从中国高校在材料研发中的作用看材料产业的发展方向.ppt

从中国高校在材料研发中的作用看材料产业的发展方向科技部高新技术司2004年1月3日浙江台州,首届中国高校材料院长论坛暨新材料产学研交流会,材料发展的战略地位材料作为社会生存与发展的物质基础，其使用与发展一直是标志人类进步的里程碑。历史上每次产业革命的成功都离不开新材料的开发，它是工业革命的先导，与能源、信息、生物技术构成了现代文明社会的四大支柱。进入21世纪，材料学科对于维护我国的国家安全和国际形象，可持续地发展我国的国民经济，支撑我国国民经济各领域的近、中、长远期科技发展规划，都呈现出比过去任何时期更加突出的现实意义和深远的历史意义。,关于高校的作用：高校通过教学和科研促进了自由奔放的最新演讲和交流、形成了多学科交叉的学术环境、培养了大批充满活力的年轻人才，孕育了持续创新的巨大动力。而现代科学技术所引发的重大原始性创新导致生产力的根本变革。,高校在我国材料产业的发展中起着重要的作用截止2003年7月1日，全国共有普通高等学校1517所2。其中，本科学位的高校为642所，占42。与材料相关的高校约421所；占本科学位高校的66（见附件）。材料相关高校在全国的分布情况见图1所示。从图中看出：江苏、北京、辽宁居首位，而海南、西藏、宁夏最少。,与材料相关的重点二级学科高校情况粒子物理与原子核物理北京大学、清华大学、中国科学技术大学、兰州大学原子与分子物理清华大学、吉林大学、四川大学等离子体物理大连理工大学、中国科学技术大学凝聚态物理北京大学、清华大学、吉林大学、复旦大学、上海交通大学、南京大学、中国科学技术大学、山东大学、郑州大学、中山大学无机化学北京大学、吉林大学、南京大学、中国科学技术大学有机化学北京大学、南开大学、兰州大学物理化学北京大学、吉林大学、复旦大学、南京大学、中国科学技术大学、厦门大学、福州大学高分子化学与物理北京大学南开大学吉林大学复旦大学南京大学中山大学固体力学北京大学、清华大学、北京航空航天大学、中国科学技术大学、西安交通大学、西北工业大学工程力学北京理工大学、大连理工大学、同济大学、上海交通大学、南京航空航天大学、中国矿业大学,材料物理与化学清华大学、北京科技大学、河北工业大学、浙江大学、中南大学、西北工业大学、南昌大学材料学清华大学、北京工业大学、北京航空航天大学、北京科技大学、北京化工大学、东北大学、哈尔滨工业大学、同济大学、上海交通大学、东华大学、南京理工大学、山东大学、武汉理工大学、中南大学、华南理工大学、西安交通大学、西北工业大学、四川大学材料加工工程:清华大学、北京科技大学、天津大学、太原理工大学、吉林大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、郑州大学、华中科技大学、华南理工大学、西北工业大学冶金物理化学北京科技大学钢铁冶金北京科技大学、东北大学、上海大学有色金属冶金东北大学、中南大学、昆明理工大学,依托在高校建立的与材料相关的国家重点实验室序号实验室名称依托高校1人工微结构和介观物理北京大学2超导北京大学3摩擦学清华大学4新型陶瓷与精细工艺清华大学6新金属材料北京科技大学7吸附分离功能高分子材料南开大学8染料及表面活性剂精细加工合成大连理工大学9三束材料改性大连理工大学复旦大学轧制技术及连轧自动化东北大学11超硬材料吉林大学12无机合成与制备吉林大学13现代焊接生产技术哈尔滨工业大学14应用表面物理复旦大学,15先进光子学材料与器件复旦大学16混凝土材料研究同济大学17金属基复合材料上海交通大学18纤维材料改性东华大学19固体微结构物理南京大学20硅材料浙江大学21晶体材料山东大学22材料复合新技术武汉理工大学23粉末冶金中南大学24光电材料与技术中山大学25高分子材料工程四川大学26金属材料强度西安交通大学27凝固技术西北工业大学28应用有机化学兰州大学29塑性成型模具技术华中科技大学,我们对高校材料学院的要求：树立以人为本的科学理念造就开放的科学环境倡导追求真理、宽容失败的科学思想摒弃急功近利、急于求成的浮噪心理深入了解国家对材料发展的要求深入了解材料发展的历史贯通材料发展路线图：科学、技术、产业在材料发展的某些方面形成学院鲜明特色营造创业环境、加快材料技术产业化,一、中国材料和相关制造业的概况,从整个材料产业的实力看，我国在钢铁、水泥、玻璃、纺织品等传统材料行业的生产能力进入世界前列，生产总量基本满足国内需要，为普通材料世界生产大国。近年来，我国在新材料领域的研发方面取得了长足的进步，中国新材料领域的高技术研究具有相当水准，已有30%多的项目达到了国际先进水平。我国是稀土永磁大国，我国的镁储量、生产量、出口量已占世界第一。以人造金刚石和氮化硼为代表的超硬材料生产量和出口量也已达世界第一。