商业计划书-工业和信息化部知识更新工程办公室

前沿新材料国内外发展现状及趋势李义春清华大学国家现代材料科技信息网络中心2010年6月7日胡锦涛在院士大会的讲话大力发展新材料和先进制造科学技术。要重视材料的环境友好性、可再生循环性、制备使役全过程的节能减排特性，加快推进材料产业结构调整，积极发展先进结构材料和复合材料、功能材料等，积极发展电子信息材料、器件和系统技术。要促进我国制造业结构升级和战略调整，发展先进装备制造业，推进制造业绿色化、智能化，实现制造系统智能运行，形成先进材料和绿色、智能、网络制造和服务体系，保障先进材料和先进装备有效供给和高效清洁循环利用，为加快建设资源节约型、环境友好型社会提供有力支持。材料是中国制造业的基础，同时也是中国制造的有机组成部分•汽车配件•电子计算机•家用电器•通讯设备•机电设备•服装加工•照明器材•小家电•铁路运输设备•摩托车•工程塑料•高温结构陶瓷•半导体材料•特种钢•特种纤维•天然橡胶•轻合金•超硬材料•磁性材料•电子化学品•复合材料•集热制冷材料•光存储显示材料•太阳能电池材料•贮氢电池材料•高温合金•生态材料•纳米材料•环境替代材料中国制造新材料前沿新材料智能材料超导材料纳米材料生物医用材料新能源材料智能材料又可以称为敏感材料，目前还没有统一的定义。不过，现有的智能材料的多种定义仍然是大同小异。大体来说，智能材料就是指具有感知环境(包括内环境和外环境)刺激，对之进行分析、处理、判断，并采取一定的措施进行适度响应的智能特征的材料。具体来说，智能材料需具备以下内涵：(1)具有感知功能，能够检测并且可以识别外界(或者内部)的刺激强度，如电，光，热，应力，应变，化学，核辐射等；(2)具有驱动功能，能够响应外界变化；(3)能够按照设定的方式选择和控制响应；(4)反应比较灵敏,及时和恰当；(5)当外部刺激消除后,能够迅速恢复到原始状态。智能材料----定义作为一种新型材料，一般认为，智能材料由传感器或敏感元件等与传统材料结合而成。这种材料可以自我发现故障，自我修复，并根据实际情况作出优化反应，发挥控制功能。智能材料可分为两大类：（1）嵌入式智能材料，又称智能材料结构或智能材料系统。在基体材料中，嵌入具有传感、动作和处理功能的三种原始材料。传感元件采集和检测外界环境给予的信息，控制处理器指挥和激励驱动元件，执行相应的动作。（2）有些材料微观结构本身就具有智能功能，能够随着环境和时间的变化改变自己的性能，如自滤玻璃、受辐射时性能自衰减的Inp半导体等。智能材料----分类智能材料在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自诊其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。英国科学家已开发出了两种“自愈合”纤维。这两种纤维能分别感知混凝土中的裂纹和钢筋的腐蚀，并能自动粘合混凝土的裂纹或阻止钢筋的腐蚀。粘合裂纹的纤维是用玻璃丝和聚丙烯制成的多孔状中空纤维，将其掺入混凝土中后，在混凝土过度挠曲时，它会被撕裂，从而释放出一些化学物质，来充填和粘合混凝土中的裂缝。防腐蚀纤维则被包在钢筋周围。当钢筋周围的酸度达到一定值时，纤维的涂层就会溶解，从纤维中释放出能阻止混凝土中的钢筋被腐蚀的物质。智能材料----应用在飞机制造方面，科学家正在研制具有如下功能的智能材料：当飞机在飞行中遇到涡流或猛烈的逆风时，机翼中的智能材料能迅速变形，并带动机翼改变形状，从而消除涡流或逆风的影响，使飞机仍能平稳地飞行。可进行损伤评估和寿命预测的飞机自诊断监测系统。该系统可自行判断突然的结构损伤和累积损伤，根据飞行经历和损伤数据预计飞机结构的寿命，从而在保证安全的情况下，大大减少停飞检修次数和常规维护费用，使商业飞机能获得可观的经济效益。此外，还有人设想用智能材料制成涂料，涂在机身和机翼上，当机身或机翼内出现应力时，涂料会改变颜色，以此警告。智能材料----应用在医疗方面，智能材料和结构可用来制造无需马达控制并有触觉响应的假肢。这些假肢可模仿人体肌肉的平滑运动，利用其可控的形状回复作用力，灵巧地抓起易碎物体，如盛满水的纸杯等。药物自动投放系统也是智能材料一显身手的领地。日本推出了一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，聚合物条带会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助于这一特性，这种聚合物可制成人造胰细胞。将用这种聚合物包封的胰岛素小球，注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作。血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人血糖浓度就会始终保持在正常的水平上。智能材料----应用智能材料在军事方面，在航空航天器蒙皮中植入能探测激光、核辐射等多种传感器的智能蒙皮，可用于对敌方威胁进行监视和预警。美国正在为未来的弹道导弹监视和预警卫星研究在复合材料蒙皮中植入核爆光纤传感器、X射线光纤探测器等多种智能蒙皮。这种智能蒙皮将安装在天基防御系统平台表面，对敌方威胁进行实时监视和预警，提高武器平台抵御破坏的能力。智能材料还能降低军用系统噪声。美国军方发明出一种可涂在潜艇上的智能材料，它可使潜艇噪声降低60分贝，并使潜艇探测目标的时间缩短100倍。智能材料----应用智能材料的再一个重要进展标志就是形状记忆合金，或称记忆合金。这种合金在一定温度下成形后，能记住自己的形状。当温度降到一定值（相变温度）以下时，它的形状会发生变化；当温度再升高到相变温度以上时，它又会自动恢复原来的形状。目前记忆合金的基础研究和应用研究已比较成熟。一些国家用记忆合金制成了卫星用自展天线。在稍高的温度下焊接成一定形状后，在室温下将其折叠，装在卫星上发射。