迈入世纪新材料（精品）

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1、迈入迈入2121世纪新材料世纪新材料2004 年年 2 月月l序言l信息功能材料半导体材料光电子材料l能源功能材料超导材料磁性材料贮能材料燃料电池 l生物材料与智能材料医用生物材料仿生材料工业生产中的生物模拟智能材料及智能系统l宇航及动力机械材料l材料制备工艺及检测l纳米材料科学技术l材料设计l不同类型材料的开展l金属结构材料l工程陶瓷及其它无机非金属材料l有机高分子材料l先进复合材料l碳素材料l结束语 序序 言言 (1)(1)人口、资源人口、资源(能源能源)、环境生态三大压力、环境生态三大压力;(2)(2)信息与经济的全球一体化信息与经济的全球一体化;(3)(3)知识经济时代意味着科学技术与

2、教育将受到更高的重视知识经济时代意味着科学技术与教育将受到更高的重视 (5)(5)国防与战争仍是促进科学技术开展的动力国防与战争仍是促进科学技术开展的动力 (4)(4)人类社会在发生变化：人类社会在发生变化：寿命延长寿命延长(器官更换，生物工程器官更换，生物工程)生活水平提高生活水平提高(加速资源消耗加速资源消耗)交往频繁交往频繁(信息网络、交通运输信息网络、交通运输)(6)(6)人的质量是社会进步的决定性因素教育将受到重大重视，人的质量是社会进步的决定性因素教育将受到重大重视，创新环境十分重要创新环境十分重要2121世纪时代特征世纪时代特征:(一一)信息时代的信息功能材料仍信息时代的信息功能

3、材料仍是最活泼的领域是最活泼的领域信息功能材料信息功能材料 是指信息获取、传输、转换、是指信息获取、传输、转换、存储、存储、显显 示或控制所需材料。示或控制所需材料。半导体材料半导体材料m)量子效应、磁场及热效应、制作困难、投资量子效应、磁场及热效应、制作困难、投资大。大。但不同档次的硅芯片在但不同档次的硅芯片在2121世纪仍大量世纪仍大量存在，并将有所开展。存在，并将有所开展。*在绝缘衬底上的硅在绝缘衬底上的硅SOISOI，SiOn Insulator):SiOn Insulator):功能低、低漏电、集成度高、高速度、工艺简单等。功能低、低漏电、集成度高、高速度、工艺简单等。SOISOI器

4、件用于便携式通信系统，既耐高温又抗辐照。器件用于便携式通信系统，既耐高温又抗辐照。*集成系统集成系统ISIS，Integrated System)Integrated System)：在单个芯片：在单个芯片上完成整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设计上完成整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设计于一个芯片于一个芯片 (System on a Chip)(System on a Chip)。*集成电路的总开展趋势：高集成度、微型化、高速集成电路的总开展趋势：高集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵敏度、低噪声、高可靠、长寿命、多度、低功耗、高灵敏度、低噪声、高可靠、长寿命、多功能。为了到达上

5、述目标，有赖于外延技术功能。为了到达上述目标，有赖于外延技术VPEVPE，LPELPE，MOCVD MOCVD 及及 MBEMBE的开展，同时对硅单晶的要求也愈来愈的开展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。表高。表1 1为集成电路的开展对材料质量的要求。为集成电路的开展对材料质量的要求。首批产品出现年代首批产品出现年代1999200220052008工艺水平（工艺水平（m)0.180.130.100.07 DRAM256 M1 G4 G16 G硅片直径硅片直径(mm)200300300450表面关键杂质表面关键杂质 (At/cm 2)(10 9)13 7.5 5 2.5局部平坦度（局部平坦度（nm

6、)180 130 100 100光散射缺陷光散射缺陷(个个/cm2)0.29 0.14 0.06 0.03 GaAs 电子迁移率是Si的6倍高速，禁带宽高温广泛用于高速、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。GaAs用于集成电路其处理容量大100倍，能力强10倍，抗辐射能力强2个量级，是携带 的主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件。3 3第三代半导体材料是禁带更宽的第三代半导体材料是禁带更宽的SiCSiC、GaNGaN及金刚石。及金刚石。4 4下一代集成电路的探索下一代集成电路的探索 光集成光集成 原子操纵原子操纵2121世纪光电子材料将得到更大

