新材料技術(shù)

　　概論

　　新材料按材料的屬性劃分，有金屬材料、無機(jī)非金屬材料（如陶瓷、砷化鎵半導(dǎo)體等）、有機(jī)高分子材料、先進(jìn)復(fù)合材料四大類。按材料的使用性能性能分，有結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料主要是利用材料的力學(xué)和理化性能，以滿足高強(qiáng)度、高剛度、高硬度、耐高溫、耐磨、耐蝕、抗輻照等性能要求；功能材料主要是利用材料具有的電、磁、聲、光熱等效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)某種功能，如半導(dǎo)體材料、磁性材料、光敏材料、熱敏材料、隱身材料和制造原子彈、氫彈的核材料等。新材料在國防建設(shè)上作用重大。例如，超純硅、砷化鎵研制成功，導(dǎo)致大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的誕生，使計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度從每秒幾十萬次提高到現(xiàn)在的每秒百億次以上；航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的工作溫度每提高100℃，推力可增大24%；隱身材料能吸收電磁波或降低武器裝備的紅外輻射，使敵方探測(cè)系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)，等等。

　　新材料技術(shù)被稱為“發(fā)明之母”和“產(chǎn)業(yè)糧食”。

　　發(fā)展方向

　　新材料技術(shù)的發(fā)展不僅促進(jìn)了信息技術(shù)和生物技術(shù)的革命，而且對(duì)制造業(yè)、物資供應(yīng)以及個(gè)人生活方式產(chǎn)生重大的影響。記者日前采訪了中國科學(xué)院“高科技發(fā)展報(bào)告”課題組的有關(guān)專家，請(qǐng)他們介紹了當(dāng)前世界上新材料技術(shù)的研究進(jìn)展情況及發(fā)展趨勢(shì)。材料技術(shù)的進(jìn)步使得“芯片上的實(shí)驗(yàn)室”成為可能，大大促進(jìn)了現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展。新材料技術(shù)的發(fā)展賦予材料科學(xué)新的內(nèi)涵和廣闊的發(fā)展空間。

　　目前，新材料技術(shù)正朝著研制生產(chǎn)更小、更智能、多功能、環(huán)保型以及可定制的產(chǎn)品、元件等方向發(fā)展納米材料20世紀(jì)90年代，全球逐步掀起了納米材料研究熱潮。由于納米技術(shù)從根本上改變了材料和器件的制造方法，使得納米材料在磁、光、電敏感性方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的許多特性，在許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。專家預(yù)測(cè)，納米材料的研究開發(fā)將是一次技術(shù)革命，進(jìn)而將引起21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。

　　日本三井物產(chǎn)公司曾在去年末宣布該公司將批量生產(chǎn)碳納米管，從2002年4月開始建立年產(chǎn)量120噸的生產(chǎn)設(shè)備，9月份投入試生產(chǎn)，這是世界上首次批量生產(chǎn)低價(jià)納米產(chǎn)品。美國ibm公司的科研人員，在2001年4月，用碳納米管制造出了第一批晶體管，這一利用電子的波性，而不是常規(guī)導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)傳遞住處的技術(shù)突破，有可能導(dǎo)致更快更小的產(chǎn)品出現(xiàn)，并可能使現(xiàn)有的硅芯片技術(shù)逐漸被淘汰。

　　在碳納米管研究方興未艾的同時(shí)，納米事業(yè)的新秀－－“納米帶”又問世了。在美國佐治亞理工學(xué)院工作的三位中國科學(xué)家2001年初利用高溫氣體固相法，在世界上首次合成了半導(dǎo)體化物納米帶狀結(jié)構(gòu)。這是繼發(fā)現(xiàn)多壁碳納米管和合成單壁納米管以來，一維納米材料合成領(lǐng)域的又一大突破。

