新材料領域未來發(fā)展方向

1、日新月異的現(xiàn)代技術的發(fā)展需要很多新型材料的支持。自從第三次科技浪潮席卷全球以來，新型材料同信息、能源一起，被稱為現(xiàn)代科技的三大支柱。新材料的誕生會帶動相關產(chǎn)業(yè)和技術的迅速發(fā)展，甚至會催生新的產(chǎn)業(yè)和技術領域。材料科學現(xiàn)已發(fā)展成為一門跨學科的綜合性學科。根據(jù)我國當前及未來發(fā)展的實際情況，新材料領域值得注意的新發(fā)展方向主要有半導體材料、結構材料、有機高分子材料、敏感與傳感轉換材料、納米材料、生物材料及復合材料。1.半導體材料隨著高科技發(fā)展的需要，半導體及其應用研究的中心正向直接影響市場的微型或低維量子器件、改善傳輸質量和效率、增大功率和距離等方向發(fā)展，半導體化合物（GaAs、InAs、GaN、SiC

2、等）具有重要的應用前景。半導體材料領域的重要研究主題有：（1）Si基積分電路設計，就材料物性而言涉及用于門（gates）電路控制的納米尺寸電介質制造及特性研究。（2）大能隙材料則在光電子學領域中具有關鍵的作用?？梢灶A期，V族化合物材料具有重要應用前景。（3）納米電子學及納米物理學研究是微電子及光電子材料和器件發(fā)展的基礎，涉及半導體與有機或生物分子耦合，低維器件的量子尺寸效應，半導體與超導體或磁性材料界面以及原子或分子尺度的存儲問題。建立原子學模擬與連續(xù)介質力學及量子力學跨層次跨尺度關聯(lián)應是該領域中的一個重要的研究方向。2.結構材料Fe基、Al基、Ti基以及Mg基合金作為力學材料的主體，構成了系

3、列結構材料，其主要功能是承擔負載（如火車、汽車、飛機）。汽車用鋼近年來已從一般鋼鐵發(fā)展為使用燦合金或特殊的高強Mg基合金，高強Ti合金在高強鋼中有重要位置，不銹鋼則有取代碳鋼的趨勢。用于軍用飛機的Al合金及一般鋼材則被先進的Ti合金及高分子基復合材料所取代。進一步還需要發(fā)展碳纖維增強復合材料或Al基復合材料。結構材料的主體有：（1）鋼鐵：鋼鐵材料，特別是具有多相結構和復雜成分的優(yōu)質鋼具有重要的應用前景和潛在優(yōu)勢，需要開展相應的基礎研究。聯(lián)系微米和納米技術的納米層間結構、織構以及晶界和界面都可視為改善鋼鐵材料的重要途徑。（2）Al合金：Al基材料及相應的沉淀硬化效應導致高強鋁合金的出現(xiàn)，相關技術

4、工藝已發(fā)展為"沉淀科學"，它涉及"相"間晶體結構的匹配性以及合金的穩(wěn)定性，特別是時效合金的穩(wěn)定性直接影響航空或空間應用，因此可視為Al合金基礎研究中的重要問題。（3）Mg合金：鎂及鎂合金廣泛應用于冶金、汽車、摩托車、航空航天、光學儀器、計算機、電子與通訊、電動、風動工具和醫(yī)療器械等領域。鎂合金是最輕的工程結構材料，以其優(yōu)良的導熱性、減振性、可回收性、抗電磁干擾及優(yōu)良的屏蔽性能等特點，被譽為新型"綠色工程材料"、21世紀的"時代金屬"。（4）Ti合金：Ti合金在軍用或民用航空工業(yè)的發(fā)展中有重要位置，多相納米尺度層狀微

5、結構問題對高強Ti基合金的特性具有重要意義，它將成為設計新Ti基合金的關鍵因素。（5）結構陶瓷及陶瓷基復合材料：提高陶瓷材料的韌性和可靠性，降低陶瓷材料的制造成本是直接關系到陶瓷材料在高技術領域中應用的關鍵。先進結構陶瓷近年的主要發(fā)展趨勢是：高延展性、超高強、超高韌、超高硬和耐高溫的新材料探索。具體說來主要有：向多層次、多相復合陶瓷方向發(fā)展；強韌化從纖維增韌、晶須增韌、顆粒彌散強化、相變增韌等發(fā)展到協(xié)同增韌；向納米陶瓷方向發(fā)展；加強陶瓷材料的剪裁與設計，如晶界和界面設計、晶粒取向設計、多相之間的復合設計、仿生結構設計等；Ti3SiC2和們Ti3AlC2等為代表的新型層狀三元碳化物和氮化物陶瓷；

