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新材料技术

时间:2021-07-04 03:38 作者:admin 点击:

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  新材料(或称先进材料)是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料技术是按照人的意志,通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要的新型材料的技术。

  新材料按材料的属性划分,有金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料先进复合材料四大类。按材料的使用性能划分,有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能,以满足高强度、高刚度、高 硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求;功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应, 以实现某种功能,如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造、氢弹的核材料等 。新材料在国防建设上作用重大。例如,超纯硅、砷化镓研制成功,导致大规模和超大规模集成电路的诞生,使 计算机运算速度从每秒几十万次提高到每秒百亿次以上;航空发动机材料的工作温度每提高100℃,推力 可增大24%;隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射,使敌方探测系统难以发现,等等。

  新材料技术的发展不仅促进了信息技术和生物技术的,而且对制造业、物资供应以及个人生活方式产生重大的影响。记者日前采访了中国科学院“高科技发展报告”课题组的有关专家,请他们介绍了当前世界上新材料技术的研究进展情况及发展趋势。 材料技术的进步使得“芯片上的实验室”成为可能,大大促进了现代生物技术的发展。新材料技术的发展赋予材料科学新的内涵和广阔的发展空间。

  新材料技术正朝着研制生产更小、更智能、多功能、环保型以及可定制的产品、元件等方向发展 纳米材料20世纪90年代,全球逐步掀起了纳米材料研究热潮。由于纳米技术从根本上改变了材料和器件的制造方法,使得纳米材料在磁、光、电敏感性方面呈现出常规材料不具备的许多特性,在许多领域有着广阔的应用前景。专家预测,纳米材料的研究开发将是一次技术,进而将引起21世纪又一次产业。

  日本三井物产公司曾宣布该公司将批量生产碳纳米管,从2002年4月开始建立年产量120吨的生产设备,9月份投入试生产,这是世再誉婶界上首次批量生产低价纳米产品。美国ibm公司的科研人员,在2001年4月,用碳纳米管制造出了第一批晶体管,这一利用电子的波性,而不是常规导线实现传递住处的技术突破,有可能导致更快更小的产品出现,并可能使现有的硅芯片技术逐渐被淘汰。

  在碳纳米管研究方兴未艾的同时,纳米事业的新秀--“纳米带”又问世了。在美国佐治亚理工学院工作的三位中国科学家2001年初利用高温气体固相法,在世界上首次合成了半导体化物纳米带状结构。这是继发现多壁碳纳米管和合成单壁纳米管以来,一维纳米材料合成领域的又一大突破。

  这种纳米带的横截面是一个窄矩形结构,带宽为30~300mm,厚度为5~10nm,而长度可达几毫米,是迄今为止合成的惟一具有结构可控且无缺陷的宽带半导体准一维带状结构。已经成功合成了氧化锡氧化铟、氧化隔等材料纳米带。由于半导体氧化物纳米带克服了碳纳米管的不稳定性和内部缺陷问题,具有比碳纳米管更独特和优越的结构及物理性能,因而能够更早地投入工业生产和商业开发。

  超导材料超导材料在电动机、变压器和磁悬浮列车等领域有着巨大的市场,如用超导材料制造电机可增大极限输出量20倍,减轻重量90%。超导材料的研制,关键在于提高材料的临界温度,若此问题得到解决,则会使许多领域产生重大变化。科旬察巴学家在超导材料上有不少新收获,相继发现了临界温度更训的新型超导材料,使人类朝着开发室温超导材料迈出了一大步。

  在日本,有人发现二硼化镁可在-234℃成为超导体,这是迄今为止发现临界温度最高的金属化合物超导体。由于二硼化镁备糊断整的发现,使世界凝聚态物理学界为之振奋。由于二硼化镁超导体易合成、易加工,很容易制成薄膜或线材,因而应用前景看好。

  美国科学家在研制更具实用性超导材料方面取得了明显的进展,并开始进入实用阶段。美国底物律的福瑞斯比电站在地下铺请重芝设了360多米的超导电缆,电缆中123kg重的导线是由含铋、锶、钙、铜的氧化物超导瓷制造的。殃浆纸兵这是世界上首次实用的超导输电线路。

  我国在高温超导产业化技术上也获得了重大突破,已有高温超导奔誉线材生产线亿美元的市场。但应当指出的是,除超导材料以外,还有许多配套技术需要解决,同时还要继续研究开发高温超导体,如室温超导材料。