　　這種納米帶的橫截面是一個(gè)窄矩形結(jié)構(gòu)，帶寬為30～300mm，厚度為5～10nm，而長(zhǎng)度可達(dá)幾毫米，是迄今為止合成的惟一具有結(jié)構(gòu)可控且無缺陷的寬帶半導(dǎo)體準(zhǔn)一維帶狀結(jié)構(gòu)。目前已經(jīng)成功合成了氧化錫、氧化銦、氧化隔等材料納米帶。由于半導(dǎo)體氧化物納米帶克服了碳納米管的不穩(wěn)定性和內(nèi)部缺陷問題，具有比碳納米管更獨(dú)特和優(yōu)越的結(jié)構(gòu)及物理性能，因而能夠更早地投入工業(yè)生產(chǎn)和商業(yè)開發(fā)。

　　超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料在電動(dòng)機(jī)、變壓器和磁懸浮列車等領(lǐng)域有著巨大的市場(chǎng)，如用超導(dǎo)材料制造電機(jī)可增大極限輸出量20倍，減輕重量90%。超導(dǎo)材料的研制，關(guān)鍵在于提高材料的臨界溫度，若此問題得到解決，則會(huì)使許多領(lǐng)域產(chǎn)生重大變化。去年，科學(xué)家在超導(dǎo)材料上有不少新收獲，相繼發(fā)現(xiàn)了臨界溫度更訓(xùn)的新型超導(dǎo)材料，使人類朝著開發(fā)室溫超導(dǎo)材料邁出了一大步。

　　在日本，有人發(fā)現(xiàn)二硼化鎂可在－234℃成為超導(dǎo)體，這是迄今為止發(fā)現(xiàn)臨界溫度最高的金屬化合物超導(dǎo)體。由于二硼化鎂的發(fā)現(xiàn)，使世界凝聚態(tài)物理學(xué)界為之振奮。由于二硼化鎂超導(dǎo)體易合成、易加工，很容易制成薄膜或線材，因而應(yīng)用前景看好。

　　美國科學(xué)家在研制更具實(shí)用性超導(dǎo)材料方面取得了明顯的進(jìn)展，并開始進(jìn)入實(shí)用階段。美國底物律的福瑞斯比電站在地下鋪設(shè)了360多米的超導(dǎo)電纜，電纜中123kg重的導(dǎo)線是由含鉍、鍶、鈣、銅的氧化物超導(dǎo)瓷制造的。這是世界上首次實(shí)用的超導(dǎo)輸電線路。

　　我國在高溫超導(dǎo)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)上也獲得了重大突破，目前已有高溫超導(dǎo)線材生產(chǎn)線投產(chǎn)。據(jù)估計(jì)，到2010年超導(dǎo)產(chǎn)品可有1000億美元的市場(chǎng)。但應(yīng)當(dāng)指出的是，除超導(dǎo)材料以外，還有許多配套技術(shù)需要解決，同時(shí)還要繼續(xù)研究開發(fā)高溫超導(dǎo)體，如室溫超導(dǎo)材料。

　　高性能結(jié)構(gòu)材料高性能結(jié)構(gòu)材料具有高溫強(qiáng)度好、耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷材料目前正在研制的有碳化硅、氧化硅、氮化硅、硼化物、增韌氧化鋯陶瓷和纖維增強(qiáng)無機(jī)合成材料等。如在內(nèi)燃機(jī)中用陶瓷代替金屬可減少燃料消耗30%，提高熱效率50%。

　　高性能復(fù)合材料可以根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠使材料揚(yáng)避短，當(dāng)前的研究重點(diǎn)有：纖維增強(qiáng)塑料、碳/碳復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料和金屬基復(fù)合材料。高分子功能材料是近年來發(fā)展最快的有機(jī)合成材料，每年的遞增速度達(dá)到14%。此外，美國科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了一種可和玻璃結(jié)合的化合物，這種硅烷化合物能夠粘在磷酸鹽玻璃表面，形成一個(gè)單一分子層和多分子層，從而可以保護(hù)玻璃表面，將腐蝕減少到最小程度，這一發(fā)現(xiàn)對(duì)提高玻璃的抗腐蝕性有重要意義。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，開拓了新材料的范圍，推動(dòng)了新材料向更高、更新方向發(fā)展。化學(xué)工業(yè)生產(chǎn)了大量的化工新材料，為新材料的發(fā)展提供技術(shù)支持。同時(shí)，新材料的發(fā)展同樣可以推動(dòng)化學(xué)工業(yè)的科技進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。

