前沿新材料的介紹

1、前沿新材料的介紹新材料是指新出現(xiàn)或正在發(fā)展中的、具有傳統(tǒng)材料所不具有的優(yōu)異性能的材 料。它主要包括電子信息、光電、超導(dǎo)材料；生物功能材料；能源材料和生態(tài)環(huán) 境材料；高性能陶瓷材料及新型工程塑料；粉體、納米、微孔材料和高純金屬及 高純材料；表面技術(shù)與涂層和薄膜材料；復(fù)合材料；智能材料；新結(jié)構(gòu)功能助劑 材料、優(yōu)異性能的新型結(jié)構(gòu)材料等。新材料的應(yīng)用范圍非常廣泛，發(fā)展前景十分 廣闊，其研發(fā)水平及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模已成為衡量一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技進(jìn)步和國(guó)防實(shí)力的重要標(biāo)志。綜觀全世界，新材料產(chǎn)業(yè)已經(jīng)滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)防建設(shè)和社會(huì)生活的各個(gè) 領(lǐng)域，支撐著一大批高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有舉足輕重的作

2、用，成為各個(gè)國(guó)家搶占未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展制高點(diǎn)的重要領(lǐng)域。一、新材料產(chǎn)業(yè)的主要特點(diǎn)1、應(yīng)用領(lǐng)域?qū)拸V、相互之間關(guān)聯(lián)度小新材料種類紛繁，涉及多個(gè)不同行業(yè)，不僅包括納米材料，磁性材料等產(chǎn)品， 還包括與能源結(jié)合緊密的新型能源材料，與信息產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合的光通訊材料，更 有聚氨酯，氯化聚乙烯，有機(jī)氟材料等高分子材料；同時(shí)，生產(chǎn)這些產(chǎn)品的企業(yè) 又分處不同行業(yè)，無論是設(shè)備、生產(chǎn)技術(shù)，還是銷售市場(chǎng)均存在較大差異。2、知識(shí)與技術(shù)密集度高3、高投資、高風(fēng)險(xiǎn)、高收益4、新材料產(chǎn)業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)的關(guān)聯(lián)度高從新材料產(chǎn)業(yè)與其他產(chǎn)業(yè)的關(guān)系來說，具有先導(dǎo)性、基礎(chǔ)性和帶動(dòng)性。新材 料廣泛應(yīng)用于信息、能源、交通、醫(yī)療等各個(gè)領(lǐng)域，是其他高新技術(shù)及

3、其產(chǎn)業(yè)發(fā) 展的基礎(chǔ)和先導(dǎo)；新材料與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)緊密結(jié)合，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)橫向擴(kuò)散。隨著高技術(shù) 的發(fā)展，傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)向新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。二、前沿新材料介紹1、納米材料納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1-10Onm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于 10100個(gè)原子緊密排列在一起的尺 度。目前納米材料在很多方面都已投入應(yīng)用：1 ）、納米磁性材料：在實(shí)際中應(yīng)用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學(xué)性質(zhì)， 納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力 很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度 比Y-Fe2O3高幾十倍。超順磁的強(qiáng)磁性納米

4、顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤(rùn)滑和選礦等領(lǐng)域。2 ）、納米陶瓷材料：傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動(dòng)，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度 高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng)，因此，納米陶瓷材料 具有極高的強(qiáng)度和高韌性以及良好的延展性， 這些特性使納米陶瓷材料可在常溫 或次高溫下進(jìn)行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形， 然后做表面 退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定 性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。3）、納米傳感器：納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對(duì)溫度變化、紅 外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們制

5、作溫度傳感器、紅外線檢測(cè) 儀和汽車尾氣檢測(cè)儀，檢測(cè)靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多4 ）、納米傾斜功能材料：在航天用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室的內(nèi)表面需要耐 高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內(nèi)表面要用陶瓷制作，外表面則要用導(dǎo) 熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結(jié)合在一起。如果制作時(shí)在金屬和 陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化，讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”，最終 便能結(jié)合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的成分變化像一個(gè)傾斜的梯 子。當(dāng)用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時(shí)，就能達(dá)到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。5）、納米半導(dǎo)體材料：將硅、砷化鎵等半

