问题：21世纪初的材料科学技术
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时间：2005-08-12 17:07:45 编辑加入/取消收藏订制/取消短消息举报该贴

21世纪初的材料科学技术

●随着资源的枯竭，环境的恶化，环境材料将日益受到重视

●纳米材料科学技术将成为21世纪初最为活跃的领域

●21世纪将逐渐实现按需设计材料

材料是人类进化史的里程碑，现代文明的重要支柱，发展高新技术的基础和先导。随着科学技术的进步，人类生活水平的提高，特别是由于世界人口的迅速增加，资源的加速枯竭，生态环境的不断恶化，21世纪对材料科学技术提出更高的要求。知识经济的蓬勃发展与信息的网络化将促进材料科学技术的突飞猛进，因而本文仅对21世纪初的情况做一粗略的预测，谨供参考。

信息功能材料仍是最活跃的领域

信息功能材料是指信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需材料，种类繁多，涉及面广。

半导体材料

以硅为基础的微电子技术仍占重要位置。由于量子效应、磁场及热效应，再加制作困难、投资过大，芯片特征尺寸到2010年可能达到极限（0．07μm）。但不同档次的硅芯片在21世纪仍将大量存在，并将有新的发展，如在硅绝缘衬底上的硅（SOI）及单个芯片上的系统（IS）。单晶硅的直径不断增加，从目前的8英寸（200mm）到2010年要达到18英寸（450mm），而且对晶片质量要求愈来愈高，因此，硅单晶生产技术必须不断提高。Ⅲ－Ⅴ族化合物是第二代半导体材料，如GaAs以其电子迁移率快、禁带宽而用于高速、高温、高频、大功率，是移动电话的主要材料，又是光纤通讯所必需。现已广泛得到应用。第三代半导体材料是禁带更宽的SiC及金刚石，它们可用于高温。硅集成电路以后的可能途径：一是光集成（光子材料），一是原子操纵（纳米技术）。

光电子材料在21世纪将得到更大发展

光子运动速度高，容量大，不受电磁干扰，无电阻热。光电子材料包括激光材料，变频晶体（非线性光学晶体）、红外探测材料、半导体光电子材料、显示材料、记录材料、敏感材料及光纤，特别光导纤维是信息高速公路的关键，其发展速度比芯片还要快，已进入第四代。

能源功能材料将取得突破性进展

由于人口的迅速增长，生活水平的提高，能源需求量大幅度增加，而化石能源日益枯竭，且环境污染难以解决，21世纪能源材料重点有以下几个方面。

可再生能源将加速开发

太阳能的利用与材料密切相关。太阳辐射于地球的能量一万倍于人类所消耗能源发出的能量，但密度低（1kWh／m2），气候影响大。目前常用的光伏转换材料效率太低，如非晶硅薄膜一般在10％以下，转换率较高的硅单晶或GaAs也不到30％，且成本高，难以大规模推广。因此，开发高效、价廉、长寿命的光伏转换材料是当务之急。这对我国西部大开发至关重要，那里日照时间长，可供光伏发电的面积大，而且居民分散，有可能成为以太阳能为主的地区。太阳能射向地球时，30％被大气反射，23％为大气吸收，因此，有人设想在太空建立空间太阳能电站，以微波传回地面，由此所得电能可能有竞争力。风能也是不可忽视的再生能源，因太阳能有2％变为风能，在某些多风地区，如新疆，也可得到充分利用。此外，潮汐能、海水温差与地热在21世纪都将会得到不同程度的利用，这些都存在材料问题。

核能在21世纪也将会有新的发展

首先是铀资源的有效利用。目前热中子反应堆只用了铀矿中占0．71％的235U，而占99．28％的238U要通过快中子增殖堆。这种堆型虽已运行多年，但所用冷却剂液钠腐蚀性太强，容易造成泄漏，难以大量推广，这是有待解决的问题。当然还存在239Pr的污染，最近提出的加速器驱动的核电站，用嬗变原理可望解决这一问题。21世纪大力开发的是可控热核聚变反应堆。它是利用海水中氢同位素氘的聚合反应所产生的能量，据估计，一吨海水所含氘相当于300吨汽油，而海水中氘的含量为1013吨，所以说，这可视为人类的永久能源。惟技术问题难以解决，对材料来说，要求耐高温、抗辐射和抗氦脆。据目前估计，要到2050年或更长的时间才能进入实用化。

