中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2021

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2022年8月31-9月2日 | 上海世博展览馆1&2号馆

我国有色金属新材料测试评价体系现状及发展趋势

2021-12-24

有色金属新材料是国民经济、人民日常生活及国防工业、科学技术发展必不可少的基础材料和重要的战略物资。按《新材料产业发展指南》,有色金属新材料可主要被划分为先进基础材料、关键战略材料及前沿新材料3类。先进基础材料主要包括高性能铝合金、高性能铜合金、镁合金、钛及钛合金、稀有难熔金属材料、贵金属等;关键战略材料主要包括高温合金稀有金属防护涂层材料、高纯钽靶材、平面显示用高纯钼管靶等;前沿新材料主要包括3D打印材料、超导材料、液态金属等,广泛用于航空航天、轨道交通、新一代信息技术、海工船舶、新能源等领域。具体情况详见表1所示。

表1 有色金属新材料分类


1 我国有色金属新材料产业发展现状及问题
新材料是保障中国制造实现由大变强的重要基础,“材料先行”已形成业界共识。目前,我国新材料产业体系已初步形成,产业规模持续扩大。总产值由2010年的0.65万亿元快速增长至2017年的3.1万亿元,2018年更是增长至4.3万亿元,年均增速超过25%。

根据国家新材料产业发展专家咨询委员会编著的《中国新材料产业发展年度报告》(2017),参考主要有色金属原材料市场价格,2017年我国高性能有色金属新材料市场规模已突破1.9万亿元,占新材料市场总规模的一半以上,表明有色金属新材料在国家新材料产业乃至工业领域中占有举足轻重的地位。虽然我国现已成为世界有色金属新材料生产加工大国,但距离有色金属新材料生产加工技术强国尚有一定差距。

尽管我国近些年来有色金属材料产业有了长足的发展,仍存在高端产品比重偏低,产品质量有待提高的问题。第一,有色金属新材料在产业体系中所占比例不高。如新能源汽车的需求带动了有色金属钴、锂等新材料的发展;轨道交通和汽车用铝的产量和用量持续增长,进一步促进了高端运输铝材的应用。然而,新旧动能转换总体缓慢。第二,有色金属新材料产业原始创新少,基础共性关键技术、精深加工技术和用技术研发不足。例如,铝加工几百个常用牌号,中国自己研发的却廖廖无几;万吨挤压机等先进设备,虽然能制造,但关键控制设备还需要进口。第三,产品质量的一致性较差,均匀性、稳定性不足,高精尖产品少。例如,大飞机用铝合金预拉伸厚板和铝合金蒙皮板、乘用车铝面板等尚不能产业化生产;电子级12英寸硅单晶抛光片、部分大直径超高纯金属靶材、宽禁带半导体单晶抛光片、航空医疗领域高端钛产品、部分高端铜铝板带箔材等仍依赖进口。

针对于我国有色金属新材料产业整体“大而不强”、自主创新力不足的问题,我国政府机构、有色金属上下游企业、科研机构,立足有色金属全产业链和创新全链条设计,大力开展基础研究、核心关键制造技术攻关、高精尖新品的研制和工程化应用技术的开发,着力满足我国航空航天、轨道交通轻量化制造与节能减排、海洋工程与重大装备制造、高端功能元器件制造等紧迫需求,促进有色金属产品结构向高端高附加值方向转型,带动有色金属全行业技术进步与产业升级,并逐步实现一些重要应用领域关键产品材料的升级换代及国产替代。如:先进半导体材料领域,近年随着国家对先进半导体材料产业的政策和资金支持和下游向国内的加速转移以及部分材料的技术积累储备,目前在高纯金属靶材、第三代半导体等材料都有所突破,开始切入国内外主流芯片客户,启动材料的国产替代进程;如新能源汽车对锂电池续航能力的要求,催生了电池材料从铅酸体系、到磷酸铁锂电体系、到镍钴锰三元体系、到以后可能发展的固态电池体系的不断更新升级;汽车轻量化趋势,即是解决油耗、排放和车辆大型化需求之间矛盾的重要方法,轻量化技术从材料出发,将汽车质量占比最高的“车身+底盘”由钢结构材质转变为铝合金材质,催生了铝合金材料的需求发展。