,截至2002年底，我国大陆172种产量居世界第一的产品,有77个产量居世界第一的材料类产品黑色金属冶炼及压延加工：铁合金、生铁、钢、成品钢材、铸件有色金属冶炼及压延加工：锡、锑、电解铝、镁、铅、锌、钨、稀土、硬质合金、高速钢、厨刀、铝电解电容器、永磁铁氧体非金属矿物制品业：水泥、平板玻璃、石灰、耐火材料、人造金刚石、石英晶体元器件、建筑陶瓷、卫生陶瓷、日用陶瓷、,化学纤维制造：化学纤维、合成纤维、涤纶、腈纶、粘胶纤维化学原料及化学制品制造业：明矾、电石、染料、松香、木糖醇、硫酸、合成碱、焊接材料、聚酯聚合物、塑料鞋化肥：合成氨、尿素、复合肥,纺织业：棉纱、棉布、毛织品、针织品、丝织品、毛巾、羊绒、生丝、坯绸、服装、领带、拉链皮革、毛皮、羽毛（绒）及制品：羊轻革、猪轻革、牛重革、猪皮、山羊皮、皮鞋、皮衣,电子及通信设备制造业：软盘、光盘电气：灯泡、灯具,橡胶制品业：再生胶、胶鞋、自行车胎、造纸及纸制品业：非木纸浆木材加工及木竹藤棕草制品：三夹板、纤维板、木筷、家具、地板石油加工及炼焦业：焦炭,二、2003年863重点课题进展（举例）,发展优势资源产业方面稀土功能材料国际领先水平是最大磁能级50-55兆高奥，日本可批量生产N52系列钕铁硼磁体；突破了高档钕铁硼磁体的制造技术和表面处理技术，开发出具有国际先进水平的稀土永磁材料系列，使我国可批量生产N50N53系列钕铁硼磁体，由于磁性能的提高，预计“十五”期间可新增产值10亿元以上;在国际上首创的稀土：铁为1：12型新结构磁性化合物PrFe12-xVx开始进行中试，对开发我国自主知识产权的新型稀土永磁材料意义重大。,稀土功能材料的产业化,完成了N50系列高档烧结钕铁硼磁体的批量化生产，开始试制N53系列产品。,产品性能,N50系列高档烧结钕铁硼磁体,高性能钕铁氮磁粉生产线正在调试,气流磨,大型气淬烧结炉,双分级气流磨,200kg熔炼炉,.,“十五”计划镁合金专项攻关安排国拨经费4100万元，主要任务是培育具有国际竞争力的镁合金新产业。863计划安排国拨经费1150万元，支持耐热、耐腐蚀和变形镁合金新产品技术开发，以实现从镁资源大国、原材料生产大国到先进镁合金及其产品强国的跨越式发展。,先进镁合金及其应用研究,先进镁合金及其应用研究,先进镁合金及其应用研究,已申请15项发明专利和18项实用新型专利原材料方面，正在筹建万吨级高品质新型镁合金材料生产基地装备方面，开发了具有自主知识产权的系列镁合金专用压铸机以及镁合金熔炼系统，国内市场占有率已达到40%已开发出8类3C产品和汽车、摩托车零部件，并已实现部分装车采用下沉阴极电解新工艺，成功制备出稀土含量为15-20%、具有自主知识产权的低成本Mg中间合金,为用以开发汽车动力、传动系统所需抗高温蠕变和耐腐蚀镁合金奠定基础。,改造、提升传统产业方面,500MPa碳素钢先进工业化制造技术在973的研究基础上，突破钢铁材料强韧化等关键工程化技术，通过合金成分设计和组织细化，将235MPa碳-锰普通钢提高到500MPa碳-锰超级钢，实现线材和板材年产100万吨示范线在10家大型钢铁企业完成了工业化实验，在一汽、二汽等多家汽车制造企业进行了应用（代替微合金钢用做汽车底盘梁，每吨降低成本200-300元）,500MPa碳素钢先进工业化制造技术,热带钢与宝钢合作：500MPa碳素钢研究，已进行三轮实验室轧制实验；400MPa级碳素钢批量生产，产量达到3600吨，带钢宽度达到1750mm,用户由一汽本部推广到青岛汽车厂,ResearchInlab,IndustrytrialOnsite,Massproduction,finalUsers,500MPa碳素钢先进工业化制造技术,关键能源新材料方面高性能锂离子电池正极材料国际领先水平是可逆容量140mAh/g，550C循环寿命500次研制出实用型LiCoxNiyMn1-x-yO2正极材料，其可逆容量达到165mAh/g，550C循环寿命560次低成本型LixFePO4正极材料，其可逆容量达到110mAh/g，550C循环寿命500次产业：几个中试工厂已经启动，将打破日本等国对我国高容量、高安全性、长寿命正极材料的限制，为我国锂离子电池包括动力电池的产业化打下坚实的基础。,关键信息材料和器件方面光电子主题中的氮化镓发光二极管外延片和器件制备突破了产业化关键技术。密集波分复用系统用关键光电子器件密集波分复用系统是实现高速、大容量、长距离光纤通信系统的最有效的方式，主要包括新型多波长光发送器件、光接收器件、光调制器件、光放大器件和复用/解复用器件等；围绕战略目标共安排课题14项.其中14xxnm泵浦激光器与喇曼光纤放大器，目前，技术指标已处于国际领先水平；研制了相关具有自主知识产权的功能集成器件(专利产品)，申请中国和美国专利7项。已有5台在长距离光纤通信系统中得到应用，并将为烽火通信承担的国家863项目提供30套喇曼光纤放大器相关技术和产品，以解决其3000公里无中继传输的关键问题。,14xxnm泵浦激光器与喇曼光纤放大器,C/C+L带喇曼放大器样机与典型放大特性,配套无源光器件的专利产品,iPBC,PBC+Deploarizer集成器件,14XXnm光隔离器,14XXnm泵浦合波器,光纤光栅传感技术产业化研究重大突破攻克了传感型光纤光栅及其系列传感器工业化生产关键技术及工程应用技术，并自主研制了工业化生产系列非标设备与测试仪器仪表，形成了具有我国自主知识产权的产业化成套技术与装备，建成了工业化生产线，实现了批量生产，产品开始批量投放市场。2003年实现销售收入已突破2000万元，市场兴旺，预计明年将大幅度增长。目前，光纤光栅应变、温度传感系统已批量应用于湖北、海口、贵州、苏州等多座大桥和深圳市市民中心大型屋顶（400160米）钢结构网架工程、湖北水布垭水电站加固工程等大型工程的施工与长期安全监测，并被武汉正在筹建的多座长江大桥和三峡库区“白鹤梁”国家重点保护文物水下博物馆等工程设计所采用。