超导材料是最重要的节能材料

低温（液氦温度，－269℃）超导材料产业化已几十年，但因冷却剂氦的价格昂贵而受到限制。高温（液氮温度，－196℃）超导体已发现30多种，只有YBaCuO（薄膜、块体）和BiSrCaCuO（带、线材）接近实用状态，但稳定性和均匀性有待解决，估计2010年可望产业化。21世纪的另一任务是探索室温超导材料和现有高温超导的机理。

作为能源用的磁性材料将继续发展

硅钢片是最重要的软磁材料，全世界年产650万吨；铁基非晶态合金尽管有明显优势（铁损只有冷轧硅钢片的1／3－1／6），但在价格上缺乏竞争力而未能大发展。永磁材料从性能看，NdFeB最好，而从价格性能比来说，铁氧体有很强的竞争力，因此在21世纪二者都将占重要位置。

贮能材料将受到高度重视

贮能材料主要指贮氢材料和高密度蓄电池。这是电网调峰和环保的需要，是某些机械装置的动力源，或太阳能发电的配套装置。金属间化合物作为贮氢材料已基本成熟，并试用于汽车燃料，但存在比重大、易中毒和价格太高的问题。最近发现的纳米碳管，贮氢量高、质轻，有发展前景。电池的种类繁多。当前发展最快的是Ni－MH电池；而从比能量密度看，锂电池最好，但价格是前者的3．5倍。Ni－MH电池与汽油混合用于汽车已实用化，低速与启动时用电池，而高速时自动转到汽油并充电，如此可节油50％，且排放减到1／10，CO2排放只有一半。

燃料电池是提高燃效减少污染的有力措施

燃料电池是将化学能转变为电能的一种装置，燃效可达60％，其中电极材料是关键。最近美国NASA正在开展一种试验，即用太阳能电池与氢氧燃料电池联合开动的小飞机，时速37英里，白天太阳能电池工作，并将剩余电用来电解水，晚上氢氧燃料电池启动。这种小飞机目前虽还不能载人，但可用于通讯，估计21世纪将会有很大进展。

生物材料将有很大发展

21世纪是生命科学时代，生物材料也将随之会有很大发展。所谓生物材料包括三部分，即医用生物材料，仿生材料和生物模拟。

医用生物材料最重要的是材料与人体相容性和材料本身的性能

通过组织工程、生长因子、DNA和自组装技术，可生产出人类的各种器官。事实上，除神经系统以外，人的各种器官都可制造。目前正在利用照相机、光导系统与视网膜细胞相联接，为盲人复明。

仿生材料生物是多年演化的结果，有很多特性值得模仿

珍珠壳和骨骼表面虽然也是碳酸盐构成的，而其强度和韧性却远远高于陶瓷，深入研究结果表明，它们是纳米结构的无机盐与有机物聚合体。人造丝与蚕丝结构相近，但舒服感则不相同，又是何故？因此深入研究现有生物体和生物现象而进行仿造，对材料的发展将起到推动作用。

工业生产中的生物模拟

催化剂使化肥、石油化工大规模生产成为可能，石墨转变为金刚石主要采用了镍溶媒的催化反应而实现工业生产。人体中物质与能量转换在常温下完成，是酶催化的结果，其效率和速度千百万倍于工业催化剂。今后的任务是高效催化剂的探索与光合作用的模拟，如果后者一旦实现，使CO2和水成为碳水化物，粮食问题可得到解决，过剩的CO2也有了出路。细菌冶金已实现处理低品位铜、铀矿石、尾矿，并大幅度降低污染，这将是21世纪解决金属矿日趋枯竭的有效途径。

