為主，未來市場前景廣闊，代表新材料科技發展方向，具有重要引領作用的材料。利用我國已有軍工新材料產業發展的技術優勢，優化配置軍民科技力量和產業資源，推進國防科技成果加速向經濟建設轉化，促進軍民新材料技術在基礎研究、應用開發、生產采購等環節有機銜接，加快軍

5、民共用新材料產業化、規模化發展。鼓勵優勢新材料企業積極參與軍工新材料配套，提高企業綜合實力，實現寓軍于民。建立軍民人才交流與技術成果信息共享機制，積極探索軍民融合的市場化途徑，推動軍民共用材料技術的雙向轉移和輻射。二.碳化硅纖維及納米粉制品的研究與應用納米碳化硅微晶（30-50nm）及連續碳化硅纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、抗氧化、可編織、電阻率可調、與樹脂、金屬、陶瓷相容性好等特性，用增強纖維制備的復合材料，主要作為航空發動機、燃氣輪機、汽車發動機、核能反應堆、液體渦扇發動機、沖壓發動機、高超音速飛行器和深空探測器等耐高熱部件。高速列車的制動材料，汽車尾氣焚燒催化劑的載體如設備防腐，化學

6、試劑過濾材料等）也有很大的應用空間，在電路基板增強材料、燃料電池隔板增強材料等也將獲得更為廣泛的應用。此外，碳化硅纖維在材料隱身方面已有應用，在結構吸波領域也具備應用前景。目前先驅體轉化法制備SiC陶瓷材料的研究，正經歷從工藝到理論、從材料性能到應用全新階段。開發各種新型聚碳硅烷來制備SiC系列纖維和SiC基陶瓷復合材料。 有機高分子陶瓷先驅體聚碳硅烷具有廣泛的用途，是目前國際重點發展的先驅體高分子材料。先驅體聚合物可通過分子設計控制先驅體的組成和微觀結構， 使之具有潛在的化學反應活性基團，以便于交聯，使燒結后的陶瓷產率較高。該方法因具有加工簡單、先驅體易于分離和純化等特點，引起了很多化學、陶

7、瓷和材料工作者的興趣，是近年來制備特種陶瓷纖維和陶瓷基復合材料最有前途的方法之一。隨著聚碳硅烷下游產品的開發應用領域的拓展，必將對聚碳硅烷有大量的需求。同時為適應耐超高溫聚碳硅烷纖維的需求，研究在聚碳硅烷分子中添加異元素（Al、B、N）的新型先驅體的開發及工程化。碳化硅纖維的發展經歷了三個重要階段。第一代是以普通Nicalon和Tyranno為代表的高氧（10）、高碳（15自由碳）型。纖維內部的氧和碳在1400以上發生化學反應，生成CO和SiO以氣體的形式逸出，導致纖維損傷，力學性能嚴重降低，因此其使用溫度不高于1000。第二代是以Hi-Nicalon為代表的低氧（0.5%）、高碳（20自由碳

8、）型，航空發動機燃氣下的長期使用溫度提高到1300，但是過剩的碳嚴重降低纖維的高溫抗氧化性和蠕變性。第三代是以Hi-Nicalon-S （Nippon Carbon公司）和Tyranno-SA（Ube Industries公司）為代表的近化學計量SiC纖維。“近化學計量”是指C/Si比約為1.05/1（氧含量1.2%），其中少量過剩碳是為了保證纖維不富硅，因為硅對高溫性能的損害比碳嚴重的多。這兩種纖維的使用溫度分別為1600和1700。金屬基和陶瓷基復合材料材料可加熱熔化，可用二甲苯溶解，經成型處理可以制備各種形式的SiC陶瓷材料。聚碳硅烷將在以下方面獲得大量應用：利用聚碳硅烷制備SiC纖維可

