(一)信息時(shí)代的信息功能材料仍是最活躍的領(lǐng)域.ppt

邁入21世紀(jì)新材料,2004 年 2 月,目 錄,序言 信息功能材料 半導(dǎo)體材料 光電子材料 能源功能材料 超導(dǎo)材料 磁性材料 貯能材料 燃料電池,生物材料與智能材料 醫(yī)用生物材料 仿生材料 工業(yè)生產(chǎn)中的生物模擬 智能材料及智能系統(tǒng) 宇航及動(dòng)力機(jī)械材料 材料制備工藝及檢測(cè) 納米材料科學(xué)技術(shù) 材料設(shè)計(jì),不同類型材料的發(fā)展 金屬結(jié)構(gòu)材料 工程陶瓷及其它無機(jī)非金屬材料 有機(jī)高分子材料 先進(jìn)復(fù)合材料 碳素材料 結(jié)束語,序 言,(1) 人口、資源(能源)、環(huán)境（生態(tài)）三大壓力; (2) 信息與經(jīng)濟(jì)的全球一體化; (3) 知識(shí)經(jīng)濟(jì)時(shí)代意味著科學(xué)技術(shù)與教育將受到更高的重視 (5) 國(guó)防與戰(zhàn)爭(zhēng)仍是促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力 (4) 人類社會(huì)在發(fā)生變化： 壽命延長(zhǎng)(器官更換，生物工程) 生活水平提高(加速資源消耗) 交往頻繁(信息網(wǎng)絡(luò)、交通運(yùn)輸) (6) 人的質(zhì)量是社會(huì)進(jìn)步的決定性因素（教育將受到重大重視， 創(chuàng)新環(huán)境十分重要）,21世紀(jì)時(shí)代特征:,(一)信息時(shí)代的信息功能材料仍是最活躍的領(lǐng)域,信息功能材料 是指信息獲取、傳輸、轉(zhuǎn)換、 存儲(chǔ)、 顯 示或控制所需材料。 半導(dǎo)體材料 (1) 以硅為基礎(chǔ)的微電子技術(shù)仍將占十分重要位置。芯片特征尺寸以每三年縮小 計(jì), 到2010年可能到極限(0.07m)（量子效應(yīng)、磁場(chǎng)及熱效應(yīng)、制作困難、投資大）。,但不同檔次的硅芯片在21世紀(jì)仍大量 存在，并將有所發(fā)展。 * 在絕緣襯底上的硅（SOI，SiOn Insulator) :功能低、低漏電、集成度高、高速度、工藝簡(jiǎn)單等。SOI器件用于便攜式通信系統(tǒng)，既耐高溫又抗輻照。 * 集成系統(tǒng)（IS，Integrated System)：在單個(gè)芯片上完成整系統(tǒng)的功能，集處理器、存儲(chǔ)器直到器件設(shè)計(jì)于一個(gè)芯片 (System on a Chip)。 * 集成電路的總發(fā)展趨勢(shì)：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高靈敏度、低噪聲、高可靠、長(zhǎng)壽命、多功能。為了達(dá)到上述目標(biāo)，有賴于外延技術(shù)（VPE，LPE，MOCVD 及 MBE）的發(fā)展，同時(shí)對(duì)硅單晶的要求也愈來愈高。表1為集成電路的發(fā)展對(duì)材料質(zhì)量的要求。,表1 集成電路發(fā)展對(duì)材料質(zhì)量的要求,(2)第二代半導(dǎo)體材料是-族化合物,GaAs 電子遷移率是Si的6倍（高速），禁帶寬（高溫）廣泛用于高速、高頻、大功率、低噪音、耐高溫、抗輻射器件。 GaAs用于集成電路其處理容量大100倍，能力強(qiáng)10倍，抗輻射能力強(qiáng)2個(gè)量級(jí)，是攜帶電話的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更優(yōu)越，用于光纖通訊、微波、毫米波器件。,（3）第三代半導(dǎo)體材料是禁帶更寬的SiC、GaN及金剛石。 （4）下一代集成電路的探索 光集成 原子操縱,光電子材料,21世紀(jì)光電子材料將得到更大發(fā)展 電子質(zhì)量：10-31 Kg / 電子 電子運(yùn)動(dòng)：磁場(chǎng)、電阻熱、電磁干擾、光高速、 傳輸（容量大、損耗低、高速、不受 電磁干擾、省材料）,光電子材料包括：,（1） 激光材料（20世紀(jì)60年代初） 激光：高亮度、單色、高方向性 紅寶石（Cr+:Al2O3 ） 摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG) （2） 非線性光學(xué)晶體（變頻晶體） KDP（磷酸二氫鉀）、KTP（磷酸鈦氫鉀） LN（鈮酸鋰）、BBO（偏硼酸鋁）、 LBO（三硼酸鋰）,（3）紅外探測(cè)材料（軍用為主） HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe （4）半導(dǎo)體光電子材料，見表2,表2 主要化合物半導(dǎo)體及其用途,（5）顯示材料 發(fā)光二級(jí)管（LED）如表 3,液晶顯示(LCD)材料(1968年發(fā)明)為21世紀(jì)上半葉主要顯示材料,表3 LED 發(fā)光材料及可見光區(qū),表4 光纖發(fā)展階段及所需材料,(6)光纖與光纜材料(網(wǎng)絡(luò))(表4),一條光纖帶寬所容納信息量相當(dāng)于全世界無線電帶寬的1000倍. (25 T bps vs 25 G bps ),光纖材料:, 石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F 多組分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3Na2O 紅外玻璃： 重金屬氧化物、鹵化物 摻稀土元素玻璃： Er、Nd、 多模只適于小容量近距離（40Km,100M bps) 單?？蓚鬏斦{(diào)制后的信號(hào)40Gbps 到200Km， 而不需放大。,（7）記錄材料,21世紀(jì)將是以信息存儲(chǔ)為核心的計(jì)算機(jī)時(shí)代，在軍事方面，如何快速準(zhǔn)確地獲取記錄、存儲(chǔ)、交換與發(fā)送信息是制勝的關(guān)鍵。 磁記錄在21世紀(jì)初仍有很強(qiáng)的生命力，通過垂直磁記錄技術(shù)和納米單磁疇技術(shù)，再加先進(jìn)磁頭（如巨磁電阻）（GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度達(dá)100GB，所用介質(zhì)為氧化物磁粉（-Fe2O3及加 Co - -Fe2O3、CrO2)，金屬磁粉或鋇鐵氧體粉。 磁光記錄：與磁記錄不同之處在于記錄傳感元件是光頭而不是磁頭。磁光盤的介質(zhì)主要是稀土-過渡族金屬，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/Co多層調(diào)制膜或Bi石榴石薄膜。磁光盤的特點(diǎn)在于可重寫，可交換介質(zhì)。,（8）敏感材料, 計(jì)算機(jī)的控制靈敏度與精確度有賴于敏感 材料的靈敏度與穩(wěn)定性。 敏感材料種類繁多，涉及半導(dǎo)體材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶與核酸鏈（DNA） 等。限于篇幅不一一列舉。,（二）能源功能材料將取得 突破性進(jìn)展, 化石能源日益枯竭（甲烷水化物） 環(huán)境要求越來越高 由于人口增長(zhǎng)，生活水平提高，能源需求量大幅度 增加。 開源節(jié)流 （1）可再生能源的開發(fā)（水電不存在材料問題） 太陽能的利用：輻射于地球能量一萬倍于人類所消 耗的能源（61017kwh） 密度低 1kwh/m2 氣候影響大,兩種利用形式 直接輻射能 熱水器 熱水發(fā)電 光伏電能 民用： 高效、長(zhǎng)壽、價(jià)廉，需要儲(chǔ)電系統(tǒng)。 -Si (12.7%) (理論24%) 多晶 17.7 % 單晶Si 23.1% GaAs 28.7 還有Cu2InSe2, CdTe, Cu2O, Cu2S, CdS 等,衛(wèi)星用太陽能電池 雙結(jié)電池（GaInP/GaAs）23.7 三結(jié)電池（GaInP/GaAs/Ge）27. 四結(jié)電池（GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge 40理論） 一種設(shè)想：空間太陽能發(fā)電站 太陽能射向地球 30大氣反射 23大氣吸收 空間太陽能電站，微波傳到地面, 一個(gè)10 萬千瓦電站壽命10年,美國(guó)2010年電價(jià)2.2/kwh 我國(guó)西北日照時(shí)間長(zhǎng)，沙漠干旱設(shè)地面 太陽能電站： 入網(wǎng) 燃料電池 電解水H2 儲(chǔ)氫 （1m3 H25度電） 化工原料,風(fēng)能及風(fēng)力發(fā)電 W1/2 PV3（V風(fēng)速） 太陽能到地面有2變風(fēng)能 全球 1.3萬億KW 中國(guó) 32億KW 潮汐、海水溫差、地?zé)崮?