智能材料与智能系统将受到更多重视

变色眼镜就可视为一种智能材料，或机敏（Smart）材料。因此，智能材料可以定义为材料随外界条件而发生变化，在变化条件去除以后又可复原。形状记忆合金，压电体都属于此。利用材料的这种性质与传感器、光纤和电脑相结合而成为一个系统，达到操纵一种机构的目的，称之为智能系统。但具有这些特点的材料并不多。利用这种系统可随外界条件而改变飞机机翼，潜艇、车体以及建筑物的外形以减少阻力，既节省能耗，又提高安全度。智能系统可使材料实现自检测、自恢复或自修复，以延长机械寿命和安全度。智能材料可实现药物的控制释放以提高药效，减少药的副作用。

环境材料将日益受到重视

环境材料就是指与环境相适的材料，称为环境友好材料或绿色材料。这类材料主要指节约资源和能源；无污染或少污染，其中包括可降解的废品；废品回收是节约资源和能源、减少污染的重要措施。

高性能结构材料的研究与开发是永恒的主题

所谓高性能结构材料是指高比强度、高比刚度、耐高温、耐腐蚀、抗磨损的结构材料。对动力机械来说，工作温度愈高，比强度和比刚度愈高，效率也愈高。从军用发动机的发展趋势看，涡轮温度和推重比都在逐年提高，要求材料及冷却技术要不断改进。有资料表明，飞机及航空发动机性能的改进，分别为2／3和1／2是靠材料性能提高。对飞行速度更高的卫星和飞船来说，能减重1公斤就能带来极高的效益。汽车节油有37％靠材料的轻量化，40％靠发动机的改进，而绝热发动机（不需水冷），主要靠材料性能的提高。从高温材料来看，碳复合材料可达2500℃，但抗氧化能力太差，只能用于火箭、导弹。树脂基复合材料，已得到广泛应用，但工作温度只有300－350℃，金属基复合材料虽有较好的综合性能，由于其成本高，也只限于宇航，只有颗粒或短纤维增强的金属材料有大量推广于民用的可能。钛及钛铝中间化物以其比重小、工作温度高（600－1000℃），在空间机械有广阔应用前景。陶瓷无论从资源或性能来说都有十分明显的优越性，只是脆性问题难以解决，即使断裂韧性达到工程合金的水平，但其临界裂纹太短（几十微米），造成性能分散度大、稳定性差，而且成本居高不下，是陶瓷材料有待解决的问题。

纳米材料将成为21世纪初最为活跃的领域

纳米材料是利用物质在小到原子或分子尺度以后，由于尺寸效应、表面效应或量子效应所出现的奇异现象而发展出来的新材料。早在1959年就有人提出纳米科学技术的概念，并倡导要开展在原子或分子水平制造材料的物理规律研究，只是到80年代初发明扫描隧道显微镜和原子力显微镜以后，纳米材料的研究才成为现实，80年代中期以后逐渐热起来，并取得一定进展。2000年2月美国提出“国家纳米技术的建议”（NationalNano－technologyInitiative），认为纳米技术可导致下一代工业革命，因为这一技术涉及到材料、能源、信息、医学、航空航天以及国家安全的各个方面，除纳米材料以外，还有纳米电子学、光电子学和磁学、纳米医学。目前纳米科学技术已成为全世界科学技术的热点，我国也不例外，应注意加强领导，以免犯过去一哄而起的错误。我国的纳米材料技术在国际已有一定显示度，如纳米碳管有不少创新性的成果。纳米科学技术目前仍处于基础研究阶段，估计要10－20年才能达到预期效果。当然，基础性研究与产业化相结合，使研究成果及时转化为生产力仍然是最重要的努力方向。

