化學(xué)及新型材料

高分子分離膜具有特殊分離功能高分子材料薄膜，特點(diǎn)能讓某些物質(zhì)有選擇地通過，而把另外一些物質(zhì)分離掉。人造心臟人工腎臟人工膝關(guān)節(jié)人工心臟瓣膜醫(yī)用高分子材料優(yōu)異生物相容性，較少受到排斥，可以滿足人工器官對材料的苛刻要求?；瘜W(xué)與新型材料主講人黃凱一、材料分類二、功能材料1、信息功能材料（半導(dǎo)體材料、光電子材料）2、能源功能材料（超導(dǎo)材料、磁性材料、貯能材料、燃料電池）3、生物材料與智能材料（醫(yī)用生物材料、仿生材料）4、納米材料三、軍用新材料◆

人口、資源(能源)、環(huán)境（生態(tài)）三大壓力◆

信息與經(jīng)濟(jì)全球一體化◆

知識經(jīng)濟(jì)時代意味著科學(xué)技術(shù)與教育將受到更高的重視◆國防與戰(zhàn)爭仍是促進(jìn)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的動力◆人類社會在發(fā)生變化壽命延長(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)◆

人的質(zhì)量是社會進(jìn)步?jīng)Q定性的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)時代特征:序言一、材料分類化學(xué)有機(jī)化學(xué)無機(jī)化學(xué)材料有機(jī)材料無機(jī)材料按化學(xué)組成分類金屬材料黑色金屬及其合金有色金屬及其合金非晶、微晶金屬材料特種功能金屬材料無機(jī)非金屬材料玻璃與非晶無機(jī)非金屬材料低維無機(jī)非金屬材料人工晶體材料無機(jī)陶瓷材料特種功能無機(jī)非金屬材料高分子材料塑料、橡膠和纖維功能高分子材料高性能高分子材料高分子液晶材料復(fù)合材料金屬基金復(fù)合材料無機(jī)非金屬基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料其他復(fù)合材料二、功能材料

1、信息功能材料（半導(dǎo)體材料、光電子材料）信息功能材料：

是指信息獲取、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲、顯示或控制所需材料。信息時代信息功能材料仍是最活躍的領(lǐng)域?！霭雽?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,到2010年可能到極限(0.07μm)（量子效應(yīng)、磁場及熱效應(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。集成系統(tǒng)（IS，IntegratedSystem)：在單個芯片上完成整系統(tǒng)的功能，集處理器、存儲器直到器件設(shè)計于一個芯片(SystemonaChip)。集成電路的總發(fā)展趨勢：

高集成度、微型化、高速度、低功耗、高靈敏度、低噪聲、高可靠、長壽命、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，同時對硅單晶的要求也愈來愈高。聯(lián)芯科技推出TD四核芯片LC1813（2）第二代半導(dǎo)體材料是Ⅲ-Ⅴ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個量級，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。高效電源模塊主要采用國產(chǎn)三結(jié)GaInP2/GaAs/Ge高效太陽電池陣。神舟七號（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。（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（Cr3+

、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）紅外探測材料（軍用為主）

HgCdTe、InSb、CdZnTe、CdTe（4）半導(dǎo)體光電子材料（附表）全球鷹隱身無人機(jī)側(cè)視雷達(dá)/光電/紅外探測裝置光纖材料:

石英玻璃：

SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F

多組分玻璃：

SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3–Na2O

紅外玻璃：重金屬氧化物、鹵化物

摻稀土元素玻璃：Er、Nd、…（7）記錄材料21世紀(jì)是以信息存儲為核心的計算機(jī)時代，在軍事方面，如何快速準(zhǔn)確地獲取記錄、存儲、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（γ-Fe2O3及加Co-γ-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)。數(shù)據(jù)永久保存錸德推M-DISC千年光盤2、能源功能材料

化石能源日益枯竭（甲烷水化物）

環(huán)境要求越來越高

人口增長，生活水平提高，能源需求量大幅度增加（1）可再生能源的開發(fā)