光纤光栅温度传感器及其感温火灾报警系统已批量应用于武汉、浙江、广东、河南等大型石化企业、油田的大型油罐、油库的火灾预防探测报警系统和电力系统高压设备及电缆的温度安全监测，并被中石化明确指定的5万立方米以上的大型油罐所必须安装的火灾报警系统。,集成光电子芯片:光纤通信用超高速集成电路芯片的设计和制造取得全面突破采用0.2微米GaAs工艺的激光驱动器芯片的工作速率已经达到24Gb/s的国际先进水平.,工程塑料高性能化的新途径-尼龙66/粘土复合材料,特点耐热性提高80-100oC模量强度提高100%流变性能改善其它性能有所提高,卾尔多斯杭锦旗2号土,先进陶瓷材料-大型部件、复杂部件、高韧部件,陶瓷轴承：计算机、机床主轴（电主轴）、大型电机用陶瓷轴承球及轴承、耐高温、耐腐蚀全陶瓷轴承，形成3500万元/年产值。陶瓷过滤器：年产2000万片，8千万-1亿元产值能力。耐磨耐蚀部件：渣浆泵每台每年可节约过流部件费6-7万元，10万台全年可带来节约60-70亿元的社会效益。陶瓷高温高压球阀：可达到年产值1500万的能力。,高温陶瓷部件的批量化制造技术高温发热陶瓷元件(1600C碳化硅,1400C硅化钼等)和高档磨具磨料及耐火材料的开发及产业化高温陶瓷燃气轮机,进气口温度由金属的900C提高到1250C,热机效率由现在的不足30%提高到42%以上,平板显示技术专项2003年在有机发光显示技术（OLED）、等离子体显示技术（PDP）和场致发射显示技术（FED）三个方向上均取得重大进展：PDP技术方面：东南大学承担的“14英寸全彩色高亮度荫罩式PDP研制”课题通过863新材料领域办公室组织的课题验收，并滚动实施了“34英寸全彩色荫罩式PDP研制”课题。该课题在2003年11月份完成34英寸PDP样机两台，亮度900cd/m2,对比度3000：1，色彩16M色，完成专利申请5项，其中发明专利5项。发表文章15篇。,OLED技术方面：北京维信诺公司承担的“有机发光显示器件研制”课题进展显著：推出了一款2.2英寸的OLED彩色显示屏，分辨率为1603128，能够显示更为丰富的信息量。FED技术方面：“新型可印刷FED场致发射显示器的研制”课题通过验收，并滚动实施了“25英寸彩色场致FED显示器的研制”课题。在很短时间之内，封接出初步合格的三基色显示屏，完成三基色简单样机的研制。20英寸单色FED样机的显示性能得到极大的提高，尤其是亮度和灰度等级方面。,铋系高温超导带材达到国际先进水平清华大学和西北有色金属研究院的带材水平都有较大提高，并已开始加快产业化进程。其中，清华大学（北京英纳超导技术有限公司，简称英纳公司）铋系高温超导带材的批量生产工艺日益成熟，产品性能达到国际先进水平，并已开始进入国际市场，向超导材料国产化的目标迈出了一大步。2003年110月，英纳公司铋系线材产品销售达40.1公里，在2003年9月韩国电工研究所进行的全球招标中，公司从包括全球所有主要高温超导导线生产商参加的激烈竞争中脱颖而出，拿到了7公里导线的订单，2003年共计有十几公里线材已顺利销往韩、美、欧等国。,大面积双面高温超导薄膜国际先进中国科学院物理研究所和北京有色金属研究总院的钇系超导薄膜技术指标都有了很大提高；而中国科学院物理研究所课题组（南开大学）的铊系超导薄膜的技术指标已达到国际先进水平，而且产品稳定性较好。,高温超导电缆明年挂网运行中国科学院电工研究所和北京云电英纳电缆有限公司均已初步完成电缆的结构优化。其中，北京云电英纳电缆有限公司正在进一步优化电缆系统，计划于2003年年底完成电缆本体的制造，并于2004年上半年在云南昆明普吉变电站正式挂网运行。,移动通信用高温超导滤波器研制成功清华大学已研制成功适合我国的GSM1800、GSM900和CDMA移动通信系统的高温超导滤波器子系统，系统性能达到国际先进水平，并稳步向产业化推进。目前已计划进行移动通信小区基站的现场通信试验，为我国实现超导滤波器系统应用于移动通信准备了必要的条件。,离子束改良植被与新材料联用固沙技术取得重大进展通过反复地离子注入，摸索出能明显提高甘草、沙棘成苗率和缩短萌发进程的注入离子种类、能量和剂量范围，建立了参数库。初步筛选出更加耐旱的甘草植株材料10份。利用极端条件微生物与植物根共生并与吸水剂材料组成生态系统模型。户外沙地实验结果表明该技术在栽种两个月内，无需外界雨水和浇水，出苗率在95%以上。实验甘草的根系可生长到70厘米以上（达到润土层）。,碳纤维基本解决T300产业化关键技术光威鱼具公司投资建设了年产25吨的CCF-1型原丝中试线，已获得了较好质量的原丝产品；承担CCF-3型碳纤维及原丝技术研究的中科院和教育部系统三个单位，在863专项经费和各自配套资金的支持下，均已建立起较高水平的研究装备和良好的研究环境，具备了继续开展研发工作的条件。承担单位发挥各自的技术优势，先后开发出了强度大于4.0GPa的碳纤维技术，目前正围绕原丝核心技术开展进一步的研发。,聚合物光纤及链路系统开发成功中国科学技术大学光子技术研究所与江苏中山电缆厂联合开发成功可以支持多路工作的100Mbps聚合物光纤交换机、聚合物光纤网卡、石英光纤-聚合物光纤波长转换器和聚合物光纤中继器等聚合物光纤网络设备，实现了聚合物光纤在局域网内的布线和系统集成。