無機材料化學第三章課件

3.新材料技術及其現狀和展望

3.1新材料是高技術的基礎

新材料技術是現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。

新材料技術被譽為“高技術的基礎”。重點是金屬復合材料、超合金、高溫結構陶瓷、高結晶高分子材料以及納米材料等。目前美國在復合材料和聚合物材料這兩個領域遙居世界領先地位。

3.2重點新材料簡介（2）先進金屬材料

先進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。這些材料在現代軍事、電子、汽車、機械、航天航空、醫(yī)療器械等領域都具有廣闊的應用前景。（3）新型高分子材料新型高分子材料（精細高分子新材料）已開發(fā)出許多高強度、高模量的塑料、纖維等高分子材料和由兩種及多種樹脂復合制成的高分子合金。功能高分子大體上可分為化學、物理功能高分子材料，以及介于化學和物理功能之間的或具有復合功能的高分子材料。通常具有高分子材料固有的特點。用于生物環(huán)境中的以及用于醫(yī)學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重點新材料簡介（4）高性能復合材料復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。高性能復合材料主要包括樹脂基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳基復合材料等。功能復合材料已獲得了應用。如復合壓電材料、導電和超導材料、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重點新材料簡介（6）超導材料自1911年發(fā)現超導現象到1986年止的幾十年中，發(fā)現或制造出了上千種超導材料。1986年貝德諾茲和繆勒發(fā)現Tc為35K的鋇鑭銅氧化物超導材料以后，才使超導研究取得突破性進展。除了高臨界溫度（Tc已達132K）氧化物超導體的迅速發(fā)展以外，重電子金屬超導體、有機物超導體等也得到了迅速發(fā)展。尤其是C60超導體的進展更令人矚目，在所有的有機物超導體中，它的超導臨界溫度最高。

3.2重點新材料簡介（7）

納米材料

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

3.2重點新材料簡介

（8）富勒烯材料以C60為代表的一系列富勒烯材料的發(fā)現開辟了材料科學的一個全新的領域，形成了一門蓬勃發(fā)展的交叉學科——富勒烯科學。材料科學家將C60譽為“新材料皇后”。它們所具有的一系列獨特性質，使得它們可能在光學、半導體、超導和微電子等領域具有廣闊的應用前景，它們的出現極有可能導致科學技術的一場革命。

3.2重點新材料簡介能源材料

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鍵。儲氫材料能夠解決氫的儲存問題，是氫能源利用的關鍵。碳納米管將有可能成為廣泛應用的儲氫材料。燃料電池在替代燃油發(fā)動機方面具有重要應用前景。

生物醫(yī)用材料生物醫(yī)用材料植入人體的數量已達200余種，大量應用的在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。人工關節(jié)仍然是最大的生物醫(yī)用材料器械市場。迄今我國尚無醫(yī)用級的用于關節(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。

納米材料納米技術是由材料、化學、物理學、生物學、電子學等學科相互交叉發(fā)展所形成的高新技術。納米技術帶來技術創(chuàng)新的原動力。帶動信息技術、自動化技術、能源技術、生物醫(yī)學技術、環(huán)境科學技術、現代國防建設等領域的跨越式發(fā)展。目前我國的納米材料尚處于研發(fā)階段。（4）面向戰(zhàn)略性競爭的關鍵性新材料技術

3.4我國新材料技術領域的

發(fā)展策略a．與重點企業(yè)結合，振興傳統(tǒng)材料產業(yè)；b．加強源頭創(chuàng)新，大力發(fā)展前瞻性新材料；c．加強材料技術標準的建設，與國際接軌；d．加強技術成果轉化，推動新材料產業(yè)發(fā)展。

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

及其應用

高溫結構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，即在高溫下具有強度和硬度高、蠕動小、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損、耐燒蝕、低熱膨脹系數和高導熱性等。包括高熔點氧化物陶瓷材料（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合陶瓷材料（Cr-Al2O3系、W-Cr-Al2O3系、ZrO2-Ti）等。

4.1高溫結構材料

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

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

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

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

我國自80年代初開始對SAP的研究，先后有40多個單位參與。自1985年以來，已獲得幾十項專利。我國SAP生產能力約2600噸左右，大多數為小型企業(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，年產量為1000噸。

4.4超強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用領域，約占SAP市場總用量的70%。在我國，雖有已研制出高吸水樹脂，但工業(yè)化應用開發(fā)研究的報道少見。主要存在的問題是：制備的SAP質量有一定欠缺；消費認識和水平跟不上，如紙尿巾，我國普及率不足1%。我國的SAP有較大的應用前景（2）超強吸水高分子材料的應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，往往除去表土形成巖石斜面，容易受風雨侵蝕造成水土流失?，F在研究把草籽、緩釋肥料納入含SAP的無紡布漏網中，再固定在巖石中進行斜面覆蓋植被，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）和滋潤皮膚的作用。

日用化工方面

聚丙烯酸鈉在軟膏、霜劑、擦劑、巴布劑等外用藥劑中作基質材料，具有保溫、增稠、皮膚浸潤、膠凝等作用。醫(yī)用聚丙烯酸鈉與粘膠纖維復合制成吸血海綿體材料——高吸水性非織造布，用于外科手術，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。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中所需用的材料，它對于滿足計算機、通訊、國防、航天工業(yè)等領域的應用至關重要.信息的傳遞可由光子負擔；而信息的產生處理、檢測、存儲和顯示等功能，則由光子和電子聯合來完成。光電子信息系統(tǒng)包括光載波源、光控制與信號加載、光信號傳輸、處理和接收（檢測和顯示）.

