当前材料研究热点.ppt

Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 当前新材料研究热点领域： 信息技术领域与信息材料 世所公认，我们当前是处于信息时代， 即以信息技术为时代特 征。信息技术主要是指信息的获取、传递、处理、存储、显示 等技术，包括微电子技术，光电子技术，计算机技术，软件技 术，通讯技术，辐射成像技术，高清晰度电视技术等，以这些 技术为基础，互相交叉，形成现代信息高技术和产业。 这些技术的发展的基于种种新型材料，这些材料主要包括： 半导体材料和集成电路、微电子工业 激光材料与非线性光学材料 信息传感与传感器技术材料 半导体发光材料、液晶显示材料与感光材料 信息传输材料：石英光纤，非氧化物玻璃纤维，有机聚合物光纤 信息存储材料：磁记录材料、磁光记录材料、光存储材料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 新型半导体材料与大规模三维集成电路 元素半导体和化合物半导体：Si， Ge，金刚石, IIIV、IIVI族化 合物单晶硅Si材料，直径，1970年50mm；1985年150mm； 2000 年225mm集成电路集成度：1987年 100万晶体管/平方厘米,2000 年1000万(1024K)IBM预测, 2007年, 设计线宽将达到0.01 微米, 芯 片上可集成10亿晶体管 GaAs为第二代半导体, 可在300-500 使用, 运算频率可达2000 Mhz而 Si 仅可工作在250以下,频率仅为300 MHz GaN为第三代化合物半导体 ,工作放热有可能使电路失效, 发展高热导的II型金刚石是个方向 CVD法金刚石薄膜和AlN薄膜,将有效的提高了集成度 三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发 铁电-Si微集成系统, 具有良好系统功能, 成为当前的研制热点 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 信息传输光纤材料 多模光纤、新型色散补偿光纤与色散 管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光 纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤 ；特别是光纤预制棒制造技术是光纤制 造技术的核心，也一直是我国光纤产业 发展的最薄弱环节 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 新型能源材料 目前地球上的主要能源化石燃料（煤、石油、天然气等）存在的主要问题是： 利用效率低 应用技术落后，对环境造成污染（烟尘、有害气体等） 未开采的储量已经不多，终将消耗 因而，开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题， 涉及 种类繁多的新材料： 核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料） 储氢材料（SmCo5，NbTi合金） 燃料电池材料（电解质、阴极、阳极、连接材料、密封材料) 风力发电设备材料（高强度轻质复合材料） 太阳电池材料（Si，aSi， CdSe， GaAs） 超导输电线材料 镍氢电池、锂离子电池相关材料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜燃料 电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放 50%，不产 生NOx，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但目前研究的 固体氧化物燃料电池的工作温度达800900，其关键部件的材料 制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技 术主要有： a）高性能电极材料及其制备技术； b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术； c）电池结构优化设计及其制备技术； d）电池的结构、性能与表征的研究。 固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体 电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质 子交换膜等，都是目前研究的热点。 固体氧化物燃料电池材料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理 阳极 氧离子固体电解质 阴极 内重整 CH4 H2O CO CO2 H2 H2O O2 电子 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 固体氧化物燃料电池的结构（固体氧化物燃料电池的结构（1 1） 管状管状SOFCSOFC电池结构示意图电池结构示意图 多孔支撑管 空气 燃 料 气 Ni接触杆阴极LSM Ni-YSZ阳极YSZ电解质膜 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 固体氧化物燃料电池的结构（固体氧化物燃料电池的结构（2 2） 自支撑型平板式自支撑型平板式SOFCSOFC Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 单晶硅，多晶硅，非晶硅太阳电池材料； IIVI族化合物 半导体太阳电池材料：ZnSe， CdTe。要求：研制出光 电转换效率大于 18%的低成本、大面积、可商业化的硅基太 阳能电池及其组件。 IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。 太阳能的综合利用 (光电、热电、热交换)及其与风力发电 的耦合技术；建立总体利用效率达15%的追尾聚集光式太阳 能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合利用 与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供电。 太阳能利用技术 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体 成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；但是， 由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使 用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。 高温氧化物超导体，把超导应用温度从液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K） 温区。能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不 足之处。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，一些材料科学研究领域最 新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离 子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学 的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用 等方面取得了重要进展。 