目前实验室研究人员正在进行聚合物光纤到户全光传输以及电话、电视、互联网的“三网合一”的研发工作。该技术在国防、工业、商业、民用等诸多领域有着广泛的应用前景。,片式元件突破关键技术研制出高频宽带抗EMI元件，成为世界上第二个拥有该产品的国家；首次研制出具有电压调节电感功能的片式电感元件；研制出具有自主知识产权的、性能指标达到国际先进水平的贱金属内电极（BME）亚微米晶抗还原MLCC材料，突破了新一代高性能BMEMLCC薄层化、微型化关键技术。目前，微波片式电感、高频宽带EMI元件及高感量片式电感三类产品已实现产业化，高水平贱金属内电极MLCC示范生产线的产能达到200亿只/年，产值可达3亿人民币。,成功研制碳纳米晶体管和射频单电子器件新的纳米电极对制备技术,制备周期短、成本低、且完全和现行的超大规模集成电路工艺兼容，通过纳米线的定位和排序技术，制备出性能优良的碳纳米晶体管和射频单电子器件，灵敏度达1.5X10-5e/(Hz)-1/2，其电阻比国际报道的小三个数量级，制备器件成功率达到60%，并成功制备出6000个器件.,基于纳米晶生物探针的免疫层析检测技术取得突破利用杂交瘤细胞融合筛选技术和DNA重组技术进行了乙肝抗元和抗体的筛选，单克隆抗体已形成年产100克的生产能力，满足年产2亿条免疫试纸的要求。具有超顺磁特性的复合磁性纳米晶已小试和放大，可满足年产8000万条免疫试纸的要求。合成了用于免疫标记的新型SiO2/Au金属纳米晶的小试,新材料关键领域选择,随着中国制造的快速发展，中国制造对材料需求越来越大，对材料品种、质量和性能上要求越来越高，对新材料需求增长率基本在20%30%，个别的达到70%以上；中国制造所需新材料覆盖了几乎所有类别，而且响应速度非常快；从品种和数量上来讲，中国制造所需材料基本能够满足国内需求；从质量和性能上讲，一些高牌号、特殊性能的材料基本依靠进口，如工程塑料、合成橡胶、特种钢等；中国制造所应用的新材料有一半以上依赖进口，如电子化学品、饲料添加剂、光存储材料等的高端产品；中国制造对于非常高端、处于研发、试用阶段的新型材料也有很大需求，需求状况几乎和世界持平，如纳米材料、压电晶体材料等。,根据新材料在中国制造中的作用、中国制造产品对新材料表观消费量、材料进口量占表观消费量的百分比及需求增加率，通过分析，我们确定了存在供需缺口的34种新材料,如右表所示,当前应该重点支持的有30个新材料领域,应该重点支持的中国制造产业领域与对应的新材料领域,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,值得注意的新发展方向,半导体材料结构材料有机/高分子材料敏感与传感转换材料纳米材料生物材料复合材料,半导体材料20世纪40年代末，晶体管的发明在技术上导致了一个新时代信息时代的到来，起到推动社会进步的巨大作用。可以预期，在可见的未来十几年中，Si及化合物半导体仍将是电子学技术的基本材料；并在计算机、通信、自动化以及国防和空间应用等科技和工业领域中占据市场经济的重要位置。显然随着微电子和光电子应用领域的发展，半导体材料必将继续发挥重要的作用。,随着高科技发展的需要，半导体及其应用研究的中心兴趣正向直接影响市场的微型或低维量子器件，改善传输质量和效率，增大功率和距离等方向发展，半导体化合物（GaAs、InAs、GaN、SiC等）具有重要的应用前景。,半导体材料领域的重要研究主题：（1）Si基积分电路设计，就材料物性而言涉及用于门（gates）电路控制的纳米尺寸电介质制造及特性研究。,（2）大能隙材料则在光电子学领域中具有关键的作用。可以预期，族化合物材料具有重要应用前景。,（3）纳米电子学及纳米物理学研究是微电子及光电子材料和器件发展的基础，涉及半导体与有机或生物分子耦合，低维器件的量子尺寸效应，半导体与超导体或磁性材料界面以及原子或分子尺度的存储问题。建立原子学模拟与连续介质力学及量子力学跨层次跨尺度关联应是该领域中的一个重要的研究方向。,结构材料材料的力学特性主要表现为断裂强度、韧性、疲劳裂纹的传播、塑性屈服、蠕变等性质。Fe基、Al基、Ti基以及Mg基合金作为力学材料的主体，构成系列结构材料，其主要功能为承担负载（如火车、汽车、飞机）。汽车用钢近年来已从一般钢铁发展为使用Al合金或特殊的高强Mg基合金；进一步需要发展炭纤维增强复合材料或Al基复合材料；而高强Ti合金在高强钢中有重要位置，不锈钢则有取代炭钢的前景。用于军用飞机的Al合金及一般钢材则在被先进的Ti合金及高分子基复合材料所取代。,结构材料的主体：（1）钢铁钢铁材料，特别地具有多相结构和复杂成分的优质钢具有重要应用背景和潜势，需要开展相应的基础研究。联系于微米及纳米技术的纳米层间结构、织构以及晶界和界面都可视为改善钢铁材料的重要途径！,（2）Al合金Al基材料及相应的沉淀硬化效应导致高强铝合金的出现，相关技术工艺已发展为“沉淀科学”，它涉及“相”间晶体结构的匹配性以及合金的稳定性，特别地时效合金的稳定性直接影响航空或空间应用，可视为Al合金基础研究中的重要问题。,(3)镁合金镁的密度1.74，约为钢的1/4，铝的2/3。镁合金是最轻的工程结构材料，其比强度明显高于铝合金和钢，比刚度与铝合金和钢相当，而远远高于工程塑料。同时，镁合金还具有良好的减振性，在相同载荷下，减振性是铝的100倍，钛合金的300500倍。