6、導(dǎo)體材料制成納米材料，具有許多 優(yōu)異性能。例如，納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)反 常、導(dǎo)電率降低，電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。利用半導(dǎo)體納米 粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽能電 池。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能 力，因而它能氧化有毒的無機(jī)物，降解大多數(shù)有機(jī)物，最終生成無毒、無味的二 氧化碳、水等，所以，可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽能催化分解無機(jī)物和有 機(jī)物。6）、納米催化材料：納米粒子是一種極好的催化劑，這是由于納米

7、粒子尺寸小、表面的體積分?jǐn)?shù)較大、表面的化學(xué)鍵狀態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、 表面原 子配位不全，導(dǎo)致表面的活性位置增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。鎳 或銅鋅化合物的納米粒子對(duì)某些有機(jī)物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑， 可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應(yīng)的溫度從600 C降低 到室溫。7）、醫(yī)療上的應(yīng)用：血液中紅血球的大小為 6 0009 000 nm，而納米粒子只有幾個(gè)納米大小，實(shí)際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動(dòng)。 如 果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個(gè)部位，便可以檢查病變和進(jìn)行治療，其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過程

8、越 來越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能 的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。通過納米粒子的特殊性能在納米粒子表面進(jìn)行修飾形成一些具有靶向，可控釋放，便于檢測(cè)的藥物傳輸載體，為身體的局部病變的治療提供新的方法， 為 藥物開發(fā)開辟了新的方向。8）、納米計(jì)算機(jī)：世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于 1945年，它是由美國(guó)的大 學(xué)和陸軍部共同研制成功的，一共用了 18 000個(gè)電子管，總重量30

9、t，占地面積 約170 m，可以算得上一個(gè)龐然大物了，可是，它在1 s內(nèi)只能完成5 000次運(yùn)算。 如果采用納米技術(shù)來構(gòu)筑電子計(jì)算機(jī)的器件，那么這種未來的計(jì)算機(jī)將是一種“分子計(jì)算機(jī)”其袖珍的程度又遠(yuǎn)非今天的計(jì)算機(jī)可比，而且在節(jié)約材料和能源 上也將給社會(huì)帶來十分可觀的效益?？梢詮拈喿x硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為芯 片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料 后，可以縮小成為“掌上電腦”9）、家電：用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用為作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。10 ）、環(huán)境保護(hù)：環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜

10、。這種膜能夠探測(cè)到由 化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過濾，從而消除污染。11 ）、紡織工業(yè)：在合成纖維樹脂中添加納米 SiO2、納米ZnO、納米Si02復(fù)配 粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功 能纖維。12、機(jī)械工業(yè)：采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂 層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。2、超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料指在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì) 的材料，能夠無損耗地傳輸電能。超導(dǎo)材料具有的優(yōu)異特性使它從被發(fā)現(xiàn)之日起，就向人

11、類展示了誘人的應(yīng)用前景。但要實(shí)際應(yīng)用超導(dǎo)材料又受到一系列因素的制約，這首先是它的臨界參量， 其次還有材料制作的工藝等問題（例如脆性的超導(dǎo)陶瓷如何制成柔細(xì)的線材就有 一系列工藝問題）。超導(dǎo)材料的應(yīng)用主要有：利用材料的超導(dǎo)電性可制作磁體， 應(yīng)用于電機(jī)、高能粒子加速器、磁懸浮運(yùn)輸、受控?zé)岷朔磻?yīng)、儲(chǔ)能等；可制作電 力電纜，用于大容量輸電（功率可達(dá) 10000MVA）；可制作通信電纜和天線，其 性能優(yōu)于常規(guī)材料。利用材料的完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。制作一系列精密測(cè)量?jī)x表以及輻射探測(cè)器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫 森結(jié)作計(jì)算機(jī)的邏輯和存儲(chǔ)元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路的快1020倍,

12、功耗只有四分之一。3、智能材料智能材料，是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新 型功能材料，是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料， 是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一， 將支撐未來高技術(shù)的發(fā)展，使傳統(tǒng)意 義下的功能材料和結(jié)構(gòu)材料之間的界線逐漸消失，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能化、功能多樣化。 一般來說智能材料具有七大功能，即傳感功能、反饋功能、信息識(shí)別與積累功能、 響應(yīng)功能、自診斷能力、自修復(fù)能力和自適應(yīng)能力。在建筑方面，科學(xué)家正集中力量研制使橋梁、高大的建筑設(shè)施以及地下管道 等能自診其“健康”狀況，并能進(jìn)行行“醫(yī)治疾病”的材料。在飛機(jī)制造方面，科學(xué) 家正在研制具有如