(1)國外現狀

半導體材料：以半導體器件為主的世界電子產品的產值：2006年達到17000億美元，世界集成電路市場2001年達3210億美元；2006年生產單晶硅原料32950多萬噸。2006年硅片產量達80億平方英寸（相當于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。2006年GaN藍光LCD的其市場銷售將達30億美元，占化合物半導體市場的20%。

5.1電子信息材料的發(fā)展現狀激光晶體材料和液晶材料

激光晶體材料正在向高功率、可調諧、新波長、多功能和新工藝方向發(fā)展。其中Nd：YAG研制最熟、應用最廣，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LCD的關鍵材料。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，2006年我國達到2400萬公里，隨著3G技術的飛速發(fā)展，光纖供不應求。光纖預制棒的尺寸，大的單棒拉絲長達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、細徑光纖、抗輻射光纖、耐高低溫光纖和高強度光纖等特種光纖。

磁性材料磁性材料的生產與研究也有大的發(fā)展，國外已生產出最大磁能積(BH)max=416kJ/M3永磁體。軟磁鐵氧體最高磁導率達20000左右；最新開發(fā)的納米微晶軟磁合金Finement。磁導率高達100000。飽和磁感應強度達1.3T;軟磁相與永磁相在納米尺度范圍內進行復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出來。它們在通信、計算機、家電及國防工程等領域均有廣泛的應用。

(3)存在問題a.廠點多、規(guī)模小、發(fā)展不平衡、經濟效益差.b.產品檔次低，品種規(guī)格不全.c.自給率低，依賴進口局面仍然存在.產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)生產設備陳舊，研究手段落后，投資強度低，創(chuàng)新能力差，科研成果轉化率低，管理水平不適應等等。4.2市場需求分析

電子信息材料總趨勢是向著大尺寸、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：

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)修復的材料稱為生物醫(yī)用材料，簡稱生物材料(Biomaterials)。生物醫(yī)用材料包括3個方面：一是硬組織的替代材料；二是埋入生物體內的植入材料；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性質；生物相容性則是指一種生物材料在特殊應用中和宿主反應起作用的能力。

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、關節(jié)、牙齒等硬組織的修復和替換。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是不具有生物活性，難于和生物組織形成牢固的結合。

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。羥基磷灰石是構成脊椎動物和人體硬組織的主要無機質，不僅具有良好的生物相容性，而且可以誘導骨生長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用，其缺點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)用復合生物材料：由于復合材料具有單個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行復合化，就可以得到醫(yī)用復合材料。這類材料研究的重點主要是：a.強韌化生物復合材料；b.功能性生物復合材料；c.帶有治療功能的HA生物復合材料，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胞，有人將其稱為“萬能細胞”；（4）人工肝臟材料；（5）用于臨床外科手術的強力生物粘膠材料；（6）用于治療口腔疾病的新型生物材料。

7.納米技術和納米材料納米材料是指晶粒尺寸為納米級(10-9米)的超細材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為100—102nm。1984年德國薩爾蘭大學的Gleiter以及美國阿貢試驗室的Siegel相繼成功地制得了純物質的納米細粉，從而使納米材料進入了一個新的階段。從材料的結構單元層次來說，它介于宏觀物質和微觀原子、分子的中間領域。納米材料研究是目前國內外材料科學研究的一個熱點，其相應發(fā)展起來的納米技術被公認為是21世紀最具有前途的科研領域。

7.1納米技術在陶瓷領域方面的應用具有優(yōu)良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性的納米陶瓷；美國波士頓大學的化學家們制備出了由78個原子構成世界上最小的分子馬達。6.2納米技術在微電子學上的應用

單電子晶體管、納米絲和納米棒制成的微型探測器、納米探針、開關功能的量子點陣列、單電子量子點等。6.3納米技術在生物工程上的應用

美國南加州大學的Adelman博士等應用基于DNA分子計算技術的生物實驗方法，有效地解決了目前計算機無法解決的問題——“哈密爾頓路徑問題”，使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術有了進一步的認識。納米計算機儲存和信息處理能力提高上百萬倍.

6.4納米技術在光電領域的應用

超高分辨率納米孔徑雷達、光纖通信中