_十二五_期间我国无机非金属新材料领域发展重点.pdf

14 9 2010中 国 科 技 投 资SPECIAL FOCUS封面文章“十二五”期间我国无机非金属新材料领域发展重点文/中国国际工程咨询公司 左振军新材料涉及的领域众多，无机非金属新材料领域是其重要的一个组成部分。“十二五”期间，我国无机非金属新材料应围绕功能材料确定发展重点。主要包括以下几个方面。用于建筑节能和新能源领域的功能玻璃1.低辐射镀膜（L o w-E）玻璃。目前，我国单位建筑面积能耗相当于气候条件相近发达国家的2 3 倍，建筑能耗总量已占全社会总能耗的3 0 左右，建筑节能已成为全社会节能的重点领域之一。为此，“十一五”十大重点节能工程实施意见提出：在“十一五”期间，新建建筑严格实施节能5 0 的设计标准，四个直辖市和北方严寒、寒冷地区实施新建建筑节能6 5 的标准。最近出台的国发（2 0 1 0）1 2 号文更是提出了“全国城镇新建建筑执行节能强制性标准的比例达到9 5%以上”的要求。节能中长期专项规划要求到2 0 2 0 年，全国新增建筑全部达到节能6 5 的目标。L o w-E 玻璃因能够有效降低辐射传热达到节能6 5 的要求。目前，我国L o w-E中空玻璃的使用占整个建筑玻璃的 5 左右。因此，采用世界公认为最节能的L o w-E玻璃代替普通玻璃作为门窗玻璃是实现我国建筑节能政策的重要手段。预计今后1 0 年，我国每年新增及改造建筑需外门窗及幕墙玻璃3.3 亿m2，如果有3 0 使用L o w-E 中空玻璃，每年将会有1 亿m2以上的市场需求。目前，我国L o w-E 玻璃年总产能5 0 0 0 万m2，2 0 0 9 年实际产量在2 0 0 0万 m23 0 0 0万m2左右，国内L o w-E 玻璃的产能、产量与市场需求相比都有较大缺口。在品种方面，要根据我国南北的气候条件，规划满足不同地区气候特点产品的生产布局。在技术方面，要坚持离线L o w-E 玻璃、在线L o w-E 玻璃工艺、技术、装备研发及产业化的并重。2.光电建筑一体化T C O 镀膜太阳能玻璃。太阳能玻璃主要是指用于太阳能光伏发电和太阳能光热组件的封装或盖板玻璃。其中，太阳能光伏发电组件用太阳能玻璃又分为晶体硅太阳能电池组件用和非晶硅薄膜太阳能电池组件用两类。前者主要是使用太阳能超白压花玻璃，为目前太阳能光伏发电的主要形式，而后者主要是使用超白浮法玻璃。光电建筑一体化的玻璃幕墙已成为当今世界建筑业与太阳能利用相结合的发展大趋势。非晶硅薄膜光伏电池玻璃可以实现大面积光伏组件太阳能发电，同时可大大降低光伏电池的成本，和建筑幕墙、门窗玻璃、采光顶等有效结合，既减少了土地占用面积、安装成本，又可以在幕墙玻璃功能的基础上，大面积使用和推广，对推动建筑光伏生态一体化绿色建筑有着深远的意义。非晶硅薄膜太阳能电池因其良好的弱光性、美观性而成为光电建筑一体化玻璃幕墙的首选产品。近年来，随着新能源技术的发展以及政策的不断完善，我国太阳能光伏电池行业的高速增长，带动了我国太阳能玻璃市场需求的快速增长。同时，国际光伏产业链后端的太阳能电池组件生产向我国加快转移，为太阳能电池组件配套的太阳能超白玻璃就近配套创造了条件，提供了市场机遇。2 0 0 9 年3 月，财政部发布了关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见和太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法，这是我国政府第一次出台关于光伏发电的专项扶持政策。