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

氣候影響大太陽能利用形式

直接輻射能

熱水器

熱水發(fā)電

光伏電能

民用：高效、長壽、價廉，需要儲電系統(tǒng)。

多晶Si17.7%

單晶Si23.1%貼上了這張膜手機(jī)充電只需曬太陽單晶體和多晶體的區(qū)別？

多晶體晶體是由許許多多的小晶粒組成，晶粒之間的排列沒有規(guī)則，如金屬銅和鐵。單晶體晶體本身就是一個完整的大晶粒，如水晶和晶剛石。

單晶硅與多晶硅光伏電池的比較？

單晶硅電池具有電池轉(zhuǎn)換效率高，穩(wěn)定性好，但是成本較高。多晶硅電池成本低，轉(zhuǎn)換效率略低于直拉單晶硅太陽能電池。附：中歐光伏戰(zhàn)

2012年9月和11月，應(yīng)歐盟支持太陽能組織請求，歐盟委員會對原產(chǎn)自中國的太陽能電池發(fā)起反傾銷、反補(bǔ)貼調(diào)查。

2013年5月，商務(wù)部新聞發(fā)言人多次表示，如歐方對華光伏產(chǎn)品征收反傾銷重稅，將嚴(yán)重危害中歐經(jīng)貿(mào)關(guān)系?！拔覀儾幌Ｍ吹健Q(mào)易戰(zhàn)’，但如果歐方對(光伏)產(chǎn)品設(shè)限，我們也將切實維護(hù)中國企業(yè)的利益?！?/p>

5月22日，中國機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)出口商會發(fā)表聲明稱，近期中國與歐盟就光伏產(chǎn)品雙反案進(jìn)行的首輪價格承諾談判宣告破裂。

根據(jù)歐盟決策規(guī)則，成員國于今年5月24日前就歐盟委員會貿(mào)易委員卡雷爾.德古赫特提出的征稅方案提交正式書面意見。據(jù)路透社調(diào)查，歐盟27國中，15國明確表示反對征稅，6國支持，6國沒有回應(yīng)。

5月底，李克強(qiáng)訪問瑞士和德國時多次強(qiáng)調(diào)，中國堅決反對歐盟對華光伏產(chǎn)品和無線通訊設(shè)備發(fā)起“雙反”調(diào)查。試就“無錫尚德”事例，談?wù)勀銓C合利用太陽能的認(rèn)識？核反應(yīng)堆，又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配核燃料以實現(xiàn)大規(guī)模可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。缺點(diǎn)：核污染歷史上重大核污染事件：1、日本遭受原子彈襲擊

2、切爾諾貝利核泄漏事件3、三里島核事故4、烏拉爾貯存罐核爆炸5、太平洋上的核試驗，比基尼事件6、福島第一核電站泄漏事故（2）核能目前核電站基于鈾裂變（熱中子反應(yīng)堆）燃料U235，鈾礦中占0.71％，U238為99.28％。日本高濱核電站（3）超導(dǎo)材料（superconductingmaterials）定義：在適當(dāng)?shù)臏囟?、磁場?qiáng)度和電流密度下，具有超導(dǎo)電性的材料。特性：零電阻、抗磁性、同位素效應(yīng)應(yīng)用：①利用材料超導(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。②利用材料完全抗磁性可制作無摩擦陀螺儀和軸承。③利用約瑟夫森效應(yīng)可制作一系列精密測量儀表以及輻射探測器、微波發(fā)生器、邏輯元件等。利用約瑟夫森結(jié)作計算機(jī)的邏輯和存儲元件，其運(yùn)算速度比高性能集成電路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

資料圖：中國軍工船舶系統(tǒng)714研究所2005年披露的超導(dǎo)電磁流體推進(jìn)概念潛艇模型

(4)磁性材料

硅鋼片是最重量要的軟磁材料

鐵基非晶態(tài)合金有明顯優(yōu)越性

特別用于：電焊機(jī)，節(jié)能，體積小

作為結(jié)構(gòu)材料：耐磨（作磁頭）、耐蝕ATS-200M硅鋼片鐵損磁感測量儀（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)電電解水氫貯氫高能電池貯氫材料金屬間化物貯氫基本成熟（表），但用于汽車燃料存在比重大，易中毒和價格問題。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－幾種金屬氫化物貯氫材料液氫（-235℃）Mg2NiH4LaNi5H6TiFeH1.9相對含氫密度11.331.481.35相對含氫量（%）1003.81.41.8

