新材料的分类、现状以及发展方向
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  • 新材料的种类及发展规划

    发布时间: 2019-07-11 09:29:37 点击: 450

    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。按材料的使用性能性能分,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、隐身材料和制造原子弹、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现在的每秒百亿次以上;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。

     

    按照国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的总体部署,为贯彻落实新材料产业“十二五”发展规划,做好新材料产业标准化工作,建立完善新材料产业标准体系,促进新材料产业发展,特制订《新材料产业标准化工作三年行动计划》。
    加大重点新材料领域标准制修订力度
    特种金属功能材料。积极推动高纯金属及靶材、稀贵金属、储能材料、新型半导体材料、新一代非晶材料、精细合 金等重点标准制修订工作,成套、成体系制定并发布稀土永磁发光等功能材料标准,抓紧研制材料性能测试、成分分 析、标准样品等基础和方法标准。完成催化材料、靶材等40项重点新材料标准制修订工作,提出 80项重点标准研制计 划,开展5 项重点标准预研究。
      高端金属结构材料。重点研制高温合金耐蚀合金、耐 蚀钢、特种不锈钢工模具钢轴承钢齿轮钢,轨道交通 用铝合金、特种镁合金钛合金等产品标准,进一步完善金 属材料超声探伤无损检测力学试验等配套基础和方法标准。完成核电用钢、耐蚀合金、钛合金等30项重点新材料标 准制修订工作,提出40项重点标准研制计划。
    先进高分子材料。制定发布丁基橡胶等特种橡胶及专用助剂聚酰胺工程塑料制品电池隔膜、光学功能薄膜、 特种分离膜及组件、环境友好型涂料以及功能性化学品等一 批重点产品标准,完成测定方法、通用技术条件、应用规范 等配套标准制修订。完成功能薄膜、特种橡胶等领域65项重 点新材料标准制修订工作,提出110项重点标准研制计划。
      新型无机非金属材料。重点研制电光陶瓷压电陶瓷碳化硅陶瓷先进陶瓷微晶玻璃、高纯石英玻璃及专用原 料,闪烁晶体激光晶体等产品标准,加快材料杂质检测、 试验方法等配套标准制修订步伐,强化配套标准研制。完成 特种玻璃、氮化硅陶瓷材料等领域50项重点新材料标准制修 订工作,提出 30项重点标准研制计划, 开展5 项重点标准预 研究。
      高性能复合材料。制定完善碳纤维玄武岩纤维等高性 能纤维标准,加快制定发布纤维增强复合材料相关标准,积极研制树脂基、陶瓷基复合材料制品标准,研究复合材料分 类方法标准、性能测试标准、专用原料标准等配套标准。完 成高端玻璃增强纤维等10项重点新材料标准制修订工作,提出30项重点标准研制计划,开展10项标准预研究。
      前沿新材料。及时开展前沿领域标准预研究工作,协调、优化关键技术指标,重点围绕纳米粉体材料石墨烯、超导 材料及原料生物材料制品智能材料等产品,完成 5 项重点新材料标准研制工作,提出10项重点标准研制计划,开展3 0 项标准预研究,紧密跟踪国际新材料技术标准发展趋 势,提前做好标准布局。
      积极开展重点新材料标准应用示范
      以高强钢筋、功能性膜材料、特种玻璃稀有金属材料、稀土功能材料复合材料等领域标准为枢纽,面向电子信息、 高端装备等领域对新材料的需求,构建上下游联合、优势互补、良性互动的标准制修订与实施机制,提高新材料标准适 用性,充分发挥标准对产业发展的支撑和引领作用。
      选择重点新材料领域,在部分有条件的地区,开展重点新材料标准应用示范专项工程。依托部省合作机制,积极推 动地方新材料标准化工作,以新材料标准为依据,探索开展 新材料产品认定达标工作。
      加快推进新材料产业国际标准化工作
      紧密结合“十二五”规划重点,抓紧开展新材料产业国际标准以及国外先进标准对比分析研究,寻找我国新材料产业标准与国际标准、国外先进标准的差距。围绕新材料产业 和应用需求,结合我国实际情况,加快转化先进、适用的国际标准和国外先进标准,提升我国新材料产业标准的技术水平。
      加强新材料产业国际标准化发展趋势与动态分析,开展新材料产业国际标准化工作技术储备,建设新材料国际标准 提案项目库,推动自主新材料技术标准走向国际。鼓励有实 力的企业或单位参与新材料产业国际标准化工作,建立国际 标准沟通平台,争取新材料产业国际标准化工作主动权,提升我国新材料产业国际竞争力。
    复合新材料
    复合新材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代,因航空工业的需要,发展了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢),从此出现了复合材料这一名称。50年代以后,陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合,构成各具特色的复合材料。
    mcm新材料mcm新材料
    超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一,尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性,许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩,大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力,在国内思嘉新材料开发的复合新材料代表了国内的较高水平。除在军事领域,在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。
    超导材料
    有些材料当温度下降至某一临界温度时,其电阻完全消失,这种现象称为超导电性,具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是:当电阻消失时,磁感应线将不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。
    一般金属(例如:铜)的电阻率随温度的下降而逐渐减小,当温度接近于0K时,其电阻达到某一值。而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银,当温度下降到4.2K(即-269℃)时,发现水银的电阻完全消失,