  高性能结构材料高性能结构材料具有高温强度好、耐磨损、抗腐蚀等优点。高温结构陶瓷材料正在研制的有碳化硅、氧化硅、氮化硅硼化物、增韧氧化锆陶瓷和纤维增强无机合成材料等。如在内燃机中用陶瓷代替金属可减少燃料消耗30%,提高热效率50%。

  高性能复合材料可以根据要求进行设计,能够使材料扬避短,当前的研究重点有:纤维增强塑料付盛询、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料金属基复合材料高分子功能材料是近年来发展最快的有机合成材料,每年的递增速度达到14%。此外,美国科学家还发现了一种可和玻璃结合的化合物,这种硅烷化合物能够粘在磷酸盐玻璃表面,形成一个单一分子层和多分子层,从而可以保护玻璃表面,将腐蚀减少到最小程度,这一发现对提高玻璃的抗腐蚀性有重要意义。

  随着科学技术的进步,开拓了新材料的范围,推动了新材料向更高、更新方向发展。化学工业生产了大量的化工新材料,为新材料的发展提供技术支持。同时,新材料的发展同样可以推动化学工业的科技进步、产业结构的变化。

  高性能结构材料的开发、应用,使一些化工机械、设备的大型化、高效化、高参数化、多功能化有了物质基础,可以满足化工生产高技术的要求,使一些化工工艺的实现成为可能。纳米材料在化学工业可广泛应用,是应用于多种化学传感器的最有前途的材料。展望21世纪,新材料技术的飞速发展,必将为我们的生活带来更美好的未来。

  当前,美国、欧洲、日本等发达国家和地区十分重视新材料技术的发展,都把发展新材料作为科技发展战略的重要组成部分,在制定国家科技与产业发展计划时,将新材料技术列为21世纪优先发展的关键技术之一,予以重点发展,以保持其经济和科技的领先地位。

  中国的新材料科技及产业的发展,在政府的大力关心和支持下,也取得了重大的进展和成绩,为国民经济和社会发展提供了强有力的支撑。

  为研究我国新材料领域的发展现状和态势,本报告以中国期刊网数据库作为统计分析源,从文献计量学的角度进行分析研究,讨论了新材料包括超导材料、金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料的理论研究、制备工艺、产品应用、技术装备等方面的内容。

  据统计,我国新材料领域2000年共发表论文15866篇,2005年增加到27278篇,增加了11412篇,增长幅度达71.9%。其中:2000年至2002年论文发表数量以每年2000多篇速度增加,增长幅度达13 %以上;2003-2004年,发表论文总量虽然在增加,但增长速度有所减慢,其中2003年只比2002年增长了7.72%,2004年较2003年仅增长了4.09%;但到了2005年,发表的论文数量却有了大幅度增加,数量达到4512篇,增长幅度为19.82%,呈现加速增长的趋势。总体上看,从2000年到2005年我国的新材料领域发表论文数量呈波动式增长,并有加速的趋势。

  从2000年至2005年,新材料各专业发表论文数量占整个新材料领域的比重虽然每年都在变化,但总的分布格局没有被打破。高分子材料除2001年和2002年所占比重低于50%以外,几年均在50%以上,一直占居主导地位;复合材料所占比重在20-30%之间,居第二位;非金属材料所占比重在一成多,居第三位;超导材料在整个材料领域所占比例最小,居5个专业的最后一位。

  从各专业的发展状况分析,超导材料的发展呈上下波动,总体下降的趋势;金属材料作为一种传统的优势领域,其发展呈现大幅下降的局面;非金属材料在整个材料领域基本保持稳定的态势,其所占比例变化不大;高分子材料是发展最快的学科,随着新技术的不断涌现,其在整个新材料领域中的权重呈波动增长的态势;复合材料除2002年有所增加外,其他各年逐年下降,但降幅不大,年均降低1%。

  2000年至2005年,从新材料各专业发表论文的数量及增长率来看,超导材料论文发表呈现增长正负相间的发展格局,但总量呈下降趋势,降幅为10%左右;金属材料的论文发表数量出现负增长,从2000年的1614篇减少到2005年的254篇,总降幅达84%;非金属材料发表论文数量总的趋势是稳步增长,且到了2005年有加速增长的趋势,发表论文数量比2000年增长了1527篇,当年增长了29.3%,6年间总体增长了66.65%;高分子材料的论文数量也在不断增加,从2000年的8201篇增加到2005年的15895篇,总增幅达93.3%,几乎翻了一番;复合材料论文发表呈现波动的局面,2001年比2000年有较大幅度增加,但2003-2004年却出现负增长,到2005年又增加至7215篇,比2000年的3672篇增加了近一倍。