此159 2010中 国 科 技 投 资外，正在制定的新能源产业振兴和发展规划、“十二五”能源发展总体规划一系列政策，对光伏产业及超白浮法玻璃形成长期利好。未来1 0 年，薄膜太阳能电池需求量将超过晶体硅太阳能电池，成为太阳能光伏发电的主流产品。目前，我国T C O 玻璃的镀膜技术及设备被少数国外厂商垄断。国内只有深圳南玻集团引进的一条离线T C O 玻璃生产线实现了量产，生产规模为4 6 万m2/年。国内薄膜电池生产厂家需要的 T C O 玻璃基片几乎全部依赖进口。国内薄膜太阳能电池组件生产商对 T C O玻璃的需求存在较大缺口。“十二五”期间，实现T C O 玻璃的技术、装备国产化是发展的重点。无机非金属新材料1.特种陶瓷。我国特种陶瓷工业目前已具有很强的尖端特陶材料的研制开发能力，工业生产具有相当规模，基本满足我国各行业生产和生活所需。但是应该看到，与世界科技发达国家相比，仍有较大差距，特别是在特种陶瓷的应用开发上，在生产技术水平上以及在产业化上落后较多。由于特种陶瓷应用领域广阔，我国各行业都在根据自身需要开发生产各类特陶产品。主要有军工系统，电子系统，建材系统，轻工系统，机械系统，冶金系统等，各系统所属高校、研究院(所)、企业均从事相关特陶材料及产品的科研开发与生产，为我国特陶产业的发展创造了物质基础，技术条件和应用市场。我国建材行业的特种陶瓷是以先进陶瓷为主要代表。先进陶瓷材料又称精密陶瓷材料，是无机非金属新材料的一个重要组成部分，先进陶瓷材料因其优异的高温力学性能及特有的光、声、电、磁、热或功能复合效应被广泛应用于通讯、电子、能源环保、航空、航天、军事等高技术领域。目前，先进陶瓷已形成一个巨大的高新技术产业，全世界先进陶瓷产品的销售总额超过3 0 0 亿美元，并以每年l 0 以上的速度增长，因此，世界各国，尤其是西方发达国家争相研究、开发和生产先进陶瓷，无论从新品的开发研制还是到市场占领，均展开了异常激烈的竞争。从目前情况看，先进陶瓷元件的研制与生产主要集中在美国和日本这两个工业发达国家。美国的专利倾向于在基础知识上的创新，日本专利则倾向于在现有技术基础上的改进以期有更多的工程应用前景。美国和日本竞相把先进陶瓷作为新型工程材料来发展，目标是把陶瓷的特性如高硬度、高耐磨性、耐高温性与抗腐蚀性和钢的延展性结合起来。我国先进陶瓷的研究始于 2 0世纪5 0年代。6 0 年代获得了长足进展，到目前，我国从事先进陶瓷研究开发的高校、科研院所和生产企业已超过数百家。从目前的技术发展趋势分析，先进陶瓷今后的重点发展方向是加强工艺-结构-性能的设计与研究，有效地控制工艺过程，使其达到预定的结构（包括薄膜化、纤维化、气孔的含量、非晶态化、晶粒的微细化等），重视粉体标准化、系列化的研究与开发及精密加工技术，降低制造成本，提高制品的重复性、可靠性及使用寿命。“十二五”期间，力争微晶氧化铝、石英系列、高压电瓷等主要产品实现技术升级，产业化快速发展；重大技术装备水平、新产品产值率、产能利用率、信息化水平显著提高。要立足于我国先进陶瓷产业自身技术优势，发展新能源技术配套材料、节能减排技术配套材料。2.太阳能行业用精细陶瓷材料及固体废弃物综合利用技术。