一 高性能结构材料之高温合金

金属结构材料仍是2016年材料技术发展的主流，起着不可替代的作用。主要有包括特殊钢在内的高温合金、铝合金、钛合金和镁合金。高温合金是航空发动机和燃气轮机最关键的材料，高温合金的重量占航空发动机和燃气轮机总重量的70%以上。高温合金的研发和应用水平在很大程度上反映了一个国家的航空发动机和燃气轮机的发展水平。为此，高温合金的研发和应用的进展和成果很少有公开报道。在2016年9月在美国宾夕法尼亚州的七泉镇（Seven Springs）召开的第十三届国际高温合金会议上（该系列会议每四年一次，是高温合金领域最重要的学术会议，在此系列会上，一般会透露该领域的最新进展），报道了以下五个方面的突破性进展:

1. 低成本第三代单晶高温合金CMSX-4 Plus投入使用

第三代单晶镍基高温合金是目前国外先进航空发动机应用较多、性能水平最高的单晶高温合金。典型的第三代单晶高温合金包括CMSX-10和Rene N6，两种合金均含有6wt.%的价格昂贵、非常稀缺的铼元素。美国Cannon-Muskegon公司在会上报道了含铼4.8wt.%的低成本第三代单晶高温合金CMSX-4 Plus，合金的力学性能优于已有的第三代单晶高温合金，克服了CMSX-10合金在使用中容易出现的组织稳定性问题，而且合金成本降低20%。据报道，CMSX-4 Plus合金已经在英国Rolls-Royce等航空发动机制造公司投入使用。

2. 用AD730合金635mm锭型研制成功

鉴于粉末冶金-变形工艺制造的涡轮盘工艺复杂、成本高，传统铸造-变形工艺制造的U720Li涡轮盘合金变形困难、成本高等问题，法国Aubert& Duval公司基于传统工艺（铸造-变形）研制了700^oC使用的低成本高强度涡轮盘用合金AD730。通过工艺优化，于2016年成功研制了直径635mm的AD730合金锭型，使用该尺寸锭型制造的涡轮盘组织和性能均达到了U720Li涡轮盘的水平。这一成果突破了U720Li合金508mm直径的锭型极限（锭型超过508mm，变形困难），进一步降低了先进航空发动机用涡轮盘的制造成本。

3. 大的超超临界发电用大型铸锻件研制成功

为满足超超临界火力发电机组的需求，德国Saarschmiede公司利用三联冶炼工艺于2016年成功研制了23吨重的Alloy 263合金铸锭，并制造了全尺寸轴；利用电渣重熔技术熔炼了重达70吨、直径1300mm的Alloy 600合金。Saarschmiede公司还与日本东芝公司合作，成功制造了3320mm长、直径1100mm的TOS1X-2合金大型轴锻件。

4. 增材制造工艺可望制造单晶高温合金

增材制造在高温合金领域的研发目前仍处于调节工艺参数，优化组织和性能的阶段。由于增材制造方法凝固速度快、凝固过程不连续，因此一般只能得到高温合金等轴晶或定向柱晶组织，很难获得尺寸较大的单晶样品。2016年德国埃朗根-纽伦堡大学的研究人员首次突破了增材制造中的工艺困难，利用选区电子束熔炼方法制备了单晶高温合金样品。通过工艺参数优化，科研人员制备了35mm长、直径8mm的CMSX-4单晶高温合金样品。与传统定向凝固铸造工艺获得的单晶合金比较，选区电子束熔炼方法制备的单晶合金凝固偏析显著减小，大大简化了单晶合金的后续热处理工艺，合金的固溶热处理时间从近20小时缩短为不到3小时。这一工作为后续单晶叶片的修复和快速制造奠定了坚实的基础。

5. 单晶叶片内壁再结晶无损检测技术获得新突破

再结晶是单晶叶片常见缺陷，目前单晶叶片再结晶缺陷的无损检测仅限检测叶片外表面的再结晶，对可能发生在空心叶片内壁的再结晶尚没有简单可行的无损检测技术。美国加州大学圣芭芭拉分校的T. Pollock研究小组在2016年九月召开的第13届国际高温合金会议上报道：他们结合有限元模拟，采用共振超声技术，尝试了单晶叶片内表面再结晶缺陷的无损检测。研究表明，占检测叶片总体积1%的再结晶缺陷就会诱发明显的异常信号，这种方法的灵敏度比目前的共振超声技术提高了约两个数量级。