（2）核能 目前核電站基于鈾裂變（熱中子反應(yīng)維） 燃料U235，鈾礦中占0.71，U238為99.28。 快中子增殖維： U238 ，效率6079 液鈾冷卻 （強(qiáng)腐蝕），泄漏 污染 （副產(chǎn)物 P239,半衰期2.4萬年） 法國(guó)超鳳凰堆（19861995） 最近提出加速器驅(qū)動(dòng)的核電站 （嬗變）可解決污染問題, 可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)堆永久能源 D2D2 T3 + P + 4.04 Mev D2T3 He4 + n + 17.5 Mev 一噸海水所含D2相當(dāng)300噸汽油 海水 D2=1013砘 已實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，處于物理研究所段， 材料問題：高溫 抗輻射 氫脆 2050年或更長(zhǎng)可實(shí)用化,（3）超導(dǎo)材料, 低溫（液氦溫度）超導(dǎo)已產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格問題 高溫（液氮溫度）超導(dǎo)已發(fā)現(xiàn)30多種 YBaCuO，Je10 5 A/cm2 （薄膜,塊體） (Bi,Pb) Sr Ca Cu O (B1 2223/ Ag) 帶絲線材生產(chǎn)穩(wěn)定， 質(zhì)量均一性未能解決， 2010年可望產(chǎn)業(yè)化 探索高溫超導(dǎo)，及高溫超導(dǎo)機(jī)理問題 趨導(dǎo)失超后的安全問題,(4) 磁 性 材 料, 硅鋼片是最重量要的軟磁材料（全世界 650萬噸） 鐵基非晶態(tài)合金有明顯優(yōu)越性（表5） 特別用于：電焊機(jī)，節(jié)能，體積?。?/10） 作為結(jié)構(gòu)材料：耐磨（作磁頭）， 耐蝕（代不銹鋼） 冷軋硅鋼片。,這些都屬軟磁材料，用于變壓器，電動(dòng)機(jī)在儀 表工業(yè)中用量更大的是軟磁鐵氧體，雖然已很成 熟但向高磁感強(qiáng)度（Bs），高磁導(dǎo)率（）低損耗 方向發(fā)展，仍有廣闊發(fā)展前景。,硬磁材料發(fā)展很快，20世紀(jì)40年代AlNiCo，50年代鐵氧體，65年ReCO5,72年R2CO17，83年NdFeB,磁能積提高了幾十倍，從性能價(jià)格比來看，（表6）鐵氧體永磁遠(yuǎn)比其它磁性材料更具有競(jìng)爭(zhēng)能力； NdFeB 則單位體積的性能比鐵氧體高出10倍而得到更快的發(fā)展，目前世界產(chǎn)量近萬噸，中國(guó)占了一半左右，但性能有待進(jìn)一步提高。 下一代永磁發(fā)展目標(biāo)是納米技術(shù)的應(yīng)用與新材料的探索，如：SmFeN等。 過去每10年提高40kJ/m3，2010年達(dá)可到600800kJ/m3，,表6永磁體價(jià)格 / 性能比（1995）,* NdFeB最大磁能積512KJ/m3（理論值）,（5）貯能材料（貯氫與高能電池） 電網(wǎng)調(diào)峰與環(huán)保的需要，信息電子工業(yè)所必須，與太陽能配套。 太陽能發(fā)電 電解水氫貯氫 電蓄電池 也是機(jī)械能動(dòng)力源,貯氫材料：金屬間化物貯氫基本成熟（表7），但用于 汽車燃料存在比重大，易中毒和價(jià)格問題。 表7幾種金屬間化物貯氫材料,納米碳管是最近發(fā)現(xiàn)的貯氫材料，正在研究開發(fā)中。,表8為幾種典型電池反應(yīng)機(jī)理與特性，當(dāng)前 最有發(fā)展前景的是NiMH電池，但從比能量密度， 鋰電池最好，而價(jià)格是前者3.5倍，其中塑料鋰 電池具有重量輕，形狀可任意改變，安全性更好 的特點(diǎn)，可能是21世紀(jì)開發(fā)的重點(diǎn)。 NiMH電池汽油混合汽車已實(shí)用化，低速 與起動(dòng)用電池，而高速時(shí)自動(dòng)跳到汽油并充電， 如比可節(jié)油（1/2），排放減至1/10，CO2（1/2）。