下表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Ni－MH電池，但從比能量密度，鋰電池最好，而價格是前者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)。

Ni－MH電池－汽油混合汽車已實用化，低速與起動用電池，而高速時自動跳到汽油并充電，如比可節(jié)油（1/2），排放減至1/10，CO2（1/2）。表－幾種典型電池反應(yīng)機(jī)理和特性（6）燃料電池

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)。

最近美國NASA正在開展一種試驗，即太陽能電池與氫氧燃料電池聯(lián)合開動的小飛機(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，計劃在2003年實現(xiàn)用于通信。

美氫燃料電池板塊漲勢凌厲汽車動力氫時代駛近3、生物材料與智能材料將受到高度重視21世紀(jì)是生命科學(xué)時代（1）醫(yī)用生物材料最主要是與人體相容性*組織工程*生長因子*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?yán)谜障鄼C(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。（2）仿生材料醫(yī)用生物材料海洋生物醫(yī)用材料“止血愈創(chuàng)紗”醫(yī)用膠片進(jìn)入21世紀(jì)有關(guān)制備工藝的重大基礎(chǔ)研究項目國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項目（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)攀登計劃

金屬材料熱成型過程的動態(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4、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在美國物理學(xué)會上提出納米科學(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年二月美國總統(tǒng)向國會提出《國家納米技術(shù)的建議》

（NationalNanotecthnologyInitiative）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（NSF1.22）定向課題(Grandchallengs)1.4億

(DOD0.54,DOE0.36)

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，及時轉(zhuǎn)入規(guī)模生產(chǎn)。通過“設(shè)計”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，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)實要10-20年。

我國納米材料起步不晚，聲勢也很大，謹(jǐn)防一哄而起，急于求成。納米技術(shù)與3D打印讓超級聽力不再是超人的專利，每個普通人都可以成為超級英雄。透明化可彎曲納米紙納米纖維既堅韌又有強(qiáng)度結(jié)束語一）新材料發(fā)現(xiàn)不等于能應(yīng)用于實際，有很多看來誘人如金屬的非晶態(tài)、高溫超導(dǎo)等，但生產(chǎn)工藝不過關(guān)，價格沒競爭能力，而不能產(chǎn)業(yè)化。二）新材料的發(fā)現(xiàn)往往出于偶然，如超導(dǎo)、C60等因此廣泛探索，悉心鉆研十分關(guān)鍵。三）新材料的研究開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，有賴于高技術(shù)的發(fā)展而高技術(shù)又以新材料基礎(chǔ)和先導(dǎo)，因此新材料與高技術(shù)相輔相成。四）在開發(fā)先進(jìn)材料的同時，必須重視傳統(tǒng)材料，因此后者是國民經(jīng)濟(jì)和支柱產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，資源消耗的大戶，又是環(huán)境的主要污染源。傳統(tǒng)材料性能的提高的生產(chǎn)工藝的改進(jìn)，有很大潛力必須給以更高的投入（人力、財力）和足夠的重視。

五）通過納米科學(xué)技術(shù)和學(xué)科間的交叉，21世紀(jì)材料科學(xué)技術(shù)將會出現(xiàn)突破性進(jìn)展，新型材料不斷涌現(xiàn)為信息技術(shù)、能源技術(shù)、機(jī)械制造、空間技術(shù)等的發(fā)展創(chuàng)造條件，并達(dá)到小型化、智能化和多功能化。六）進(jìn)入21世紀(jì)我國重大基礎(chǔ)研究項目中，在國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究（973）80個項目中有26項與材料有關(guān)屬于材料領(lǐng)域者有11項，自然科學(xué)基金有60個重大項目，與材料有關(guān)的有17項，但多數(shù)于化學(xué)領(lǐng)域。三、軍用新材料飛機(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)動機(jī)性能的提高，材料占1/2，對空間飛行器來說，由于材料的改進(jìn)，收益更為顯著