二 高性能结构材料之铝合金

随着高性能复合材料的开发与技术进步，铝在航空应用呈下降趋势，目前消费主要集中在交通运输、建筑、电线电缆和包装业，在日用消费品行业也有广泛的运用。交通运输业是全球铝消费的第一大行业，其中汽车是交运领域的用铝大户。2016年铝合金材料的发展特点主要集中于发展高强高韧等高性能铝合金的新材料，最具代表性的是为适应航空航天器高机动性、高载荷、高抗压和高耐疲劳及高速与高可靠性的要求而研制的高强高韧铝合金。除航空航天外，地铁、轻轨、高铁、重载煤车等，弱电的电子电容产品、精密机械制造以及满足不同用途的功能膜材料，薄化及强化的包装材料等都在轻量化、高性能、均质性以及特殊功能方面有着越来越多的要求。

1. Micro-MillTM法生产的第二代汽车车身薄板是实现汽车轻量化和节能减排的新途径

第一代ABS（Auto-Body-Sheet，汽车车身薄板）用的是常规变形铝合金，冷轧带坯用铸锭-热轧法生产。第二代ABS用的合金是美国铝业公司近期发明的，带坯冷轧采用美国铝业公司近期研发的“圣安东尼奥小轧机TM”(San Antonio Micro MillTM Flow Path)新工艺。该工艺的中试与商业化生产线建在美国铝业公司德克萨斯州圣安东尼奥轧制厂，生产的ABS的显微组织、可加工性和力学性能等都优于传统铸锭热轧工艺生产的铝合金薄板，并可与钢板通用的模具顺利的成形汽车的内外覆盖件。Micro-MillTM法生产的第二代ABS将为实现汽车轻量化以达到节能减排指明新道路。

2. 澳大利亚将利用光热替代化石能源冶炼氧化铝

2016年4月，澳大利亚可再生能源机构(ARENA)选择了一个利用光热技术为氧化铝冶炼（澳大利亚最大的工业领域之一）提供热源的项目，并希望借此使该领域对化石燃料的依赖降低50%左右。该项目由阿德莱德大学负责牵头，并与澳大利亚铝业巨头Alcoa公司联合，双方将共同评估在澳大利亚及其他地区运用光热技术为氧化铝精炼厂提供其运行过程中所需热能的发展潜力及可行性。据了解，该项目总投资将高达1500万美元。ARENA主席IvorFrischknecht用“至关重要”这个词来描述该项目的重要性。

3. 美国铝业Alcoa在匹兹堡开设3D打印金属粉末厂

美国铝业公司开设了一家制造工厂，生产3D打印航空航天零件专用的钛，镍和铝粉。制造中心位于匹兹堡城外的美铝技术中心，主要关注原料、加工、产品设计和产品检验。美国铝业公司称，除了生产金属粉之外，该工厂将关注提高增量技术问题，包括最近公开的锻造强化处理技术，结合了增量技术和传统制造技术。美国铝业公司使用锻造强化技术，设计并3D打印了一个几近完整的零件，然后再用传统的制造技术处理。此项处理技术增强了3D打印零件的性能，与仅使用传统增量制造技术制造的零件相比，减少了原料输入，而零件的韧性和强度有所加强。

4. 俄罗斯铝业联合德马吉森精机开发铝金属3D打印技术

在金属3D打印技术中通常选用钛金属粉末作为打印材料，但对于航空那个航天领域, 铝作为一种很轻的金属材料更适合那些对重量非常敏感的应用。2016年铝业巨头俄罗斯铝业联合（UC Rusal）公司宣布，他们将同德国机床开发商Sauer一起探索一种新型的3D打印铝粉和解决方案。据俄罗斯铝业联合公司称，他们与Sauer签署备忘录的目的是为了开发铝金属(及其合金)的工业级3D打印解决方案。尤其是他们希望能够将该解决方案用于机械制造、航天及汽车等行业。