21世纪将逐渐实现按需设计材料材料

科学与工程一般都认为由四要素组成，即结构／成分、合成／流程、性能与效能（Performance）。考虑到结构与成分并非同义词，相同成分通过不同制备方法可以得到不同结构，从而出现不同性能，所以应为五要素，即成分、合成／流程、结构、性能与效能、理论及材料与工艺设计。其核心为理论及材料与工艺设计，而且材料性能在一定条件下（如温度、气氛及受力状态等）的表现就是使用性能（效能）。材料设计可以从电子、光子出发，也可从原子、原子集团出发，可以从微观、显微到宏观，视所要求的性能而定。材料设计是一个很复杂的过程，如材料的制备与存在状态往往属于非平衡热力学；有些结构敏感性质（材料的力学性质），可变因素太多，即使一个微小缺陷都会产生很大影响；表面与内部结构及性质的不一致性，以及复杂的环境因素等等。所以材料设计的实现是一个长期过程，最终应达到提出一个需求目标，就可设计出成分、制造流程、并做出合乎要求的工程材料以至零件、器件或构件。为实现材料设计，必须开展深入的基础研究，以了解物质结构与性能的关系；要建立完整的精确的数据库；建立正确的物理模型；需要有大容量计算机；更重要地是要不同学科科学家与工程技术人员的通力合作。

不同类型材料的发展前景

金属在结构材料中仍占主要位置，特别是钢铁在今后几十年内的产量不会下降（目前全世界产量7－8亿吨），但钢的性能会大幅度提高。我国重大基础研究的阶段结果表明，碳钢和低合金钢的强度可提高一倍，分别由200MPa、400MPa提高到400MPa和800MPa。有些有色金属，如铜、铅、锌的资源接近枯竭，代用品的开发成为当务之急，同时要加速开发低品位矿的提炼方法。镁和钛将得到更广泛的应用。随着功能材料需求的增加，稀有金属、稀散金属与稀土金属的用途将不断扩大。功能陶瓷将会有更大发展，工程陶瓷的性能将进一步提高，生产成本下降，但能否得到广泛应用，前途难卜。水泥和玻璃仍是重要建筑材料，水泥的生产将大量采用矿渣、炉渣等废料，提高水泥标号，改进增强组元，减少水泥产量。玻璃将走向智能化达到节能的目的。有机高分子将得到更大发展，特别是功能高分子材料，包括导电高分子、铁磁高分子、光学高分子，半导体及超导体以及存储和显示材料都已显示有发展前景，但稳定性和老化问题目前仍是人们担心的问题。先进复合材料在20世纪下半叶曾得到很大进展，只有树脂基复合材料得到较为广泛的应用，金属基与陶瓷基复合材料则以其成本过高而未打开局面。21世纪虽可得到进一步发展，也很难像钢铁或高分子材料那样得到普遍应用。碳素材料以其资源丰富，碳的同素多形体而成为多用途的材料，并将得到更大发展。如片状石墨是最好的固体润滑剂；碳纤维强度高而价廉；金刚石至今仍是最硬的材料，又是高温半导体的候选材料之一；活性炭是物美价廉的吸附材料；玻璃态碳是优良阻氦材料等。1985年发现巴基球（C60），随后又发现了纳米碳管。虽然目前仍处于基础研究阶段，但应用前景广阔，将成为21世纪研究与开发的热点。
中国科学院院士中国工程院院士师昌绪

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回复人：ming599602,▲▲ (努力做好胶粘剂) 时间：2005-08-13 10:13:51 编辑	1楼
各位顶下好吗？？

回复人：mingyuan,▲ (我喜欢化学，大家交流一下吧~) 时间：2005-08-13 10:46:25 编辑	2楼
还算可以

回复人：Lrici,▲ (chymistry) 时间：2005-08-16 10:56:37 编辑	3楼
不错

回复人：ming599602,▲▲ (努力做好胶粘剂) 时间：2005-08-16 11:03:12 编辑	4楼
分数好少啊~ 排名还是最后，咋办

回复人：gssnicky,▲ (Flighting！～) 时间：2007-10-17 17:28:21 编辑	5楼
资源不错，加0.3分

回复人：fyjqt,▲ (子非鱼~) 时间：2007-10-18 22:36:43 编辑	6楼
资源不错，加0.3分

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