中国学科发展战略(先进电工材料)/学术引领系列/国家科学思想库

**章 先进电工材料的战略需求和发展概况 本章概述了电气工程学科在国民经济、工农业生产、国防建设、科学技术研究和人们日常生活中的重要作用，阐述了电工材料在电气工程学科中的作用和基础性地位；回顾了电工材料的发展过程及它与电工装备在发展过程中的相互依存关系；以国家的几个重要发展方向为例，明确了在先进电工材料的研究中应该着重考虑的问题及发展战略。同时，本章还简要介绍了当前世界各国关于先进电工材料研究的国家战略发展计划，并概括了其主要内容。 **节 先进电工材料的战略需求 一、电工材料在电气工程学科中的作用和地位 电能的广泛应用被誉为20世纪人类*伟大的工程技术成就之一，各种各样电气设备的使用已经广泛深入国民经济、国防建设、工农业生产、科学技术研究和家庭日常生活等的各个方面。电力作为*优质的二次能源之一，具有利用效率高、易于实现和其他形式能源的转换、调控能力强等优点，在交通运输、能源动力、医疗卫生、文化教育、航空航天、家庭日常生活等各个方面得到广泛的应用，不仅极大地方便了人们的日常生活，而且彻底改变了人们的生产、工作和生活方式，正在成为现代人类社会一种必不可少的物质基础。 能特性和可以挑战工作极限的电工材料。也正是在这种需求的牵引下，新的电磁现象被不断发现，具有先进电磁参数的电工材料也被研制出来。 纵观电气工程学科100多年的发展历史可以看出，其*显著的进步源动力就是电工材料科学技术的进步。例如，钕铁硼永磁体和非晶合金铁磁材料的发展，对现代电机和变压器制造技术的发展产生了重大的影响；氧化锌避雷器、碳纤维复合芯导线等的发明和应用催生出具有完全不同形态和性能的电气装备，使其具有挑战外部工作环境极限的能力。又如，半导体材料的发展直接促成了电力电子技术的产生，如今它已成为21世纪电气工程技术领域*具变革性的动力，正在改变人们的发电、输电、配电、用电模式，并将对现代电网技术的进步产生不可估量的重大影响；储能材料的应用使人类对能源的充分收集与有效利用成为可能；半导体技术与储能技术的结合将使人类可以在时间和空间的分布上对能量进行按需配置，不仅可以极大地提高人类对能源的使用效率，而且可以促进我国将能源安全牢牢控制在自己手中目标的实现；超导材料的出现，大大促进了强磁场装备及其应用技术的发展，并给能源电力装备带来新的发展机遇，如果超导材料（特别是常温超导）能在电气工程中得到广泛的应用，将*终推动电气工程技术的革命性进步。 进入21世纪后，材料科学技术得到突飞猛进的发展，现代材料科学技术通过改进已有的制备技术及发明新的技术，获得了性能更优的新材料。随着表征设备性能的提高，人们可以在更高的层次理解材料结构与性能的关系，各种新型材料不断涌现。例如，研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间大量快速穿梭运动的特性开发出新型的储能设备，使之兼具高功率密度和高能量密度的特点；研究人员通过结构的特殊设计，实现了常规材料不具备的物理化学性能的一类超构材料，美国科学家利用一种纳米超材料实现了材料的负折射率，开发出“隐形毯”。如何瞄准电气工程学科发展中的瓶颈技术问题、把握电工材料科学技术的发展方向，以便有效利用电工材料领域的*新成果、有针对性地解决高性能电工装备制造中的“卡脖子”关键问题，是电气工程领域发展的一个重要方向。这些问题解决的同时还将延伸出一系列新兴学科和产业的发展。 电工新材料及其应用研究会使未来的电工装备具有挑战更高电磁参数极限的能力，生产出具有更高电磁性能甚至基于完全不同原理的电工装备，以满足探索更多未知现象和发现更多自然规律的要求。