7、开展世纪光电子材料将得到更大开展 电子质量：电子质量：10-31 Kg/10-31 Kg/电子电子 电子运动：磁场、电阻热、电磁干扰、电子运动：磁场、电阻热、电磁干扰、光高速、光高速、传输容量大、损耗低、传输容量大、损耗低、高速、不受高速、不受 电磁干扰、省材料电磁干扰、省材料1 1 激光材料激光材料2020世纪世纪6060年代初年代初 激光：高亮度、单色、高方激光：高亮度、单色、高方向性向性 红宝石红宝石Cr+:Al2O3 Cr+:Al2O3 掺钕钇铝石榴石掺钕钇铝石榴石Nd:YAG)Nd:YAG)2 2 非线性光学晶体变频晶体非线性光学晶体变频晶体 KDPKDP磷酸二氢钾、磷酸二氢钾、KT

8、PKTP磷酸钛氢钾磷酸钛氢钾 LNLN铌酸锂、铌酸锂、BBOBBO偏硼酸偏硼酸铝、铝、LBOLBO三硼酸锂三硼酸锂3 3红外探测材料军用为主红外探测材料军用为主 HgCdTeHgCdTe、InSbInSb、CdZnTeCdZnTe、CdTeCdTe4 4半导体光电子材料，见表半导体光电子材料，见表2 2领域领域材材 料料器器 件件用用 途途微电子微电子GaAs、InP 超高速 IC电脑电脑GaAs FET携带电话携带电话光电子光电子GaAs InP Sb InAs LD光通讯光通讯GaAs 红外 LED遥控耦合器遥控耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlP LEP出外显

9、示器出外显示器CdTe、CdZnTe、HgCdTe热成像仪热成像仪InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe红外探测器红外探测器GaAs、InP、GaSb太阳能电池太阳能电池发发 光光 尺尺衬衬 底底发光颜色发光颜色波长（波长（nm)Ga0.65Al0.35As GaAs红红 660 GaAs0.35P0.65(N)GaP红红 650 GaAs0.1P0.9(N)GaP橙橙 610 GaAs0.1P0.9(N)GaP黄黄 583 GaP Gap绿绿 555 GaN-Al2O3蓝蓝 490 SiC SiC蓝蓝480(全包显示屏)液晶显示液晶显示(LCD)(LCD)材料材料(1968(

10、1968年创造年创造)为为2121世纪上半叶主要显示材料世纪上半叶主要显示材料表表3 LED 3 LED 发光材料及可见光区发光材料及可见光区发展阶段发展阶段波长波长(m)模模 数数 衰衰 耗耗 (dB/km)中继距离中继距离 (Km)第一阶段第一阶段 0.85 多多 模模 1.5 10第二阶段第二阶段 1.30 单单 模模 0.8 60第三阶段第三阶段 1.55 单单 模模 0.16 500第四阶段第四阶段 2-5 310-4 2500(6)(6)光纤与光缆材料光纤与光缆材料(网络网络)()(表表4)4)一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线

11、电带宽的10001000倍倍.(25.(25 T bps vs 25 G bps)石英玻璃：石英玻璃：SiO2SiO2、SiO2-GeO2SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-FSiO2-B2O3-F 多组分玻璃：多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2OSiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3Na2OSiO2-B2O3Na2O 红外玻璃：红外玻璃：重金属氧化物、卤化物重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃：掺稀土元素玻璃：ErEr、NdNd、多模只适于小容量近距离多模只适于小容量近距离40Km,100M bps)40Km,100M bps)单模可传输调制后的信号单模可传输调制后的信号40G

12、bps 40Gbps 到到200Km200Km，而不需放大。而不需放大。21世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事方面，如何快速准确地获取记录、存储、交换与发送信息是制胜的关键。磁记录在21世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁记录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头如巨磁电阻GMR的采用，有可能使每平方英寸的密度达100GB，所用介质为氧化物磁粉-Fe2O3及加 Co-Fe2O3、CrO2)，金属磁粉或钡铁氧体粉。磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是光头而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土-过渡族金属，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/Co多层调制膜或Bi石榴石