,表8幾種典型電池反應(yīng)機(jī)理和特性,燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置，效率高、污染小，是21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的一種技術(shù)。 目前正在開發(fā)的燃料電池，如表9： 表9正在開發(fā)的燃料電池類型,（6）燃料電池,以氫氧燃料電池為例其理論比容量為2975 A.h/kg，比能量為3660 w.h/kg，遠(yuǎn)高于蓄電池、燃料電池的發(fā)展，有電極 材料問題。據(jù)報(bào)導(dǎo)，Benz廠用甲醇 作燃料電池的燃料已用于汽車。 最近美國(guó)NASA正在開展一種試驗(yàn)，即太陽能電池與氫氧燃料電池聯(lián)合開動(dòng)的小飛機(jī)，白天太陽能電池工作，用剩余電來電解水、晚上H2O燃料電池工作，目前載人還不現(xiàn)實(shí)，計(jì)劃在2003年實(shí)現(xiàn)用于通信。,（三）生物材料與智能材料將受到高度重視,（1） 醫(yī)用生物材料 最主要是與人體相容性 * 組織工程 * 生長(zhǎng)因子 * DNA * 自組裝 除神經(jīng)系統(tǒng)以外的各種器官都可制造。目前正在嘗試 利用照相機(jī)、光導(dǎo)系統(tǒng)與視網(wǎng)膜細(xì)胞相聯(lián)為盲人復(fù)明，要 生物學(xué)家，工程師，材料科學(xué)家的通力合作。,21世紀(jì)是生命科學(xué)時(shí)代,（2）仿生材料 生物材料多年演化的結(jié)果（合理性） 人造絲與蠶絲 陶瓷與珍珠殼、骨骼（表10）,( 3 ) 工業(yè)生產(chǎn)中的生物模擬,( 4 ) 智能材料及智能系統(tǒng),智能系統(tǒng) 用于機(jī)翼、潛艇、車體、建筑隨處界條件改變 外形以減少阻力、即省能耗，提高安全。 材料的自檢測(cè)、自恢復(fù)及自修復(fù) 藥物和控制釋放,（四）宇航及動(dòng)力機(jī)械材料將不斷提高,飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星與飛船的發(fā)展，材料是關(guān)鍵。以飛機(jī)為例，戰(zhàn)斗機(jī)性能的提高有2/3靠材料，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，材料占1/2，對(duì)空間飛行器來說，由于材料的改進(jìn)，收益更為顯著。如圖4，說明比強(qiáng)度和比剛度對(duì)高速飛行器來說更為重要。 戰(zhàn)斗機(jī)已發(fā)展到第四代（如美國(guó)F22），主要材料為鈦合金（41），樹脂基復(fù)合材料（24），鋁合金（15），鋼只有5。 民用機(jī)到了第三代（波音777），鋁（70%）,鋼及復(fù)合材料（多11），鈦（7）。 對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)材料來說，除了比剛度、比強(qiáng)度，主要是耐高溫、長(zhǎng)壽命，為軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)提供一些參考。,表11軍用發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)展趨勢(shì),從發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料看：高溫合金 仍然是主要材料（50）。作為渦輪葉片，單晶加發(fā)汗冷卻，可以滿足2000以上。 陶瓷 有可能用于燃燒室和導(dǎo)向葉片。 鈦合金 （1600650）及鈦鋁基中間化物（6001000）可用于機(jī)匣，壓氣機(jī)葉片。 C/C復(fù)合材料 雖然在比強(qiáng)度，比剛度和高溫有特殊優(yōu)越性，但抗氧化問題須解決。 樹脂基復(fù)合材料 目前使用溫度已達(dá)290345，正向425發(fā)展。,噴管為C/C復(fù)合材料（比強(qiáng)高,抗熱震，耐燒能） 關(guān)鍵航天材料：高強(qiáng)、高模纖維。 碳纖維（T300, T800） 芳綸及高強(qiáng)聚乙烯纖維。 