6、高性能多孔陶瓷材料；突破低成本、高性能先進陶瓷制備工藝技術。3.有機高分子材料有機高分子材料是現(xiàn)代工業(yè)和高新技術的重要基石，已成為國民經(jīng)濟基礎產(chǎn)業(yè)以及國家安全不可或缺的重要材料。一方面量大面廣的通用高分子材料需要不斷地升級改造，以降低成本、提高材料的使用性能；另一方面各類新型的高分子材料將應運而生，尤其是有機及聚合物分子或少數(shù)分子組合體的光、電和磁特性將成為高分子向功能化以及微型器件化發(fā)展的重要方向。（1）分子材料與分子電子器件研究：該領域的主要研究方向是：新型功能分子的設計、合成與組裝；分子納米結構的構筑；分子的組裝、自組裝以及自組裝技術在分子電子器件上的應用研究。這些分子電子器件主要包括分

7、子電開關、分子光開關和分子電光開關的設計、分子導線、分子整流器、分子開關、分子晶體管、分子馬達及分子邏輯器等。（2）光電信息功能高分子材料研究重點主要在：有機高分子光子晶體材料：探索有機高分子形成光子材料的途徑；超高密度高分子存儲材料：開發(fā)存儲密度高的高分子材料；高分子傳輸材料：研究和開發(fā)應用于通訊傳輸?shù)木哂休^高光學透過性，光學均勻，且高折射率、低光損耗的高分子塑料光纖； 高分子顯示材料：有機高分子電致發(fā)光材料、高分子液晶材料等，其發(fā)展方向為開發(fā)出具有高的電致發(fā)光效率、低驅動電壓，具有不同發(fā)光波長（彩色）和長壽命的各種發(fā)光器件。（3）生物醫(yī)用高分子材料包括：藥物載體與控釋材料：研究適

8、于各類藥物的新型生物降解高分子載體和控釋材料的設計與合成，藥物與載體的相互作用以及藥物載體體系的生物醫(yī)學性能（注射、口服、吸收、分布、排泄等）評價；誘導組織自修復與再生材料：研究能夠誘導組織自修復與再生新型生物降解材料的設計與制備，材料的形態(tài)、孔度、降解速度等與組織自修復和再生過程的相互作用關系；生物醫(yī)用材料的表面修飾以及生物相容性研究：研究不同結構的生物醫(yī)用材料表面修飾新方法以解決材料的生物相容性問題等。（4）與能源、環(huán)境相關的高分子功能材料燃料電池、太陽能電池的關鍵高分子材料：研究高能、長壽命固態(tài)電池及相關電極材料；研究不同有機光敏染料和納米半導體結構體系的太陽能電池，柔性、薄膜太陽能電池

9、的研究將是未來發(fā)展的重要方向；吸收分離高分子材料：重點研究用于廢氣與廢水處理的功能材料；具有高選擇性吸附、分離功能的膜及納米介孔材料等； 環(huán)境敏感材料與材料智能化：研究對微量有害物質等環(huán)境因素高靈敏度感應和傳感材料及危害防護材料等；綠色、環(huán)保高分子材料研究：重點研究天然高分子材料（如淀粉、纖維素等）的改性等。4.敏感與傳感轉換材料敏感與傳感轉換材料是指對電、磁、光、聲、熱（溫度）、力、化學、生物變化敏感并具有轉換功能的材料，包括磁性材料、磁電材料、磁阻和巨磁阻材料、電磁液流變液體、磁致伸縮材料、電阻材料、超導材料、感光和發(fā)光材料、介電材料（介電、壓電、鐵電、熱釋電、微波材料）、氣敏、

10、濕敏、溫敏材料、熱偶、記憶合金及儲氫材料、生物傳感材料及智能材料。一般說來，任何一種物質，在不同的溫度、壓力和外場（如引力場、電場、磁場等）的影響下，將呈現(xiàn)不同的物態(tài)。敏感與傳感轉換材料的關鍵是突出各種因素時相變中的變化過程。5.納米科學與技術（1）研究方向：研究物質在納米尺度上表現(xiàn)出的物理、化學和生物特性，單分子的特性和相互作用，為以原子、分子為起點，設計和構筑新的納米結構、材料和器件，提供科學基礎和理論準備。加強對納米結構新的測試和表征方法的研究和探索，加深對納米科技理論和方法的理解。（2）應用方向，納米技術的發(fā)展有5個主要方向：以納米材料（顆粒、C60、碳納米管）為代表的方向；以從微電子