这些无疑对促进我国国民经济的发展和科学技术的进步具有非常重要的意义。此外，发展先进电工材料，不仅能够实现新型电工装备及技术的重大突破，而且可能给整个能源电力领域带来变革性、颠覆性的发展、变化和影响，为实现我国能源供给、能源消费、能源技术、能源体制革命奠定坚实的物质基础。 本书讨论的电工材料是按照其在应用对象（即电工技术领域）中扮演的角色分门别类的，集中讨论了先进导电材料（包括超导材料）、先进绝缘材料、先进半导体材料、先进磁性材料与先进储能材料的相关问题。从理论方面来讲，电工材料远不止这些，它包括更广泛的内容，应该说所有与电磁物理过程相关的材料，无论是在强电环境还是在弱电环境下工作的电工材料，都属于电工材料的范畴。因此，除了上述提及的材料外，其他一些新型电磁功能材料（如压电材料、热电材料、电致伸缩材料、磁制冷材料、巨磁阻材料、压敏材料、绝缘体、金属相变材料乃至超材料、多铁材料等）均属于电工新材料的范畴。这些电工材料的发展现状也应属于讨论的范畴。由于篇幅的限制，本项目的研究聚焦于上述五种常用的电工材料。 依据强电磁装备和工程所涉及的问题，本书重点归纳了上述五类电工材料在国内外的研究现状、发展趋势和关键科学技术问题，提出重点支持的研究方向，为我国先进电工材料的发展提出咨询意见和建议，促进我国先进电工材料的发展，解决制约电工装备特性的关键材料问题，提升高性能现代电工装备的自主创新能力，为我国制定抢占先进电工材料战略制高点的相关政策提供参考。 二、发展先进电工材料的战略意义 当今，电气设备的应用已经深入人们生产和生活的各个方面，科学研究对极端电磁条件的需求迫切，但国内在该方面的研究一直远远落后于国外先进水平。在大型电工装备、高精度仪器、深空探测医疗装备及特种国防装备方面，缺乏基础与技术支撑，长期依赖国外进口。高端材料自给率不高，近三成材料完全处于空白状态，如高速列车车轮车轴、700℃超临界发电用高温材料、超级模具钢、高硅电工钢、高性能不锈钢及高性能镍基高温合金、高强高韧铝合金及其焊材、钛合金挤压型材、低碳长寿高效功能耐火材料、高性能陶瓷纤维、高性能工程塑料及高模量碳纤维等材料和关键零部件依赖进口。在功能材料方面，新材料产品研发、应用推广和产业化脱节现象严重。一些高端产品虽然早已研发成功，但推广应用十分困难。在多项重要领域中，我国仍然存在工艺落后，规模化生产的关键技术有待突破，对新工艺、新技术的研究不够深入，疲于跟踪模仿国外先进技术，难以形成自主知识产权等问题。近年来，随着国家对基础和高技术研究的重视，国内在一些高精尖的领域已经获得了不同程度的突破。 由于篇幅有限，本书不可能对电工材料所有应用方面的问题进行深入讨论，而是集中从如下几个方面的应用出发简要分析发展先进电工材料在发展科学技术、改善民生、增强国防等方面的战略意义。 （一）电工材料在新一代电力系统中的重要作用 当今世界，化石能源短缺和环境治理成为各国共同面对的重大课题。21世纪以来，加快推进以电为中心、清洁化为特征的能源结构调整，风能、太阳能等可再生能源的大规模开发利用已成为世界主要国家发展新一代电力系统的共同选择。我国的能源环境形势与问题非常严峻和突出。2014年下半年，中央财经领导小组提出了能源生产与消费革命、创新驱动发展的战略方向，明确提出“形成煤、油、气、核、新能源、可再生能源多轮驱动的能源供应体系，同步加强能源输配网络和储备设施建设”。然而，风、光等可再生能源只有转化为电能才能得到高效利用，以风能、太阳能为基础的新能源发电取决于自然资源条件，具有波动性和间歇性的特点，调节控制困难，大规模并网运行会给电网的安全稳定运行带来显著影响。