無機(jī)材料化學(xué)第三章課件

3.新材料技術(shù)及其現(xiàn)狀和展望

3.1新材料是高技術(shù)的基礎(chǔ)

新材料技術(shù)是現(xiàn)代文明的三大支柱之一。所謂新材料是指那些新近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具有比傳統(tǒng)材料的性能更為優(yōu)異的一類材料。新材料的品種每年大約以5%的速度增長(zhǎng)。

新材料技術(shù)被譽(yù)為“高技術(shù)的基礎(chǔ)”。重點(diǎn)是金屬復(fù)合材料、超合金、高溫結(jié)構(gòu)陶瓷、高結(jié)晶高分子材料以及納米材料等。目前美國在復(fù)合材料和聚合物材料這兩個(gè)領(lǐng)域遙居世界領(lǐng)先地位。

3.2重點(diǎn)新材料簡(jiǎn)介（2）先進(jìn)金屬材料

先進(jìn)金屬材料包括形狀記憶合金材料和非晶態(tài)合金材料。后者是一類極有發(fā)展前景的新型金屬材料，包括超導(dǎo)合金材料、間充化合物材料、納米金屬材料、高溫金屬材料、貯氫材料、多孔金屬材料、金屬磁性材料等。這些材料在現(xiàn)代軍事、電子、汽車、機(jī)械、航天航空、醫(yī)療器械等領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。（3）新型高分子材料新型高分子材料（精細(xì)高分子新材料）已開發(fā)出許多高強(qiáng)度、高模量的塑料、纖維等高分子材料和由兩種及多種樹脂復(fù)合制成的高分子合金。功能高分子大體上可分為化學(xué)、物理功能高分子材料，以及介于化學(xué)和物理功能之間的或具有復(fù)合功能的高分子材料。通常具有高分子材料固有的特點(diǎn)。用于生物環(huán)境中的以及用于醫(yī)學(xué)診斷中的高聚物材料都屬于醫(yī)用高分子材料的范疇。

3.2重點(diǎn)新材料簡(jiǎn)介（4）高性能復(fù)合材料復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的材料按一定方式組合而成的、具有單一材料所不能獲得的優(yōu)良性能的材料。高性能復(fù)合材料主要包括樹脂基復(fù)合材料、金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料等。功能復(fù)合材料已獲得了應(yīng)用。如復(fù)合壓電材料、導(dǎo)電和超導(dǎo)材料、磁性材料、阻尼材料、摩擦磨耗材料、吸聲材料、隱身吸波材料以及各種敏感換能材料等。

3.2重點(diǎn)新材料簡(jiǎn)介（6）超導(dǎo)材料自1911年發(fā)現(xiàn)超導(dǎo)現(xiàn)象到1986年止的幾十年中，發(fā)現(xiàn)或制造出了上千種超導(dǎo)材料。1986年貝德諾茲和繆勒發(fā)現(xiàn)Tc為35K的鋇鑭銅氧化物超導(dǎo)材料以后，才使超導(dǎo)研究取得突破性進(jìn)展。除了高臨界溫度（Tc已達(dá)132K）氧化物超導(dǎo)體的迅速發(fā)展以外，重電子金屬超導(dǎo)體、有機(jī)物超導(dǎo)體等也得到了迅速發(fā)展。尤其是C60超導(dǎo)體的進(jìn)展更令人矚目，在所有的有機(jī)物超導(dǎo)體中，它的超導(dǎo)臨界溫度最高。

3.2重點(diǎn)新材料簡(jiǎn)介（7）

納米材料

納米材料可分為納米顆粒和納米固體兩個(gè)層次。納米材料的特殊性質(zhì)主要取決于納米顆粒的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)以及量子效應(yīng)。納米材料的特殊性質(zhì)使得它在光、熱、電、磁等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料所不具備的特性。納米材料作為磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密材料的燒結(jié)、催化、傳感等方面具有十分廣泛的應(yīng)用前景。我國政府在自然科學(xué)基金中設(shè)立納米材料專項(xiàng)研究基金。