    超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度(TC)。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”,即寻找高温超导材料。
    以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化,在核磁共振人体成像(NMRI)、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用;SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用,其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是,由于常规低温超导体的临界温度太低,必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用,因而严重地限制了低温超导应用的发展。
    高温氧化物超导体的出现,突破了温度壁垒,把超导应用温度从液氦( 4.2K)提高到液氮(77K)温区。同液氦相比,液氮是一种非常经济的冷媒,并且具有较高的热容量,给工程应用带来了极大的方便。另外,高温超导体都具有相当高的磁性能,能够用来产生20T以上的强磁场。
    超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体,可以将发电机的磁场强度提高到5~6万高斯,而且几乎没有能量损失,与常规发电机相比,超导发电机的单机容量提高5~10倍,发电效率提高50%;超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户,据统计,铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线上,在中国每年的电力损失达1000多亿度,若改为超导输电,节省的电能相当于新建数十个大型发电厂;超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性,将超导材料置于永久磁体(或磁场)的上方,由于超导的抗磁性,磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体(或磁场)和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车,如上海浦东国际机场的高速列车;用于超导计算机,高速计算机要求在集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会产生大量的热量,若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件,则不存在散热问题,可使计算机的速度大大提高。
    能源材料
    能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。
    太阳能电池材料是新能源材料,IBM公司研制的多层复合太阳能电池,转换率高达40%。
    氢是无污染、高效的理想能源,氢的利用关键是氢的储存与运输,美国能源部在全部氢能研究经费中,大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀,造成氢脆及其渗漏,在运输中也易爆炸,储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物,当需要时加热放氢,放完后又可以继续充氢的材料。储氢材料多为金属化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。
    固体氧化物燃料电池的研究十分活跃,关键是电池材料,如固体电解质薄膜和电池阴极材料,还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等。
    智能材料
    智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料,是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破,如英国宇航公司的导线传感器,用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况;英国开发出一种快速反应形状记忆合金,寿命期具有百万次循环,且输出功率高,以它作制动器时、反应时间仅为10分钟;形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。
    另外,还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料。
    磁性材料
    磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料二类。
    1.软磁材料
    是指那些易于磁化并可反复磁化的材料,但当磁场去除后,磁性即随之消失。这类材料的特性标志是:磁导率(μ=B/H)高,即在磁场中很容易被磁化,并很快达到高的磁化强度;但当磁场消失时,其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯;在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。
    Fe-(3%~4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料,常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯;铁镍合金的性能比铁硅合金好,典型代表材料为坡莫合金(Permalloy),其成分为79%Ni-21%Fe,坡莫合金具有高的磁导率(磁导率μ为铁硅合金的10~20倍)、低的损耗;并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力,广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面,是重要的电子材料;非晶金属(金属玻璃)与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si 所组成,其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却,使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能,它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外,有的非晶金属具有优良的耐蚀性,有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。