镁合金还具有良好的切削加工性及尺寸稳定性，其耐凹陷性、铸造成形性及表面装饰性俱佳，加之具有易回收利用等优点，因此，20世纪90年代初开始，世界对镁的需求量大幅度增加，原镁的产量和消费量随之迅速增长，,进入21世纪全球原镁生产能力已超过60万吨（中国27万吨，加拿大11.7万吨，美国4.5万吨，挪威4.2万吨，俄罗斯4万吨，以色列2.75万吨，法国1.7万吨，乌克兰1.5万吨，巴西1.2万吨，哈萨克斯坦1万吨，塞尔维亚0.5万吨，印度900吨）。国际上镁产业的布局情况是，原镁生产以中国、加拿大、澳大利亚、独联体国家为主，其中以中国和加拿大的原镁生产能力增长幅度较大。,镁的资源十分丰富，镁在地壳中的含量为2.35，总储量估计为100亿t以上。海水中的镁含量为0.14，全世界海水中的含镁量估计为61016t，真可谓“用之不竭”。主要的含镁矿物有：菱镁矿（MgCO3），白云石（MgCO3CaCO3），光卤石（MgCl2KCl6H2O），水氯镁石（MgCl26H2O）和蛇纹石（3MgO2SiO22H2O）等。世界上所利用的镁盐矿物原料主要是菱镁矿和白云石，其次为海水苦卤、盐湖卤水及地下卤水。,镁及镁合金广泛应用于冶金、汽车、摩托车、航空航天、光学仪器、计算机、电子与通讯、电动、风动工具和医疗器械等领域。镁合金以其优良的导热性、可回收性、抗电磁干扰及优良的屏蔽性能等特点，被誉为新型“绿色工程材料”，21世纪的“时代金属”。,金属镁主要用于：作铝基合金的重要添加元素，这部分用量约占镁的总消耗量的43左右；用于镁合金制造各种零部件的用量已达到镁消耗量的35左右；镁用于炼钢脱硫约占13；此外镁还用于阴极保护材料、金属还原剂和化工行业等。世界镁的消费区域主要集中在北美和欧洲地区。21世纪初，北美和西欧镁的消费量约占全球总消费量的3/4。,（4）Ti合金Ti合金在军用或民用航空工业的发展中有重要位置；多相纳米尺度层状微结构问题对高强Ti基合金的特性具有重要意义，预期它将成为设计新Ti基合金的关键主题。,(5)结构陶瓷及陶瓷基复合材料先进陶瓷具有优异的物理力学性能如高强、高硬、耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗热震性等，而且在电、磁、热、光、声、化学、生物等方面具有卓越的功能，某些性能远远超过现代优质合金和高分子材料。先进陶瓷的应用不仅可以改善人民生活质量，造福于人类而且对增强国防力量、保证国家安全也十分必要；先进陶瓷的研究与应用可以带动材料科学自身的发展。,提高陶瓷材料的韧性和可靠性、降低陶瓷材料的制造成本是直接关系到陶瓷材料在高技术领域中应用的关键。先进结构陶瓷近年的主要发展趋势是：高延展性、超高强、超高韧、超高硬和耐高温的新材料探索。（1）向多层次多相复合陶瓷方向发展；强韧化从纤维增韧、晶须增韧、颗粒弥散强化、相变增韧等，发展到协同增韧（2）向纳米陶瓷方向发展；（3）加强陶瓷材料的剪裁与设计，如晶界和界面设计、晶粒取向设计、多相之间的复合设计、仿生结构设计等；（4）Ti3SiC2和Ti3AlC2等为代表的新型层状三元碳化物和氮化物陶瓷；（5）.高性能多孔陶瓷材料；（6）突破低成本、高性能先进陶瓷制备工艺技术；,有机/高分子材料有机/高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已成为国民经济基础产业以及国家安全不可或缺的重要材料。一方面量大面广的通用高分子材料需要不断地升级改造，以降低成本、提高材料的使用性能，另一方面各类新型的高分子材料将应运而生，尤其是有机及聚合物分子或少数分子组合体的光、电和磁特性将成为高分子向功能化以及微型器件化发展的重要方向。,分子材料与分子电子器件研究该领域的主要研究方向：新型功能分子的设计，合成与组装，分子纳米结构的构筑分子的组装、自组装以及自组织技术以及在分子电子器件上的应用研究。这些分子电子器件主要包括分子电开关、分子光开关和分子电光开光的设计、分子导线、分子整流器、分子开关、分子晶体管、分子马达及分子逻辑器等。,光电信息功能高分子材料研究重点主要在：有机/高分子光子晶体材料；探索有机/高分子形成光子材料的途径；超高密度高分子存储材料：开发存储密度高的高分子材料；高分子传输材料：研究和开发应用于通讯传输的具有较高的光学透过性，光学均匀，高折射率，低光损耗的高分子塑料光纤。高分子显示材料：有机/高分子电致发光材料，高分子液晶等，其发展方向为开发出具有高的电致发光效率，低驱动电压，具有不同发光波长（彩色）和长寿命的各种发光器件。,*生物医用高分子材料包括：药物载体与控释材料：研究适于各类药物的新型生物降解高分子载体和控释材料的设计与合成，药物与载体的相互作用以及药物载体体系的生物医学性能（注射、口服、吸收、分布、排泄等）等评价；诱导组织自修复与再生材料：研究能够诱导组织自修复与再生新型生物降解材料的设计与制备，材料的形态、孔度、降解速度等与组织自修复和再生过程的相互作用关系；生物医用材料的表面修饰以及生物相容性研究：研究不同结构的生物医用材料表面修饰新方法以解决材料的生物相容性问题等。,与能源、环境相关的高分子功能材料，包括：燃料电池、太阳能电池的关键高分子材料：研究高能、长寿命固态电池及相关电极材料；研究不同有机光敏染料和纳米半导体结构体系的太阳能电池，柔性、薄膜太阳能电池的研究将是未来发展的重要方向。