开发保护环境新材料

文章一师昌绪：我国应加快开发保护环境新材料两院院士、有中国材料泰斗之称的我国著名材料科学家师昌绪在贵州安顺指出，为了实现经济社会的可持续发展，我国应加快开发保护环境新材料。2005年5月21日在贵州省安顺市举行的一场院士、专家巡讲活动上，师昌绪院士说，材料在生产过程中是造成环境污染最重要的因素之一，特别是量大面广的传统材料，甚至破坏环境。如生产吨钢和吨水泥的二氧化碳排放量分别为2吨和1吨；有色金属冶炼还要产生二氧化硫，造成酸雨；材料生产对水的污染更为严重。治理环境需要开发新型材料，为了保障社会持续发展，不能没有材料；为了社会的可持续发展，除了尽量少用材料以外，还要开发治理环境的材料。师昌绪介绍说，在上世纪，专家就提出了环境材料的概念。环境材料就是与环境相协调的材料；节约资源和能源，减少污染，能够回收，并提出全寿命环境协调性评估概念。近年来又强调生态设计，即以实现资源的有效利用、产品性能的提高、寿命的延长、废料的回收以及再制造工程的实现等循环经济的实施。根据这一理念以期使资源的利用率提高10倍。近年正在开发的低碳、低合金钢提高强度一倍的工作(超级钢)，初步证明这是可行的。师昌绪认为，随着世界人口的增加，资源枯竭及环境破坏的加剧，正在制约着全球经济的增长。人类要想继续生存和发展，就必须改变目前的发展方式，走可持续发展的道路，这就是经济、社会与环境的协调发展。文章二新材料产业发展特点和趋势新材料在发展高技术、改造和提升传统产业、增强综合国力和国防实力方面起着重要的作用，世界各发达国家都非常重视新材料的发展。随着社会和经济的发展、全球化趋势的加快，新材料产业的发展呈现出以下主要特点和趋势。1．新材料多学科交叉性及多部门参与新材料与信息、能源、医疗卫生、交通、建筑等产业的结合越来越紧密，材料科学工程与其他学科交叉的领域和规模都在不断扩大，如生物学、医学、电子学、光学等。对学科交叉的认知和有力推动将对一个国家材料产业的超前发展起到举足轻重的作用。新材料的发展还跨越多个相关部门，因此各国都致力于把材料发展纳入到产、学、研、官一体化的平台，以满足材料开发对各个部门提出的不同要求。2．新材料产业上下游进一步融合随着高新技术的发展，新材料与基础材料产业结合日益紧密，产业结构呈现出横向扩散的特点。基础材料产业正向新材料产业拓展，世界上很多著名的新材料企业以前都是钢铁、化工、有色金属等基础材料企业，利用积累的大规模生产能力、生产技术及充足的资金进入新材料领域。伴随着元器件微型化的趋势，新材料技术与器件的一体化趋势日趋明显，新材料产业与上下游产业相互合作与融合更加紧密，产业结构出现垂直扩散趋势。这种趋势减少了材料产业化的中间环节，加快了研究成果的转化，降低了研发与市场风险，有利于提高企业竞争力。3．新材料发展的驱动力由军事需求向经济需求转变从20世纪来看，国防和战争的需要、核能的利用和航空航天技术的发展是新材料发展的主要驱动力。而在21世纪，卫生保健、经济持续增长以及信息处理和应用将成为新材料发展的最根本动力，工业和商业的全球化更加注重材料的经济性、知识产权价值和与商业战略的关系，新材料在发展绿色工业方面也会起重要作用。未来新材料的发展将在很大程度上围绕如何提高人类的生活质量展开。4．新材料市场需求旺盛，产业规模急剧扩大随着社会科技的进步和新兴产业的快速发展，对新材料需求的种类和数量都大大增加，新材料市场需求前景十分看好。以新材料为支撑的新兴产业，如计算机、通讯、绿色能源、生物医药、纳米产业等的快速发展，对新材料的种类和数量需求也将进一步扩大。例如：2003年全球半导体专用新材料市场规模为200亿美元；磁性材料以15%的年增长率发展，预计到2015年，仅中国市场就需要永磁铁氧体50万吨，软磁铁氧体20万吨，钕铁硼磁体5万吨。目前全球生物医用材料的产值超过800亿美元，预计2010年将达到4000亿美元。目前世界纳米技术的年产值为500亿美元，预计2010年纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界第二大产业，年产值将达14400亿美元。