石英陶瓷坩埚是用于多晶硅熔炼及铸锭炉中装载多晶硅的容器，是多晶硅铸锭生产过程中用量最大的部件，是不可替代的关键消耗材料。目前，国外只有法国维苏威公司、美国赛瑞丹公司和日本东芝陶瓷公司三个公司可以生产这种多晶硅铸锭用石英陶瓷坩埚，均采用传统的石英陶瓷注浆成型工艺，技术处于严格保密状态。国内，掌握石英陶瓷坩埚制造技术的只有中材高新材料股份有限公司，也是世界上第四家掌握石英陶瓷坩埚生产技术的公司。中材高新采用自主开发的精细石英陶瓷注凝成型技术已经通过了中试验证与专家鉴定，正在建设年产1 0 万只石英陶瓷坩埚的规模化生产线，一期年产3 万只试验生产线已经达产。“十二五”期间，重点研究每炉铸锭8 0 0 公斤以上的具有世界领先水平的超大尺寸石英陶瓷坩埚、熔融石英陶瓷坩埚废弃物综合利用技术；多晶硅锭切割用碳化硅磨料废弃物的综合利用技术。全面解决1 1 0 0 型石英陶瓷坩埚批量化生产关键技术，实现在多晶硅行业的应用；实现熔融石英陶瓷坩埚废弃物、碳化硅磨料废弃物的循环利用。3.高效、高温陶瓷过滤装备及材料。高温、高压陶瓷过滤技术是近2 0 年来国际热气体净化领域最主要发展净化技术，也是目前先进燃煤发电净化系统必选操作单元和煤化工领域高温煤气化净化系统首选操作单元。这种高温、高压热气体净化技16 9 2010中 国 科 技 投 资SPECIAL FOCUS封面文章术和大型高温、高压陶瓷热气体净化装置目前只有美国和德国等少数国家可以掌握。国内煤气化领域应用的高温、高压陶瓷热气体净化装置基本依赖进口，为此，近年来已花费数亿美元外汇。在国内开展相关技术研究，研制、开发其关键技术和装备，实现关键部件及其大型装置国产化，可以打破国外对该项技术及产品垄断性，提升行业技术水平。这对更好的发展国内洁净煤事业，实现国内已经启动的先进燃煤发电系统和高温煤气化技术中高温、高压热气体粒子净化装置的国产化，满足能源新材料中硅行业高温、高压气体飞灰过滤需要等方面意义重大。“十二五”期间，重点研究开发耐高温、高压热气体净化用大型陶瓷过滤装备集成技术，解决核心部件大尺寸高温陶瓷过滤元件国产化和关键零部件国产化技术难题；建立高温、高压净化系统模拟装置和性能测试平台；设计开发大型高温、高压陶瓷热气体净化装置，进行工程化示范应用及市场推广；产品满足高温、高压各种热气体净化技术需要，净化后气体含尘浓度小于 5 m g/N m3,技术水平达到国外同类产品先进水平。4.超大规模输变电技术用特高压瓷套。特高压已成为世界各国竞相发展的热点。目前，我国经济对能源尤其是电能的需求持续增长，而我国能源基地与用电负荷中心的地理分布不均衡决定了必须在全国范围内优化资源配置，即进行大容量长距离输电。瓷套是高压开关、变压器、避雷器等高压电器设备的重要组件，但国内2 5 2 k V以上等级 S F 6断路器瓷套大量依靠进口，百万伏级此类断路器瓷套产品的生产更是空白。重点研究百万伏级S F 6 断路器瓷套的结构设计、配方体系、烧成技术；薄壁高精度尺寸坯件成型技术；超高、超大尺寸薄壁坯体装烧技术；瓷套无机粘结技术；高精度尺寸的瓷件研磨、胶装技术等，实现百万伏级S F 6 断路器瓷套产品的国产化，填补国内空白。5.风力发电机用高性能、大规格陶瓷轴承球研究开发技术。大型风电设备的关键因素之一大型风电设备的传动枢纽轴承，特别是发电机等设备的绝缘轴承，目前只有瑞典S K F 和F A G 等少数国外企业能够生产。“十二五”期间，重点研究大尺寸氮化硅陶瓷球批量化制备技术；陶瓷球与钢制套圈装配及疲劳寿命的研究；长寿命绝缘轴承润滑技术等。