2 我国有色金属新材料材料测试评价现状及问题
测试评价是衡量材料性能、应用效果和使用价值的关键手段,各项指标反映了材料的应用价值。与结构设计、制造工艺相关联的材料特征指标,是新材料及其下游应用制造业之间的重要纽带。材料特征指标的测试评价数据结果是衔接上下游需求、加速新材料应用的重要载体和沟通手段。有色金属新材料的特征指标应满足应用产业的要求,可为材料生产制造、工艺参数正确选择提供依据,以期求得最经济合理的设计,生产出品质高、质量轻、寿命长、安全可靠的零部件和产品。

我国有色金属新材料产品质量不高,很大程度上归因于我国测试评价能力不足,难以支撑有色金属材料的升级换代、跨越式发展。我国材料测试评价机构通常只具备化学成分分析、力学性能测试、组织结构表征等基础性分析测试能力,传统测试评价方法往往从单一指标出发,更多关注材料自身性能。随着装备制造、电子信息等下游领域集成性、交叉性不断提高,“测不准”的问题时有发生,难以满足综合性能测试、服役性能评价、工程化应用考核等各类需求。据《2017年中国认证认可检验检测统计分析报告》数据显示,2017年我国材料测试评价机构数量约1100家,实现营业收入51.49亿元,平均每家实现营业收入476.76万元。虽然我国材料测试评价机构众多,但是有色金属材料测试服务业依然面临着快速发展中难以逾越的鸿沟,如从业机构多而不精、大而不强,核心竞争能力即材料测试评价能力尚不能支撑新材料产业的迅猛发展等。具体表现在如下几个方面。

一是有色金属综合测试评价机构的权威性不够。缺少有效覆盖有色金属全生命周期的测试评价能力的机构,对有色金属新材料的研发生产应用需要测试技术的支撑不足;国际互动合作、数据比对、学术交流,以及与国际机构之间的数据互认水平不高。

二是有色金属分析测试评价共性关键技术和标准体系不够完善。产学研用联合攻关不足,有色金属新材料的测试方法、失效分析关键技术、环境试验与寿命评价技术、模拟仿真分析一体化技术、数据挖掘分析技术等有待进一步突破;需进一步联合有色金属行业内企业和行业标准化委员会,建设有色金属新材料标准信息库,引导标准体系建设,制修订相关标准,为产业链上下游企业提供共性技术支撑。

三是有色金属新材料测试评价资源整合不够。标准方面,分级管理不够;方法研究方面,在原材料生产和应用企业之间未形成统一的评价体系;专家和设备资源整合不足,未得到充分作用;数据散落在应用和制造企业内部,未得到充分整合利用。

四是有色金属测试服务产业市场服务能力不足。现有测试服务机构的服务区域范围有限,市场推广能力不足,已有的服务能力得不到充分发挥,部分高端仪器设备长期闲置,材料生产应用企业却找不到权威的检测机构。

3 有色金属新材料测试评价体系发展趋势
有色金属新材料测试评价贯穿于有色金属新材料的全生产过程、全生命周期,通过基础分析测试技术、工程应用考核评价技术,借助现代分析测试手段,可获取有色金属新材料的化学成分、组织结构、物理及力学性能信息,进而揭示材料服役性能和寿命表现。先进基础有色金属新材料通常属于性能优异、量大面广且“一材多用”的新材料,对国民经济、国防军工建设起着基础支撑和保障作用。测试评价多面向生产和应用过程,如常规环境试验、失效分析与可靠性测试、批次稳定性、环境友好性、材料基础数据积累等。关键战略有色金属新材料通常属于多品种、小批量且有战略需求的新材料,是实现战略性新兴产业创新驱动发展的重要物质基础。测试评价多来源于应用过程映射的评价需求,如关键理化参数、关键力学性能、关键结构参数、质量一致性、工艺性参数等,亟需针对大型构件无损检测、环境友好性评价、非标环境试验、考核验证与失效分析、材料应用数据积累开展数据库建设、数据分析和挖掘。前沿有色金属新材料通常属于尚在研发中,具备潜在或可以预见的优异性能,代表了未来材料的发展方向。测试评价需求多来源于研发过程的需求,如化学成分、组织结构、力学性能、功能性、材料基础数据积累等。

