新材料技術(shù)

　　概論

　　新材料按材料的屬性劃分，有金屬材料、無機非金屬材料（如陶瓷、砷化鎵半導體等）、有機高分子材料、先進復合材料四大類。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和理化性能，以滿足高強度、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，以實現(xiàn)某種功能，如半導體材料、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。新材料在國防建設上作用重大。例如，超純硅、砷化鎵研制成功，導致大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的誕生，使計算機運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)動機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)展不僅促進了信息技術(shù)和生物技術(shù)的革命，而且對制造業(yè)、物資供應以及個人生活方式產(chǎn)生重大的影響。記者日前采訪了中國科學院“高科技發(fā)展報告”課題組的有關(guān)專家，請他們介紹了當前世界上新材料技術(shù)的研究進展情況及發(fā)展趨勢。材料技術(shù)的進步使得“芯片上的實驗室”成為可能，大大促進了現(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)域有著廣闊的應用前景。專家預測，納米材料的研究開發(fā)將是一次技術(shù)革命，進而將引起21世紀又一次產(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)設備，9月份投入試生產(chǎn)，這是世界上首次批量生產(chǎn)低價納米產(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)導線實現(xiàn)傳遞住處的技術(shù)突破，有可能導致更快更小的產(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，納米事業(yè)的新秀－－“納米帶”又問世了。在美國佐治亞理工學院工作的三位中國科學家2001年初利用高溫氣體固相法，在世界上首次合成了半導體化物納米帶狀結(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窄矩形結(jié)構(gòu)，帶寬為30～300mm，厚度為5～10nm，而長度可達幾毫米，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體準一維帶狀結(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)。

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

　　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體。由于二硼化鎂的發(fā)現(xiàn)，使世界凝聚態(tài)物理學界為之振奮。由于二硼化鎂超導體易合成、易加工，很容易制成薄膜或線材，因而應用前景看好。

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

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

　　高性能結(jié)構(gòu)材料高性能結(jié)構(gòu)材料具有高溫強度好、耐磨損、抗腐蝕等優(yōu)點。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無機合成材料等。如在內(nèi)燃機中用陶瓷代替金屬可減少燃料消耗30%，提高熱效率50%。

　　高性能復合材料可以根據(jù)要求進行設計，能夠使材料揚避短，當前的研究重點有：纖維增強塑料、碳/碳復合材料、陶瓷基復合材料和金屬基復合材料。高分子功能材料是近年來發(fā)展最快的有機合成材料，每年的遞增速度達到14%。此外，美國科學家還發(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，形成一個單一分子層和多分子層，從而可以保護玻璃表面，將腐蝕減少到最小程度，這一發(fā)現(xiàn)對提高玻璃的抗腐蝕性有重要意義。

　　隨著科學技術(shù)的進步，開拓了新材料的范圍，推動了新材料向更高、更新方向發(fā)展。化學工業(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，新材料的發(fā)展同樣可以推動化學工業(yè)的科技進步、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的變化。

　　高性能結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)、應用，使一些化工機械、設備的大型化、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現(xiàn)成為可能。納米材料在化學工業(yè)可廣泛應用，是應用于多種化學傳感器的最有前途的材料。展望21世紀，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。

　　研究動向

　　當前，美國、歐洲、日本等發(fā)達國家和地區(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)展計劃時，將新材料技術(shù)列為21世紀優(yōu)先發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，予以重點發(fā)展，以保持其經(jīng)濟和科技的領(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，也取得了重大的進展和成績，為國民經(jīng)濟和社會發(fā)展提供了強有力的支撐。

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

　　總量分析

　　據(jù)統(tǒng)計，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，增長幅度達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，增長幅度達13%以上；2003-2004年，發(fā)表論文總量雖然在增加，但增長速度有所減慢，其中2003年只比2002年增長了7.72%，2004年較2003年僅增長了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)量達到4512篇，增長幅度為19.82%，呈現(xiàn)加速增長的趨勢?？傮w上看，從2000年到2005年我國的新材料領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)量呈波動式增長，并有加速的趨勢。

　　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，一直占居主導地位；復合材料所占比重在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；超導材料在整個材料領(lǐng)域所占比例最小，居5個專業(yè)的最后一位。