13、薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介质。计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感 材料的灵敏度与稳定性。敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链DNA 等。限于篇幅不一一列举。二能源功能材料将取得二能源功能材料将取得突破性进展突破性进展 化石能源日益枯竭甲烷水化物 环境要求越来越高 由于人口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度 增加。开源节流 1可再生能源的开发水电不存在材料问题 太阳能的利用：辐射于地球能量一万倍于人类所消 耗的能源61017kwh 密度低 1kwh/m2 气候影响大 两种利用形式两种利用形式 直接辐射能直接辐射能 热水器热水器 热水发电热水发电 光

14、伏电能光伏电能 民用：民用：高效、长寿、价廉，需要储电系统。高效、长寿、价廉，需要储电系统。-Si (12.7%)(-Si (12.7%)(理论理论24%)24%)多晶多晶 17.7%17.7%单晶单晶Si 23.1%GaAs 28.7 还有还有Cu2InSe2,CdTe,Cu2O,Cu2S,CdS 等等 卫星用太阳能电池卫星用太阳能电池 双结电池双结电池GaInP/GaAs 三结电池三结电池GaInP/GaAs/Ge27.四结电池四结电池GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge 40理理论论 一种设想：空间太阳能发电站一种设想：空间太阳能发电站 太阳能射向地球太阳能射向地球 30大气反射大

15、气反射 23大气吸收大气吸收 空间太阳能电站，微波传到地面空间太阳能电站，微波传到地面,一个一个10 万千瓦电站寿命万千瓦电站寿命10年年美国美国20212021年电价年电价2.22.2/kwh/kwh我国西北日照时间长，沙漠干旱设地面我国西北日照时间长，沙漠干旱设地面太阳能电站：太阳能电站：入网入网 燃料电池燃料电池 电解水电解水H2 H2 储氢储氢 1m3 H21m3 H25 5度电度电 化工原料化工原料 系 统 占地 Km2投资/kw成本/kwh空间太阳能 4地面太阳能 263.77020.00086450风能及风力发电风能及风力发电 W1/2 PV3V风速风速 太阳能到地面有太阳能到地

16、面有2变风能变风能 全球全球 万亿万亿KW 中国中国 32亿亿KW 潮汐、海水温差、地热能潮汐、海水温差、地热能2 2核能核能 目前核电站基于铀裂变热中子反响目前核电站基于铀裂变热中子反响维维 燃料燃料U235U235，铀矿中占，铀矿中占，U238U238为。为。快中子增殖维：快中子增殖维：U238 U238，效率，效率60607979 液铀冷却液铀冷却 强腐蚀，泄漏强腐蚀，泄漏 污染污染 副产物副产物 P239,P239,半衰期万年半衰期万年 法国超凤凰堆法国超凤凰堆1986198619951995 最近提出加速器驱动的核电站最近提出加速器驱动的核电站 嬗变可解决污染问题嬗变可解决污染问题

17、可控热核聚变反响堆永久能源 D2D2 T3+P+4.04 Mev D2T3 He4+n+17.5 Mev 一吨海水所含D2相当300吨汽油 海水 D2=1013砘 已实现点火，处于物理研究所段，材料问题：高温 抗辐射 氢脆 2050年或更长可实用化 低温液氦温度超导已产业化，价格问题 高温液氮温度超导已发现30多种 YBaCuO，Je10 5 A/cm2 薄膜,块体 (Bi,Pb)Sr Ca Cu O(B1 2223/Ag)带丝线材生产稳定，质量均一性未能解决，2021年可望产业化 探索高温超导，及高温超导机理问题 趋导失超后的平安问题 硅钢片是最重量要的软磁材料全世界 650万吨 铁基非晶态

18、合金有明显优越性表5 特别用于：电焊机，节能，体积小1/10 作为结构材料：耐磨作磁头，耐蚀代不锈钢 冷轧硅钢片。这些都属软磁材料，用于变压器，电动机在仪表工业中用量更大的是软磁铁氧体，虽然已很成熟但向高磁感强度Bs，高磁导率低损耗方向开展，仍有广阔开展前景。材材料料Fe 81B13.5Si3.5C2Fe80B15.9Si2.4Co0.9Fe-3.2Si铁铁损损（W/kg）0.310.151.00 硬磁材料开展很快，20世纪40年代AlNiCo，50年代铁氧体，65年ReCO5,72年R2CO17，83年NdFeB,磁能积提高了几十倍，从性能价格比来看，表6铁氧体永磁远比其它磁性材料更具有竞争