卫星上天后，由于受到强的日光照射，温度会升高，天线自动展开。除此之外，还有人用记忆合金制成了窗户自动开闭器。当温度升至一定程度后窗户自动打开，温度下降时自动关闭。智能材料----应用智能材料----应用智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的材料体系。它的设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领域。构成智然材料的基本材料组元有压电材料、形状记忆材料、光导纤维、电（磁）流变液、磁致伸缩材料和智然高分子材料等。智然材料的出现将使人类文明进入一个新的高度，但目前距离实用阶段还有一定的距离。今后的研究重点包括以下六个方面：（1）智能材料概念设计的仿生学理论研究（2）材料智然内禀特性及智商评价体系的研究（3）耗散结构理论应用于智能材料的研究（4）机敏材料的复合-集成原理及设计理论（5）智能结构集成的非线性理论（6）仿人智能控制理论智能材料----研究方向※英国埃克塞特大学（UniversityofExeter）的研究小组宣称，一种奇异的甲虫启发我们如何制作亮白超薄材料；※美国伊利诺斯大学香槟分校（UIUC）的研究人员研制出一种可模仿人类皮肤、能多次自我修复的聚合物材料；※美国伦斯勒理工学院和阿克伦大学的研究人员制造出一种复合“壁虎胶带”，它能够迅速地与目标表面黏着或者分离，黏着能力是真正壁虎的4倍；※伦斯勒理工学院（RensselaerPolytechnicInstitute）通过向聚合物中注入导电碳纳米管，通过监测复合材料结构电阻，一旦探测到裂纹，可向相应区域输送一个短电流脉冲将碳纳米管加热，熔化的内嵌愈合剂将流入并修复裂纹，这样复合材料结构的强度可以得到70%的恢复。智能材料----研究动态具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。1911年荷兰人发现超导电性：4.2K（Hg），到1986前达到23.2K(Nb3Ge）；1986年：美国国际商用机器公司科学家米勒、贝德诺尔茨发现35K（钡镧铜）；日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K；美国休斯敦大学又将超导温度提高到40.2K；1987年：日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K；日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K；中国科学院物理研究所获得了48．6K的锶镧铜氧系超导体；美国休斯敦大学又将超导温度提高到98K超导体；日本宣布发现123K超导体；中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。高温超导体的巨大突破，以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体，使超导技术走向大规模开发应用。超导材料----定义超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约，这首先是它的临界参量，其次还有材料制作的工艺等问题（例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题）。到80年代，超导材料的应用主要有：①利用材料的超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。超导材料----应用超导材料：YBCO,2G超导带材（基带与涂层）和MgB2带材Nb3Sn,成功制备出合格评估线交付ITER国际组有中国参与的国际合作项目，仅次于国际空间站，总投资约100亿欧元，我国承担约100亿人民币。用约480tNb3Sn股线和240tNbTi线。我国承担27吨的Nb3Sn线材制造任务，价值人民币2亿元。超导材料----研究开发超导强电应用：超导限流器：35kV/90MVA世界上挂网运行限流器中电压等级最高、容量最大采用MgB2的核磁共振（MRI）——将研制成功我国第一台、世界第二台采用MgB2的MRI超导材料----研究开发超导弱电应用：四通道心磁图仪——实现临床试用SQUID磁强计用于地矿勘查——有望带来地矿勘察的革命超导材料----研究开发1米＝102厘米=103毫米＝106微米＝109纳米＝1010埃2011年10月19日欧盟委员会通过了对纳米材料的定义：纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。主要变化：体积变化：当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，必须用量子力学取代传统力学来描述它的行为。表面积变化：超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。（熔点下降）磁性变化：一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。光吸收率变化：纳米粒子的粒径小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。纳米材料----定义纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。纳米粉末：一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是目前制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。纳米块体：纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材