3.2重點(diǎn)新材料簡(jiǎn)介

（8）富勒烯材料以C60為代表的一系列富勒烯材料的發(fā)現(xiàn)開辟了材料科學(xué)的一個(gè)全新的領(lǐng)域，形成了一門蓬勃發(fā)展的交叉學(xué)科——富勒烯科學(xué)。材料科學(xué)家將C60譽(yù)為“新材料皇后”。它們所具有的一系列獨(dú)特性質(zhì)，使得它們可能在光學(xué)、半導(dǎo)體、超導(dǎo)和微電子等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，它們的出現(xiàn)極有可能導(dǎo)致科學(xué)技術(shù)的一場(chǎng)革命。

3.2重點(diǎn)新材料簡(jiǎn)介能源材料

太陽能的充分利用可部分解決能源短缺問題，太陽能電池是其中的關(guān)鍵。儲(chǔ)氫材料能夠解決氫的儲(chǔ)存問題，是氫能源利用的關(guān)鍵。碳納米管將有可能成為廣泛應(yīng)用的儲(chǔ)氫材料。燃料電池在替代燃油發(fā)動(dòng)機(jī)方面具有重要應(yīng)用前景。

生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料植入人體的數(shù)量已達(dá)200余種，大量應(yīng)用的在20種左右。典型的生物醫(yī)用材料主要包括矯形植入體、心臟瓣膜、新血管支架和藥物載體等。人工關(guān)節(jié)仍然是最大的生物醫(yī)用材料器械市場(chǎng)。迄今我國尚無醫(yī)用級(jí)的用于關(guān)節(jié)制備的鈦合金材料，提升我國醫(yī)用合金的檔次尤其是對(duì)新型無釩鐵合金的研究已顯得十分迫切和必要。

納米材料納米技術(shù)是由材料、化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、電子學(xué)等學(xué)科相互交叉發(fā)展所形成的高新技術(shù)。納米技術(shù)帶來技術(shù)創(chuàng)新的原動(dòng)力。帶動(dòng)信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、能源技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)、環(huán)境科學(xué)技術(shù)、現(xiàn)代國防建設(shè)等領(lǐng)域的跨越式發(fā)展。目前我國的納米材料尚處于研發(fā)階段。（4）面向戰(zhàn)略性競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵性新材料技術(shù)

3.4我國新材料技術(shù)領(lǐng)域的

發(fā)展策略a．與重點(diǎn)企業(yè)結(jié)合，振興傳統(tǒng)材料產(chǎn)業(yè)；b．加強(qiáng)源頭創(chuàng)新，大力發(fā)展前瞻性新材料；c．加強(qiáng)材料技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)，與國際接軌；d．加強(qiáng)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化，推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

高性能結(jié)構(gòu)材料是指那些具有高強(qiáng)度、高韌性、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等特殊性能的材料。包括高溫結(jié)構(gòu)材料、超硬結(jié)構(gòu)材料、高強(qiáng)高韌結(jié)構(gòu)材料和超強(qiáng)吸水高分子材料。廣泛用于路面、建筑物、橋梁、溝渠、航天航空、國防建設(shè)、工業(yè)制品零件等許多方面。4.高性能結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)介

及其應(yīng)用

高溫結(jié)構(gòu)材料主要是陶瓷材料。具有金屬等其它材料所不具有的優(yōu)點(diǎn)，即在高溫下具有強(qiáng)度和硬度高、蠕動(dòng)小、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕、低熱膨脹系數(shù)和高導(dǎo)熱性等。包括高熔點(diǎn)氧化物陶瓷材料（Al2O3、ZrO2、MgOBeO）、耐高溫非氧化物陶瓷（B4C、TiC、ZrC、SiC、WC、TiB2、ZB2、CrB2、NbB2、AlN、TiN、ZrN、Si3N4）和氧化物與非氧化物復(fù)合陶瓷材料（Cr-Al2O3系、W-Cr-Al2O3系、ZrO2-Ti）等。

4.1高溫結(jié)構(gòu)材料

氧化鋯陶瓷材料常溫抗拉強(qiáng)度可達(dá)2000MPa。纖維（或晶須）增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料

短裂韌性可高達(dá)20MPa·m1/2，抗拉強(qiáng)度達(dá)900MPa以上。以纖維增強(qiáng)的Si3N4陶瓷復(fù)合材料的短裂韌性可高達(dá)28MPa·m1/2，抗拉強(qiáng)度達(dá)690MPa。金屬陶瓷材料具有耐熱、耐腐蝕和強(qiáng)度大等特性，因而是一種重要的結(jié)構(gòu)材料。工程塑料