19、能力；NdFeB 那么单位体积的性能比铁氧体高出10倍而得到更快的开展，目前世界产量近万吨，中国占了一半左右，但性能有待进一步提高。下一代永磁开展目标是纳米技术的应用与新材料的探索，如：SmFeN等。过去每10年提高40kJ/m3，2021年达可到600800kJ/m3，*NdFeB最大磁能积最大磁能积512KJ/m3理论值理论值材 料 NdFeB*SmCo AlNiCo 铁氧体 比重(t/m3)性能（kJ/m3）价格（USD/t）104 价性比（USD/J）7.4 8.4 7.3 5.1 295 191 56 25.9 17 28 5.2 0.55 4.3 12.3 68 1.085 5贮能

20、材料贮氢与高能电池贮能材料贮氢与高能电池 电网调峰与环保的需要，信息电子工业所电网调峰与环保的需要，信息电子工业所必须，与太阳能配套。必须，与太阳能配套。太阳能发电太阳能发电 电解水氢贮氢电解水氢贮氢 电蓄电池电蓄电池 也是机械能动力源也是机械能动力源 纳米碳管是最近发现的贮氢材料，正在研究开发中。纳米碳管是最近发现的贮氢材料，正在研究开发中。液氢（-235?）Mg2 Ni H4La Ni5 H6Ti Fe H1.9相对含氢密度11.331.481.35相对含氢量（%）1003.81.41.8 表8为几种典型电池反响机理与特性，当前最有开展前景的是NiMH电池，但从比能量密度，锂电池最好，而价

21、格是前者倍，其中塑料锂电池具有重量轻，形状可任意改变，平安性更好的特点，可能是21世纪开发的重点。NiMH电池汽油混合汽车已实用化，低速与起动用电池，而高速时自动跳到汽油并充电，如比可节油1/2，排放减至1/10，CO21/2。电性能参数（理论）电池系列负极正极反 应 机 理电压（V）比容量（A.h/kg）比能量(W.h/kg)铅酸蓄电池PbPbO2PbPbO22H2SO4 2PbSO4+2H2O2.1120252.00 碱性锌猛电池ZnMnO2Zn+2MnO2 ZnO+Mn2O31.5224336.00 钠硫蓄电池NaS2Na+3S Na2S32.1377791.70 镉、镍蓄电池CdNiO

22、OHCd+2NiOOH+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)21.35181244.35 氢镍蓄电池HNiOOHH+2NiOOH2Ni(OH)21.5289433.50 锂二氧化锰电池LiMnO2Li+MnO MnO2Li3.52861001.0 锂亚硫酰氯电池LiSOCl24Li+2SOCl24LiCl+SO2+S3.657302664.5 锂离子蓄电池LiC6CoO2C6Li+CoO2C6+LiCoO24.11706976燃料电池燃料电池电解压磷酸盐融熔碳酸盐ErO2聚合物薄膜碱性溶液工作温度（）150-210550-6501000-110060-11070-200燃料天然气CH4天然气

23、煤气天然气煤气城市煤气H2天然气H2效率()35-4250-60604060目前所处状态成熟工业试验实验出工业试验工业试验 以氢氧燃料电池为例其理论比容量为，比能以氢氧燃料电池为例其理论比容量为，比能量为，远高于蓄电池、燃料电池的开展，有电量为，远高于蓄电池、燃料电池的开展，有电极极 材料问题。据报导，材料问题。据报导，Benz厂用甲醇厂用甲醇 作燃料作燃料电池的燃料已用于汽车。电池的燃料已用于汽车。最近美国最近美国NASA正在开展一种试验，即太阳正在开展一种试验，即太阳能电池与氢氧燃料电池联合开动的小飞机，白能电池与氢氧燃料电池联合开动的小飞机，白天太阳能电池工作，用剩余电来电解水、晚上天太

24、阳能电池工作，用剩余电来电解水、晚上H2O燃料电池工作，目前载人还不现实，方案燃料电池工作，目前载人还不现实，方案在在2003年实现用于通信。年实现用于通信。1 1 医用生物材料医用生物材料 最主要是与人体相容性最主要是与人体相容性 *组织工程组织工程 *生长因子生长因子 *DNA DNA *自组装自组装 除神经系统以外的各种器官都可制造。目前正在尝试除神经系统以外的各种器官都可制造。目前正在尝试利用照相机、光导系统与视网膜细胞相联为盲人复明，要利用照相机、光导系统与视网膜细胞相联为盲人复明，要生物学家，工程师，材料科学家的通力合作。生物学家，工程师，材料科学家的通力合作。2121世纪是生命科