吸收/分离高分子材料：重点研究用于废气与废水处理的功能材料；具有高选择性吸附、分离功能的膜、纳米介孔材料等。环境敏感材料与材料智能化：研究对微量有害物质等环境因素高灵敏度感应和传感材料，及危害防护材料等。绿色、环保高分子材料研究：重点研究天然高分子材料（如淀粉，纤维素等）的改性等。,敏感与传感转换材料是对电、磁、光、声、热（温度）、力、化学、生物变化敏感并具有转换功能的材料。包括磁性材料、磁电材料、磁阻和巨磁阻材料、电磁液流变液体、磁致伸缩材料、电阻材料、超导材料感光和发光材料介电材料（介电、压电、铁电、热释电、微波材料）气敏、湿敏、温敏材料、热偶、记忆合金及储氢材料生物传感材料智能材料,转换方面：包括电转光：灯泡、LED、FED、OLED电转热：电炉光转电：电池材料、光电池、染料电池、光合化学能转电：化学电池、燃料电池生态环境材料、分离膜材料,一般说来，任何一种物质，在不同的温度、压力和外场（如引力场、电场、磁场等）的影响下，将呈现不同的物态。敏感与传感转换材料的关键是突出各种因素时相变中的变化过程。人工构建的材料和结构发挥愈来愈大的作用。如：异质结：超导/铁电、磁电/铁电、磁电/半导体、介电/半导体半导体超晶格铁电、磁电、超导体薄膜与半导体芯片结合可调能带结构材料光子晶体,纳米科学与技术研究方面：物质在纳米尺度上表现出的物理、化学和生物特性，研究单分子的特性和相互作用，为以原子、分子为起点，设计和构筑新的纳米结构、材料和器件，提供科学基础和理论准备。加强对纳米结构新的测试和表征方法的研究和探索，加深对纳米科技理论和方法的理解。,应用方面，纳米技术的发展有五个主要方向：一、以纳米材料（颗粒、C60、碳纳米管）为代表的方面二、以从微电子向纳电子为代表的方向三、以微光、机、电集成系统向纳光、机、电集成系统为代表的方向（MEMS-NEMS）四、以纳米生物学、系统为代表的方向五、以纳米物理化学性质、制备、表征等为代表的方向,纳米粉体材料的制备：（1）纳米氧化物，如氧化锌、二氧化钛、氧化铟、氧化锡等，（2）纳米金属，如钨、铝、铜、镍、铂、金、银、钯等，（3）纳米陶瓷，包括陶瓷粉体及陶瓷轴承等制品，（4）纳米碳酸钙，（5）碳纳米管等材料及其应用，（6）硅基纳米材料，（7）电子浆料。,纳米技术在纺织领域的应用（1）行业现状纳米功能纤维按照制备方法可以分为两类：一类是采用溶液共混、熔体共混、原位聚合等方法，把具有各种不同特性的纳米粒子与成纤聚合物混合，制备具有相应功能的纤维，纤维的直径不一定是纳米级；另一类是通过静电纺丝、多组分复合纺丝法以及分子技术制备直径为纳米级的纳米纤维。由于纳米纤维本身具有极大的比表面积，极大的比表面积/体积比，吸附性极强，过滤性、阻隔性、粘合性、保温性好，在超过滤、医用敷料、合成材料增强，特种蓄电池隔膜、电池电极材料，航空特种防护服面料等方面有好大的应用前景，也可以作为未来纳米机的支撑与连接等。,（2）主要应用方向目前，纳米技术在纺织方面的应用主要表现在纳米复合纤维、纳米技术在纺织后整理等方面的应用等。纳米复合纤维化学纤维中加入纳米级添加剂，可以制造出新一代功能性更强的、不同用途的优良复合化学纤维，这种方法的技术难度比直接制造纳米纤维的难度要低，是近期内纳米技术在纺织中应用的主导方向。结合武进当地的实际情况，应考虑发展以下几类纤维：抗紫外纤维纳米TiO2和纳米Zn0等陶瓷粉，外观为白色超微细粉末，粒径均匀，比表面积大，表面能高，与纤维亲和性强，添加量小，由于小尺寸效应，对光吸收很强。以它们为无机紫外线屏蔽剂制成的抗紫外线型纤维或织物，不仅可全面抵御UV-A、UV-B对人体皮肤的伤害，而且还能反射可见光和红外线，具有遮热功能，以此类纤维制成的织物，便于印染整理，手感柔软，透气凉爽，服用性好。目前从国内外研制生产的品种来看，涉及到涤纶、维纶、晴纶、锦纶，丙纶和粘胶纤维等，在服用方面，可广泛地用来制作运动衫、罩衫、制服、套裤、职业服、游泳衣和童装等；在工业和装饰方面，可用于广告用布、户外装饰布、各类遮阳伞、窗帘、运输蓬布和各类帐蓬用布等。抗紫外线织物尤其适合制作高温岗位工人和野外工作者的单薄服装。,抗菌、抑菌和除臭纤维纳米级TiO2和Zn0等光催化无机抗菌剂的热稳定性好、功能持久、安全可靠，能将细菌和残骸一起杀灭清除，同时还能将细菌分泌的毒素也分解掉。产品可应用于超细纤维等特殊场合，是前景广阔的新型抗菌材料。它们可作为添加剂加到涤纶、丙纶、锦纶、晴纶、粘胶等化纤中，赋于各类纤维及其织物抗菌、抑菌、除臭功能，从而起到保健和美学作用，所制成的纤维不仅具有疏水导湿性、快干性、抗污性、密度小和手感柔软等特点，且具持久的抗菌性能。其织物对脚臭、脚癣、皮肤癌、妇科等疾病有较好的防治作用。导电纤维将二氧化锡和氧化锌等白色纳米粉体与纤维高聚物混合纺丝或通过吸附法及浸渍化学反应使其覆盖于纤维表面上，制成白色导电纤维，可用来制作防护服、工作服和装饰性导电材料。远红外纤维远红外陶瓷粉具有高效远红外辐射的功能，通常包括三氧化二铝，氧化锆，氧化镁，二氧化硅，氧化锌，三氧化二锑等，以其作为添加剂制成的各种远红外纤维（尤其是远红外丙纶纤维），具有优良热效应功能，保健理疗功能和排湿透气抑菌功能。