石墨烯增强金属基复合材料项目 可行性研究报告 有色金属及复合材料研究所编制 二零一四年十月

1目 录 第一章 研究概论……………………………………………………1 第二章 项目背景和发展概况………………………………………4 第三章 项目发展环境分析…………………………………………12 第四章 应用技术方案………………………………………………20 第五章 项目企业竞争策略…………………………………………21 第六章 行业国内市场分析…………………………………………22 第七章 可行性研究结论与建议……………………………………27 报告撰写人 冷金凤 二〇一五年十月

2 第一章 研究概述 1.1 研究背景及目标 上世纪九十年代，我国开始金属基复合材料（MMC）的研究，经过二十多年发展，金属基复合材料已经在军事国防领域取得了产业化应用并向民用领域渗透，如今已在陆上交通、民航、工业和体育休闲产业等诸多领域实现商业化的应用。从全球溯源及发展来看，美国是起步最早、投入最大，也是终端产品应用最多的国家，日本和英国也拥有一些生产工艺成熟的企业。相比较而言，我国在金属基研究方向起步较晚，目前在军工、航天领域已在某些器件上获得规模化应用，但也存在生产工艺不成熟，成品率低等问题，在民用领域还没有大的突破。同时，对于颗粒增强金属基复合材料的增强体选择上，通常为陶瓷相，产业化上应用最多的是SiC、Al2O3等陶瓷颗粒，由于硬、脆质点的本征属性，导致金属基复合材料难以进一步塑形成型，同时加工成本高。所以，从金属基复合材料应用深度和广度来看，有必要进一步完善金属基复合材料的制备工艺，提高工艺稳定性，降低制备和加工成本。二维特殊结构石墨烯纳米材料的出现，为解决硬、脆质点加入导致的难以二次加工提供了解决方案，同时进一步降低密度，提高综合性能，所以有必要研究石墨烯增强的金属基复合材料，以满足我国航空航天、军工、交通运输及热管理领域等需求。本文目标在于论证石墨烯增强金属基复合材料在国内生产的项目可行性研究。 31.2 研究的内容 研究石墨烯增强金属基复合材料在国内、国外市场供需信息及未来发展前景；石墨烯增强金属基复合材料国内外技术情况研究；石墨烯增强金属基复合材料技术开发及生产的可行性。 1.3 数据来源 主要数据资料来源有查询资料、集体商讨、数据共享、比较研究、 专家数据整理等。 1.4 研究结论 1.4.1 市场规模 经调查研究分析，金属基复合材料在我国属于新兴产业，预测经过五年的发展，国内需求会达到30000吨左右。 1.4.2 竞争态势 目前国内没有一家企业拥有成熟的金属基复合材料生产及应用技术，对于石墨烯增强金属基复合材料正是处于初步研究阶段，研究的周期不超过三年，但研究机构都开始投入大量的资金和人员，预计5年后国内竞争将趋向激烈，应尽快实施项目，抢先占领市场。 1.4.3 项目可行性 石墨烯增强金属基复合材料项目符合国家产业政策，市场前景广阔，能产生较大的企业效益和社会效益，建议项目尽快实施。 4 第二章项目背景和发展概况 2.1 金属基复合材料项目背景 2.1.1 国际金属基复合材料行业和应用现状 美国在金属基复合材料领域起步较早和投入最大，是最先将金属基复合材料应用的国家，日本、英国也相继出现了金属基复合材料的产业化公司。从国际视角观察，金属基复合材料在以下几大领域实现应用： （1）航空航天领域 航空航天飞行器对结构材料要求结构材料具有高的比强度、比刚度、抗疲劳、高的尺寸稳定性及低密度等特点。目前，比较理想的飞行器用材料有：金属基复合材料，树脂基复合材料及陶瓷基复合材料。其中，金属基复合材料以其特殊的性能受到青睐。早在上世纪八十年代，美国首次批露了研制出一种仪表基SiCp/Al复合材料，并将该种材料应用于某型号导弹的惯导制导测量仪表中。经特殊设计的SiC/Al复合材料具有高比强度、高比刚度，好耐磨性，热膨胀系数可设计，好的导热、导电性能，各向同性，好的尺寸稳定性，可热处理强化等优越性能，已成为未来惯性仪表结构的首选材料，可以替代铍材和铝材，很好地解决惯性仪表精度漂移、逐次漂移的问题，被誉为“第三代航空航天惯性器件材料”。已被正式用于美国某导弹惯性环形激光陀螺制导系统，并已形成美国的军用标准（MIL-M-46196）。另外，金属基复合材料在航天中最早的应用是美国航天飞机，在轨道中段机