9、形成金屬基和陶瓷基復合材料的制造產業，使 SiC纖維作為復合材料的增強纖維。發揮SiC纖維的高溫抗氧化性和化學穩定性制造新一代的金屬基和陶瓷基復合材料。利用聚碳硅烷制備陶瓷涂層，是指在金屬、陶瓷、石墨等材料或器件表面涂上均勻致密的聚碳硅烷陶瓷層，以改善基底材料或器件的表面性能。如表面強度、硬度、化學穩定性、耐高溫性能、手感、吸附性、電阻率、磁性、粗糙度等。利用聚碳硅烷制備器件，是將聚碳硅烷先驅體以溶液或漿料在真空下浸漬到增強纖維編織體內部或者涂覆在金屬、陶瓷、石墨等基底材料或器件表面，經交聯后再進行高溫裂解，多次循環后可制成預期的陶瓷基材料。 先驅體聚碳硅烷通過一定的方法經高溫無機化后可以形成

10、陶瓷多孔體。通過控制孔的結構可以人為控制孔的性能，如高滲透性、高比表面積、高反射性能、較好的絕緣性能等，可以應用于耐高溫的微型反應器、吸附材料、過濾分離材料、傳感器或傳感器的載體、離子交換材料、納米器件的模板、催化劑的載體和微電子設備中的低介電常數材料等等，SiC陶瓷泡沫材料還可用作特種隔熱材料。如將聚碳硅烷、四烯丙基硅和Si3N4納米粉體按2：1：8的重量比混合調成粘性淤狀物后經高溫處理獲得Si3N4/SiC復相納米陶瓷粉體。由此可制備高溫力學性能優良的新型陶瓷材料和陶瓷基復合材料。先驅體聚碳硅烷溶液附于如金屬、陶瓷、玻璃等基體表面，通過高溫處理與基體接合形成一體。如將先驅體聚碳硅烷濃溶液與

11、陶瓷粉體混合，能起到粉體粘結劑作用，聚碳硅烷與陶瓷粉配制成泥狀，附于材料器件表面使其連接，高溫處理后形成陶瓷/陶瓷和陶瓷/金屬的連接等。 耐高溫復合材料是指主要以碳纖維、SiC纖維編制成骨架，作為增強基體。聚碳硅烷溶液或漿料在真空下浸漬到增強纖維編織體內部，經交聯后再進行高溫裂解。多次浸漬裂解。制備出各種形狀構件的制備。耐高溫復合材料的力學性能、抗腐蝕性能、抗熱震性能和抗氧化性能優異，經輻照后具有較低的誘導放射性以及較高的尺寸穩定性和性能穩定性，具有低的中子輻射誘導活性、高的抗破裂性能和極好的高溫機械性能等優點。近年美國、日本、歐盟等國的新型核聚變反應堆使用壽命和安全性優于不銹鋼、釩合金等材料

12、，堆芯溫度可提高到 8001100，能量轉換效率可提高到 50%以上，極大提高了反應堆的工作效率。碳化硅纖維及納米粉制品的應用主要體現在以下幾個方面：1.作為耐熱材料：如汽車尾氣處理中的脫塵,脫硫,脫NOx裝置、耐鹽霧、海水腐蝕、紅外敏感元件、高溫輸送帶、噴燈嘴、航天飛機柔性防熱材料、過濾器、催化劑載體等。2.增強金屬基復合材料：纖維體積含量為30的Al基復合材料，其彎曲強度為超硬鋁的1.8倍，拉伸強度為1.3倍。減重40。而且在400以下材料的強度降低幅度不大，而特超硬鋁在200時為常溫強度的1/5以下。可用于制造導彈的尾翼、炮管等。3.增強樹脂基復合材料：與環氧樹脂、聚酰亞胺樹脂組成的復合

13、材料與碳纖維相比具有較高的壓縮強度、較高的沖擊強度和優異的磨損性，同時碳化硅/環氧樹脂復合材料還具有優異的電性能。可應用于雷達天線罩和飛行器的結構材料，以及各種結構吸波材料。4.增強陶瓷基復合材料：主要應用于宇宙火箭和飛機噴氣發動機的耐熱部件、航天飛機的隔熱瓦等。5.隱身材料：碳化硅纖維以基優異的吸波性與高溫抗氧化性而被用于制造隱身巡航導彈的頭錐和火箭發動機殼體。為了提高飛行器的實防能力和自我保護的生存能力，以提高戰斗力為目標，世界各大國都在努力發展隱身技術。在實戰中，雷達及紅外探測器應用比例最大，分別為60%和30%。研究雷達波吸收材料是當今世界隱身技術的熱點。隨著各種新型飛行器的出現，吸收