5. MIT研究人员研发喷射铝合金工艺提升铝合金质量

2016年麻省理工学院的研究员Antoine Allanore和Samuel R. Wagstaff一直在研究铝合金硬化过程，并提出了一种使用喷嘴在铸件中产生更均匀铜和锰分布的方法。直接冷却铸造铝合金是一个非常有效的过程，但是铜或锰在其中分布并不均与，尺寸从英寸到英尺不等，导致铸造出来的铝合金可能存在质量问题。问题通常是在凝固板坯或者铝合金铸锭中心附近缺少合金元素。为了获得更好的控制，Allancore和Wagstaff在铸造的不同时间取出熔融金属的样品，并研究了晶粒的形成和迁移。 最终研究人员使用射流来循环金属以保持合金均匀。这也导致晶粒移动并改变硬化金属的微观结构。研究人员所做的是使用磁力泵改变射流功率，以控制整个铸件的速度，功率和速度，这种方式的伟大之处在于它们的定义非常明确，可以轻松了解它是如何扩展，如何随时间进行函数分布，因此合金元素在整个横截面上更均匀进而提升铝合金质量。

三 高性能结构材料之钛合金

2016年钛合金的发展主要特点集中在以下几方面。一是随着航空、海洋工程、石化、医疗等产业的发展，全球钛市场需求有所增长，主要国家都在提高量产规模，开发新型的材料品种。二是大力开发先进制造技术，如在3D打印基础上现朝着更先进的4D和5D打印发展。4D打印可以通过软件设定模型和时间，让产品在设定的时间内变形为所需的形状。5D打印可以复制打印出人体的任何器官。2016年全球钛合金材料技术取得重要进展有：

1. 实现对3D打印钛合金缺陷的高精度定量表征

钛合金是增材制造收益最为显著的金属材料，多数研究集中于用途最广的Ti-6Al-4V合金。但是，3D打印件表面粗糙，对其内部缺陷也缺乏量化表征，这些问题阻碍了该项技术的发展和应用。2016年5月美国卡耐基梅隆大学的研究人员利用阿贡国家实验室的高强度同步辐射X射线和微断层摄影的快速成像工具，对3D打印的钛合金内部孔洞缺陷首次实现了分辩率达1.5微米的高精度表征。他们发现气体会被困在液态的金属层中，从而在3D打印金属内部生成诸多泡沫孔隙。调整打印参数可减少孔隙率，只有采用成本更高的热等静压方法才能完全消除这些孔隙。澳大利亚RMIT大学科研人员定量研究了表面粗糙度对3D打印钛合金件性能的影响并提出了一种化学腐刻改进表面光洁度的方法。他们发现，粗糙的表面导致打印件塑性减半，强度下降15%。采用化学腐刻将粗糙度由39微米降至11微米，可以获得与加工表面媲美的力学性能。

2. 热等静压粉末冶金Ti-6Al-4V合金的疲劳性能超越变形合金

3D打印所用金属粉末对粉末尺寸要求严格，而目前主流工艺制备的粉末尺寸分布较宽，致使3D打印对粉末的利用率低，材料成本高。粉末冶金则可以有效利用这些3D打印淘汰的粉末，从而大幅度提高金属粉末利用率。2016年3月美国犹他大学研究人员发现，采用烧结方法制备的Ti-6Al-4V粉末冶金材料疲劳性能很差，其原因是存在内部孔洞。当采用热等静压方法使孔洞闭合以后，材料的疲劳强度显著提高，甚至超过Ti-6Al-4V变形合金。 2016年中国科学院金属研究所自主开发了钛合金粉末冶金近净成形技术并用于研制新型液氢液氧发动机的氢泵叶轮，随着11月3日长征5号火箭成功发射，实现了我国粉末冶金钛合金结构件在航空航天发动机转动件上的首次应用。