　　高性能結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)、應(yīng)用，使一些化工機(jī)械、設(shè)備的大型化、高效化、高參數(shù)化、多功能化有了物質(zhì)基礎(chǔ)，可以滿足化工生產(chǎn)高技術(shù)的要求，使一些化工工藝的實(shí)現(xiàn)成為可能。納米材料在化學(xué)工業(yè)可廣泛應(yīng)用，是應(yīng)用于多種化學(xué)傳感器的最有前途的材料。展望21世紀(jì)，新材料技術(shù)的飛速發(fā)展，必將為我們的生活帶來更美好的明天。

　　研究動(dòng)向

　　當(dāng)前，美國、歐洲、日本等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)十分重視新材料技術(shù)的發(fā)展，都把發(fā)展新材料作為科技發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分，在制定國家科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展計(jì)劃時(shí)，將新材料技術(shù)列為21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，予以重點(diǎn)發(fā)展，以保持其經(jīng)濟(jì)和科技的領(lǐng)先地位。

　　中國的新材料科技及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在政府的大力關(guān)心和支持下，也取得了重大的進(jìn)展和成績(jī)，為國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。

　　為研究我國新材料領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和態(tài)勢(shì)，本報(bào)告以中國期刊網(wǎng)數(shù)據(jù)庫作為統(tǒng)計(jì)分析源，從文獻(xiàn)計(jì)量學(xué)的角度進(jìn)行分析研究，討論了新材料包括超導(dǎo)材料、金屬材料、非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料的理論研究、制備工藝、產(chǎn)品應(yīng)用、技術(shù)裝備等方面的內(nèi)容。

　　總量分析

　　據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國新材料領(lǐng)域2000年共發(fā)表論文15866篇，2005年增加到27278篇，增加了11412篇，增長(zhǎng)幅度達(dá)71.9%。其中：2000年至2002年論文發(fā)表數(shù)量以每年2000多篇速度增加，增長(zhǎng)幅度達(dá)13%以上；2003-2004年，發(fā)表論文總量雖然在增加，但增長(zhǎng)速度有所減慢，其中2003年只比2002年增長(zhǎng)了7.72%，2004年較2003年僅增長(zhǎng)了4.09%；但到了2005年，發(fā)表的論文數(shù)量卻有了大幅度增加，數(shù)量達(dá)到4512篇，增長(zhǎng)幅度為19.82%，呈現(xiàn)加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。總體上看，從2000年到2005年我國的新材料領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量呈波動(dòng)式增長(zhǎng)，并有加速的趨勢(shì)。

　　結(jié)構(gòu)分析

　　1、新材料各專業(yè)論文產(chǎn)出權(quán)重的年度變化

　　從2000年至2005年，新材料各專業(yè)發(fā)表論文數(shù)量占整個(gè)新材料領(lǐng)域的比重雖然每年都在變化，但總的分布格局沒有被打破。高分子材料除2001年和2002年所占比重低于50%以外，其它幾年均在50%以上，一直占居主導(dǎo)地位；復(fù)合材料所占比重在20-30%之間，居第二位；非金屬材料所占比重在一成多，居第三位；超導(dǎo)材料在整個(gè)材料領(lǐng)域所占比例最小，居5個(gè)專業(yè)的最后一位。

　　從各專業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r分析，超導(dǎo)材料的發(fā)展呈上下波動(dòng)，總體下降的趨勢(shì)；金屬材料作為一種傳統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，其發(fā)展呈現(xiàn)大幅下降的局面；非金屬材料在整個(gè)材料領(lǐng)域基本保持穩(wěn)定的態(tài)勢(shì)，其所占比例變化不大；高分子材料是發(fā)展最快的學(xué)科，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，其在整個(gè)新材料領(lǐng)域中的權(quán)重呈波動(dòng)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)；復(fù)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%。