為減少污染，提高燃效，增加機(jī)動(dòng)性（如調(diào)峰），工業(yè)燃?xì)夂臋C(jī)將得到更大發(fā)展（圖5）,圖5全世界工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量,工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比（表13），運(yùn)行壽命長(zhǎng)，腐蝕嚴(yán)重，特別葉片大，重量差2030倍，渦輪也相應(yīng)增大。 表13工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求對(duì)比,因此，今后工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)材料在21世紀(jì)將受到更大重視。,（五）材料制備工藝及檢測(cè)方法的研究與開發(fā)將多到更多的重視,材料制備是從基礎(chǔ)到研究到工程應(yīng)用必由之路； 提高材料質(zhì)量及降低成本的主要途徑； 有效利用資源和能源，減少污染的重要手段。 美國(guó)科學(xué)基金會(huì)材料領(lǐng)域投入中材料制備占41%（90年代初）。 * 高溫超導(dǎo)（1986）至今15年 工程陶瓷已大量開發(fā)研究近40年 未開發(fā)出合適工藝而不能大量推廣 * 鋼的價(jià)格波動(dòng)甚少，因工藝不斷改進(jìn)（質(zhì)量提高， 收得率增加，能耗下降，勞動(dòng)生產(chǎn)率提高） * 高溫合金葉片材料的不斷提高，主要通過工藝的不斷改進(jìn)。,制備工藝的發(fā)展趨勢(shì)：,（1）電子信息材料向功能與結(jié)構(gòu)一體化，多功能化、材料與器件一體化和小型化發(fā)展，主要靠采用控制到原子精度的氣相外延（VPE）、液相外延（LPE）、金屬有機(jī)化物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）技術(shù)。 （2）冶金、化工材料盡量做到零排放。 （3）制造工藝的自動(dòng)化、智能化。 （4）為提高材料利用率、提高性能、降低成本，開發(fā)多種類型的表面改性技術(shù)，梯度材料制備技術(shù)；發(fā)展自蔓燃制備技術(shù)等。,檢測(cè)方法的新進(jìn)展往往帶來材料研究和質(zhì)量控制的新突破，如描述隧道顯微鏡的發(fā)明可以做到“原子操縱”從而成為下一代信息技術(shù)的新熱點(diǎn)。工程陶瓷斷裂的臨界尺寸為微米級(jí)，因此，要使陶瓷穩(wěn)定生產(chǎn)，必須開發(fā)更精確的探傷手段，而且要求在線檢測(cè)和動(dòng)態(tài)檢測(cè)。,進(jìn)入21世紀(jì)有關(guān)制備工藝的 重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目,國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（973） 集成微光機(jī)電系統(tǒng)研究 材料先進(jìn)制備、成型與加工的科學(xué)基礎(chǔ) 攀登計(jì)劃 金屬材料熱成型過程的動(dòng)態(tài)模擬及組織、性能、 質(zhì)量的優(yōu)化控制。 微電子機(jī)械系統(tǒng) 熔融還原技術(shù)基礎(chǔ)研究 自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目 支持產(chǎn)品創(chuàng)新的先進(jìn)制造技術(shù)中的若干基礎(chǔ)研究 金屬熔體凝固控制與若干先進(jìn)成形過程基礎(chǔ)研究 新型功能陶瓷材料的制備科學(xué)及其關(guān)鍵基礎(chǔ)化問題,（六）納米材料科學(xué)技術(shù)將成 為21世紀(jì)最活躍領(lǐng)域, 1959年12月R.FEYNMAN在美國(guó)物理學(xué)會(huì)上提出納米科學(xué)技術(shù)的概念,并提出開展在原子與分子水平制造材料的物理規(guī)律。 80年初發(fā)明掃描隧道顯微鏡（STM）及原子力顯微鏡（AFM）以后原子操縱才有可能。 納米材料就是利用物質(zhì)在小到原子或分子尺度以后所出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象而發(fā)展出新的材料。