13、下功能的智能材料：當(dāng)飛機(jī)在飛行中遇到渦流或猛烈的逆風(fēng) 時(shí)，機(jī)翼中的智能材料能迅速變形，并帶動(dòng)機(jī)翼改變形狀，從而消除渦流或逆風(fēng) 的影響，使飛機(jī)仍能平穩(wěn)地飛行?？蛇M(jìn)行損傷評(píng)估和壽命預(yù)測(cè)的飛機(jī)自診斷監(jiān)測(cè) 系統(tǒng)。在醫(yī)療方面，智能材料和結(jié)構(gòu)可用來制造無需馬達(dá)控制并有觸覺響應(yīng)的假 肢。軍事方面，在航空航天器蒙皮中植入能探測(cè)激光、核輻射等多種傳感器的智 能蒙皮，可用于對(duì)敵方威脅進(jìn)行監(jiān)視和預(yù)警。除上述幾個(gè)方面外，智能材料的再一個(gè)重要進(jìn)展標(biāo)志就是形狀記憶合金，或稱記憶合金。這種合金在一定溫度下 成形后，能記住自己的形狀。當(dāng)溫度降到一定值（相變溫度）以下時(shí)，它的形狀 會(huì)發(fā)生變化；當(dāng)溫度再升高到相變溫度以上時(shí)，它又

14、會(huì)自動(dòng)恢復(fù)原來的形狀。今后的研究重點(diǎn)包括以下六個(gè)方面：（1）智能材料概念設(shè)計(jì)的仿生學(xué)理論研 究（2）材料智然內(nèi)稟特性及智商評(píng)價(jià)體系的研究（3）耗散結(jié)構(gòu)理論應(yīng)用于智能材料的研究（4）機(jī)敏材料的復(fù)合-集成原理及設(shè)計(jì)理論（5）智能結(jié)構(gòu)集成的 非線性理論（6）仿人智能控制理論4、生物材料生物材料是用于人體組織和器官的診斷、修復(fù)或增進(jìn)其功能的一類高技術(shù)材料， 即用于取代、修復(fù)活組織的天然或人造材料，其作用藥物不可替代。生物材料能 執(zhí)行、增進(jìn)或替換因疾病、損傷等失去的某種功能，而不能恢復(fù)缺陷部位。生物材料按特性可分為：血液相容性材料，如人工瓣膜、人工氣管、人工心臟、血漿分離膜、血液灌流用吸附劑、細(xì)胞培養(yǎng)基

15、材等；軟組織相容性材料，如 隱形眼睛片的高分子材料，人工晶狀體、聚硅氧烷、聚氨基酸等，用于人工皮膚、 人工氣管、人工食道、人工輸尿管、軟組織修補(bǔ)等領(lǐng)域；硬組織相容性材料，如 醫(yī)用金屬、聚乙烯、生物陶瓷等，關(guān)節(jié)、牙齒、其它骨骼等；生物降解材料，如 甲殼素、聚乳酸等，用于縫合線、藥物載體、粘合劑等；高分子藥物，如多肽， 胰島素、人工合成疫苗等，用于糖尿病、心血管、癌癥以及炎癥等。5、電子信息材料電子信息材料是指在微電子、光電子技術(shù)和新型元器件基礎(chǔ)產(chǎn)品領(lǐng)域中所用的材料，主要包括單晶硅為代表的半導(dǎo)體微電子材料；激光晶體為代表的光電子 材料；介質(zhì)陶瓷和熱敏陶瓷為代表的電子陶瓷材料；釹鐵硼（ NdFeB

16、）永磁材 料為代表的磁性材料；光纖通信材料；磁存儲(chǔ)和光盤存儲(chǔ)為主的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)材料； 壓電晶體與薄膜材料；貯氫材料和鋰離子嵌入材料為代表的綠色電池材料等。這 些基礎(chǔ)材料及其產(chǎn)品支撐著通信、計(jì)算機(jī)、信息家電與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展6、新型高分子材料高分子材料是由相對(duì)分子質(zhì)量較高的化合物構(gòu)成的材料，包括橡膠、塑料、 纖維、涂料、膠粘劑和高分子基復(fù)合材料。高分子材料包括塑料、橡膠、纖維、 薄膜、膠粘劑和涂料等。其中，被稱為現(xiàn)代高分子三大合成材料的塑料、合成纖 維和合成橡膠已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)與人民日常生活所必不可少的重要材料。1）高分子分離膜高分子分離膜是用高分子材料制成的具有選擇性透過功能的半透