25、学时代世纪是生命科学时代2 2仿生材料仿生材料 生物材料多年演化的结果合生物材料多年演化的结果合理性理性 人造丝与蚕丝人造丝与蚕丝 陶瓷与珍珠壳、骨骼表陶瓷与珍珠壳、骨骼表1010材料模量(GPa)弯曲强度(MPa)韧性(Jm-2)陶瓷457612-200珍珠壳64130600-1240骨骼152701700 催化剂使化肥，石油化工的大规模生产成为可能；石催化剂使化肥，石油化工的大规模生产成为可能；石墨转变为金刚石，要在很高温墨转变为金刚石，要在很高温（3300K3300K）和高压）和高压（130Kb130Kb）下完成，而采用溶媒下完成，而采用溶媒（NiNi）催化反应，只要在）催化反应，只要在

26、 2000K2000K 以下，以下，压力在压力在 60kb60kb 以下，就可完成。人体中物质与能量转换在常以下，就可完成。人体中物质与能量转换在常温，是酶催化的结果，其效率和速度千百万倍于常规催化剂。温，是酶催化的结果，其效率和速度千百万倍于常规催化剂。今后任务是高效催化剂的探索，与光合作用的模拟。使用过今后任务是高效催化剂的探索，与光合作用的模拟。使用过剩的剩的 COCO2 2H H2 2O O 而成为碳水化物而成为碳水化物（粮食）。（粮食）。细菌冶金细菌冶金（Cu,U）已实现处理低品位矿石、尾矿，大已实现处理低品位矿石、尾矿，大幅度降低污染。幅度降低污染。智能系统智能系统 用于机翼、潜艇

27、、车体、建筑随处界条件改变用于机翼、潜艇、车体、建筑随处界条件改变 外形以减少阻力、即省能耗，提高平安。外形以减少阻力、即省能耗，提高平安。材料的自检测、自恢复及自修复材料的自检测、自恢复及自修复 药物和控制释放药物和控制释放 飞机、导弹、卫星与飞船的开展，材料是关键。以飞机为例，战斗机性能的提高有2/3靠材料，发动机性能的提高，材料占1/2，对空间飞行器来说，由于材料的改进，收益更为显著。如图4，说明比强度和比刚度对高速飞行器来说更为重要。战斗机已开展到第四代如美国F22，主要材料为钛合金41，树脂基复合材料24，铝合金15，钢只有5。民用机到了第三代波音777，铝70%,钢及复合材料多11

28、，钛7。对发动机材料来说，除了比刚度、比强度，主要是耐高温、长寿命，为军用发动机的开展趋势提供一些参考。代发动机定型年代 单位推力daN.S.kg-1推重比 总增压比滑轮前温度（）II1960-197610072050。作为涡轮叶片，单晶加发汗冷却，可以满足2000以上。陶瓷 有可能用于燃烧室和导向叶片。钛合金 1600650及钛铝基中间化物6001000可用于机匣，压气机叶片。C/C复合材料 虽然在比强度，比刚度和高温有特殊优越性，但抗氧化问题须解决。树脂基复合材料 目前使用温度已达290345，正向425开展。导弹火箭材料主要用于瞬间。除比强度、比刚度和耐高温导弹火箭材料主要用于瞬间。除比

29、强度、比刚度和耐高温以外，还有特殊要求，如大热流、高真空，粒子云及原子氧侵以外，还有特殊要求，如大热流、高真空，粒子云及原子氧侵蚀等。固体火箭壳体材料主要是先进复合材料如表蚀等。固体火箭壳体材料主要是先进复合材料如表 1212。表 12固体火箭发动机材料材材料料高高强强钢钢钛钛合合金金玻玻璃璃钢钢芳芳纶纶复复合合碳碳纤纤维维复复合合比比强强度度50-8070-110120-190200-350300-400喷管为喷管为C/C复合材料比强高复合材料比强高,抗热震，耐烧能抗热震，耐烧能关键航天材料：高强、高模纤维。关键航天材料：高强、高模纤维。碳纤维碳纤维T300,T800 芳纶及高强聚乙烯纤维。