研制出具有我国自主知识产权的大尺寸氮化硅陶瓷球及大尺寸风力发电机用氮化硅陶瓷绝缘轴承，完全替代国外进口产品，并形成一定的生产规模。6.烟气净化分离、脱硝装备及配套材料。高温陶瓷材料的推广应用有效的解决许多行业的高温热气体直接排放造成的大量显热浪费难题。重点研究多孔功能陶瓷材料在热气体净化、热气体回收以及水处理等领域关键装备、系统集成技术和应用技术，建立中试生产示范线及工程示范线，开发相应的集成装备，满足冶金、水泥等行业高温烟尘净化与气体热交换需要，提高高温余热利用效率2 0 3 0%。7.污水处理装备及配套材料的制备技术。精密过滤与膜分离技术是提高上水净化效果与废水深度处理和有效利用效率的重要手段。陶瓷过滤与膜分离技术作为一种高效节能的水处理技术，在生活用水和工业用水净化以及废水的高效处理领域有具大的应用市场。重点研究开发水处理用高性能陶瓷膜材料及组件的高效低成本制造技术；陶瓷过滤材料及膜过滤材料的关键装配技术、抗污染技术和超声波清洗等再生技术；研究开发用于上水净化和下水处理的高性能陶瓷膜过滤装备；研究开发陶瓷膜过滤技术与其它水处理技术的联合应用技术，以满足不同水处理工程的需要；设计开发满足城镇生活用水、工业用水以及小规模居民生活废水和工业污水处理用集成化装备，完成工业化验证和产品的应用推广。8.特种玻璃。发展满足信息产业显示器、航空、航天用特种玻璃；争取实现具有自主知识产权的T F T-L C D 玻璃基板产业化。人工晶体我国现代人工晶体的研发起步较晚，五十年代后期有较大的发展。目前，主要依靠自己发展的技术，几乎所有重要的人工晶体都已成功地生长出来，许多晶体的尺寸和质量达到了较高水平，享誉国际市场，如，偏硼酸钡(B B O)、三硼酸锂(L B O)、锗酸铋(B G O)，磷酸氧钛钾（K T P）等。经过近半个世纪的发展，我国人工晶体由一个几乎空白的领域已经发展到今天在国际上占有一席之地，成绩斐然。进入2 1 世纪，飞速发展的科学技术特别是信息技术、生物技术和纳米科技对社会和经济发展起着日益重要的作用，但是从产业规模来看，信息技术无疑将成为2 1世纪的主导产业，鉴于光和电的组合是全179 2010中 国 科 技 投 资球信息构架的基本科技，电子和光电子材料作为信息技术的基础材料，人工晶体仍将在其中起着中心作用。“十二五”期间，重点发展光电信息材料用、装备加工制造用人工晶体。1.激光与非线性晶体。重点研究大功率激光的新型固体激光介质（含激光陶瓷）、人工（准）周期微结构晶体材料、高抗光损伤阈值和高重复频率电光开关用的电光晶体及器件、红外非线性光学晶体；2.特种窗口晶体。重点开展C V D Z n S 的产业化技术开发，实现C V D Z n S 的高效低成本生产；研究开发出大功率C O2激光器输出窗口用的具有我国自主知识产权的化学气相沉积（C V D）Z n S e 材料制备技术，形成一定的生产规模，实现C V D Z n S e 材料的国产化。3.化学气相沉积（C V D）金刚石。重点开展C V D 单晶金刚石制备技术研究；光学级C V D 多晶金刚石制备技术研究。4.超硬材料。加强超硬材料及制品高档产品类的生产体系建设，缩短与国际先进水平的差距。