　　2、新材料各專業(yè)論文產(chǎn)出數(shù)量的年度變化

　　2000年至2005年，從新材料各專業(yè)發(fā)表論文的數(shù)量及增長(zhǎng)率來看，超導(dǎo)材料論文發(fā)表呈現(xiàn)增長(zhǎng)正負(fù)相間的發(fā)展格局，但總量呈下降趨勢(shì)，降幅為10%左右；金屬材料的論文發(fā)表數(shù)量出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，從2000年的1614篇減少到2005年的254篇，總降幅達(dá)84%；非金屬材料發(fā)表論文數(shù)量總的趨勢(shì)是穩(wěn)步增長(zhǎng)，且到了2005年有加速增長(zhǎng)的趨勢(shì)，發(fā)表論文數(shù)量比2000年增長(zhǎng)了1527篇，當(dāng)年增長(zhǎng)了29.3%，6年間總體增長(zhǎng)了66.65%；高分子材料的論文數(shù)量也在不斷增加，從2000年的8201篇增加到2005年的15895篇，總增幅達(dá)93.3%，幾乎翻了一番；復(fù)合材料論文發(fā)表呈現(xiàn)波動(dòng)的局面，2001年比2000年有較大幅度增加，但2003-2004年卻出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，到2005年又增加至7215篇，比2000年的3672篇增加了近一倍。

　　結(jié)論

　　1、新材料領(lǐng)域總體發(fā)展速度較快，勢(shì)頭強(qiáng)勁

　　材料是當(dāng)前世界新技術(shù)革命的三大支柱(材料、信息、能源)之一，與信息技術(shù)、生物技術(shù)一起構(gòu)成了21世紀(jì)世界最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ娜箢I(lǐng)域之一。對(duì)材料的認(rèn)識(shí)與利用能力，往往決定著社會(huì)的形態(tài)和人類生活的質(zhì)量。人類的歷史已經(jīng)證明，材料是人類社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，而新材料則是人類社會(huì)進(jìn)步的里程碑。新材料在發(fā)展高新技術(shù)、改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、增強(qiáng)綜合國力和國防實(shí)力方面起著重要的作用，而且在自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展也越來越快，地位日趨重要。根據(jù)對(duì)同時(shí)段論文發(fā)表數(shù)量統(tǒng)計(jì)，6年間國內(nèi)新材料領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量的年平均增長(zhǎng)率為9.15%，大于自然科學(xué)和工程技術(shù)領(lǐng)域8.34%的論文發(fā)表增長(zhǎng)率；新材料領(lǐng)域發(fā)表論文占自然科學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)表論文的比重也保持上升的勢(shì)頭，6年間增長(zhǎng)了0.13個(gè)百分點(diǎn)。

　　新材料領(lǐng)域的發(fā)展變化，得益于技術(shù)創(chuàng)新和成果轉(zhuǎn)化速度加快。前沿技術(shù)的突破使得新興材料產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)，同時(shí)新材料與信息、能源、醫(yī)療衛(wèi)生、交通、建筑等產(chǎn)業(yè)結(jié)合越來越緊密，材料科學(xué)工程與其他學(xué)科交叉領(lǐng)域和規(guī)模都在不斷擴(kuò)大，而且世界各國政府高度重視新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制定了推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)和科技發(fā)展的相關(guān)計(jì)劃，在資金上給予大力扶持，從而推動(dòng)了本領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新能力的提高和發(fā)展，取得了一系列可喜的研究成果，保證了新材料領(lǐng)域發(fā)展的欣欣向榮局面。

　　2、高分子材料、復(fù)合材料發(fā)展迅速

　　2.1高分子材料新的應(yīng)用領(lǐng)域推動(dòng)了自身的成長(zhǎng)