14、頻帶寬度和吸波性能不斷提高，單一的吸波材料難以適應要求，而功能也由單一吸波發展為承載和吸波結合，從而出現了一種新型的結構型吸波復合材料，其核心材料就是應具有一定的力學性能和吸波功能為一體的纖維。從吸波原理上，應用最廣的材料有磁損耗型和介電損耗型。作為耐高溫、耐氧化的高性能SiC纖維，它不僅與碳纖維等其它增強纖維有相近的力學性能，可以承載，它還具有一定的半導體特性，其電阻率可以在101107cm范圍內通過改進工藝進行調節。通用型SiC纖維其電阻率一般在105107cm，不具有吸波特性，若改變制造工藝和調整纖維的有效組成比，完全可以將SiC纖維的電阻率調至101103cm，具有介電損耗型吸波纖維，

15、國內外的文獻均有報導，認為SiC纖維是一種理想的高性能結構吸波纖維。隱身技術不僅在飛行器上得到了廣泛應用，還涉及到艦艇、潛艇、戰車、坦克、機庫、軍事工程等方面。對未來“打贏一場高技術條件下的局部戰爭”起到至關重要的作用。因為軍事上的敏感性，對于具有結構吸波功能的SiC纖維的制造、應用屬于前沿科學技術，國外不論在技術上還是在產品上均對我國封鎖禁運。從文獻報導上，國內僅有國防科技大學開展這類SiC纖維的實驗室研究，盡管其電阻率達到吸波要求，但纖維的力學性能偏低，難以滿足結構吸波復合材料的需求。本公司已擁有超高溫SiC纖維溫制造技術知識產權，在此基礎上，開展結構吸波SiC纖維的深入研究和技術工程化開

16、發，進行技術攻關，解決了制造結構吸波纖維的關鍵技術，必將培育出具有戰略意義和潛在產業鏈的一種新型材料。結構吸波SiC纖維制備的關鍵技術：通過分子設計制備滿足吸波特性的纖維組成的先驅體，并具有良好的成絲性；纖維電阻率調節技術和伴有高力學性能的SiC纖維燒成技術。吸波SiC纖維的性能指標：纖維連續長度大于500 m，纖維直徑1215m，抗拉強度2.0±0.2 GPa ,抗拉模量150±10 GPa ,電阻率101103 cm 。6.核防護材料采用有機先驅體轉化法制備由納米-碳化硅微晶（30-50nm）及納米碳組成的高性能連續碳化硅纖維，具有高強度、高模量、耐高溫、抗氧化、可編織

17、、電阻率可調、與樹脂、金屬、陶瓷相容性好等諸多優異特性，是先進復合材料用增強纖維中極其重要的品種之一，其復合材料在國民經濟中的航空航天、石油化工、汽車工業、電子信息、機械、辦公器材等各方面都有廣闊的應用前景。它在國防建設中，軍事裝備、核工業等的高技術領域也具有廣泛的應用前景。其中，通過先驅體浸漬轉化工藝，碳化硅纖維的先驅體聚碳硅烷也是制備碳化硅基復合材料的基體先驅體，為碳纖維增強碳化硅復合材料制造開辟了一條新的工藝途徑。目前高性能連續陶瓷纖維增強陶瓷基復合材料主要作為航空發動機、燃氣輪機、汽車發動機、核能反應堆、液體渦扇發動機、沖壓發動機、高超音速飛行器和深空探測器等耐高熱部件。未來幾年該產品

18、在能源交通（如高速列車的制動材料），環境保護（如汽車尾氣焚燒催化劑的載體），化學防腐（如設備防腐，化學試劑過濾材料等）等方面也有很大的應用空間，在電路基板增強材料、燃料電池隔板增強材料等也將獲得更為廣泛的應用。此外，碳化硅纖維在材料隱身方面已有應用，在結構吸波領域也具備應用前景。碳化硅復合材料在汽車剎車片中的應用碳化硅復合材料是碳纖維增強碳和碳化硅陶瓷基體復合材料，具有密度低、抗氧化性能好、耐腐蝕、優異的高溫力學性能和熱物理性能、良好的自潤滑性能等優點，是一種能滿足1650使用的新型高溫結構材料和功能材料。作為剎車材料不僅具有碳/碳復合材料剎車盤密度小、剎車平穩，磨損失重率小、熱容量大等優勢，