17、性薄膜。采 用這樣的半透性薄膜，以壓力差、溫度梯度、濃度梯度或電位差為動(dòng)力，使氣體 混合物、液體混合物或有機(jī)物、無機(jī)物的溶液等分離技術(shù)相比，具有省能、高效 和潔凈等特點(diǎn)，因而被認(rèn)為是支撐新技術(shù)革命的重大技術(shù)。推廣應(yīng)用高分子分離 膜能獲得巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 例如，利用離子交換膜電解食鹽可減少污 染、節(jié)約能源：利用反滲透進(jìn)行海水淡化和脫鹽、要比其它方法消耗的能量都??； 利用氣體分離膜從空氣中富集氧可大大提高氧氣回收率等。2）高分子磁性材料高分子磁性材料，是人類在不斷開拓磁與高分子聚合物 （合成樹脂、橡膠）的 新應(yīng)用領(lǐng)域的同時(shí)，而賦予磁與高分子的傳統(tǒng)應(yīng)用以新的涵義和內(nèi)容的材料之 一。現(xiàn)在工業(yè)

18、常用的磁性材料有三種， 即鐵氧體磁鐵、稀土類磁鐵和鋁鎳鉆合金 磁鐵等。它們的缺點(diǎn)是既硬且脆，加工性差。為了克服這些缺陷，將磁粉混煉于 塑料或橡膠中制成的高分子磁性材料便應(yīng)運(yùn)而生了。 這樣制成的復(fù)合型高分子磁 性材料，因具有比重輕、容易加工成尺寸精度高和復(fù)雜形狀的制品， 還能與其它 元件一體成型等特點(diǎn)，而越來越受到人們的關(guān)注。高分子磁性材料主要可分為兩 大類，即結(jié)構(gòu)型和復(fù)合型。3）光功能高分子材料所謂光功能高分子材料，是指能夠?qū)膺M(jìn)行透射、吸收、儲(chǔ)存、轉(zhuǎn)換的一類 高分子材料。目前，這一類材料已有很多，主要包括光導(dǎo)材料、光記錄材料、光 加工材料、光學(xué)用塑料（如塑料透鏡、接觸眼鏡等）、光轉(zhuǎn)換系統(tǒng)材料

19、、光顯示用 材料、光導(dǎo)電用材料、光合作用材料等。光功能高分子材料在整個(gè)社會(huì)材料對(duì)光 的透射，可以制成品種繁多的線性光學(xué)材料，像普通的安全玻璃、各種透鏡、棱 鏡等;利用高分子材料曲線傳播特性，又可以開發(fā)出非線性光學(xué)元件，如塑料光 導(dǎo)纖維、塑料石英復(fù)合光導(dǎo)纖維等；而先進(jìn)的信息儲(chǔ)存元件興盤的基本材料就是 高性能的有機(jī)玻璃和聚碳酸脂。此外，利用高分子材料的光化學(xué)反應(yīng)，可以開發(fā) 出在電子工業(yè)和印刷工業(yè)上得到廣泛使用的感光樹脂、光固化涂料及粘合劑；利用高分子材料的能量轉(zhuǎn)換特性，可制成光導(dǎo)電材料和光致變色材料；利用某些高 分子材料的折光率隨機(jī)械應(yīng)力而變化的特性，可開發(fā)出光彈材料，用于研究力結(jié) 構(gòu)材料內(nèi)部的應(yīng)力分布等。4）高分子復(fù)合材料高分子材料和另外不同組成、不同形狀、不同性質(zhì)的物質(zhì)復(fù)合粘結(jié)而成的多 相材料。高分子復(fù)合材料最大優(yōu)點(diǎn)是博各種材料之長(zhǎng)，如高強(qiáng)度、質(zhì)輕、耐溫、 耐腐蝕、絕熱、絕緣等性質(zhì)，根據(jù)應(yīng)用目的，選取高分子材料和其他具有特殊性 質(zhì)的材料，制成滿足需要的復(fù)合材料。高分子復(fù)合材料分為兩大類：高分子結(jié)構(gòu) 復(fù)合材料和高分子功