通常將高分子材料中拉伸強(qiáng)度在50MPa以上、沖擊韌性大于6kJ/m2、長(zhǎng)期耐熱性能超過100℃、耐磨、自潤(rùn)滑性優(yōu)良的塑料稱為工程塑料，這類塑料可以代替金屬。

4.3高強(qiáng)韌性結(jié)構(gòu)材料（1）超強(qiáng)吸水高分子材料的概況超強(qiáng)吸水高分子材料簡(jiǎn)稱SAP。與傳統(tǒng)的吸水材料相比，SAP有三大優(yōu)勢(shì)：①吸水量大；②保水性強(qiáng)；③具有彈性、可塑性、可加工性。目前美國和日本處于領(lǐng)先水平。

我國自80年代初開始對(duì)SAP的研究，先后有40多個(gè)單位參與。自1985年以來，已獲得幾十項(xiàng)專利。我國SAP生產(chǎn)能力約2600噸左右，大多數(shù)為小型企業(yè)，其中規(guī)模最大的是江蘇無錫海龍衛(wèi)生材料有限公司，年產(chǎn)量為1000噸。

4.4超強(qiáng)吸水高分子材料生理衛(wèi)生方面

生理衛(wèi)生品指的是體液（血液、汗液、尿液）的吸收用品，如衛(wèi)生巾、尿布（褲）、汗毛巾、棉球、止血栓等。是SAP主要的較為成熟的應(yīng)用領(lǐng)域，約占SAP市場(chǎng)總用量的70%。在我國，雖有已研制出高吸水樹脂，但工業(yè)化應(yīng)用開發(fā)研究的報(bào)道少見。主要存在的問題是：制備的SAP質(zhì)量有一定欠缺；消費(fèi)認(rèn)識(shí)和水平跟不上，如紙尿巾，我國普及率不足1%。我國的SAP有較大的應(yīng)用前景（2）超強(qiáng)吸水高分子材料的應(yīng)用沙漠治理及表土綠化方面

SAP在沙漠治理及表土綠化方面極具應(yīng)用前景。例如：將SAP配制成0.3%~0.4%的凝膠液，埋入10~15cm深的沙漠中，就可在其中種植蔬菜和一般作物；再如修筑道路、水壩時(shí)，往往除去表土形成巖石斜面，容易受風(fēng)雨侵蝕造成水土流失?，F(xiàn)在研究把草籽、緩釋肥料納入含SAP的無紡布漏網(wǎng)中，再固定在巖石中進(jìn)行斜面覆蓋植被，起到表土綠化作用。

利用SAP優(yōu)異的親水性，添加在化妝品中，可起到保水、增稠、防干（裂）和滋潤(rùn)皮膚的作用。

日用化工方面

聚丙烯酸鈉在軟膏、霜?jiǎng)?、擦劑、巴布劑等外用藥劑中作基質(zhì)材料，具有保溫、增稠、皮膚浸潤(rùn)、膠凝等作用。醫(yī)用聚丙烯酸鈉與粘膠纖維復(fù)合制成吸血海綿體材料——高吸水性非織造布，用于外科手術(shù)，具有不掉毛、吸液性能好（吸液倍率764.2g/g，吸液高度73mm）等優(yōu)點(diǎn)。在智能藥物釋放系統(tǒng)中，高分子親水凝膠可作為控制藥物釋放量、釋放時(shí)間和釋放空間的智能載體

醫(yī)藥方面5.電子信息材料

電子信息材料是指光電子技術(shù)中所需用的材料，它對(duì)于滿足計(jì)算機(jī)、通訊、國防、航天工業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要.信息的傳遞可由光子負(fù)擔(dān)；而信息的產(chǎn)生處理、檢測(cè)、存儲(chǔ)和顯示等功能，則由光子和電子聯(lián)合來完成。光電子信息系統(tǒng)包括光載波源、光控制與信號(hào)加載、光信號(hào)傳輸、處理和接收（檢測(cè)和顯示）.