30、芳纶及高强聚乙烯纤维。为减少污染，提高燃效，增加机动性如调峰，工业燃为减少污染，提高燃效，增加机动性如调峰，工业燃气耗机将得到更大开展图气耗机将得到更大开展图50 0101020203030404050506060707080809090第一季度第一季度第二季度第二季度第三季度第三季度第四季度第四季度东部东部西部西部北部北部参数参数航空发动机航空发动机工业燃气轮机工业燃气轮机重量重量很重要很重要不太重要不太重要操作时间操作时间（时）（时）稳态稳态温度峰值温度峰值25000100,000100,000环境环境腐蚀不严重腐蚀不严重严重腐蚀严重腐蚀叶片、轮盘尺寸叶片、轮盘尺寸小小大大因此，今后工业燃

31、气轮机材料在因此，今后工业燃气轮机材料在21世纪将受到更大世纪将受到更大重视。重视。材料制备是从根底到研究到工程应用必由之路；提高材料质量及降低本钱的主要途径；有效利用资源和能源，减少污染的重要手段。美国科学基金会材料领域投入中材料制备占41%90年代初。*高温超导1986至今15年 工程陶瓷已大量开发研究近40年 未开发出适宜工艺而不能大量推广 *钢的价格波动甚少，因工艺不断改进质量提高，收得率增加，能耗下降，劳动生产率提高 *高温合金叶片材料的不断提高，主要通过工艺的不断改进。1电子信息材料向功能与结构一体化，多功能化、材料与器件一体化和小型化开展，主要靠采用控制到原子精度的气相外延VPE

32、、液相外延LPE、金属有机化物化学气相沉积MOCVD和分子束外延MBE技术。2冶金、化工材料尽量做到零排放。3制造工艺的自动化、智能化。4为提高材料利用率、提高性能、降低本钱，开发多种类型的外表改性技术，梯度材料制备技术；开展自蔓燃制备技术等。检测方法的新进展往往带来材料研究和质量控制的新突破，如描述隧道显微镜的创造可以做到“原子操纵从而成为下一代信息技术的新热点。工程陶瓷断裂的临界尺寸为微米级，因此，要使陶瓷稳定生产，必须开发更精确的探伤手段，而且要求在线检测和动态检测。国家重点根底研究工程国家重点根底研究工程973973 集成微光机电系统研究集成微光机电系统研究 材料先进制备、成型与加工的

33、科学根底材料先进制备、成型与加工的科学根底攀登方案攀登方案 金属材料热成型过程的动态模拟及组织、金属材料热成型过程的动态模拟及组织、性能、性能、质量的优化控制。质量的优化控制。微电子机械系统微电子机械系统 熔融复原技术根底研究熔融复原技术根底研究自然科学基金重大工程自然科学基金重大工程 支持产品创新的先进制造技术中的假设干支持产品创新的先进制造技术中的假设干根底研究根底研究 金属熔体凝固控制与假设干先进成形过程金属熔体凝固控制与假设干先进成形过程根底研究根底研究 新型功能陶瓷材料的制备科学及其关键根新型功能陶瓷材料的制备科学及其关键根底化问题底化问题 1959年12月R.FEYNMAN在美国物

34、理学会上提出纳米科学技术的概念,并提出开展在原子与分子水平制造材料的物理规律。80年初创造扫描隧道显微镜STM及原子力显微镜AFM以后原子操纵才有可能。纳米材料就是利用物质在小到原子或分子尺度以后所出现的奇异现象而开展出新的材料。2000年二月美国总统向国会提出?国家纳米技术的建议?National Nanotecthnology Initiative认为纳米技术可导致下一工业革命，应置于最优先地位。纳米科学技术主要包括:纳米材料 纳米电子学、光电子学和磁学 纳米医学他要求2001年拨款亿美元比上一年多83%。其分配：根底研究 亿NSF 定向课题(Grand challengs)亿 (DOD