11、向納電子轉化為代表的方向；以微光、機、電集成系統(tǒng)向納光、機、電集成系統(tǒng)為代表的方向（MEMSNEMS）；以納米生物學、系統(tǒng)為代表的方向；以納米物理化學性質、制備、表征等為代表的方向。（3）納米技術在紡織領域的應用：目前，納米技術在紡織方面的應用主要表現(xiàn)在納米復合纖維及納米技術在紡織后整理等方面。納米復合纖維：化學纖維中加入納米級添加劑，可以制造出新一代功能性更強的、不同用途的優(yōu)良復合化學纖維。這種方法的技術難度比直接制造納米纖維的難度要低，是近期內納米技術在紡織領域中應用的主導方向。結合當前的實際情況，應考慮發(fā)展以下幾類纖維：抗紫外纖維納米TiO2和納米ZnO等陶瓷粉，由于小尺寸效應，對光的吸

12、收性很強。以它們?yōu)闊o機紫外線屏蔽劑制成的抗紫外線型纖維或織物，不僅可全面抵御UV-A、UV-B對人體皮膚的傷害，而且還能反射可見光和紅外線，具有遮熱功能，以此類纖維制成的織物，便于印染整理，手感柔軟，透氣涼爽，服用性好。目前從國內外研制生產(chǎn)的品種來看，涉及到滌綸、維綸、腈綸、錦綸、丙綸和粘膠纖維等。 抗菌、抑菌和除臭纖維納米級TiO2和ZnO等光催化無機抗菌劑可應用于超細纖維等特殊場合，是前景廣闊的新型抗菌材料。它們可作為添加劑加到滌綸、丙綸、錦綸、腈綸、粘膠等化纖中，賦予各類纖維及其織物抗菌、抑菌、除臭功能，從而起到保健和美學作用，所制成的纖維不僅具有疏水導濕性、快干性、抗污性、密

13、度小和手感柔軟等特點，且抗菌性能持久。導電纖維將二氧化錫和氧化鋅等白色納米粉體與纖維高聚物混合紡絲或通過吸附法及浸漬化學反應使其覆蓋于纖維表面上，制成白色導電纖維，可用來制作防護服、工作服和裝飾性導電材料。遠紅外纖維此類纖維可以吸收太陽光和人體輻射的遠紅外線，也可以發(fā)射出波長和功率與其溫度相適應的遠紅外線，因而使織物具有更好的保暖效果；它還能吸引人體自身向外散發(fā)的熱量，并再向人體反射易吸收的遠紅外線。同時，由于特殊的物理效能刺激人體生理發(fā)生變化，還能達到保健和抑菌的作用。遠紅外纖維除了具有反射功能外，還兼有抗可見光、近紅外線和抗紫外線的功能，可用來制作夏日服裝、野外工作服、遮陽傘及裝飾用布等，

14、孕育著十分廣闊的市場。空氣負離子纖維奇冰石納米復合粉是將多種天然礦石進行深度加工，并添加納米TiO2等納米粉體制成的性能奇特的超細粉體。添加了奇冰石的丙綸、滌綸纖維，可以產(chǎn)生空氣負離子，發(fā)射遠紅外電磁波，還可以釋放人體需要的微量元素，因此可制作保健服、內衣、室內裝飾布、窗簾、家用紡織品、汽車裝飾布等。它還可以為人體隨時補充所需要的微量元素，實現(xiàn)了醫(yī)藥工程和紡織工程的完美結合，易被廣大消費者接受，具有較大的市場潛力。高強高模量纖維納米碳管的強度極高，彈性模量也很高，甚至可以彎曲后再彈回，可用于制備高強高彈性纖維。另外，粘土與聚合物的復合能夠大大提高材料的強度和模量，北京服裝學院利用納米粘土的這種

15、功能，與聚酰胺插層聚合開發(fā)尼龍納米功能纖維，使纖維的強度和模量有很大的提高，尤其是模量，可以提高2倍，但纖維的紡絲性能沒有明顯的改變。除了上述功能纖維以外，采用納米粉體對纖維進行改性，還可以開發(fā)多種功能纖維，如變色纖維、耐熱纖維、芳香纖維、磁性纖維、儲能纖維、發(fā)光纖維、阻燃纖維、吸水吸濕纖維、防水拒油纖維等。納米技術在織物后整理中的應用直接涂層法獲得功能性涂層先將納米微粒直接加入到織物整理劑中，使其均勻分散，然后使織物通過包含納米微粒的整理液，在粘合劑作用下直接涂覆在織物表面，形成功能性涂層。接枝技術法獲得功能性涂層對于某些涂層牢度不夠、功能性不持久的情況，可采用接枝技術。具體可采用兩條技術路