5．新材料向多功能、智能化方向发展，开发与应用联系更加紧密21世纪，新材料材料技术的突破将在很大程度上使材料产品实现智能化、多功能化、环保、复合化、低成本化、长寿命及按用户进行订制。这些产品会加快信息产业和生物技术的革命性进展，也能够给制造业、服务业及人们生活方式带来重要影响。总体来说，新材料的发展正从革新走向革命，开发周期正在缩短，创新性已经成为新材料发展的灵魂。同时新材料的开发与应用联系更加紧密，针对特定的应用目的开发新材料可以加快研制速度，提高材料的使用性能，便于新材料迅速走向实际应用，并且可以减少材料的“性能浪费”，从而节约了资源。6．跨国公司对新材料产业发展影响力加强跨国公司及其分支公司在新材料产业的发展作用显著，这些企业规模大、研发能力强、产业链完善，它们通过战略联盟、大量的研发投入、产业技术及市场标准制定并控制知识产权，寻求在竞争中处于优势甚至垄断地位，一些新材料产业出现了被大型跨国公司垄断的现象或趋势。半导体硅材料市场和生产已经形成垄断。2001年，信越、瓦克、住友、MEMC公司、三菱材料公司5家企业硅片销售占国际销售额的79.1%。有机硅材料则是DowCorning公司、GE公司、Wacker公司和Rhone-Poulenc公司及日本一些公司基本控制了全球市场。有机氟材料则是DuPont、Daikin、DN-Hoechst、3M、Ausimont、ATO和ICI等7大公司占据全球90%的生产能力，在全球居于统治地位。7．新材料发展和生态环境及资源的协调性倍受重视面对资源、环境和人口的巨大压力，各国都在不断加大生态环境材料及其相关领域的研究与开发的力度，并从政策、资金等方面都给予更大支持。材料的生态环境化是材料及其产业在资源和环境问题制约下满足经济可承受性、实现可持续发展的必然选择。开发新材料将更加重视从生产到使用的全过程对环境的影响，资源保护、生产制备过程的污染和能耗、使用性能和回收再利用的问题。生态环境材料的三个特征是优异性能并节省资源、减少污染和再生利用。目的是实现资源、材料的有机统一和优化配置，达到资源的高度综合利用以获得最大的资源效益和环境效益，为形成循环型社会的材料生产体系奠定基础。8．新材料产品标准化出现全球化趋势在经济全球化日益加强的背景下，能否在世界不同地方对同一材料采用相同的标准是至关重要的。各国材料及其产品数据标准不一致将会引起混乱、低效并增加成本，不利于市场应用的国际化。因此对材料供应商和用户来说，不同的国家以相同方式测试材料特性是非常重要的，对于新兴市场上的新材料，这种要求尤其强烈。新材料产业发展热点1．信息材料信息材料是最活跃的新材料领域，微电子材料在未来10～15年仍是最基本的信息材料，集成电路及半导体材料将以硅材料为主体，化合物半导体材料及新一代高温半导体材料共同发展。光电子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料，主要集中在激光材料、高亮度发光二极管材料、红外探测器材料、液晶显示材料、光纤材料等领域。2004年，在“国家半导体照明工程”计划的推动下，我国半导体照明产业发展加速，关键技术取得突破，蓝光功率型LED芯片发光效率达到90mW，处于国际先进水平；封装的功率型白光LED发光效率超过30lm/W，达到国际先进水平。建立了上海、大连、厦门、南昌4个国家半导体照明产业化基地，民营资本投资近37亿元人民币，我国LED产业迎来了快速发展的时期。2004年我国推出了激光电视样机，技术水平达到国际先进。在激光显示DPL晶体材料研究方面取得重要成果。例如，全固态激光材料的生长、后加工和镀膜技术，高功率光学元件的镀膜技术，镀膜的直接检测技术等。2．新能源材料新能源材料是发展新能源的核心和基础，发展方向是开发绿色二次电池、氢能、燃料电池、太阳能电池和核能的关键材料。当前的研究热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。