(1)國外現(xiàn)狀

半導(dǎo)體材料：以半導(dǎo)體器件為主的世界電子產(chǎn)品的產(chǎn)值：2006年達(dá)到17000億美元，世界集成電路市場(chǎng)2001年達(dá)3210億美元；2006年生產(chǎn)單晶硅原料32950多萬噸。2006年硅片產(chǎn)量達(dá)80億平方英寸（相當(dāng)于7500多噸），其中8英寸和12英寸各占一半。4英寸GaAs單晶片已商品化，6英寸已批量生產(chǎn)。2006年GaN藍(lán)光LCD的其市場(chǎng)銷售將達(dá)30億美元，占化合物半導(dǎo)體市場(chǎng)的20%。

5.1電子信息材料的發(fā)展現(xiàn)狀激光晶體材料和液晶材料

激光晶體材料正在向高功率、可調(diào)諧、新波長(zhǎng)、多功能和新工藝方向發(fā)展。其中Nd：YAG研制最熟、應(yīng)用最廣，其最大尺寸為φ100mm，商品化尺寸為50～75mm。Nd：YLF、HO：YAG、Er：YAG、Ti3+：A2O3等亦形成商品。液晶材料是生產(chǎn)LCD的關(guān)鍵材料。國外在品種及性能等方面均能滿足大尺寸高分辨率STN和TFT液晶顯示器的要求。

光纖材料其趨勢(shì)是向低非線性化方向發(fā)展。世界光纖用量正以年均25%以上的速度增長(zhǎng)，2006年我國達(dá)到2400萬公里，隨著3G技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖供不應(yīng)求。光纖預(yù)制棒的尺寸，大的單棒拉絲長(zhǎng)達(dá)1000多公里，拉絲速度大于1000米/分鐘。此外，還開發(fā)了保光光纖、有源光纖、紅外光纖、細(xì)徑光纖、抗輻射光纖、耐高低溫光纖和高強(qiáng)度光纖等特種光纖。

磁性材料磁性材料的生產(chǎn)與研究也有大的發(fā)展，國外已生產(chǎn)出最大磁能積(BH)max=416kJ/M3永磁體。軟磁鐵氧體最高磁導(dǎo)率達(dá)20000左右；最新開發(fā)的納米微晶軟磁合金Finement。磁導(dǎo)率高達(dá)100000。飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度達(dá)1.3T;軟磁相與永磁相在納米尺度范圍內(nèi)進(jìn)行復(fù)合的雙相納米永磁合金,理論最大磁能積(BH)max為800～1000kJ/M3.功能電子陶瓷材料

功能電子陶瓷材料的國內(nèi)外需求量越來越大。2005年需近100億只。安規(guī)磁介電容器是最新出現(xiàn)的新型電子元件；而晶界層磁介電容器的優(yōu)越性能也越來越顯現(xiàn)出來。它們?cè)谕ㄐ?、?jì)算機(jī)、家電及國防工程等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

(3)存在問題a.廠點(diǎn)多、規(guī)模小、發(fā)展不平衡、經(jīng)濟(jì)效益差.b.產(chǎn)品檔次低，品種規(guī)格不全.c.自給率低，依賴進(jìn)口局面仍然存在.產(chǎn)生上述問題的主要原因有:a.電子信息材料的重要性還未引起足夠的重視.b.企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備陳舊，研究手段落后，投資強(qiáng)度低，創(chuàng)新能力差，科研成果轉(zhuǎn)化率低，管理水平不適應(yīng)等等。4.2市場(chǎng)需求分析

電子信息材料總趨勢(shì)是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、規(guī)模化、多功能化。片式化、高集成化方向發(fā)展。發(fā)展重點(diǎn)：

微電子器件、電路用材料；光電子材料；新型元器件料：a．磁性材料:b.電子陶瓷：c.片式鉭電容器及鉭粉、鉭絲；d.超薄、低價(jià)電損耗的新型覆銅板；e.高性能薄型印制電路板；f.壓電晶體材料：g.綠色電池：h.信息傳感材料；I.專用金屬材料。

6.新型生物醫(yī)用材料

作為生物體部分功能或形態(tài)修復(fù)的材料稱為生物醫(yī)用材料，簡(jiǎn)稱生物材料(Biomaterials)。生物醫(yī)用材料包括3個(gè)方面：一是硬組織的替代材料；二是埋入生物體內(nèi)的植入材料；三是作為藥物定位的載體，控制藥物的釋放。為此要求生物醫(yī)用材料必須具有良好的生物功能性和生物相容性。所謂生物功能性是指生物材料具有在其植入位置上行使功能所要求的物理和化學(xué)性質(zhì)；生物相容性則是指一種生物材料在特殊應(yīng)用中和宿主反應(yīng)起作用的能力。