16、線：一是將對納米材料有很強的配位能力的有機化合物接枝到棉纖維上，制成簡單的有機分子模板，再將納米團簇組裝到纖維上；二是在制備納米微粒時，用可接枝到纖維上的化合物作為捕獲劑，使納米微粒通過捕獲劑進行表面修飾形成"團簇"，再把"團簇"接枝到纖維上。（4）納米改性涂料實驗研究表明，在各類涂料中添加納米材料，如納米TiO2，可以制造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料，廣泛應用于醫(yī)院和家庭內墻涂飾；防紫外線涂料，用于生產(chǎn)防紫外線陽傘；吸波隱身涂料，用于隱形飛機、隱形軍艦等國防工業(yè)領域及其他需要電磁波屏蔽場所的涂敷。在涂料中添加納米SiO2，可使涂料的抗老化性能

17、、光潔度及強度成倍提高，涂料的質量和檔次大大升級。納米二氧化鈦超親水性和超親油性的開發(fā)應用將為涂層材料帶來革命，使表面具有自清潔功效，防污、防霧、易洗、易干。納米材料改性外墻涂料的耐洗刷性可由原來的1000多次提高到1萬多次，老化時間延長2倍多，利用納米材料的光學性能改性后的顏料色彩艷麗、保持持久且極易分散。（5）納米稀土納米稀土是目前國內納米材料發(fā)展的熱點之一。目前正在重點開發(fā)紡織纖維用納米稀土材料、PDPLED用稀土發(fā)光材料、稀土熒光粉和高性能稀土合金。納米稀土的主要應用方向為汽車尾氣催化劑（如納米CeO2）、紡織纖維添加劑、高性能稀土發(fā)光材料、陶瓷及涂層等。（6）納米陶瓷氧化釔鋯是一種應

18、用廣泛的陶瓷材料，用納米氧化釔和氧化鋯能在較低溫度下燒結成氧化鋯陶瓷，具有很高的強度和韌性，可用作刀具和耐磨零件，也可制成陶瓷發(fā)動機部件。此外，稀土氧化物等納米材料可以摻入普通陶瓷粉，噴涂在陶瓷基體上形成無機陶瓷臘（膜），代替聚四氟乙烯有機膜，做成耐熱、無鉛、不粘的日用陶瓷炊具。 （7）高分子納米材料高分子材料將是納米材料的主體之一，高分子納米材料的發(fā)展將主要涉及如下一些重要方向：結構、尺寸、形貌可控的高分子納米材料制備技術：高分子納米材料的形成機理與生長動力學；高分子納米材料的制備新方法；高分子納米材料的穩(wěn)定性。高分子納米圖案的有序化自組裝技術：運用分子組裝、自組織和模板技術，組裝

19、成各類圖案化的高分子陣列，形成納、微電子器件或者作為納、微電子器件的模板或者襯底。高分子納米復合材料：研究高分子材料與其他納米顆?；蛘呃w維的復合，將有可能使高分子納米材料走向實用化。（8）納米電子學納米尺寸效應導致電子運動受限，誘發(fā)量子尺寸效應。納米技術在實質上推動了在分子水平上具有新奇的物理、化學或生物特性的新材料、新器件設計。從這個意義上講，納米技術的中心在納米電子學領域內得到實現(xiàn)。預期Si基納米器件仍將保持中心的位置。相應的關于量子尺寸效應、隧道效應、交換耦合、納米線的傳導性以及納米尺度上的磁性和鐵電特性的研究，構成設計納米尺度新器件的物理基礎。 分子電子學及單壁納米碳管和富勒烯（碳原子團）的研究，光納米電子學及III-V族量子點材料和器件的研究，都是迅速發(fā)展中的納米技術的新領域和新趨勢?；诩{米磁性材料的巨磁阻現(xiàn)象及相關器件的研究也在迅速進展中。（9）納米發(fā)動機生物分子納米發(fā)動機僅有一個病毒大小，由兩部分組成：一部分用有機物充當發(fā)動機，另一部分用鎳無機物充當螺旋槳，整臺發(fā)動機長750nm，寬150nm。這臺發(fā)動機由ATP（三磷酸腺苷）提供能量，由ATP合成酶驅動發(fā)動機運轉。每加一次能量，納米發(fā)動機可連續(xù)工作1小時。科學家高度評價此項科技成果，認為生物分子納米發(fā)動機在醫(yī)學領