19、而且克服了碳盤吸濕性大、濕態摩擦系數低、靜摩擦系數低、適應性差的不足，因此美軍率先在F16戰機上應用，效果良好。美國摩擦材料公司對陶瓷基剎車復合材料進行評估，表明碳/碳-碳化硅復合材料將成為新一代飛機和汽車剎車材料。法蘭克福國際汽車交易會上，碳/碳-碳化硅復合材料（碳陶C/C-SiC）汽車剎車片被揭開神秘的面紗，徹底顛覆了傳統的汽車剎車片技術：與傳統的灰鑄鐵剎車片相比，碳/碳-碳化硅復合材料剎車片的重量減輕了大約60%，非懸掛質量減輕了近23公斤。碳陶剎車片更顯著的優點還有：剎車反應速度提高且制動衰減降低、熱穩定性高、無熱振動、踏板感覺極為舒適、操控性能提升、抗磨損性高等等。因此，碳陶剎車片的

20、使用壽命更長，而且幾乎不會產生灰塵。保時捷公司將碳陶剎車片作為配套設備裝配在911 GT2型跑車上，其他品牌汽車也陸續采用這一創新型剎車技術來提高車輛安全性并改善踏板舒適度。其中包括奧迪W12 & S8、賓利、布加迪和蘭博基尼等跑車也使用。碳/碳-碳化硅復合材料剎車片的一個顯著特征是它是采用陶瓷復合材料制造而成。碳陶剎車片本身及兩側的摩擦層均由碳纖維增強碳化硅材料制成。主要基體成分有碳化硅（SiC）和工業硅（Si），碳纖維（C）增強了材料的強度。主要基體成分碳化硅決定著復合材料的硬度。碳纖維的作用是提高材料的機械強度并為材料提供技術應用中所需的斷裂韌度。陶瓷復合材料的同韌性剪切斷裂特性

21、為其抗高熱負載和機械負載性能提供了保障。因此，碳纖維增強碳化硅材料完美結合了碳纖維增強碳（C/C）和多晶碳化硅陶瓷這兩者的物理特性。碳/碳-碳化硅復合 材料的拉斷伸長率從 0.1% 到 0.3% 不等。這對于陶瓷材料而言是極高的數值。正因為具有這些特征，碳纖維增強碳化硅才成為高性能剎車制動系統的首選材料：尤其是較輕的重量、良好的硬度、高壓和高溫條件下的穩定性、抗熱沖擊性和同韌性剪切斷裂特性等特點延長了碳陶剎車片的使用壽命，并避免了傳統灰鑄鐵剎車片因負載而產生的所有問題。整個汽車剎車制動系統的設計需要符合汽車整體布局要求并且充分利用了碳/碳-碳化硅復合材料剎車片卓越的材料性能。剎車制動系統的設計

22、取決于汽車的最高時速、使汽車從最高時速的行駛狀態變為瞬間停止的靜止狀態的全制動時序、所需制動的質量以及軸載分布和汽車的空氣動力等主要參數。確定剎車片尺寸和設計的主要目的是確保汽車能夠在任何可能的行駛條件下安全剎車。剎車制動系統的設計還應確保剎車片本身或剎車片附近的其他任何部件都不會過熱。每個汽車模型冷卻葉片的最佳幾何形狀通過數值方法（計算流體力學）確定。設計計算中還將積聚在汽車下方和輪罩拱內部的氣壓作為汽車空氣動力設計和行駛速度的函數。碳/碳-碳化硅復合材料剎車片擁有諸多的優點，其秘訣就在于采用了獨特的生產工藝。在生產碳陶剎車片時使用涂有一定特殊保護層的碳纖維，然后將這些纖維切割成一定厚度和長