35、0.54,DOE 0.36)研究中心及网络 亿 根底设施 亿 其它 亿 根底研究亿)及国防系统(DOD、DOE、NASA共亿)占大头。可以认为纳米技术尚处于根底研究阶段尚未大规模进入工业开发，但他们仍强调与产业界结合，及时转入规模生产。通过“设计制造出来的材料，性能大幅度提高，预期强度为钢的四倍，其重量比纸轻10倍，环境友好，价格又可承受。使用的可靠性提高，因其可自修复。这类材料用于造桥，寿命可大幅度延长，用于造空间飞引器，可几十倍的减轻重量，如此等等，前景诱人，但是成为现实要10-20年。我国纳米材料起步不晚，声势也很大，谨防一哄而起，急于求成。材料科学与工程四要素：材料科学与工程四要素：结

36、构结构/成份、合成成份、合成/流程、性质、效能流程、性质、效能 因结构与成份非同义词因结构与成份非同义词 相同成份可出现不同结构相同成份可出现不同结构 建议改为五要素：建议改为五要素：成分、合成成分、合成/流程、结构、性质、效能流程、结构、性质、效能 特点：材料理论与材料设计处于五边形中心；特点：材料理论与材料设计处于五边形中心；性能与效能使用性能和环境发生直接联系性能与效能使用性能和环境发生直接联系图 材料科学与工程四要素a与五要素b关系图材料根据对性能的要求而决定于不同层次的结构，如图图不同层次的材料设计 非平衡热力学 结构敏感性质如力学性质可变因素不定 因素太多 外表与内部结构及性质的不

37、一致性 复杂的环境因素 材料设计目标是根据需要，通过合理成分与工艺流程设计，最终能做出符合要求的工程材料、零件、器件或构件。功能材料可能首先实现材料设计 重点在于：深入的根底研究了解物质结构与性能 完整而精确的数据库 正确模型的建立 大容量快速计算机 不同学科科学家与工程师的通力合作。1金属在结构材料中仍占主要位置，特别是钢铁今后几十年内的世界年产量在7-10亿吨徘徊。但钢的性能会大幅度提高从而到达节约资源减少污染的目的。我国在?超级钢?的研究中使200MPA级的低碳钢、400MPA级低合金钢通过强化、晶粒细化和均匀化可提高强度一倍，并通过了大生产试验。有色金属资源在21世纪前半叶就接近枯竭，

38、如同铅、锌等。代用品的研究与开发为当务之急。有些金属，如铝，地壳中含量很高分布很广，但合於开采价值的矿石却有限，因此开发低品位矿石的采选与冶炼工艺的研究与寻找代用材料必须及早考虑。钛，性能优越，地壳含量不低，以及生产本钱高而不能得到广泛应用，有些水电丰富地区如我国攀西地区，不但水电丰富而且矿藏世界前茅，21世纪将出现一个开发钛的高潮。镁与铝颇多相似之处，而镁取之不尽海水中镁2.11015吨，塑性好，减震性强但不耐腐蚀特别海水和应力腐蚀，又没找到适于强化相而不能和铝相竞争，21世纪将会受到重视。金属作为功能材料如硅钢的地位不会改变。硬磁材料在NdFeB的根底上还会有更大开展 功能陶瓷在功能材料中

39、已占十分重要地位随着凝聚态物理与化学进展，将会有更大进展，当前氧化物研究正广泛开展，高温超导便是成果之一。工程陶瓷开展方向：一是开发新工艺流程以降低本钱，同时大力推广只有生产量大，本钱才能降下来。二是进一步提高性能，开发生产过程的临控手段，保证质量的稳定性。三是机械制造的工作者，开发使用脆性材料的设计思想。在金属材料资源日益枯竭，科学技术日益进步的情况下工程陶瓷会得到进一步开展。水泥与玻璃是极为重要的建筑材料，无疑会受到重视但水泥是重要污染源一吨水泥产生CO2-1.0吨：因此，充分利用废料 提高水泥标号，减少产量 改进水泥，增强组元塑料不诱钢丝 玻璃的智能化对命能有明显的作用 高分子材料比重小

40、，软硬灵活加工外瑚比刚度比强度高三大高强纤维：芳纶、碳纤维与结晶状态的聚乙烯。特别是资源可再生。高分子材料已接近?分子设计?水平。高分子结构材料塑料的用途越来越广，以体积计，90年初全世界塑料广告已越过了粗钢的体积。1995年美德塑钢比分别为2.85和1.94，而我国目前塑钢体积比不到0.5，因此我国21世纪初塑钢将大开展。21世纪更有开展前途的是有机功能高分子，目前医用高分子、高分子别离膜，高吸水树脂、感光树脂、离子交换树脂、光导纤维已经成熟并已得到广泛应用。今后要大力开发的是导电高分子、非线性高分子、铁磁性材料、半导体、超导体用于电池的离分子快离子导体以及液晶显示材料等。由于这些材料质轻、

