新材料

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新材料(Advanced materials)

目錄

什麼是新材料

  新材料(或稱先進材料)是指那些新近發展或正在發展之中的具有比傳統材料的性能更為優異的一類材料。新材料是指新近發展的或正在研發的、性能超群的一些材料,具有比傳統材料更為優異的性能。新材料技術則是按照人的意志,通過物理研究、 材料設計、材料加工、試驗評價等一系列研究過程,創造出能滿足各種需要的新型材料的技術

新材料的內涵

  1.運用新概念,新方法和新技術,合成或製備出具有高性能或具有特殊功能的新材料。如碳纖維可以說是一種全新概念的新材料,用聚丙烯腈原絲經過專門的碳化工藝製備而成。

  2.對傳統材料的再開發,使性能獲得重大的改進和提高。如納米改性、稀土改性等。工程塑料改性目前較活躍,品種增多,性能不斷提高。

新材料的戰略定位

  包括:功能定位、方向定位、技術定位和市場定位

  1.功能定位:一種基礎性和支柱性戰略產業,是現代高新技術和產業的基礎和先導。材料的突破將有可能引發新的產業性革命。

  2.方向定位:圍繞國民經濟發展和重大工程需求,發展新能源、新一代信息技術、生物材料、航空航天、新能源汽車和現代交通、節能環保等重點領域的新興材料,包括:新型功能材料、高性能結構材料及科技前沿性的基礎材料。

  新型功能材料

  稀土功能材料、新型膜材料、陶瓷功能材料、半導體照明材料及新型功能高分子材料等。

  高性能結構材料

  高品質特殊鋼材、新型合金、新型工程塑料、高性能複合材料(碳纖維複合材料)。

  科技前沿基礎材料

  納米材料超導材料、智能化材料

  3.技術定位:發展具有自主知識產權的關鍵材料與技術,提高自主創新能力,形成我國新材料產業發展的科技創新體系和產業規模。

  4.市場定位:主要滿足國民經濟和國防建設的重大需求。瞄準國際化的高新技術高端市場,具有高技術含量、高附加值、高性價比。

新材料的類型

  1.複合新材料

  複合新材料使用的歷史可以追溯到古代。從古至今沿用的稻草增強粘土和已使用上百年的鋼筋混凝土均由兩種材料複合而成。20世紀40年代,因航空工業的需要,發展了玻璃纖維增強塑料(俗稱玻璃鋼),從此出現了複合材料這一名稱。50年代以後,陸續發展了碳纖維、石墨纖維和硼纖維等高強度和高模量纖維。70年代出現了芳綸纖維和碳化硅纖維。這些高強度、高模量纖維能與合成樹脂、碳、石墨、陶瓷、橡膠等非金屬基體或鋁、鎂、鈦等金屬基體複合,構成各具特色的複合材料。超高分子量聚乙烯纖維的比強度在各種纖維中位居第一,尤其是它的抗化學試劑侵蝕性能和抗老化性能優良。它還具有優良的高頻聲納透過性和耐海水腐蝕性,許多國家已用它來製造艦艇的高頻聲納導流罩,大大提高了艦艇的探雷、掃雷能力,在國內思嘉新材料開發的複合新材料代表了國內的較高水平。除在軍事領域,在汽車製造、船舶製造、醫療器械、體育運動器材等領域超高分子量聚乙烯纖維也有廣闊的應用前景。該纖維一經問世就引起了世界發達國家的極大興趣和重視。

  2.超導材料

  有些材料當溫度下降至某一臨界溫度時,其電阻完全消失,這種現象稱為超導電性,具有這種現象的材料稱為超導材料。超導體的另外一個特征是:當電阻消失時,磁感應線將不能通過超導體,這種現象稱為抗磁性。

  一般金屬(例如:銅)的電阻率隨溫度的下降而逐漸減小,當溫度接近於0K時,其電阻達到某一值。而1919年荷蘭科學家昂內斯用液氦冷卻水銀,當溫度下降到4.2K(即-269℃)時,發現水銀的電阻完全消失,

  超導電性和抗磁性是超導體的兩個重要特性。使超導體電阻為零的溫度稱為臨界溫度(TC)。超導材料研究的難題是突破“溫度障礙”,即尋找高溫超導材料。

  以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導材料已實現了商品化,在核磁共振人體成像(NMRI)、超導磁體及大型加速器磁體等多個領域獲得了應用;SQUID作為超導體弱電應用的典範已在微弱電磁信號測量方面起到了重要作用,其靈敏度是其它任何非超導的裝置無法達到的。但是,由於常規低溫超導體的臨界溫度太低,必須在昂貴複雜的液氦(4.2K)系統中使用,因而嚴重地限制了低溫超導應用的發展。

  高溫氧化物超導體的出現,突破了溫度壁壘,把超導應用溫度從液氦(4.2K)提高到液氮(77K)溫區。同液氦相比,液氮是一種非常經濟的冷媒,並且具有較高的熱容量,給工程應用帶來了極大的方便。另外,高溫超導體都具有相當高的磁性能,能夠用來產生20T以上的強磁場。