包括:1 5 0 0 m m 缸径大型六面顶压机产业化、宝石级金刚石单晶产业化、超硬复合材料及制品深加工(7 0 m m P C D/P C B N复合片、深井及海洋油田钻探用P D C 及钻头）产业化、电子信息行业硅片加工用系列精密工具的产业化、高速高效数控机床用超硬材料磨削工具技术开发等。高性能玻璃纤维“十二五”期间，随着我国新能源、航空航天、节能环保、电子信息等产业的快速发展，特别是风力发电、大飞机、高速列车等重大工程的推进，对高性能玻纤的需求会快速增长。1、高模量玻璃纤维。叶片是风力发电设备的核心部件，玻璃纤维是起主要增强材料。我国风电产业持续快速发展，带动了风电叶片的大型化（兆瓦级以上）。由于风电叶片需要在长期苛刻的自然环境条件下运行，对其耐疲劳性能要求甚高。目前，我国兆瓦级及以上风电叶片的关键原材料和辅料原材料还大都依赖进口。随着风电产业的快速发展，进口原材料存在价格高、供货不稳定等问题，叶片及其原材料的供需矛盾更加突出，严重制约了我国风电产业的持续、健康、快速发展，原材料国产化急需解决。“十二五”期间，通过对E 玻纤原有浸润剂组分进行改进，开发高强高模量纤维浸润剂组分制备技术，开发适用于高强高模量纤维生产的新型无氟无硼玻璃纤维配方，开发新型多轴向编织技术及生产过程中F C S 自动控制系统的研发，使高性能玻璃纤维及多轴向编织物达到兆瓦级风电叶片对原材料的要求，逐步建立起我国高性能玻璃纤维及多轴向织物的生产基地，提高叶片市场原材料的国产率，消除因进口原材料对我国风电制造业的不利影响，争取实现产业化，全面摆脱依赖进口的局面。2.节能环保玻璃纤维。玻纤覆膜过滤材料具有耐高温、耐腐蚀、伸长收缩率小、强度高的优点，而且气体过滤阻力小，是一种较高速、高效的高温过滤材料，可用作化工、冶金、碳黑、发电、水泥等行业的工业除尘材料。随着我国节能减排工作力度的加强，以玻纤覆膜为过滤材料的袋式除尘器替代电除尘器的比例将不断提高。3.先进复合材料。先进复合材料尤其适用于大型结构及整体结构，是理想的航空、高速列车用结构材料。树脂基复合材料目前已成为新一代飞机机体的主体结构材料，同时在高速轨道交通领域、汽车结构设计等方面将得到更多的应用。“十二五”期间，我国航空、高速列车、汽车产业将会呈现快速发展，交通用先进复合材料必将有巨大的发展空间。4.连续陶瓷纤维工程化技术。氮化硼纤维作为陶瓷、金属及树脂基复合材料的理想增强、增韧材料，用其制备的高温透微波材料、超高温抗烧蚀材料、中子吸收材料、卫星电池隔膜材料等，广泛应用于航天、航空、电子以及核工业等尖端技术领域。尤其长时间耐高温透波材料、超高温抗烧蚀材料是航天、新型武器导弹热结构防护系统和天线罩、天线窗不可替代的首选材料。氧化锆纤维是目前唯一能耐2 0 0 0 的多晶氧化物陶瓷纤维，它除具有一般陶瓷纤维的特性外，还具有熔点高（2 6 0 0）、抗氧化、耐腐蚀、热传导率低等优良特性，在无机纤维材料中占有特殊的位置，是一种高性能的隔热和耐腐蚀材料，具有广阔的应用领域：它可以作为航天器用绝热与结构增强材料；空间熔炼炉、原子能反应堆、工业窑炉用超高温隔热材料；与许多金属或合金复合，宽温度范围使用的超强材料；可以作为电池隔膜材料以及高温过滤材料和高温化学反应催化剂载体等等；此外，它还是一种P-型半导体，具有优良的离子传导性，可开发作为功能材料。因此，氧化锆纤维材料具有广阔的市场前景。重点研究解决和突破制约我国高温结构材料发展的关键原材料高性能连续陶瓷纤维的工程化关键技术，建立中试示范生产线，掌握连续陶瓷纤维生产的成套技术，并达到国际先进水平。