41、原料有保证而将得到开展。但稳定性及老化是人们担忧的问题。先进复合材料是近几十年来十分重视开发的一类材料。有的已经很成熟并得到大量应用，如树脂及复合材料，已用于宇航及运动器材等要求比强度及比模量高的结构件，长纤维强化的金属基复合材料虽然具有明显优越性，以其价格高连接难，不可大量推广。因此今后的任务是开展新工艺降低本钱。颗粒或短纤维强化的金属基复合材料，为提高强度和耐热性有可能大量推广。陶瓷基复合材料除了提高高温性能以外，更重要的是增加性，目前正处于开发阶段。5 5碳素材料将得到更大开展碳素材料将得到更大开展 自然界是碳素的大循环自然界是碳素的大循环 碳资源取之不尽用之不竭碳资源取之不尽用之不竭C

42、O2CO2中的碳中的碳 碳的同素多形体使之成为多用途材料碳的同素多形体使之成为多用途材料无定形碳煤、木炭无定形碳煤、木炭石墨天然石墨天然热解石墨热解石墨CVDCVD玻璃态石墨玻璃态石墨碳纤维碳纤维类金刚石类金刚石金刚金刚石石 巴基球纳米管巴基球纳米管由于结构的特点，碳材料有以下突出特点：由于结构的特点，碳材料有以下突出特点：润滑剂石墨润滑剂石墨 高强纤维碳纤维高强纤维碳纤维 最硬晶体金刚石人造宝石。耐最硬晶体金刚石人造宝石。耐磨材料磨材料 高温半导体金刚石高温半导体金刚石500500、GAAS250GAAS250、S150S150 最正确吸附材料活性碳最正确吸附材料活性碳 优良阻氦材料玻璃态碳

43、、核材料优良阻氦材料玻璃态碳、核材料 1985 1985发现巴基球发现巴基球C60C60，随后又发现以此组，随后又发现以此组成成的纳米碳管，虽然目前还没找到特殊应用对象但有的纳米碳管，虽然目前还没找到特殊应用对象但有很好的前景，重要的是能大量生产并大幅度降低成很好的前景，重要的是能大量生产并大幅度降低成本，本，C60C60的市场价，的市场价，19901990为每英两为每英两$35,000$35,000，20002000年年$225$225，有人认为需要降到每英两，有人认为需要降到每英两$3$3才能得才能得到广泛应用。从目前看纳米管的应用前景更为广到广泛应用。从目前看纳米管的应用前景更为广阔，且

44、研究与开发工作十分活泼，在纳米技术研阔，且研究与开发工作十分活泼，在纳米技术研究高潮中，究高潮中，2121世纪上半叶可能有突破性进展。世纪上半叶可能有突破性进展。进入进入2121世纪，我国碳材料在重大根底研究工程，世纪，我国碳材料在重大根底研究工程，只有纳米碳管贮氢材料列入只有纳米碳管贮氢材料列入973973的能源工程。的能源工程。一新材料的发现不等于能应用于实际，有很多看来诱人如金属的非晶态、高温超导等，但生产工艺不过关，价格没竞争能力，而不能产业化。二新材料的发现往往出于偶然，如超导、C60等因此广泛探索，悉心钻研十分关键。三新材料的研究开发与产业化，有赖于高技术的开展而高技术又以新材料根

45、底和先导，因此新材料与高技术相辅相成。四在开发先进材料的同时，必须重视传统材料，因此后者是国民经济和支柱产业的根底，资源消耗的大户，又是环境的主要污染源。传统材料性能的提高的生产工艺的改进，有很大潜力必须给以更高的投入人力、财力和足够的重视。五通过纳米科学技术和学科间的交叉，21世纪材料科学技术将会出现突破性进展，新型材料不断涌现为信息技术、能源技术、机械制造、空间技术等的开展创造条件，并到达小型化、智能化和多功能化。六进入21世纪我国重大根底研究工程中，在国家重点根底研究97380个工程中有26项与材料有关属于材料领域者有11项，自然科学基金有60个重大工程，与材料有关的有17项，但多数于化学领域。