读2025世界前沿技术发展报告42先进金属材料

1. 先进基础材料

1.1. 指具有高强度、高韧性、耐高温、耐腐蚀等特性，能够满足现代工业和高科技领域苛刻要求的基础材料

1.2. 包括先进金属材料、先进有机材料和先进无机非金属材料等

1.3. 是航空航天、汽车工业、电子信息、医疗健康和能源等领域技术创新发展的基石和根本保障

2. 先进金属材料

2.1. 先进金属材料聚焦于材料性能的持续提升、轻量化、功能化和生产过程的绿色化

2.2. 采用先进的制造和加工技术，不断提高钢材的强度、韧性和耐腐蚀性，以及有色金属的性能和适用范围，以满足汽车、建筑、航空航天、国防装备、新能源和生物医疗等领域的需求，推动产业向高端化、智能化方向发展

3. 钢铁材料

3.1. 多国发布政策推动低碳排放钢铁发展

• 3.1.1. 日本开发用于氢直接还原铁的电熔炉的高效熔炼技术，将通过“氢直接还原贫铁矿—电熔炉—转炉”一体化工艺，替代高炉炼铁工艺，并控制铁中杂质含量达到与高炉炼铁工艺相同的水平

• 3.1.2. 澳大利亚支持21个低排放钢铁和氢能的研发活动与商业化进程

• 3.1.3. 美国

• 3.1.3.1. 向阿贡国家实验室提供307万美元，开发微波驱动的氢等离子体旋转窑工艺，减少铁矿石使用（使用现有电力可以减少35%二氧化碳排放、使用低碳电力可以减少88%）​

• 3.1.3.2. 向蓝色起源公司提供111万美元，使用其“Ouroboros”系统，通过熔融氧化物电解（MOE）技术从低品位铁矿石中生产高纯度的硅酸铁生铁

• 3.1.3.3. 向Electra公司提供287万美元，将开发一种使用非常规原料在低温（60摄氏度）下生产铁的工艺，以及一种电化学电池堆工艺（减少碳排放80%、成本降低50%）​

• 3.1.3.4. 向Form能源公司提供100万美元，开发粉到粉工艺，直接从碱性铁矿石砂浆中生产铁粉

• 3.1.3.5. 向佐治亚理工学院提供284万美元，研究一种通过固态直接还原挤压生产航空航天、军用和民用飞机用途的结构钢的工艺

• 3.1.3.6. 向犹他大学（University of Utah）提供348万美元，开发氢还原无熔炼钢技术等

3.2. 低碳排放钢铁

• 3.2.1. 瑞典钢铁（SSAB）公司开发出世界首个用于商业用途的3D打印零排放钢粉

• 3.2.1.1. 零排放钢粉旨在实现可持续的3D打印设计，通过减轻重量、降低二氧化碳排放量为汽车和重型机械等行业带来显著效益

• 3.2.2. 瑞典HYBRIT项目发布六年研究成果，并向瑞典能源署提交了最终报告

• 3.2.2.1. 研制出性能优异的无碳海绵铁，相比传统化石燃料制铁工艺生产的铁，性能更优，同时该项目还实现了碱性电解槽的长期稳定运行

• 3.2.2.2. 旨在通过用无化石氢气和电力取代煤炭和焦炭，实现零碳钢铁生产

• 3.2.2.3. 是全球首个在半工业规模上成功验证从铁矿石到钢铁全流程无碳生产的项目，其试点工厂已生产超过5000吨氢还原铁

3.3. 投资开发耐海水腐蚀高强度双相钢合金

• 3.3.1. 将采用镍铝青铜（NAB）和高强度双相钢合金制造，这两种材料均因其在海水中的耐腐蚀性和耐用性而著称

3.4. 开发低温条件下高延展性和高强度钢

• 3.4.1. 开发出一种在液氮温度下仍具有良好延展性的高强度钢

• 3.4.2. 低温金属材料在液化天然气的运输和储存等方面起着至关重要的作用

• 3.4.3. 含有铁、锰、铝、镍和碳，并形成了具有局部有序区和纳米析出物的高强度基体

• 3.4.4. 促进了整个材料的延展性响应，而不是脆性响应，同时也为轻质成分复杂钢（CCS）提供了相当大的强化效果，使极限抗拉强度高达2吉帕

3.5. 创下冷态直接还原铁的全球产量新纪录

• 3.5.1. 创下了每小时330.3吨冷态直接还原铁（CDRI）的全球产量纪录

• 3.5.2. 使用了由金属可持续解决方案开发商Tenova公司和冶金设备制造商Danieli联合开发的ENERGIRON直接还原工艺

• 3.5.3. 该工艺旨在使用不同类型的还原性气体源或纯氢气将铁矿石还原为金属铁，并生产各种高质量钢材

4. 有色金属材料

4.1. 国内首条年产万居里级无载体镥-177生产线、年产能千条级锗镓发生器生产线全面建成投产

• 4.1.1. 标志着中国正式具备万居里级镥-177、镓-68两款医用核素的大规模商业化生产供应能力

• 4.1.2. 有效缓解国内两款核素供应不足、依赖进口的问题

• 4.1.3. 镥-177具有优良的放射性物理特性和配位化学性质，可以标记单抗、多肽和其他小分子化合物，可用于多种疾病的放射性核素靶向治

• 4.1.4. 镓-68是具有高度吸引力的发射正电子的放射性核素，可通过配位标记制备放射性药物，与传统的氟-18和碳-11等非金属核素标记多肽等小分子相比，其具有方便简单、条件温和和成本低廉等优点