3. 发现航空发动机骨干钛合金的裂纹闭合效应

Ti-6242合金(Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo)广泛应用于航空发动机压气机转子，与另一种钛合金Ti-6246相比，Ti-6242合金的损伤容限性能更为优异，但原因不明。2016年2月中国科学院金属研究所、宝钢集团研究院和英国罗尔斯∙罗伊斯公司的科研人员联合开展了针对这一问题的研究。他们发现：对于粗大显微组织，在低应力比的疲劳裂纹扩展曲线的Paris体系早期阶段，Ti-6246合金表现正常，而Ti-6242合金呈现一个明显转折点，其原因是长裂纹解理扩展造成的粗糙诱导裂纹闭合效应。该项研究深化了对航空发动机骨干钛合金疲劳行为的认识，为预测评估发动机结构件服役寿命奠定了更为坚实的基础。2016年5月该项研究被“工程进展”网站(advanceseng.com)作为科研亮点报道。

4. 新型高强度高韧性可焊接钛合金研制成功

2016年美、法、日和我国“蛟龙号”等7000米级别的深潜器载人球舱均采用Ti-6Al-4V钛合金制造，但Ti-6Al-4V合金的强度无法满足建造万米级潜水器载人球舱的技术要求。在中国科学院战略性先导科技专项支持下，中国科学院金属研究所研制成功一种新型高强度高韧性可焊接钛合金，在保持韧性与焊接性能和Ti-6Al-4V相当的前提下实现强度提升超过20%，采用该合金制备的全海深潜水器球舱缩比件于2016年10月通过压力试验。12月9日中央电视台在“领航十三五：大国重器—带领中国创新前进”专题节目中报道了此项进展，指出：“踩在4500米球舱的肩膀上，中国自主研发的万米级潜水器也有重大突破，缩小比例的球舱，已经通过超万米压力测试。中国在钛合金材料、成型等关键技术上跃升全球巅峰。”

四 高性能结构材料之镁合金

2016年镁合金的发展特点表现为进一步提升产品设计水平，研究高效、低成本、绿色成型制造新技术，开发性能优异的新品种，满足不同的性能要求。已经开发出一系列含稀土的镁合金，还开发出含Zr高温镁合金，Mg-Al-Si基合金，Mg-Zn-Cu基合金等。研究改进成型制造技术开发新品种，如采用快速凝固法制备纳米碳管增强镁基复合材料，加入不同含量的碳纳米管，使复合材料强度不同程度提高。采用液态成型的压力铸造和重力铸造制造镁合金压铸件代替传统铸铁、铸钢件，甚至代替铝压铸件，正成为汽车制造业的发展趋势，已发展到汽车发动机支架、轮毂、框架件等受力部件的制造。

1. 一大批新的镁合金牌号在中国开始颁布实施 部分新型镁合金已成为国际标准牌号

解决镁合金牌号少的问题是推动镁合金大规模应用的重中之重。2016年2月，中国国家标准化管理委员会正式颁布实施2项新的镁合金国家标准《变形镁及镁合金牌号和化学成分》（GB/T 5153-2016）和《铸造镁合金锭》（GB/T 19708-2016），其中新增了由中国重庆大学、上海交通大学等单位近年来研发的44种变形镁合金牌号和23种铸造镁合金牌号。这是国际镁合金行业首次大规模增加镁合金牌号，为镁合金更大规模应用奠定了重要的材料基础。一批新型（超）高强镁合金、高塑性镁合金、超轻镁合金、耐热镁合金和压铸镁合金已经开始在重大/重点工程领域实现应用。由中国开发的部分铸造镁合金新牌号已于2016年进入铸造镁合金国际新标准，新的变形镁合金标准工作组也已已于2016年10月在日本东京批准成立，确定由中国重庆大学牵头组织各国专家修订变形镁合金国际标准。

2. 镁合金板带材新型非对称加工技术取得关键突破

全世界长期以来不能大规模生产变形镁合金产品，严重影响了变形镁合金的推广应用。2016年，中国重庆大学与山西银光华盛镁业等单位合作在镁合金板带材新型非对称加工技术方面获得关键突破。该技术可使镁合金板材的挤压加工效率更高、产品质量更好，特别是基面织构显著弱化，改善了挤压坯料的挤压成形性和降低挤压产品的残余应力。这种技术通过改变挤压模具结构、改变挤压坯料温度场，使挤压坯料承受非对称应力应变，使晶粒c轴沿挤压方向呈一定角度倾转，从而改变组织、织构和残余应力分布。相关成果2016年5月获得国际镁协技术创新奖。该技术的应用在世界上首次实现年产5000吨以上板带材的大规模生产，是镁合金变形材生产的一次重大变革。该项技术在镁合金棒材、型材等产品大规模生产中也有很大应用潜力。