有色金属新材料测试评价结果是开展产业公共服务的数据基础。通过建立完善的有色金属新材料全生命周期测试评价及认证体系,开展综合测试评价、产品认证/质量分级、技术成熟度评价和技术咨询等公共服务,系统分析存在于有色金属新材料全生产过程、全生命周期的测试评价数据,确保产业公共服务的精准度和高效能,有利于解决有色金属新材料产品一致性和可靠性问题,更利于促进有色金属新材料产业的健康发展。

有色金属新材料产业的飞速发展对我国有色金属材料的测试评价提出了更高、更新的综合要求:一方面,随着有色金属新材料种类的增加,对分析测试的仪器装备、测试方法与标准不断提出了新的要求;另一方面,装备制造、新能源、生物医药等应用领域对有色金属新材料服役要求越来越高,需要搭建面向工程化应用考核评价装置,同时还需要开展有色金属新材料在相关应用领域的失效分析、环境试验与寿命评价、模拟仿真等综合评价技术的研究,建设贯穿于研究、生产及应用全过程的有色金属新材料测试评价体系意义重大。

综上所述,为了满足有色金属新材料的研究开发、生产制造、应用服役全过程对测试评价技术和公共服务的需求,需要从测试评价能力、服役评价能力、共性技术开发与标准化能力、产业化服务能力等4个方面建设和完善我国有色金属新材料测试评价体系,助力我国新材料产业的高质量快速发展。

4 国家新材料测试评价平台——有色金属材料行业中心
2019年10月10日,国标(北京)检验认证有限公司中标“国家新材料测试评价平台-有色金属材料行业中心”项目。该项目系2019年国家新材料测试评价平台建设项目,招标编号为TC190H3ZW/2,项目总投资预算为15 252.56万元,其中获批复中央财政资金(部门预算)4 570万元。

有色金属材料行业中心建设聚焦《新材料产业发展指南》,通过深入研究有色金属新材料关键测试评价指标覆盖全面性与专用测试能力先进性问题,解决重点有色金属新材料的综合测试评价技术,突破有色金属新材料测试评价关键共性技术,实现有色金属新材料测试评价技术能力提升;通过新购和自主研发一批设备填平补齐仪器装备能力,完善和丰富测试评价参数,测试装备能力达到国际先进水平;加大人才培养和人才引进力度,通过技术研发、人员培训、技术交流,实现人才队伍国际一流,重点解决我国有色金属新材料测试评价能力弱、水平低的问题;通过创新合作机制,充分利用现有资源,避免重复建设,发挥各合作单位的优势,重点解决我国有色金属新材料测试评价资源分散、数据无法共享的问题,实现设备、专家资源共享;增强国际合作与交流,实现有色金属材料检验认证国际互认;搭建互联网平台,提高设备、专家、人才、服务能力的资源利用效率;借助国家新材料测试评价平台主中心的信息化平台,提升对外服务的互联网窗口和业务能力,充分发挥数据分析、材料计算服务能力;全面支撑有色金属新材料基础研究、应用技术研究和产业化的统筹衔接,形成上中下游协同创新的发展环境,降低新材料研发成本,缩短新材料研发周期,快速推进新材料产业化应用,提升有色金属新材料产业支撑能力,助力有色金属新材料测试评价能力达到国内领先、国际先进水平。

有色金属材料行业中心将通过提升服务能力和技术水平,打造有色金属行业分析测试第一品牌,将中心发展成为认可度高、权威性强、有效支撑有色材料产业发展的测试认证机构,满足有色金属材料研发生产应用中对测试评价技术及精确度的需求,支撑中国制造实现由大变强,实现制造强国伟大战略。

来源: 新材料产业