• 4.1.5. 可正式供应居里级的铽-161、钪-47两款新兴核素

4.2. 俄罗斯用于生产镀铬燃料棒包壳

• 4.2.1. 该结构材料是制造新一代先进技术燃料（ATF）的解决方案之一，可提高核燃料的运行可靠性，从而提高反应堆的安全性和经济效益

4.3. 美国启动DREAM TEAM项目

• 4.3.1. 利用3D打印技术为核反应堆制造耐热钨屏蔽层

• 4.3.2. 钨具有高熔点并能承受高温，是核反应堆内壁的首选材料

• 4.3.3. 钨坚硬且易碎，难以融入制造工艺

• 4.3.4. 使用激光粉末喷射定向能量沉积技术来3D打印钨，将钨金属逐层打印到核反应堆壁上

4.4. 越南首次使用3D打印钛技术完成胸壁重建手术

• 4.4.1. 使用尼康SLM解决方案的SLM 280金属打印系统制造了植入物

• 4.4.2. 将3D打印钛植入物与独特的网状物结合在一起，可防止肺疝，同时为心脏和肺部提供重要保护

• 4.4.3. 该植入手术是东南亚首例，也使越南成为亚洲少数几个使用3D打印植入物进行心肺保护的国家之一

5. 合金

5.1. 澳大利亚通过3D打印技术开发出一种突破性的超材料，展示了天然或人造材料中不常见的比强度

• 5.1.1. 由钛合金制成，经过精心设计，具有独特的晶格结构，可均匀分布应力

• 5.1.2. 创新设计可以偏转裂纹，提高材料耐用性

• 5.1.3. 材料的可扩展性、生物相容性和电阻特性使它在医疗植入物、航空航天部件等领域具有广泛应用前景

5.2. 中国科学院金属研究所的研究团队制备出具有高抗疲劳性的3D打印钛合金材料

• 5.2.1. 与传统制造技术相比，3D打印的材料在循环载荷下的疲劳性能普遍较差

• 5.2.2. 展示了3D打印技术在抗疲劳性制造方面的潜在优势，将促进3D打印材料的广泛应用

5.3. 法国和德国将继续联合优化铀钼合金高密度单片式研究堆燃料生产技术，为未来建设欧洲第一条铀钼合金生产设施奠定基础

5.4. 天津大学材料学院研究人员创新地提出了一种“界面置换”分散策略

• 5.4.1. 成功实现了约5纳米的氧化物颗粒在铝合金中的单粒子级均匀分布

• 5.4.2. 制备的氧化物弥散强化铝合金在高达500摄氏度的温度下仍具有史无前例的抗拉强度（约200兆帕）与抗高温蠕变性能

• 5.4.3. 大幅超越了国际上已报道的铝基材料的最高水平

• 5.4.4. 研究揭示了超细纳米颗粒增强轻质金属的超常耐热机制，并为开发耐热高强轻质金属材料及其在航空航天、交通运输等重要领域的应用提供了新思路

5.5. 日本开发出了首个通过定向能量沉积（DED）法在线激光金属3D打印机中使用镁合金的高精度增材制造（AM）技术，或为生产比铁或铝制成的部件更轻但更坚固的火箭、汽车和飞机等部件铺平道路

• 5.5.1. 镁合金增材制造结构火箭部件重量更轻，某些部件的重量可比传统铝合金结构减轻约20%

5.6. 在3D打印铝合金领域取得重要进展

• 5.6.1. 研究表明打印态铝合金展示出三模态晶粒分布的分层异质结构：超细等轴晶、细等轴晶与细小柱状晶

• 5.6.2. 为用于先进结构应用的高性能铝合金部件提供了新的范式，有利于轻量化设计和减少碳足迹

5.7. 新型铝合金具有优异的塑性变形能力，适用于金属增材制造

5.8. 西安交通大学研究人员研发出一种可规模生产的超高强度、超高柔性的金属材料

• 5.8.1. 突破了高强度和高柔性不可兼得的原理性瓶颈，实现了“既强且柔”的罕见特性，且这种特性能够在零下80摄氏度至80摄氏度的宽温域内保持

• 5.8.2. 有望在变形飞行器、超级机器人、人工器官等未来技术领域得到应用

5.9. 美国利用3D打印技术，开发出一种轻质无裂纹的高温合金

• 5.9.1. 能够在超过1315摄氏度的极端温度下稳定工作，不会发生熔化现象

• 5.9.2. 3D打印出由七种元素组成的铌基复杂浓缩合金，其熔点比之前开发的镍基和钴基超级合金高出至少48%

• 5.9.3. 不仅具有极高的耐热性，同时保持了轻量化的特点，适用于要求严格的涡轮叶片制造，相比传统金属如钨，它能在不增加飞机重量的前提下承受更高温度

5.10. 太平洋西北国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）的研究人员将金属废料升级改造为高价值合金

• 5.10.1. ShAPE升级合金在原子水平上被赋予了独特的纳米结构，可以提高金属合金的强度

5.11. 合作开发了形状记忆合金弹簧轮胎技术，以满足未来人类和机器人登陆火星的任务

• 5.11.1. 由于火星表面凹凸不平且布满岩石，探测车必须配备适合探测环境的轮胎，因此耐用的轮胎对于移动至关重要

• 5.11.2. 镍钛形状记忆合金（SMA）可以在极端压力下适应变形，即使受到剧烈撞击，轮胎也能恢复到原来的形状