3. 碳热还原镁冶炼技术取得重要进展

用碳还原替代硅铁还原一直是镁冶炼行业的梦想，一旦实现其原镁成本有望降低30%以上。2016年6月，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）在镁蒸气冷凝实验研究方面取得了重大突破。在碳热还原镁冶炼过程中，氧化镁与碳反应生成镁蒸汽与二氧化碳、一氧化碳等。通常的分离措施将导致镁蒸汽与二氧化碳或一氧化碳的再次氧化反应，无法获得纯净的初生原镁。澳大利亚CSIRO的研究人员使镁蒸气在拉法尔喷嘴喷射的超音速气体的作用下迅速冷却，使镁蒸汽有效分离，且冷凝所得的镁粉不发生爆炸。这项新的冶炼技术被称作“镁音速MagSonic”。“超音速喷嘴”是一个类似火箭发动机喷嘴的装置，可使热还原产物镁蒸汽和一氧化碳以4倍于音速的毫秒级速度通过其中，令镁蒸汽瞬间凝结、固化成为镁金属。该技术有望为全球金属镁制造行业带来革命性变化。目前已经进行了半工业化试验。

4. 镁合金心血管支架开始实现商业化

生物镁合金能否取得临床许可证明一直是镁合金能否大规模应用在医疗上的关键。2016年6月，由欧洲Biotronik公司制造的生物可吸收镁合金心血管支架Magmaris获得了CE 标记 (CE Marking)。Bionow是一个旨在推动英格兰北部的生物医学和生命科学领域的企业增长业务、强化竞争和关注创新的组织。CE标记是28个欧洲国家强制性地要求产品必须携带的安全标志。该标记的获得表明Magmaris是世界上第一个临床证明的镁合金心血管支架。该支架比聚合物支架在植入后有更好的导流性和径向阻力，有望取代目前广泛使用的聚合物支架。在修复动脉期间，Magmaris支架被自然吸收，使得病变血管在手术6个月后恢复舒张。Magmaris支架的关键结构材料SynerMag合金是一种生物可吸收镁合金，2016年12月获得了Bionow生命科学2016年度最佳产品奖。

5. 轻质形状记忆镁合金开发成功

开发轻质形状记忆合金是材料行业急待追求的目标。2016年7月，日本东北大学研究人员发现Mg-Sc原子比在4:1左右时能够形成形状记忆合金，而该合金的密度仅为2 g/cm³左右，远远小于之前所发现的形状记忆合金。这种轻质镁钪形状记忆合金在对重量控制严苛的领域存在着巨大的应用潜力，相关工作发表在第353期Science期刊上。研究人员通过X射线衍射发现，Mg-20.5at.%Sc这种合金在热处理并降温后有着与普通镁基合金的六方密堆垛不同的体心立方结构（bcc），同时伴随少量的六方密堆垛相。通过冷轧剧烈变形，发现bcc型Mg-Sc合金会产生应力诱导型的新相，产生过程类似于β相Ti-基形状记忆合金的马氏体相变。通过不同温度下对样品进行应力应变测试，发现在-150℃时，样品可以在卸力后恢复原始的形状，且最大超弹性应变达到了4.4%，可与β相Ti-基形状记忆合金媲美。这种合金的质量比以往的形状记忆合金轻70％左右，有望应用于航空航天等要求轻量化的工业产品领域以及扩张支架等医疗器具。