　　高分子功能材料是近年來發(fā)展最快的有機(jī)合成材料，尤其在生物醫(yī)用材料、藥物控制釋放體系、骨科固定、組織工程和手術(shù)縫合線等方面不斷擴(kuò)展其新的應(yīng)用領(lǐng)域，全世界僅高分子材料在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用就有90多個(gè)品種、1800余種制品，西方國家在醫(yī)學(xué)上消耗的高分子材料每年以10-20%的速度增長(zhǎng)。我國的高分子材料發(fā)展也十分迅速，2000年至2005年論文發(fā)表數(shù)量從1862篇增加到6640篇，6年間增長(zhǎng)了256.61%。其中：高分子藥物方面的論文從182篇增加到802篇，增長(zhǎng)幅度達(dá)340%；醫(yī)用高分子材料方面的論文從285篇增加到821篇，增長(zhǎng)幅度達(dá)188%；仿生高分子材料的論文從416篇增加到1108篇，增長(zhǎng)幅度達(dá)166%，高分子膜材料的論文從979篇增加到3909篇，增長(zhǎng)幅度達(dá)299%。從上述數(shù)據(jù)中可以看出，高分子材料研發(fā)活躍，發(fā)展相當(dāng)迅猛，已成為醫(yī)學(xué)和生物技術(shù)中不可缺少的組成部分，也是新材料領(lǐng)域發(fā)展最快的專業(yè)。

　　2.2復(fù)合功能材料拓展了新的發(fā)展空間

　　由于多種材料多學(xué)科的交叉、融合,使材料的復(fù)合化成為發(fā)展新材料的一種重要手段。利用多種基體與增強(qiáng)體的復(fù)合、多種層次的復(fù)合以及利用非線性復(fù)合效應(yīng)可以創(chuàng)造出全新性能的材料。近年來先進(jìn)復(fù)合材料及新工藝發(fā)展很快，目前復(fù)合材料的發(fā)展以樹脂基復(fù)合材料為主，特別是熱固性材料，它的技術(shù)最成熟，應(yīng)用最廣。金屬基復(fù)合材料大部分處于研究開發(fā)階段，它特別適用于建造空間結(jié)構(gòu)體。

　　陶瓷基復(fù)合材料是改進(jìn)陶瓷的可靠性的重要途徑，從而使陶瓷材料優(yōu)異的高溫性能得以應(yīng)用。此外碳/碳復(fù)合材料在軍事技術(shù)上有很大實(shí)用價(jià)值，并已有一定的應(yīng)用，其發(fā)展趨勢(shì)較快。從我國2000年至2005年復(fù)合功能材料論文發(fā)表情況來看，數(shù)量從3672篇增加到7215篇，6年總計(jì)增長(zhǎng)96.49%。其中：金屬基復(fù)合材料論文從573篇增加到611篇，增幅6.6%；陶瓷基復(fù)合材料論文從298篇增加到1050篇，增幅252%；水泥基復(fù)合材料論文從1533篇增加到2428篇，增幅58.3%；聚合物基復(fù)合材料的論文從1134篇增加到2383篇，增幅110%；碳基復(fù)合材料論文從134篇增加到743篇，增幅達(dá)454%。從研究分析中可以看出，陶瓷基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料發(fā)展較快，這與其新工藝、新物質(zhì)及新配方的不斷涌現(xiàn)密切相關(guān)，碳基復(fù)合材料也正從軍用轉(zhuǎn)向民用，使其發(fā)展呈快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)。

　　2.3金屬材料發(fā)展趨于低谷，有待突破

　　相對(duì)于高分子材料、復(fù)合材料和非金屬材料的迅猛發(fā)展，歷史悠久的金屬材料的發(fā)展處于停滯甚至后退的局面，從2000年至2005年，我國金屬材料論文發(fā)表數(shù)量從1614篇減少到254篇，下降了535%。這一現(xiàn)象說明我們?cè)谠擃I(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新能力不足。當(dāng)前，世界金屬材料領(lǐng)域的發(fā)展出現(xiàn)了很多新的特點(diǎn)及增長(zhǎng)點(diǎn)，高性能金屬材料發(fā)展迅速。我國目前高性能金屬材料的產(chǎn)品研制、加工成型技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備等多方面都存在問題，阻礙了金屬材料的發(fā)展。因此，只要加大金屬材料的技術(shù)創(chuàng)新力度，就一定能打破其發(fā)展停滯不前的局面，實(shí)現(xiàn)新的振興和快速發(fā)展就指日可待。