23、度的纖維段。該生產工藝包括纖維混合準備工作、剎車片的生產過程、剎車鈴安裝以及剎車片的最終加工。在整個生產過程中要進行多項測試，以便對整個生產工藝進行密切監控，最后還要進行一項最終測試。然后，在高真空條件下通過850 °C時的碳化和1700 °C時的硅化后將粘合樹脂預成型件在陶瓷組件中轉換成所謂的生坯。該生產工藝中還使用了“熔芯”技術（該技術使用塑料模具確定冷卻葉片的幾何形狀，該塑料模具在碳化時完全燃燒不留殘渣）以及不同纖維成分的剎車片、環外側的摩擦層和嵌在摩擦層上的點狀磨損標志。為與汽車獨特的整車布局相協調，碳陶剎車片的開發主要分三個階段進行：數字建模、原型設計和測試以及在

24、實車上進行測試。首先，使用汽車的詳細模型數據在計算機上進行剎車片數字模擬。有關碳陶剎車片的直徑、厚度和摩擦軌跡高度只是在計算機上計算的一部分參數。碳陶剎車片的裝配計算還包含了連接帶束層的設計。這一設計任務非常艱巨，因為需要在任何可能的工作溫度下抵消熱膨脹系數的差異。數字模型還對冷卻葉片進行了合理的設計配置，從而優化流體動力。在開發的第二階段，根據數字模型的結果來設計碳陶剎車片原型并在工作臺上進行測試，同時配備相應的剎車墊和卡鉗。在第三階段即最后一個階段，在汽車上對剎車片原型進行測試。測試不僅包括在測試路線上高速行駛，還包括山口減速和公路測試。在這些測試過程中，駕駛員對剎車制動系統，尤其是剎車制

25、動性能和剎車舒適度進行評估，而計算機則對測量結果進行詳細分析。根據汽車試運行和工作臺的測試結果確定剎車片原型是否通過測試。使用陶瓷纖維等高檔纖維來代替其它的鋼纖維或者鐵纖維，從而不會產生銹蝕、噪音和粉塵。在不同車型的剎車片和剎車盤。以重型汽車剎車片、高速列車剎車片為研發方向，車速達到160Km/h的制動摩擦系數大于0.45；一般的制動摩擦系數小于0.35。剎車溫度達到600攝氏度時制動摩擦系數大于0.4；一般制動摩擦系數為0.250.35。陶瓷型剎車片更清潔安靜，并且在剎車性能的同時，不磨耗對偶件剎車盤。鑄造生產中，鑄鋼件、鑄鐵件、鑄鋁件及其它合金鑄件，由于種種原因很容易產生渣眼、砂眼、氣眼等

26、質量問題，因此除去金屬熔體中非金屬夾雜物，對提高鑄件成品率，改善鑄件質量，具有重大的技術價值和經濟價值。 鑄造過濾網采用耐高溫纖維，經特殊工藝織造、后處理加工制成，產品已成系列、工藝先進、質量穩定。與其它各類過濾網比較，耐高溫纖維鑄造過濾網價格低廉、使用方便、不改變鑄件金屬組成成份、濾渣效果好、發氣量低。另外，它同樣具有耐高溫、耐燒蝕、化學穩定性好、耐金屬熔體沖刷、良好的鋼強度。鍋爐的磨損的問題主要在爐內受熱面。該爐在爐膛內由下而上交叉緊密布置了蒸發管層、高溫過熱器層，低溫過熱器層、高溫省煤器層等受熱面，直接受到高溫煙灰氣流的高速沖刷，管系磨損較快，當燒煤矸石量越大，磨損程度越快。從運行的爐來看，爐內受熱面的布置和固定裝置均存在不同的缺陷，管排中易形成煙氣走廊，受熱面大多數彎頭、迎風面等未考慮有效的整體防磨措施。鍋爐運轉率在80%以上，一般兩年左右就要更換一套蒸發管，四年左右就要更換一套高、低過熱器。每次工期在15天左右。 根據存在不同的磨損情況，檢修停爐加裝防磨護瓦、板件，延長鍋爐受熱面使用壽命，提高運轉率。 主要采用的防磨措施有以下幾點：1、對于最容易受磨損蒸發管部位，所有直管迎風面增裝防磨護瓦，所有彎管表面全增裝防磨護瓦。2、高溫過熱器下部彎管表面全增裝防磨護瓦，原來的有孔防磨導流板改為耐熱鋼無孔防磨導流板。