  超導材料最誘人的應用是發電、輸電和儲能。利用超導材料製作超導發電機的線圈磁體,可以將發電機的磁場強度提高到5~6萬高斯,而且幾乎沒有能量損失,與常規發電機相比,超導發電機的單機容量提高5~10倍,發電效率提高50%;超導輸電線和超導變壓器可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶,據統計,目前的銅或鋁導線輸電,約有15%的電能損耗在輸電線上,在中國每年的電力損失達1000多億度,若改為超導輸電,節省的電能相當於新建數十個大型發電廠;超導磁懸浮列車的工作原理是利用超導材料的抗磁性,將超導材料置於永久磁體(或磁場)的上方,由於超導的抗磁性,磁體的磁力線不能穿過超導體,磁體(或磁場)和超導體之間會產生排斥力,使超導體懸浮在上方。利用這種磁懸浮效應可以製作高速超導磁懸浮列車,如上海浦東國際機場的高速列車;用於超導電腦,高速電腦要求在集成電路晶元上的元件和連接線密集排列,但密集排列的電路在工作時會產生大量的熱量,若利用電阻接近於零的超導材料製作連接線或超微發熱的超導器件,則不存在散熱問題,可使電腦的速度大大提高。

  3.能源材料

  能源材料主要有太陽能電池材料、儲氫材料、固體氧化物電池材料等。

  太陽能電池材料是新能源材料IBM公司研製的多層複合太陽能電池,轉換率高達40%。

  氫是無污染、高效的理想能源,氫的利用關鍵是氫的儲存與運輸,美國能源部在全部氫能研究經費中,大約有50%用於儲氫技術。氫對一般材料會產生腐蝕,造成氫脆及其滲漏,在運輸中也易爆炸,儲氫材料的儲氫方式是能與氫結合形成氫化物,當需要時加熱放氫,放完後又可以繼續充氫的材料。目前的儲氫材料多為金屬化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。

  固體氧化物燃料電池的研究十分活躍,關鍵是電池材料,如固體電解質薄膜和電池陰極材料,還有質子交換膜型燃料電池用的有機質子交換膜等。

  4.智能材料

  智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之後的第四代材料,是現代高技術新材料發展的重要方向之一。國外在智能材料的研發方面取得很多技術突破,如英國宇航公司的導線感測器,用於測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況;英國開發出一種快速反應形狀記憶合金,壽命期具有百萬次迴圈,且輸出功率高,以它作制動器時、反應時間僅為10分鐘;形狀記憶合金還已成功在應用於衛星天線等、醫學等領域。

  另外,還有壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅動組件材料等功能材料。

  5.磁性材料

  磁性材料可分為軟磁材料和硬磁材料二類。

  (1)軟磁材料

  是指那些易於磁化並可反覆磁化的材料,但當磁場去除後,磁性即隨之消失。這類材料的特性標誌是:磁導率(μ=B/H)高,即在磁場中很容易被磁化,並很快達到高的磁化強度;但當磁場消失時,其剩磁很小。這種材料在電子技術中廣泛應用於高頻技術。如磁芯、磁頭、存儲器磁芯;在強電技術中可用於製作變壓器、開關繼電器等。目前常用的軟磁體有鐵硅合金、鐵鎳合金、非晶金屬。

  Fe-(3%~4%)Si的鐵硅合金是最常用的軟磁材料,常用作低頻變壓器、電動機及發電機的鐵芯;鐵鎳合金的性能比鐵硅合金好,典型代表材料為坡莫合金(Permalloy),其成分為79%Ni-21%Fe,坡莫合金具有高的磁導率(磁導率μ為鐵硅合金的10~20倍)、低的損耗;並且在弱磁場中具有高的磁導率和低的矯頑力,廣泛用於電訊工業、電子電腦和控制系統方面,是重要的電子材料;非晶金屬(金屬玻璃)與一般金屬的不同點是其結構為非晶體。它們是由Fe、Co、Ni及半金屬元素B、Si所組成,其生產工藝要點是採用極快的速度使金屬液冷卻,使固態金屬獲得原子無規則排列的非晶體結構。非晶金屬具有非常優良的磁性能,它們已用於低能耗的變壓器、磁性感測器、記錄磁頭等。另外,有的非晶金屬具有優良的耐蝕性,有的非晶金屬具有強度高、韌性好的特點。

  (2)永磁材料(硬磁材料

  永磁材料經磁化後,去除外磁場仍保留磁性,其性能特點是具有高的剩磁、高的矯頑力。利用此特性可製造永久磁鐵,可把它作為磁源。如常見的指南針、儀錶、微電機、電動機、錄音機、電話及醫療等方面。永磁材料包括鐵氧體和金屬永磁材料兩類。

  鐵氧體的用量大、應用廣泛、價格低,但磁性能一般,用於一般要求的永磁體。

  金屬永磁材料中,最早使用的是高碳鋼,但磁性能較差。高性能永磁材料的品種有鋁鎳鈷(Al-Ni-Co)和鐵鉻鈷(Fe-Cr-Co);稀土永磁,如較早的稀土鈷(Re-Co)合金(主要品種有利用粉末冶金技術製成的SmCo5和Sm2Co17),以及現在廣泛採用的鈮鐵硼(Nb-Fe-B)稀土永磁,鈮鐵硼磁體不僅性能優,而且不含稀缺元素鈷,所以很快成為目前高性能永磁材料的代表,已用於高性能揚聲器、電子水錶、核磁共振儀、微電機、汽車啟動電機等。

  6.納米材料

  納米本是一個尺度,納米科學技術是一個融科學前沿的高技術於一體的完整體系,它的基本涵義是在納米尺寸範圍內認識和改造自然,通過直接操作和安排原子、分子創新物質。納米科技主要包括:納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學七個方面。

  納米材料是納米科技領域中最富活力、研究內涵十分豐富的科學分支。用納米來命名材料是20世紀80年代,納米材料是指由納米顆粒構成的固體材料,其中納米顆粒的尺寸最多不超過100納米。納米材料的製備與合成技術是當前主要的研究方向,雖然在樣品的合成上取得了一些進展,但至今仍不能製備出大量的塊狀樣品,因此研究納米材料的製備對其應用起著至關重要的作用。

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