　　從各專業(yè)的發(fā)展狀況分析，超導材料的發(fā)展呈上下波動，總體下降的趨勢；金屬材料作為一種傳統(tǒng)的優(yōu)勢領(lǐng)域，其發(fā)展呈現(xiàn)大幅下降的局面；非金屬材料在整個材料領(lǐng)域基本保持穩(wěn)定的態(tài)勢，其所占比例變化不大；高分子材料是發(fā)展最快的學科，隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，其在整個新材料領(lǐng)域中的權(quán)重呈波動增長的態(tài)勢；復合材料除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)量及增長率來看，超導材料論文發(fā)表呈現(xiàn)增長正負相間的發(fā)展格局，但總量呈下降趨勢，降幅為10%左右；金屬材料的論文發(fā)表數(shù)量出現(xiàn)負增長，從2000年的1614篇減少到2005年的254篇，總降幅達84%；非金屬材料發(fā)表論文數(shù)量總的趨勢是穩(wěn)步增長，且到了2005年有加速增長的趨勢，發(fā)表論文數(shù)量比2000年增長了1527篇，當年增長了29.3%，6年間總體增長了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93.3%，幾乎翻了一番；復合材料論文發(fā)表呈現(xiàn)波動的局面，2001年比2000年有較大幅度增加，但2003-2004年卻出現(xiàn)負增長，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，勢頭強勁

　　材料是當前世界新技術(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世紀世界最重要和最具發(fā)展?jié)摿Φ娜箢I(lǐng)域之一。對材料的認識與利用能力，往往決定著社會的形態(tài)和人類生活的質(zhì)量。人類的歷史已經(jīng)證明，材料是人類社會發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導，而新材料則是人類社會進步的里程碑。新材料在發(fā)展高新技術(shù)、改造和提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、增強綜合國力和國防實力方面起著重要的作用，而且在自然科學和工程技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展也越來越快，地位日趨重要。根據(jù)對同時段論文發(fā)表數(shù)量統(tǒng)計，6年間國內(nèi)新材料領(lǐng)域論文發(fā)表數(shù)量的年平均增長率為9.15%，大于自然科學和工程技術(shù)領(lǐng)域8.34%的論文發(fā)表增長率；新材料領(lǐng)域發(fā)表論文占自然科學與工程技術(shù)領(lǐng)域發(fā)表論文的比重也保持上升的勢頭，6年間增長了0.13個百分點。

　　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，材料科學工程與其他學科交叉領(lǐng)域和規(guī)模都在不斷擴大，而且世界各國政府高度重視新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，制定了推動新材料產(chǎn)業(yè)和科技發(fā)展的相關(guān)計劃，在資金上給予大力扶持，從而推動了本領(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、復合材料發(fā)展迅速

　　2.1高分子材料新的應用領(lǐng)域推動了自身的成長

　　高分子功能材料是近年來發(fā)展最快的有機合成材料，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展其新的應用領(lǐng)域，全世界僅高分子材料在醫(yī)學上的應用就有90多個品種、1800余種制品，西方國家在醫(yī)學上消耗的高分子材料每年以10-20%的速度增長。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，增長幅度達340%；醫(yī)用高分子材料方面的論文從285篇增加到821篇，增長幅度達188%；仿生高分子材料的論文從416篇增加到1108篇，增長幅度達166%，高分子膜材料的論文從979篇增加到3909篇，增長幅度達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)展相當迅猛，已成為醫(yī)學和生物技術(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復合功能材料拓展了新的發(fā)展空間

　　由于多種材料多學科的交叉、融合,使材料的復合化成為發(fā)展新材料的一種重要手段。利用多種基體與增強體的復合、多種層次的復合以及利用非線性復合效應可以創(chuàng)造出全新性能的材料。近年來先進復合材料及新工藝發(fā)展很快，目前復合材料的發(fā)展以樹脂基復合材料為主，特別是熱固性材料，它的技術(shù)最成熟，應用最廣。金屬基復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。

　　陶瓷基復合材料是改進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用。此外碳/碳復合材料在軍事技術(shù)上有很大實用價值，并已有一定的應用，其發(fā)展趨勢較快。從我國2000年至2005年復合功能材料論文發(fā)表情況來看，數(shù)量從3672篇增加到7215篇，6年總計增長96.49%。其中：金屬基復合材料論文從573篇增加到611篇，增幅6.6%；陶瓷基復合材料論文從298篇增加到1050篇，增幅252%；水泥基復合材料論文從1533篇增加到2428篇，增幅58.3%；聚合物基復合材料的論文從1134篇增加到2383篇，增幅110%；碳基復合材料論文從134篇增加到743篇，增幅達454%。從研究分析中可以看出，陶瓷基復合材料、聚合物基復合材料發(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)，碳基復合材料也正從軍用轉(zhuǎn)向民用，使其發(fā)展呈快速增長的態(tài)勢。

　　2.3金屬材料發(fā)展趨于低谷，有待突破

　　相對于高分子材料、復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)象說明我們在該領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新能力不足。當前，世界金屬材料領(lǐng)域的發(fā)展出現(xiàn)了很多新的特點及增長點，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，實現(xiàn)新的振興和快速發(fā)展就指日可待。