超导材料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发 展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20 年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支 柱产业。研究发展十分活跃： 生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向； 生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向； 医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料 功能性生物复合材料， 带有治疗功能的生物复合材料。 生物医用材料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 定义：指对能源和资源消耗最少，对生态环境影响最小， 再生循环利用率最高，使用性能优异的新型材料。特点：性 能先进性；环境协调性；应用舒适性。 生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究 中形成的一个新领域，主要研究方向是： 直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解 材料技术，CO 2 气体的固化技术，SOx、NOx催化转化技 术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加 工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术； 开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、 环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色 新材料等； 材料的环境协调性评价。 生态环境材料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 智能材料是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑 未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间 的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。 智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革 命。如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应 变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命 期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时 间仅为10分钟；压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、 电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用 取得大量创新成果。 智能材料 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 先进材料的历史性发展与“材料科学与工程”学科 年代事件 1940Shottky等发发明了Ge 半导导体三极管，人类进类进 入了半导导体时时代 1954发现发现 了Si 材料， 取之不尽、用之不竭的IC基础础材料 1960红红宝石的问问世，出现现了激光技术术 1957-1960美国第一批（5所）高校组组建了“材料科学与工程”系 多学科人才联合攻关的“国家实验室”： Argonne Lab（芝加哥），Lorenz Lab（加州）， Bell Telephone Lab. Oak- Ridge Lab， 对综合性学科知识人才的需求- 新学科的诞生:” “材料科学与工程”学科: 综合性、交叉性、边缘性、应用性 定义：关于材料的合成、制备、组成、结构（包括缺欠）、性能和应用及其 相互关系的学科， 其基本宗旨是研发、利用新材料 19571960年 美国第一批（5所）高校组建了“材料科学与工程”系 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 材料工程(工艺)与制备技术： 材料工程(工艺)这一主题,常常构成材料科学与工程中 一个颇为突出的矛盾体。 一方面材料工艺被认为是材料科学赖以发展的基础； 因为材料的性能对工艺过程有明显的依赖性，工艺是 确定材料 能否推向预期市场的决定因素，陶瓷材料尤 其如此。 另一方面，与工艺的重要性这一普遍认识相反，要找 找到有关这一主题的系统文献，或者说非常准确的工 程参数，并不容易，尽管近些年来有所发展和改进。 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 这主要是因为： 人们往往根据实用准则来评判（陶瓷）材料工艺，一 个产品的成功往往由最后质量衡量，而很少通过形成过 程构思的“精巧”或论证的“严谨”来体现。如果性能 不好，往往原来构思就被否定，过程中的“变化”常常 被忽略。实际上在制备过程中，涉及许多制备技术、工 艺手段和“Know How”。如此，阻碍了工艺的发展。 专利制度： 追求目标不太成功，就可能像所述那 样否定原来构思，或大谈自己的经验，而缺乏把各种变 量结合而纵观分析提升；一旦达到追求目标，又专成专 利，为了保密而保持沉默。 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 工艺过程复杂，工艺过程是多变量，结果也可能取决 于局部因素，甚至非可控因素，造成结果的离散性， 难于短期内总结、提高。 工艺技能常常是由技术“诀窍”表示，而不是用建立成 熟、系统的学科理论表示，也就是常说的“熟能生巧” 。 总之，工艺过程非常重要，但由于种种原因，在教科书 、 文献中常常一笔代过，所有这些，都给材料工程的系统 发展带来困难。 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 制造 结构 物性 通过结构控制,达到所需物性； 通过对物性得要求,设计合理结构,选择制 造方法,从而制造出新材料。 结构控制 选择制造方法 规定物性 结构设计 Lab for Solid State Chemistry & Inorganic Membranes,USTC 固体化学与无机膜研究所 课程主要章节内容： 主要参考书： 1M.N.Rahaman, Ceramic Processing and Sintering (2003年第二版) 2Alain C. Pierre, Introduction to Sol-Gel Processing (1998年) 3Jame S.Reed, Principles of Ceramics