5身主隔框、翼肋桁架、框架稳定支柱、前起落架，共使用了243根B/Al复合材料管形支撑件，质量比铝合金轻45%。上世纪九十年代初，美国研发出耐高温金属基复合材料SiC/Al8009，使用温度达370℃，代替钛合金，用于航天飞机机翼蒙皮，火箭箭体和其他耐高温航空航天结构。美国DWA复合材料公司于上世纪八十年代，采用粉末冶金法生产的SiC/Al复合材料已被用作飞机上的电子支架，刚度比原来的7075铝合金约高65%。 （2）军工领域 美国世纪公司通过美国陆军坦克机动车辆研发与工程中（TARDEC）合作，采用铝基复合材料制备刹车鼓替代铸铁或钢制部件，重量减轻45%，且散热优于铸铁。 （3）轨道交通 铝基复合材料可用于发动机连杆。连杆要求材料具有高强度、轻量化、低成本。丰田公司在其新式Fx-1轻型特种车辆的高性能试验发动机上装了多晶氧化铝纤维强化的铸铝连杆。相对于钢质连杆减轻大约30%，抗拉强度和疲劳强度高，线膨胀系数小，可满足连杆工作时的性能要求。此外，采用金属基复合材料制造的汽车发动机活塞、缸套、传动轴、阀杆、刹车组件等已经得到应用，对实现汽车轻量化意义重大。 （4）热控材料 金属基复合材料可作为热管理材料在微电子封装领域获得应用，要求材料具有低热膨胀系数、高导热率、低密度，已生产代表性

6材料有SiC/Al6092，SiC/Al6063。 （5）其它民用领域 铝基复合材料在一些对综合性能要求较高的民用领域具有较大的应用潜力。在过去几年，铝基纳米复合材料赛车部件的研制取得重要进展，已研制出可批量生产的纳米复合材料赛车传动轴、活塞及齿轮等零部件。在体育用品领域，自行车车架，赛艇发动机活塞、传动轴、高尔夫球杆等获得应用。 2.1.2 国内金属基复合材料行业和应用现状 国内的金属基复合材料发展尚处于起步阶段，没有完善的金属基复合材料产业，目前仅有哈工大、航材院、上交大等少数科研单位具有小批量的配套能力，其品种、规格单一，主要在航空航天领域应用，如惯导平台、反射镜、封装支架等。由于轻质高强的结构-功能一体化金属基复合材料在航空航天具有不可替代性的国防背景，国外对核心技术和产品严格保密，虽然近年来西方金属基复合材料公司在中国建立了一些合资或独资企业，但是并没有，也不可能转移相关技术。随着我国在空间技术、航空航天、轨道交通、电子通讯等领域的高速发展，对高性能金属基复合材料的需求日渐旺盛，为了避免在国家安全等领域受制于人，必须研发具有自主知识产权的金属基复合材料。 2.2 石墨烯增强金属基复合材料的研究进展 石墨烯的出现为高性能的铝基复合材料的发展提供了新的契机。石墨烯具有碳原子单层原子紧密排列的二维六边形点阵结构，是构成石墨材料的基本单元。自2004年Geim等人发现以来，石墨