此类纤维可以吸收太阳光和人体辐射的远红外线，可以发射出波长和功率与其温度相适应的远红外线，因而使织物具有更好的保暖效果；还能吸引人体自身向外散发的热量，并再向人体反射易吸收的远红外线，使人体皮下组织中血流量增加，有效地改善人体循环，提高组织供氧，改善新陈代谢，增强免疫力；同时，由于特殊的物理效能刺激人体生理发生变化，达到保健和抑菌的作用。远红外纤维除了具有反射功能外，还兼有抗可见光、近红外线和抗紫外线的功能，可用来制作夏日服装、野外工作服、遮阳伞及装饰用布等，孕育着十分广阔的市场。,空气负离子纤维奇冰石纳米复合粉是将多种天然矿石进行深度加工，并添加纳米TiO2等纳米粉体制成的性能奇特的超细粉体，它为灰色不透明粉末，主要由钠，钾、钙、铁、铝、硅、硼元素和其氧化物构成的。添加了奇冰石的丙纶、涤纶纤维，可以产生空气负离子，发射远红外电磁波，还可以释放人体需要的微量元素，因此所制作保健服、内衣、室内装饰布、窗帘、家用纺织品、汽车装饰布等，可为人体随时补充所需要的微量元素，实现了医药工程和纺织工程的完美结合，易被广大消费者接受，具有较大的市场潜力。高强高模量纤维纳米碳管的强度极高、弹性模量也很高，甚至可以弯曲后再弹回，可以用于制备高强高弹性纤维。另外，粘土与聚合物的复合能够大大提高材料的强度和模量，国内外对纳米粘土在塑料橡胶领域的应用进行了广泛深入的研究。北京服装学院利用纳米粘土的这种功能，与聚酰胺插层聚合开发尼龙纳米功能纤维，使纤维的强度和模量有很大的提高，尤其是模量可以提高2倍，但纤维的纺丝性能没有明显的改变。除了上述功能纤维以外，采用纳米粉体对纤维进行改性，还可以开发多种功能纤维，如变色纤维、耐热纤维、芳香纤维、磁性纤维、储能纤维、发光纤维、阻燃纤维、吸水吸湿纤维、防水拒油纤维等。,纳米技术在织物后整理中的应用直接涂层法获得功能性涂层先将纳米微粒直接加入到织物整理剂中，使其均匀分散，然后使织物通过包含纳米微粒的整理液，在粘合剂作用下直接涂覆在织物表面，形成功能性涂层。接枝技术法获得功能性涂层对于某些涂层牢度不够、功能性不持久的情况，可采用接枝技术。具体可采用两条技术路线：一是将对纳米材料有很强的配位能力的有机化合物接枝到棉纤维上，制成简单的有机分子模板，再将纳米材料有很强的配位能力的有机化合接枝到棉纤维上，制成简单的有机分子模板，再将纳米团簇组装到纤维上；二是在制备纳米微粒时，用可接枝到纤维上的化合物作为捕获剂，使纳米微粒通过捕获剂进行表面修饰形成“团簇”，再把“团簇”接枝到纤维上。,3纳米改性涂料（1）行业现状关于纳米涂料的某些试验证明，此类涂料有着极强的生命力和广阔的市场前景，该涂料具有许多独特的优点：（1）涂层的耐洗刷性、耐人工加速老化性及耐沾污性能均有显著增强；（2）能有效抑制细菌、霉菌生长，吸收分解空气中的有机物及异味；（3）可净化空气中的CO2、NOX、SO2、降低VOC及吸烟等其他有害气体；（4）可抗紫外辐射、增加空气负离子浓度、改善睡眠、促进新陈代谢；（5）耐低温好，可有效解决目前建筑有害气体等环境污染问题。这种纳米抗菌涂料可广泛应用于建筑物的居室、家具的装饰装修工程。,（2）发展方向实验研究表明，在各类涂料中添加纳米材料，如纳米TiO2，可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污的涂料，广泛应用于医院和家庭内墙涂饰。可制造出防紫外线涂料，应用制防紫外线阳伞；还可以制造出吸波隐身涂料，用于隐形飞机、隐形军舰等国防工业领域及其他需要电磁波屏蔽场所的涂敷。在涂料中添加纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍提高，涂料的质量和档次大大升级。纳米二氧化钛超亲水性和超亲油性的开发应用将为涂层材料带来革命，使表面具有自清洁功效，防污、防雾、易洗、易干。据称，纳米材料改性外墙涂料的耐洗刷性可由原来的1000多次提高到1万多次，老化时间延长2倍多，利用纳米材料的光学性能改性后的颜料色彩艳丽、保持持久，且极易分散。,纳米稀土是目前国内纳米材料发展的热点之一纳米稀土材料及相关产品，目前正在重点开发纺织纤维用纳米稀土材料、PDPLED用稀土发光材料、稀土荧光粉和高性能稀土合金。主要应用方向汽车尾气催化剂（如纳米CeO2）纺织纤维添加剂高性能稀土发光材料,陶瓷氧化钇锆是一种应用广泛的陶瓷材料，用纳米氧化钇和氧化锆能在较低温度下烧结成氧化锆陶瓷，具有很高的强度和韧性，可用作刀具和耐磨零件，也已制成陶瓷发动机部件。此外，稀土氧化物等纳米材料可以掺入普通陶瓷粉，喷涂在陶瓷基体上形成无机陶瓷腊（膜），代替聚四氟乙烯有机膜，做成了耐热、无铅、不粘的日用陶瓷炊具，产品外销供不应求。涂层稀土硫化物具有成色性很好，产品不易褪色，抗紫外、抗老化、增强红外吸收等特性，在欧洲被广泛用做中空玻璃的复合涂层，可以吸收红外光，冬季可以防止室内热量外散，夏季可以防止室外热量内侵，利润空间很大，1平方米的利润可在200-300元。在澳大利亚，由于其发光颜色特殊，具有防伪特效，被用来制作塑料钱币。,晶粒和复合物质尺寸小于100纳米的纳米结构材料是新的高强、高温和耐蚀材料的基础。具有高温及热稳定性的复合材料，其物性主要依赖于对粒子尺寸、形状与粒子分布的控制。纳米尺寸量子力学及多尺度模型研究应是纳米材料研究的理论基础。