醫(yī)用金屬和合金：目前所用的醫(yī)用合金主要是不銹鋼、鈷基合金以及鈦和鈦合金，主要用于骨骼、關(guān)節(jié)、牙齒等硬組織的修復(fù)和替換。其中鈦和鈦合金具有良好的生物相容性，接近骨的彈性模量，抗疲勞，耐腐蝕，因而受到特別重視。醫(yī)用金屬和合金的主要缺點(diǎn)是不具有生物活性，難于和生物組織形成牢固的結(jié)合。

醫(yī)用生物陶瓷：醫(yī)用生物陶瓷可分為生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷兩類。生物惰性陶瓷主要是氧化鋁、氧化鈷等。生物活性陶瓷主要是羥基磷灰石（HA）陶瓷和磷酸三鈣（TCP）陶瓷等。羥基磷灰石是構(gòu)成脊椎動(dòng)物和人體硬組織的主要無機(jī)質(zhì)，不僅具有良好的生物相容性，而且可以誘導(dǎo)骨生長(zhǎng)并和生物組織形成牢固的鍵合。

醫(yī)用高分子材料：包括天然高分子和合成高分子。合成高分子聚四氟乙烯、聚硅氧烷、聚氨脂、聚酯等有的已在臨床應(yīng)用，其缺點(diǎn)是大多不具有生物活性。近10年來，生物降解高分子材料（如聚乳酸、聚羥基丁酯、聚多糖類、聚磷腈等）的開發(fā)和應(yīng)用，已成為醫(yī)用高分子材料的發(fā)展的重要方向。醫(yī)用復(fù)合生物材料：由于復(fù)合材料具有單個(gè)組分材料所不具有的各種性能組合，因此將不同組成的生物材料進(jìn)行復(fù)合化，就可以得到醫(yī)用復(fù)合材料。這類材料研究的重點(diǎn)主要是：a.強(qiáng)韌化生物復(fù)合材料；b.功能性生物復(fù)合材料；c.帶有治療功能的HA生物復(fù)合材料，研究也十分活躍。

幾種新型醫(yī)用生物材料的最新研究成果：（1）用于人造血管的彈性蛋白；（2）用于避孕和防病的聚丙烯酸酯；（3）干細(xì)胞作為人體最基本的建筑材料，可以發(fā)育成具有任何功能的細(xì)胞，有人將其稱為“萬能細(xì)胞”；（4）人工肝臟材料；（5）用于臨床外科手術(shù)的強(qiáng)力生物粘膠材料；（6）用于治療口腔疾病的新型生物材料。

7.納米技術(shù)和納米材料納米材料是指晶粒尺寸為納米級(jí)(10-9米)的超細(xì)材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為100—102nm。1984年德國薩爾蘭大學(xué)的Gleiter以及美國阿貢試驗(yàn)室的Siegel相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉，從而使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。從材料的結(jié)構(gòu)單元層次來說，它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。納米材料研究是目前國內(nèi)外材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其相應(yīng)發(fā)展起來的納米技術(shù)被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。

7.1納米技術(shù)在陶瓷領(lǐng)域方面的應(yīng)用具有優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性的納米陶瓷；美國波士頓大學(xué)的化學(xué)家們制備出了由78個(gè)原子構(gòu)成世界上最小的分子馬達(dá)。6.2納米技術(shù)在微電子學(xué)上的應(yīng)用

單電子晶體管、納米絲和納米棒制成的微型探測(cè)器、納米探針、開關(guān)功能的量子點(diǎn)陣列、單電子量子點(diǎn)等。6.3納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用

美國南加州大學(xué)的Adelman博士等應(yīng)用基于DNA分子計(jì)算技術(shù)的生物實(shí)驗(yàn)方法，有效地解決了目前計(jì)算機(jī)無法解決的問題——“哈密爾頓路徑問題”，使人們對(duì)生物材料的信息處理功能和生物分子的計(jì)算技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。納米計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存和信息處理能力提高上百萬倍.

6.4納米技術(shù)在光電領(lǐng)域的應(yīng)用

超高分辨率納米孔徑雷達(dá)、光纖通信中