  材料是当前世界新技术的三大支柱(材料、信息、能源)之一,与信息技术、生物技术一起构成了21世纪世界最重要和最具发展潜力的三大领域之一。对材料的认识与利用能力,往往决定着社会的形态和人类生活的质量。人类的历史已经证明,材料是人类社会发展的物质基础和先导,而新材料则是人类社会进步的里程碑。新材料在发展高超技术、改造和提升传统产业、增强综合国力和国防实力方面起着重要的作用,而且在自然科学和工程技术领域中发展也越来越快,地位日趋重要。根据对同时段论文发表数量统计,6年间国内新材料领域论文发表数量的年平均增长率为9.15%,大于自然科学和工程技术领域8.34%的论文发表增长率;新材料领域发表论文占自然科学与工程技术领域发表论文的比重也保持上升的势头,6年间增长了0.13个百分点。

  新材料领域的发展变化,得益于技术创新和成果转化速度加快。前沿技术的突破使得新兴材料产业不断涌现,同时新材料与信息、能源、医疗卫生、交通、建筑等产业结合越来越紧密,材料科学工程与其他学科交叉领域和规模都在不断扩大,而且世界各国政府高度重视新材料产业的发展,制定了推动新材料产业和科技发展的相关计划,在资金上给予大力扶持,从而推动了本领域的技术创新能力的提高和发展,取得了一系列可喜的研究成果,保证了新材料领域发展的欣欣向荣局面。

  高分子功能材料是近年来发展最快的有机合成材料,尤其在生物医用材料、药物控制释放体系、骨科固定、组织工程和手术缝合线等方面不断扩展其新的应用领域,全世界仅高分子材料在医学上的应用就有90多个品种、1800余种制品,西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10-20%的速度增长。我国的高分子材料发展也十分迅速,2000年至2005年论文发表数量从1862篇增加到6640篇,6年间增长了256.61%。其中:高分子药物方面的论文从182篇增加到802篇,增长幅度达340%;医用高分子材料方面的论文从285篇增加到821篇,增长幅度达188%;仿生高分子材料的论文从416篇增加到1108篇,增长幅度达166%,高分子膜材料的论文从979篇增加到3909篇,增长幅度达299%。从上述数据中可以看出,高分子材料研发活跃,发展相当迅猛,已成为医学和生物技术中不可缺少的组成部分,也是新材料领域发展最快的专业。

  由于多种材料多学科的交叉、融合,使材料的复合化成为发展新材料的一种重要手段。利用多种基体与增强体的复合、多种层次的复合以及利用非线性复合效应可以创造出全新性能的材料。近年来先进复合材料及新工艺发展很快,复合材料的发展以树脂基复合材料为主,特别是热固性材料,它的技术最成熟,应用最广。金属基复合材料大部分处于研究开发阶段,它特别适用于建造空间结构体。

  陶瓷基复合材料是改进陶瓷的可靠性的重要途径,从而使陶瓷材料优异的高温性能得以应用。此外碳/碳复合材料在军事技术上有很大实用价值,并已有一定的应用,其发展趋势较快。从我国2000年至2005年复合功能材料论文发表情况来看,数量从3672篇增加到7215篇,6年总计增长96.49%。其中:金属基复合材料论文从573篇增加到611篇,增幅6.6%;陶瓷基复合材料论文从298篇增加到1050篇,增幅252%;水泥基复合材料论文从1533篇增加到2428篇,增幅58.3%;聚合物基复合材料的论文从1134篇增加到2383篇,增幅110%;碳基复合材料论文从134篇增加到743篇,增幅达454%。从研究分析中可以看出,陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料发展较快,这与其新工艺、新物质及新配方的不断涌现密切相关,碳基复合材料也正从军用转向民用,使其发展呈快速增长的态势。

  相对于高分子材料、复合材料和非金属材料的迅猛发展,历史悠久的金属材料的发展处于停滞甚至后退的局面,从2000年至2005年,我国金属材料论文发表数量从1614篇减少到254篇,下降了535%。这一现象说明我们在该领域的技术创新能力不足。当前,世界金属材料领域的发展出现了很多新的特点及增长点,高性能金属材料发展迅速。我国高性能金属材料的产品研制、加工成型技术、生产设备等多方面都存在问题,阻碍了金属材料的发展。因此,只要加大金属材料的技术创新力度,就一定能打破其发展停滞不前的局面,实现新的振兴和快速发展就指日可待。

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