6. 镁合金在航空航天和国防军工领域应用取得重要进展

2016年，镁合金在中国航空航天和国防军工领域关键零部件上的应用取得多项关键进展。中国上海交通大学、重庆大学、中国科学院金属研究等科研单位在镁合金成分优化设计、熔体纯净化工艺、铸造工艺、热处理工艺和表面处理工艺等方面开展了大量研究工作，攻克了现有镁合金强度偏低、耐热性差、成型性差等技术难题，开发出高塑性镁合金、超高强镁合金、高强耐热铸造镁合金、低成本铸造镁合金等多种新型高性能合金材料，制造了一系列组织致密、化学成分、力学性能、尺寸精度、重量及表面防护均满足使用要求的高端镁合金产品，并成功实现在火箭惯组支架、卫星贮箱支架、军机弹射座椅、卫星地板、导弹外壳等重要零件上的批量应用，在中国航空航天和国防军工事业发展壮大过程中发挥了重要技术支撑作用，对镁合金在民口领域的大规模化应用也具有重要的引领意义。

五  高性能结构材料之复合材料

根据JEC（JEC composites全球推广复合材料的公司，提供复合材料相关咨询与网络服务）的预测，从2013年到2018年，全球复合材料销量年增长将达6%，至2018全球复合材料的市场将达到418亿美元，而中国将占到这一五年增长中的45%。预计到2017年中国符合材料市场份额将达到115亿美元左右，复合材料年均增长率达7.3%。

2016年全球复合材料技术取得重要进展，例如：

1. 能够“探听”小蜘蛛“脚步声”的超敏感聚合物基复合材料传感器

2016年9月，爱尔兰的都柏林圣三一学院的科学家们发现在具有极高黏弹性的有机硅聚合物中掺入石墨烯能获得超乎寻常的电机性能，即掺杂的纳米片状石墨烯在有机硅聚合物基中是可自由移动的，同时掺杂后该有机硅聚合物黏弹性力学性能保持不变。由于聚合物所掺的石墨烯填料之间能形成内部网络，外界施加的机械形变会引起该石墨烯网络破坏或者重构，导致石墨烯网络电性能随时间而变化。基于该响应电信号他们研发出了新一代高效传感复合材料“G-putty”，这种新材料可以极其精确地监控形变，压力，乃至于探测类似昆虫脚踩引发形变的微弱信号。传统的掺杂技术由于使聚合物基复合材料的填料在内部相对位置固定不变，无法自由移动，所以即使是同样的石墨烯掺杂后产生的电信号固定不变，因此无法用来作为传感材料。这一技术的开发无疑为将来超敏感探测器的开发开辟了一条新的途径。其相关工作发表在第354期Science期刊上。

2. 基于轻质陶瓷基复合材料电极的超长循环次数锂离子电池

2016年3月美国堪萨斯州立大学的科学家将SiOC（Silicon Oxycarbide碳氧化硅）颗粒与还原氧化石墨烯混合，开发出一种新型的大面积，自支撑的锂离子电池阳极材料。无定形的SiOC颗粒能够使锂离子循环的库伦效率提高。相关工作发表在第7期的Nature Communication 期刊上。多孔的还原氧化石墨烯具有较高的电子传导和电流收集能力。SiOC是一种具有类似开口的聚合物网状结构的高温玻璃陶瓷。SiOC颗粒可以提供作为电极所需的化学和热力学稳定性，以及较高的锂离子嵌入性。电极的电容量和循环稳定性取决于SiOC颗粒和rGO的相对含量。陶瓷基SiOC颗粒含量的增加在一定范围内不仅提高了电极的电容量而且还增加了循环次数。同时，SiOC颗粒的加入降低了rGO纸的拉伸强度，但是应变损坏提高了5-10倍。这种陶瓷复合材料为高效率的轻量化电池的制造提供了新的途径。