    2.永磁材料(硬磁材料)
    永磁材料经磁化后,去除外磁场仍保留磁性,其性能特点是具有高的剩磁、高的矫顽力。利用此特性可制造永久磁铁,可把它作为磁源。如常见的指南针、仪表、微电机、电动机、录音机、电话及医疗等方面。永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类。
    铁氧体的用量大、应用广泛、价格低,但磁性能一般,用于一般要求的永磁体。
    金属永磁材料中,最早使用的是高碳钢,但磁性能较差。高性能永磁材料的品种有铝镍钴(Al-Ni-Co)和铁铬钴(Fe-Cr-Co);稀土永磁,如较早的稀土钴(Re-Co)合金(主要品种有利用粉末冶金技术制成的SmCo5和Sm2Co17)广泛采用的钕铁硼(Nd-Fe-B)稀土永磁,钕铁硼磁体不仅性能优,而且不含稀缺元素钴,所以成为高性能永磁材料的代表,已用于高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪、微电机、汽车启动电机等。
    纳米材料
    纳米本是一个尺度,纳米科学技术是一个融科学前沿的高技术于一体的完整体系,它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子创新物质。纳米科技主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学七个方面。
    纳米材料是纳米科技领域中最富活力、研究内涵十分丰富的科学分支。用纳米来命名材料是20世纪80年代,纳米材料是指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米。纳米材料的制备与合成技术是当前主要的研究方向,虽然在样品的合成上取得了一些进展,但至今仍不能制备出大量的块状样品,因此研究纳米材料的制备对其应用起着至关重要的作用。
    1.纳米材料的性能
    物化性能 纳米颗粒的熔点和晶化温度比常规粉末低得多,这是由于纳米颗粒的表面能高、活性大,熔化时消耗的能量少,如一般铅的熔点为600K,而20nm的铅微粒熔点低于288K;纳米金属微粒在低温下呈现电绝缘性;钠米微粒具有极强的吸光性,因此各种纳米微粒粉末几乎都呈黑色;纳米材料具有奇异的磁性,主要表现在不同粒径的纳米微粒具有不同的磁性能,当微粒的尺寸高于某一临界尺寸时,呈现出高的矫顽力,而低于某一尺寸时,矫顽力很小,例如,粒径为85nm的镍粒,矫顽力很高,而粒径小于15nm的镍微粒矫顽力接近于零;纳米颗粒具有大的比表面积,其表面化学活性远大于正常粉末,因此原来化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却变为活性极好的催化剂。
    扩散及烧结性能 纳米结构材料的扩散率是普通状态下晶格扩散率的1014~1020倍,是晶界扩散率的102~104倍,因此纳米结构材料可以在较低的温度下进行有效的掺杂,可以在较低的温度下使不混溶金属形成新的合金相。扩散能力提高的另一个结果是可以使纳米结构材料的烧结温度大大降低,因此在较低温度下烧结就能达到致密化的目的。
    力学性能 纳米材料与普通材料相比,力学性能有显著的变化,一些材料的强度和硬度成倍地提高;纳米材料还表现出超塑性状态,即断裂前产生很大的伸长量。
    2.纳米材料的应用
    纳米金属:如纳米铁材料,是由6纳米的铁晶体压制而成的,较之普通铁强度提高12倍,硬度提高2~3个数量级,利用纳米铁材料,可以制造出高强度和高韧性的特殊钢材。对于高熔点难成形的金属,只要将其加工成纳米粉末,即可在较低的温度下将其熔化,制成耐高温的元件,用于研制新一代高速发动机中承受超高温的材料。
    “纳米球”润滑剂:全称 “原子自组装纳米球固体润滑剂”,是具有二十面体原子团簇结构的铝基合金 成分并采用独特的纳米制备工艺加工而成的纳米级润滑剂。采用高速气流粉碎技术,精确控制添加剂的颗粒粒度,可在摩擦表面形成新表面,对机车发动机产生修复作用。其成分设计及制备工艺具有创新性,填补了润滑油合金基添加剂的空白技术。在机车发动机加入纳米球,可以起到节省燃油、修复磨损表面、增强机车动力、降低噪音、减少污染物排放、保护环境的作用。
    纳米陶瓷:首先利用纳米粉末可使陶瓷的烧结温度下降,简化生产工艺,同时,纳米陶瓷具有良好的塑性甚至能够具有超塑性,解决了普通陶瓷韧性不足的弱点,大大拓展了陶瓷的应用领域。
    纳米碳管 纳米碳管的直径只有1.4nm,仅为计算机微处理器芯片上最细电路线宽的1%,其质量是同体积钢的1/6,强度却是钢的100倍,纳米碳管将成为未来高能纤维的首选材料,并广泛用于制造超微导线、开关及纳米级电子线路。
    纳米催化剂 由于纳米材料的表面积大大增加,而且表面结构也发生很大变化,使表面活性增强,所以可以将纳米材料用作催化剂,如超细的硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂;超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂;超细的银粉可以为乙烯氧化的催化剂;用超细的Fe3O4微粒做催化剂可以在低温下将CO2分解为碳和水;在火箭燃料中添加少量的镍粉便能成倍地提高燃烧的效率。
    量子元件 制造量子元件,首先要开发量子箱。量子箱是直径约10纳米的微小构造,当把电子关在这样的箱子里,就会因量子效应使电子有异乎寻常的表现,利用这一现象便可制成量子元件,量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作的,从而它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外,量子元件还可以使元件的体积大大缩小,使电路大为简化,因此,量子元件的兴起将导致一场电子技术革命。人们期待着利用量子元件在21世纪制造出16GB(吉字节)的DRAM,这样的存储器芯片足以存放10亿个汉字的信息。
    中国已经研制出一种用纳米技术制造的乳化剂,以一定比例加入汽油后,可使像桑塔纳一类的轿车降低10%左右的耗油量;纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力,在室温常压下,约2/3的氢能可以从这些纳米材料中得以释放,可以不用昂贵的超低温液氢储存装置。
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