,2000年二月美國(guó)總統(tǒng)向國(guó)會(huì)提出國(guó)家納米技術(shù)的建議（National Nanotecthnology Initiative）認(rèn)為納米技術(shù)可導(dǎo)致下一工業(yè)革命，應(yīng)置于最優(yōu)先地位。 納米科學(xué)技術(shù)主要包括: 納米材料 納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué) 納米醫(yī)學(xué) 他要求2001年撥款4.95億美元比上一年多83%。其分配： 基礎(chǔ)研究 1.7億（NSF 1.22） 定向課題 (Grand challengs) 1.4億 (DOD 0.54, DOE 0.36) 研究中心及網(wǎng)絡(luò) 0.77億 基礎(chǔ)設(shè)施 0.80億 其它 0.28億 基礎(chǔ)研究(NSF2.17億)及國(guó)防系統(tǒng)(DOD、DOE、NASA共2.24億)占大頭。 可以認(rèn)為納米技術(shù)尚處于基礎(chǔ)研究階段尚未大規(guī)模進(jìn)入工業(yè)開發(fā)，但他們?nèi)詮?qiáng)調(diào)與產(chǎn)業(yè)界結(jié)合，及時(shí)轉(zhuǎn)入規(guī)模生產(chǎn)。,通過“設(shè)計(jì)”制造出來的材料，性能大幅度提高，預(yù)期強(qiáng)度為鋼的四倍，其重量比紙輕10倍，環(huán)境友好，價(jià)格又可承受。使用的可靠性提高，因其可自修復(fù)。這類材料用于造橋，壽命可大幅度延長(zhǎng)，用于造空間飛引器，可幾十倍的減輕重量，如此等等，前景誘人，但是成為現(xiàn)實(shí)要10-20年。 我國(guó)納米材料起步不晚，聲勢(shì)也很大，謹(jǐn)防一哄而起，急于求成。,（七）21世紀(jì)將逐步實(shí)現(xiàn)按需設(shè)計(jì)材料 材料的四要素與五要素,材料科學(xué)與工程四要素： 結(jié)構(gòu)/成份、合成/流程、性質(zhì)、效能 因結(jié)構(gòu)與成份非同義詞 相同成份可出現(xiàn)不同結(jié)構(gòu) 建議改為五要素： 成分、合成/流程、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、效能 特點(diǎn)：材料理論與材料設(shè)計(jì)處于五邊形中心； 性能與效能（使用性能）和環(huán)境發(fā)生直接聯(lián)系,圖 材料科學(xué)與工程四要素（a）與五要素（b）關(guān)系圖,材料根據(jù)對(duì)性能的要求而決定于不同層次的結(jié)構(gòu)，如圖,圖不同層次的材料設(shè)計(jì),材料設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜過程：,非平衡熱力學(xué) 結(jié)構(gòu)敏感性質(zhì)（如力學(xué)性質(zhì)）可變因素（不定 因素）太多 表面與內(nèi)部結(jié)構(gòu)及性質(zhì)的不一致性 復(fù)雜的環(huán)境因素,材料設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)需要，通過合理成分與工藝流程設(shè)計(jì)，最終能做出合乎要求的工程材料、零件、器件或構(gòu)件。 功能材料可能首先實(shí)現(xiàn)材料設(shè)計(jì) 重點(diǎn)在于： 深入的基礎(chǔ)研究了解物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能 完整而精確的數(shù)據(jù)庫(kù) 正確模型的建立 大容量快速計(jì)算機(jī) 不同學(xué)科科學(xué)家與工程師的通力合作。,（八）不同類型材料的發(fā)展前景,（1）金屬在結(jié)構(gòu)材料中仍占主要位置，特別是鋼鐵今后幾十年內(nèi)的世界年產(chǎn)量在7-10億噸徘徊。但鋼的性能會(huì)大幅度提高從而達(dá)到節(jié)約資源減少污染的目的。 我國(guó)在超級(jí)鋼的研究中使200MPA級(jí)的低碳鋼、400MPA級(jí)低合金鋼通過強(qiáng)化、晶粒細(xì)化和均勻化可提高強(qiáng)度一倍，并通過了大生產(chǎn)試驗(yàn)。