3. 采用3D打印新技术（自动传布光敏聚合物波导法）制备高性能复合材料

2016年波音下属的HRL实验室在利用3D打印技术制备新材料方面取得了显著成绩，开发出一种称为“自动传布的光敏聚合物波导法”的成型技术。这种由HRL自主开发、能实现快速大批量生产原型零件的方法，是美国国防预研局（DARPA）历时10年的一项轻质、高强材料开发合同中的一部分。依靠该技术，HRL实验室已于近期制备出超轻金属材料和陶瓷材料。自动传布光敏聚合物波导法与立体平版印刷（SLA）/数字光处理（DLP）有相似之处，但又不完全相同，其诀窍是让紫外线穿透平板印刷掩膜上的小孔，照射到树脂上使其固化。依靠该方法可创建出独特的轻质、高强桁架结构。与传统3D打印方法相比，自动传布光敏聚合物波导法从紫外线照射到形成固体材料仅需30s；而使用传统的3D打印技术，如普通SLA打印机打印25～50 mm高的物体，整个过程需要耗时4～8h。自动传布的光敏聚合物波导法可用于设计制造尺寸不同的微点阵结构，并可获得不同的材料特性，如柔性、弹性、刚性以及韧性等。

4. UCLA研发超轻髙强度新型金属纳米复合材料

2016年3月，美国加利福利亚大学洛杉肌分校（UCLA )领衔的研究团队制造出一种超强轻质结构金属，具有非常高的比强度和模量。这种新金属主要由镁组成，镁中注入了密集且均匀分布的陶瓷碳化硅纳米微粒，可以用来制造更轻的飞机、航天器和汽车，提升燃油效率。为了制造这种超强但轻质的金属，该团队通过在熔化的金属中散布纳米微粒使其稳定。陶瓷微粒被一致认为是增强金属的潜在手段。但是，使用微米尺度陶瓷微粒的注人工艺总是损失塑性。相比之下，纳米尺度的微粒可以在保持甚至提升金属弹性的情况下提升强度。但是，因为小微粒吸引彼此的趋向，纳米尺度的陶瓷微粒容易聚集到一起而不是均匀散布。为解决这个问题，研究人员将微粒散布在融化的镁锌合金中。为进一步提升这种新金属的强度，使用了一种称作高压扭转的技术来压缩它，研究人员表示这一新型金属具备革命性的性能和功能性。

5. 一种低成本、低烧蚀碳基复合材料研制成功

哈尔滨工业大学发明了一项新技术：在低成本的石墨中加入低熔点、低沸点的金属做耗散剂，高温烧蚀环境下耗散剂气化而耗散热量降低零件表面温度；气态的耗散剂与外界氧元素反应，耗散掉氧，从而阻断基体氧化条件是基体石墨不烧蚀；同时反应生成的氧化物陶瓷呈粘稠状附着于零件表面抗冲刷、提高辐射换热。利用该技术哈工大复合材料研究所研制了的一种低成本、低烧蚀碳基复合材料于2016年9月通过工程考核，2016年11月通过国防科工局组织的鉴定。这种材料在接近3000℃的氧乙炔烧蚀环境下300秒内几乎没有烧蚀，而且而成本仅为传统碳材料的1/10，制备周期仅为其1/100左右，成为新一代的低成本、高效能防热材料，可以在10-50秒内耐2000-3000℃的高温，达到国际领先的技术。 该材料可用作固体火箭发动机的喷管、超高速飞行器的鼻锥等关键部件。

六  新型功能材料之新能源材料

新能源材料是实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，目前重点发展的有太阳能电池光伏材料、贮能技术中的动力电池材料、风能材料、生物质能材料等。 2016年取得的突破性进展主要有：

1. 三维石墨烯纳米复合锂离子电池材料研究取得较大进展

2016年中国科学院合肥物质科学研究院在研制高性能石墨烯锂离子电池方面取得新成果，研制出了具有高容量、长寿命的三维石墨烯纳米复合锂离子电池材料，具有高的活性材料负载量、短的离子电子传输路径，并且具有高容量和优良的循环稳定性。研制的三维石墨烯/五氧化二钒电池正极材料，在12分钟完全充/放电条件下，循环2000次后电池容量大于200 mAh/g，而且1分钟充电的容量，达到商用和文献报道的大于5分钟的相近容量。