2004年，我国在高性能锂电池材料方面取得重大进展，为我国锂电池产业更大发展，特别是锂电池动力电池的发展创造了有利条件，打破了日本一统天下的局面，成为世界第二生产大国。我国自主开发的钴镍锰酸锂成本仅为钴酸锂的一半，高温稳定性也大幅度改善，改性天然石墨球负极材料已研制开发并投入批量生产。近年来，我国太阳能电池发展很快，纳晶太阳能电池材料研究取得了重要进展，其成本估算0.5-1$/pW。如果效率达到5%，性能价格比将超过非晶硅，有很强的市场竞争能力，成为值得关注的新型太阳能电池。3．生物医用材料随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛发展与交互融合，新型和新概念生物医用材料层出不穷。药物控制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的发展趋势和方向。在国家科技政策和计划资助下，我国生物医用材料已取得了长足进步,主要集中在骨科修复材料、药物控释材料、介入材料、组织工程支架材料等。我国组织工程材料以骨材料研究为主，形成了以四川、上海、武汉、北京等多家单位为代表的格局。随着安泰科技股份、法尔胜等一些上市公司的介入及留学归国人员的创业活动，我国介入诊疗材料与器械产业化取得了较大进展。国内年产值达到25—30亿人民币，国内市场占有率也有了较大提升，其中非血管和心血管介入治疗产品国内市场分别达到70%和50%以上。4．纳米材料与技术纳米材料与技术发展趋势一方面是开展纳米加工、纳米电子、纳米医疗以及机器人等未来能形成新兴主导产业领域的基础研究；一方面是对现在的信息高科技产业和传统产业进行改造和提升。目前，国内规模较大的纳米产业主要包括特种纳米碳材料、纳米粉体材料、纳米复合材料、纳米改性的纺织品及医疗保健等领域。纳米材料的应用尚处于初级阶段，主要是利用纳米粉体材料的功能特性，对传统产品进行升级。在纺织行业，纳米材料改性的功能纤维产品相继问世；抗菌抑菌、红外保温、负离子释放、自清洁、阻燃和防水防静电产品已进入市场；纳米涂料市场份额进一步扩大。在最新的纳米技术研究领域，我国也取得了重要突破，如我国研制出高稳定、可擦写的有机分子纳米存储材料，存储点尺寸为2个纳米，存储密度在1013比特/厘米2，是传统存储密度的105倍；在国际上首次创新提出GaAsSb/InGaAs非对称双量子阱结构，并在实验上获得室温1.3微米发光纳米材料在国内首次成功研制出性能良好的1.21-1.28微米室温工作边发射激光器。5．超导材料与技术超导材料与技术的发展趋势是不断探求更高温度超导体，实现高温超导材料产业化技术在能源、电力、移动通讯、国防领域的应用。从目前国际上高温超导产业化应用的趋势来看，在继续改善BSCCO带材（也称为第一代带材）的同时，各国正在努力研究开发一种在柔性金属基带上涂以YBCO厚膜的涂层导体（第二代高温超导带材）。铋系高温超导线材目前已实现商品化，主要产业化核心技术被美国、日本、中国、德国等少数国家所掌握。我国铋系高温超导线材已实现了产业化，在超导材料的应用方面如超导电缆、超导滤波器等方面取得了突破性进展。2004年7月，北京云电英纳超导电缆有限公司的三相交流33.5米35kV/2kA高温超导电缆系统在云南昆明普吉变电站挂网运行成功，标志着我国已经掌握了超导电缆实用化的关键技术。这是全球第三组并网运行的超导电缆系统，综合性能优于前两组，多方面拥有自主关键技术。2004年3月，清华大学研制的超导滤波器系统在中国联通CDMA移动通信基站上现场试验获得圆满成功。这是我国高温超导技术在移动通信中的首次实际应用，各关键技术指标达到国际先进水平，成为继美国之后、第二个拥有此类实用核心技术的国家。6．化工新材料化工新材料向高性能化、多功能化、精细化、低成本化、生产全球化、工艺无害化、装置大型化、应用普及化、创新持续化、竞争激烈化方向发展。随着催化剂技术、生物技术、纳米技术、组合化学技术的发展，增强了技术人员对于微观化学合成领域的控制能力