,有色金屬資源在21世紀(jì)前半葉就接近枯竭，如同鉛、鋅等。代用品的研究與開發(fā)為當(dāng)務(wù)之急。有些金屬，如鋁，地殼中含量很高分布很廣，但合於開采價(jià)值的礦石卻有限，因此開發(fā)低品位礦石的采選與冶煉工藝的研究與尋找代用材料必須及早考慮。 鈦，性能優(yōu)越，地殼含量不低，以及生產(chǎn)成本高而不能得到廣泛應(yīng)用，有些水電豐富地區(qū)如我國(guó)攀西地區(qū)，不但水電豐富而且礦藏世界前茅，21世紀(jì)將出現(xiàn)一個(gè)開發(fā)鈦的高潮。,鎂與鋁頗多相似之處，而鎂取之不盡（海水中鎂2.11015噸），塑性好，減震性強(qiáng)但不耐腐蝕（特別海水和應(yīng)力腐蝕，又沒找到適于強(qiáng)化相而不能和鋁相競(jìng)爭(zhēng)，21世紀(jì)將會(huì)受到重視。） 金屬作為功能材料（如硅鋼）的地位不會(huì)改變。硬磁材料在NdFeB的基礎(chǔ)上還會(huì)有更大發(fā)展,（2）工程陶瓷及其它無機(jī)非金屬材料 會(huì)得到更大發(fā)展,功能陶瓷在功能材料中已占十分重要地位隨著凝聚態(tài)物理與化學(xué)進(jìn)展，將會(huì)有更大進(jìn)展，當(dāng)前氧化物研究正廣泛開展，高溫超導(dǎo)便是成果之一。 工程陶瓷發(fā)展方向：一是開發(fā)新工藝流程以降低成本，同時(shí)大力推廣只有生產(chǎn)量大，成本才能降下來。二是進(jìn)一步提高性能，開發(fā)生產(chǎn)過程的臨控手段，保證質(zhì)量的穩(wěn)定性。三是機(jī)械制造的工作者，開發(fā)使用脆性材料的設(shè)計(jì)思想。,在金屬材料資源日益枯竭，科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步的情況下工程陶瓷會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。 水泥與玻璃是極為重要的建筑材料，無疑會(huì)受到重視但水泥是重要污染源（一噸水泥產(chǎn)生CO2 0.8-1.0噸）：因此， 充分利用廢料 提高水泥標(biāo)號(hào)，減少產(chǎn)量 改進(jìn)水泥，增強(qiáng)組元（塑料不誘鋼絲） 玻璃的智能化對(duì)命能有明顯的作用,（3）有機(jī)高分子材料將得到更大發(fā)展,高分子材料比重小，軟硬靈活加工外瑚比剛度比強(qiáng)度高（三大高強(qiáng)纖維：芳綸、碳纖維與結(jié)晶狀態(tài)的聚乙烯）。特別是資源可再生。 高分子材料已接近分子設(shè)計(jì)水平。 高分子結(jié)構(gòu)材料（塑料）的用途越來越廣，以體積計(jì)，90年初全世界塑料廣告已越過了粗鋼的體積。1995年美德塑鋼比分別為2.85和1.94，而我國(guó)目前塑鋼體積比不到0.5，因此我國(guó)21世紀(jì)初塑鋼將大發(fā)展。,21世紀(jì)更有發(fā)展前途的是有機(jī)功能高分子，目前醫(yī)用高分子、高分子分離膜，高吸水樹脂、感光樹脂、離子交換樹脂、光導(dǎo)纖維已經(jīng)成熟并已得到廣泛應(yīng)用。 今后要大力開發(fā)的是導(dǎo)電高分子、非線性高分子、鐵磁性材料、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體用于電池的離分子快離子導(dǎo)體以及液晶顯示材料等。由于這些材料質(zhì)輕、原料有保證而將得到發(fā)展。但穩(wěn)定性及老化是人們擔(dān)心的問題。,（4）先進(jìn)復(fù)合材料,先進(jìn)復(fù)合材料是近幾十年來十分重視開發(fā)的一類材料。有的已經(jīng)很成熟并得到大量應(yīng)用，如樹脂及復(fù)合材料，已用于宇航及運(yùn)動(dòng)器材等要求比強(qiáng)度及比模量高的結(jié)構(gòu)件，長(zhǎng)纖維強(qiáng)化的金屬基復(fù)合材料雖然具有明顯優(yōu)越性，以其價(jià)格高連接難，不可大量推廣。因此今后的任務(wù)是發(fā)展新工藝降低成本。顆?；蚨汤w維強(qiáng)化的金屬基復(fù)合材料，為提高強(qiáng)度和耐熱性有可能大量推廣。陶瓷基復(fù)合材料除了提高高溫性能以外，更重要的