7烯已成为材料学和物理学领域的研究热点。石墨烯特殊结构决定了其优异的热物理性能、电性能和力学性能，其中热导率5000 W/(m·℃)，电导率106S/m，极限强度130GPa，拉伸模量1.01TPa，面密度为0.77 mg/m2。另外，与一维的碳纳米管相比，二维的表面的石墨烯，在制备过程中更易均匀分散，且其表面的褶皱有利于增强体与基体的界面结合。 近几年，在石墨烯增强树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的方向取得一些进展，其中一些研究对比了石墨烯和碳纳米管的增强效果。美国伦塞勒理工学院报道了石墨烯增强环氧树脂复合材料的研究结果：相比于多壁碳纳米管增强的复合材料，0.3 wt.%石墨烯增强环氧树脂复合材料杨氏模量提高30%, 拉伸强度提高22%。美国德州理工大学王世仁在聚合物基体中加入质量分数为1%的石墨烯和碳纳米管，复合材料的导热系数比基体提高，石墨烯增强的复合材料导热率略高于碳纳米管增强的复合材料；加入5%质量分数石墨烯的复合材料导热系数相对于基体提高4倍。石墨烯增强的陶瓷复合材料也有少量报道，相对于碳纳米管增强的氧化铝陶瓷，石墨烯增强复合材料电导率更高, 达到5709S/m，增加170%。以上研究也表明，石墨烯增强的复合材料综合性能更优异，也为金属基复合材料增强体材料的选择提供依据。 与石墨烯增强树脂基复合材料和陶瓷材料相比，石墨烯增强的金属基复合材料的报道不多，而且主要集中在惰性金属(如Au、Pt、Ag)或金属氧化物表面沉积石墨烯，进行界面结构及光催化、光电及

8能量储备等纳米功能性研究。对于块体的石墨烯增强金属基复合材料的报道很少，仅在力学性能方向上做了初步探索工作。而对于块体石墨烯增强金属基复合材料的热物理性能的研究（如热导率、热膨胀系数等）还未见相关报道。 2.3 石墨烯增强金属基复合材料的优势和特点 由于石墨烯的低密度、优异的力学及热物理性能，作为纳米颗粒增强体加入，从材料设计角度将获得低密度、更优异的力学、热物理性能及机械加工性能的金属基复合材料。 对于航空航天器件及轨道交通的轻量化需求，石墨烯的密度2.2g/cm3, 远小于碳化硅、氧化铝等陶瓷相的密度，因此石墨烯增强复合材料的密度相对于铝合金进一步降低，适合对于密度有严格要求的航空航天器件和轻量化要求较高的轨道交通器件。 石墨烯强度是钢的100多倍，可使增强体的添加量在低体积分数下，复合材料大幅提高力学性能，本课题组前期研究显示，在石墨烯添加量0.3%~0.7%，拉伸强度和硬度提高40%以上。同时，复合材料具有与基体铝合金相近的塑性变形能力，避免了陶瓷增强体颗粒的存在严重降低材料的延伸率，难以进一步塑形成型的难题。石墨烯替代硬、脆的陶瓷相，大幅度降低了复合材料的加工成本，根本解决了限制金属基复合材料应用的瓶颈问题。 石墨烯超高的导热率，添加在金属基体中，提高复合材料力学性能同时，提高了金属基复合材料的导热率。常用的陶瓷相增强体，一般都具有远远低于金属的导热率，导致金属基复合材料导热率显著下

9降。石墨烯替代陶瓷相，使金属基体的热导率不降反升。在热管理材料中，提供了较好的应用前景。 2.4 石墨烯增强金属基复合材料项目进展情况 目前，济南大学有色金属及复合材料课题组在国家自然基金（NO.51301076，界面调控对石墨烯/铝基复合材料热物理性能的影响机制）和省教育厅科技发展规划项目的资助下，经过多年努力研制，在纳米颗粒增强的金属基复合材料领域，具备一套完整的材料设计体系，已完成多种材料体系的设计。同时，对于高性能金属基复合材料制备中存在的两大关键问题，一是增强体与基体的界面改善；二是金属基复合材料的致密化。在本人多年金属基复合材料研究基础上，结合纳米材料的独特本征属性特点，已获得解决方案，为制备高性能石墨烯增强的金属基复合材料奠定了理论和试验基础。目前，正在积极寻求合作方，一旦满足金属基复合材料研究的设备条件和检测手段，项目即可积极推进，完成样品的研制和小批量生产。 2.5 石墨烯增强金属基复合材料项目建设的必要性 2.5.1 现状与差距 近年来，世界各国特别是美国、英国、日本等工业发达国家，组织了军方、研究院所和企业，由政府出面，动员了大批人力、物力和财力，对生产和应用金属基复合材料进行了大量的科学研究和开发工作，获得了非常重要的发展，取得了很多成果并推广应用。而我国目前仅少数几家科研院所进行金属基复合材料的品种单一的小批量生产外，尚没有成熟的生产金属基复合材料的企业，由于其国防背景，