2. 锂电池和氢燃料混合动力小型飞机试飞

2016年9月，德国的团队成功试飞一架只需要氢燃料的小型飞机，飞机由飞机制造商蝙蝠（pipistrel）公司、氢燃料专家、德国乌尔姆大学、德国宇航中心共同研发，这架飞机不会排出各类碳化合物，只会有少量的水蒸气排出。据报道称，这架飞机使用锂电池和氢燃料混合动力，飞行速度可达165千米/时，最长续航距离约为1500千米。这架拥有两个座舱的飞机被称作HY-4，使用氢燃料及锂电池混合动力来支撑飞行，这架飞机在空中时使用燃料电池提供能源，在起飞阶段还需使用锂电池提供部分能源作为补充，研究人员设想该技术可以在不久的将来被用于城市内短途运输，诸如空中出租车等。

3. 微孔-介孔中空微球锂离子电池负极材料开发成功

2016年10月，北京理工大学的Xinyang Yue等人基于介孔碳技术开发了一种微孔-介孔中空微球锂离子电池负极材料，该材料的比表面积高达396 m²/g，该材料不仅具有高容量特性，并且具有良好的循环性能，在2.5 A/g得电流密度下，循环1000次仍然保持530mAh/g的比容量。

4. 一种用于SOFC阴极的新型氧化物研发成功

南京工业大学的Zongping Shao等人制备了一种新型结构的奥里维里斯氧化物BSNM（Bi₂Sr₂Nb₂MnO₁₂-δ）用于中温固体氧化物燃料电池的阴极，这种阴极表现出良好的ORR催化活性，在750 ℃下其面积比电阻仅为0.26 Ω/cm²，采用该阴极的阳极支撑型单电池在750℃下峰值功率密度达到1000 mW/cm²，并且连续工作100 h后也没有观察到衰减现象。值得注意的是，这种阴极材料具有极好的CO₂耐受性，在其工作氛围中加入10 vol%的CO₂工作5h后其面积比电阻保持恒定。这种良好的CO₂耐受性可以归因于BSNM中的Nb⁵⁺、Bi³⁺以及Mn³⁺/Mn⁴⁺具有很高的酸度，而金属氧化物中高的酸度可以耐受CO₂的毒性。除此之外这种BSNM阴极还有其他的优点，例如低的热膨胀系数、良好的结构稳定性以及与电解质的充分兼容性等。这些结果都表明这种新型的BSNM是用于中温固体氧化物燃料电池的理想材料。

5. 丰田氢燃料电池汽车Mirai进入市场

2016年一季度，丰田氢燃料电池汽车Mirai累计销售170辆。近日，新丰田Mirai被曝光，此款车型为氢燃料车型，最高时速可以达到178 km/h，续航里程为483 km。

6. 2016年国内新增光伏电站建设规模18.1GW

相比于2015年能源局要求的17.8GW略高，2014年完成新增光伏电站装机容量10.6GW。从近几年的光伏装机容量看，光伏发电作为新能源的一个重点行业得到了国家的大力支持，中国也成为近几年全球光伏新增装机容量最多的国家之一。

7. 美国“太阳能计划”推出

2016年10月29日，马斯克在美国洛杉矶的环球影城全面展示了他的“太阳能计划”，他直接把太阳能板和屋顶瓦片整合在了一起，推出了全新的屋顶太阳能瓦片，瓦片有四种花纹可以选择，以适应不同类型的房屋。发布会上的另一个重点就是特斯拉全新的Powewall 2.0家用储能电池，最大的变化在于容量的提升，相比老款的7 kWh和10 kWh两个版本，powewall 2.0的性能提升了一倍，14kWh的储电量，额定输出功率为5kW，自带逆变器（将直流电变为交流电），可以保证一个两居室公寓一整天的用电。马斯克表示：“一个太阳能屋顶，一套储能系统以及一辆电动车，这样的模式可以推广到全世界”。

太阳能发电技术正得到日益广泛的应用，随着光伏产业的蓬勃发展，光伏垃圾的回收管理问题也日益凸显。据国际可再生能源机构、国际能源署光伏系统项目的报告，2014年，废弃的光伏组件还不到电子垃圾的千分之一；而到2050年，则会达到0.78亿吨，全球商品市场价值将达到150亿美元。目前，欧洲已经制定强制回收光伏组件从标准法规，退出服役的光伏组件必须集中收集85%以上，再循环利用必须80%以上。

资料来源于：中国材料研究学会