传统的电网技术难以大规模消纳可再生能源，智能电网将为能源结构清洁化转型和能源消费革命提供有力支撑。 智能电网是在传统电力系统基础上集成新能源、新材料、新设备和先进信息技术、控制技术、储能技术等构成的新一代电力系统，可实现电力发、输、配、用、储过程中的数字化管理、智能化决策、互动化交易。作为承载我国能源革命的重要平台，智能电网将深刻影响能源结构调整和全局发展，对正在实施的创新驱动发展战略具有引领性作用。随着“一带一路”倡议的提出，建设以特高压（ultra-high voltage，UHV）电网为骨干网架、输送清洁能源为主导的坚强智能电网也显示了更加重要的战略作用。从根本上来说，有效提高电网对可再生能源的接纳能力、建设高效智能电网、实现以清洁能源为主体的能源革命，关键是发展超远距离洲际互联的特高压、大容量柔性直流输变电技术，基于现代电气设备的低成本、长寿命、大规模储能技术等，适应复杂电网结构的高效电能转换技术。其中，电工材料与器件渗透在发电、输电、配电与用电的各个环节，是所有电工设备、电气装备及电子器件的基础，在以清洁能源为主的能源革命中发挥着基础性与支撑性作用。 1.特高压、大容量柔性直流输变电技术 发展大容量、远距离的输电技术是实现我国能源电力资源优化配置的重要基础，是支撑电力系统安全、高效、经济运行的重要手段。我国70%的电力负荷集中在东南沿海地区及其相邻省份，而80%的风电装机、90%的水力资源分布在我国三北地区（东北地区、华北北部、西北地区）与西南地区，大型煤炭基地均位于内陆地区，负荷中心距离能源基地超过1000km；我国输电走廊总长度超过200万千米，占地面积超过6万 km2，相当于台湾岛面积的1.7倍；年输电损耗超过3700亿 kW h，相当于4座三峡水电站的年发电量。特高压技术的发展为实现全国范围内的能源电力资源优化配置、降低远距离传输损耗、减少输电通道占地具有重要意义。以2009年1月正式投入运行的晋东南-南阳-荆门交流特高压输电工程为例，其单位输电容量的造价、功率损耗和输电走廊占用面积与500kV输电工程相比分别降低了30%、70%和70%左右，具有显著的技术经济价值。 特高压技术的发展对先进导电与绝缘材料的性能提出了更高的要求。在导电材料方面，特高压输电技术对导电材料性能的主要要求为电导率高、机械强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀、环境友好、抗氧化、耐磨损及耐烧蚀等。然而，传统导电材料（以铜和铝为代表），在实际应用中面临着强度不够的问题，且传统提高强度的方法会造成电导率下降。因此，如何探索新的强化机制以获得兼具优异力学性能和导电性能的材料是导电金属材料研究和发展的关键问题。 特高压输电技术对绝缘材料性能的要求是高击穿场强、高非线性、高热导率、高耐高低温能力、高耐电晕和耐电痕能力、高耐辐射和耐候能力等。在特高压的传输线路中，绝缘子需要承受*高可超过100万伏的电压，两个塔架之间的输电线缆直径超过15cm，可产生50多吨的拉力。特高压输电线路多经过西北沙尘天气多发地区，由于沙颗粒在电场的极化和空间电荷区的荷电，电晕效应增强，电磁环境特性变差，对于绝缘材料要考虑到增大的电晕损失和无线电干扰等外部特性。对于特高压直流输电，由于静电吸附效应，绝缘子表面积污会更加严重，且直流与交流表面污闪特性不同。在相同电压等级下，直流污闪现象更加明显，这会对绝缘材料的防污性能提出更高的要求。 2.低成本、长寿命、大规模储能技术 能源结构低碳化转型已经成为应对气候变化、保障能源安全、防治大