,高分子纳米材料高分子材料将是纳米材料的主体之一，高分子纳米材料的发展将主要涉及如下一些重要的方向：（1）结构、尺寸、形貌可控的高分子纳米材料制备技术：高分子纳米材料的形成机理与生长动力学；高分子纳米材料的制备新方法；高分子纳米材料的稳定性；（2）高分子纳米图案的有序化自组装技术：运用分子组装、自组织和模板技术，组装成各类图案化的高分子阵列，形成纳、微电子器件或者作为纳、微电子器件的模板或者衬底。（3）高分子纳米复合材料：研究高分子材料与其它纳米颗粒或者纤维的复合，将有可能使高分子纳米材料走向实用化,纳米电子学纳米尺度的尺寸效应导致电子运动受限，诱发量子尺寸效应。纳米技术在实质上推动了分子水平上的具有新奇的物理、化学或生物特性的新材料、新器件设计。在这个意义上，纳米技术的中心在于纳米电子学的实现,（1）纳米材料研究涉及尺寸小于100纳米颗粒的制造技术以及低维电子器件材料、自组装材料、光、电和磁性功能纳米材料，以及纳米力学材料等领域。,预期Si基纳米器件仍将保持中心的位置。相应的关于量子尺寸效应、隧道效应、交换耦合、纳米线的传导性以及纳米尺度上的磁性和铁电特性的研究，构成设计纳米尺度新器件的物理基础。,分子电子学，及单壁纳米碳管和富勒烯（碳原子团）的研究，光纳米电子学及IIIV族量子点材料和器件的研究，都是迅速发展中的纳米技术的新领域和新趋势。基于纳米磁性材料的巨磁阻现象及相关器件研究也在迅速的进展中。,轴向旋转分子可做微型马达只有几个纳米大的轴向旋转分子可做为微型马达使用，且可进行远距离遥控。轴向旋转分子并不是自然界存在的物质，而是化学家们用碳、氢和氧组成的一种有机分子，其构成是一个微环套在一个拉长的、被称为分子线的分子上，分子线端点上还有被称为“塞子”的大分子。它们之间没有紧密联系，因此微环可围绕着分子线自由移动，如果没有“塞子”，微环可能会离开分子线。实验发现，当轴向旋转分子被置于交流电场中时，它会改变运动方向，共振频率与长环的旋转速度相对应，且旋转速度随电场强度的改变而变化。此外，轴向旋转分子中微环的运动，既可随电场改变，又可改变含这种分子的溶液的极性。科学家们还发现，轴向旋转分子的分子线具有光敏特性，见光就改变形态。轴向旋转分子的所有这些特点，使科学家考虑用它制造未来的计算机信息储存器、遥控药物活性的开关，或局部改变分子性能以实现某种需要。,纳米发动机生物分子纳米发动机仅一个病毒般大小。它由两部分组成：一部分用有机物充当发动机，另一部分用镍无机物充当螺旋桨。整台发动机机长750纳米，宽150纳米。这台发动机是由ATP（三磷酸腺苷）提供能量的。它由ATP合成酶驱动发动机运转。每加一次能量，纳米发动机可连续工作一小时。科学家高度评价此项科技成果，认为生物分子纳米发动机在医学领域将大有用武之地。例如，它可以充当一个“小护士”，巡视全身；它还可以在体内充当一个“小药剂师”，解释细胞发出的化学信号，计算必要的剂量，在人体内直接分配药量等。,纳米生物微细结构DNA分子：nm量级1米长的基因组DNA如何在一个10微米的细胞内能够有序工作？人能制造出生物体的微细结构吗？生物大分子到细胞基本结构体系的自组装自组织DNA驱动的微细机器人细胞内结构（DNA/RNA/蛋白质等）的识别、检测纳米级生物传感器,化学与生物传感技术（纳米传感技术）,在生物医学方面，分子纳米技术是关键，DNA的应用则涉及处理电子信号的问题，选择具有活性的纳米粒子以及于此基础的材料设计将为该领域进一步发展提供潜势。,纳米尺度的结构分析和性能测试技术发展纳米尺度下，测定单分子和纳米结构的表征技术和测试手段、基于扫描探针显微术的谱学技术和三维结构测定技术、利用纳米生物传感器探测细胞内部生物化学反应的技术。,单分子尺度的化学反应单个化学键的键能测定热化学烧孔的STM信息存储等纳米药物（药、载体）分子信标DNA探针,关于生物材料定义：人造生物类材料。是指人造类生物材料和人造具有生物活性或某种生物功能的材料，也包括天然生物材料的改性、处理和在材料制备方面的应用。,类生物材料，包括1、仿生材料2、生物医用材料3、生物灵性材料：即在电、光、磁等作用下具有伸缩功能的的类似生物的智能材料，如聚合物人造肌肉（科学美国人，2003，12）,人造具有生物活性或某种生物功能的材料，包括1、生物分子的组装，如蛋白质膜、细胞膜等的组装2、生物催化3、工业（规模）生物技术和组织工程4、生物模拟,学科特点：物理、化学、生物、材料、光电子的交叉纳米、微米，宏观尺度的交叉，原子、分子、大分子、超分子的交叉无机、有机、高分子的交叉和复合关键问题：自组装,复合材料的新课题如：不同尺度（纳米到大分子）、不同形状（颗粒、纤维、薄膜、块体等）、不同方式（混合、融合、键合、结枝等）的有机无机复合聚合物聚合物的复合染料与织物的复合,纳米复合体如想把纳米微粒的特殊性能以材料的形式付诸应用，则必须事先它以某种形式与体材料或膜材料进行复合与组装。如何复合？以何结构和方式存在于体材料和膜材料中是决定材料性能的极为重要的问题。复合方法：LB膜技术、交铸膜方法、MD膜方法、无机玻璃经典方法、分子筛膜板复合方法及聚合物分子网络复合法等。纳米尺度有序结构及与各种功能性分子的集成组装方法：表面修饰，静电、氢键吸附，引发聚合等聚合物纳米材料包括聚合物本身具有纳米相结构的聚合物材料及与其他纳米物质复合与组装的聚合物杂化材料。材料的性能不仅取决于构成材料的成分而且取决于各组分之间的内在相互联系,多尺度关联与材料设计多尺度模型跨越从原子-电子（纳米尺度）经微观-介观到