化学与新型材料

1、高分子分离膜高分子分离膜 具有特殊分离功能高分子材料薄膜，特点能让某些物质有选择地具有特殊分离功能高分子材料薄膜，特点能让某些物质有选择地通过，而把另外一些物质分离掉。通过，而把另外一些物质分离掉。人人造造心心脏脏人人工工肾肾脏脏人人工工膝膝关关节节人人工工心心脏脏瓣瓣膜膜 医用高分子材料医用高分子材料优异生物相容性，较少受到排斥，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。优异生物相容性，较少受到排斥，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。一、材料分类一、材料分类二、功能材料二、功能材料1 1、信息功能材料（半导体材料、光电子材料）、信息功能材料（半导体材料、光电子材料）2 2、能源功能材料（超导材料、磁

2、性材料、贮能材料、能源功能材料（超导材料、磁性材料、贮能材料、 燃料电池）燃料电池）3 3、生物材料与智能材料（医用生物材料、仿生材料）、生物材料与智能材料（医用生物材料、仿生材料）4 4、纳米材料、纳米材料三、军用新材料三、军用新材料 人口、资源人口、资源( (能源能源) )、环境（生态）三大压力、环境（生态）三大压力 信息与经济全球一体化信息与经济全球一体化 知识经济时代意味着科学技术与教育将受到更高的重视知识经济时代意味着科学技术与教育将受到更高的重视 国防与战争仍是促进科学技术发展的动力国防与战争仍是促进科学技术发展的动力 人类社会在发生变化人类社会在发生变化 寿命延长寿命延长( (器

3、官更换，生物工程器官更换，生物工程) ) 生活水平提高生活水平提高( (加速资源消耗加速资源消耗) ) 交往频繁交往频繁( (信息网络、交通运输信息网络、交通运输) ) 人的质量是社会进步决定性的因素人的质量是社会进步决定性的因素 教育将受到重大重视，创新环境十分重要教育将受到重大重视，创新环境十分重要2121世纪时代特征世纪时代特征: :一、一、材料分类材料分类化化 学学有机化学有机化学无机化学无机化学材材 料料有机材料有机材料无机材料无机材料按化学组成分类按化学组成分类金属材料金属材料黑色金属及其合金黑色金属及其合金有色金属及其合金有色金属及其合金非晶、微晶金属材料非晶、微晶金属材料特种功

4、能金属材料特种功能金属材料无机非金属材料无机非金属材料玻璃与非晶无机非金属材料玻璃与非晶无机非金属材料低维无机非金属材料低维无机非金属材料人工晶体材料人工晶体材料无机陶瓷材料无机陶瓷材料特种功能无机非金属材料特种功能无机非金属材料高分子材料高分子材料塑料、橡胶和纤维塑料、橡胶和纤维功能高分子材料功能高分子材料高性能高分子材料高性能高分子材料高分子液晶材料高分子液晶材料复合材料复合材料金属基金复合材料金属基金复合材料无机非金属基复合材料无机非金属基复合材料聚合物基复合材料聚合物基复合材料其他复合材料其他复合材料二、功能材料二、功能材料 1 1、信息功能材料（半导体材料、光电子材料）、信息功能材料

5、（半导体材料、光电子材料）信息功能材料信息功能材料 ： 是是指信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需材料。指信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需材料。信息信息时代信息功能材料仍是最活跃的领域。时代信息功能材料仍是最活跃的领域。 半导体材料半导体材料 (1(1) ) 以硅为基础的微电子技术仍将占十分重要位置。芯片特以硅为基础的微电子技术仍将占十分重要位置。芯片特征尺寸以每三年缩小计征尺寸以每三年缩小计, , 到到20102010年可能到极限年可能到极限 (0.07m)(0.07m)（量子（量子效应、磁场及热效应、制作困难、投资大），效应、磁场及热效应、制作困难、投资大），但不同档次的硅

6、芯但不同档次的硅芯片在片在2121世纪仍大量存在，并将有所发展。世纪仍大量存在，并将有所发展。集成集成系统（系统（ISIS，Integrated System)Integrated System)： 在在单个芯片上完成整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设单个芯片上完成整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设计于一个芯片计于一个芯片 (System on a Chip)(System on a Chip)。集成电路的总发展趋势：集成电路的总发展趋势： 高高集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵敏度、低噪声、高可集成度、微型化、高速度、低功耗、高灵敏度、低噪声、高可靠、长寿命、多功能。靠、长寿命

7、、多功能。 为了为了达到上述目标，有赖于外延技术（达到上述目标，有赖于外延技术（VPEVPE，LPELPE，MOCVD MOCVD 及及 MBEMBE）的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。）的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。（2 2）第二代半导体材料是）第二代半导体材料是-族化合物族化合物 GaAsGaAs 电子迁移率是电子迁移率是SiSi的的6 6倍（高速），禁带宽（高温）广泛用于高速、倍（高速），禁带宽（高温）广泛用于高速、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。 GaAsGaAs用于集成电路其处理容量大用于集成电路其处理容量大100100

8、倍，能力强倍，能力强1010倍，抗辐射能力强倍，抗辐射能力强2 2个量级，是携带电话的主要材料。个量级，是携带电话的主要材料。 InPInP 的性能比的性能比 GaAsGaAs 性能更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件性能更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件。高效电源模块高效电源模块主要采用国产三结主要采用国产三结GaInP2/GaInP2/GaAsGaAs/ /GeGe高效太阳电池阵。高效太阳电池阵。神舟七号神舟七号（3 3）第三代半导体材料是禁带更宽的）第三代半导体材料是禁带更宽的SiCSiC、GaNGaN及金刚石。及金刚石。（4 4）下一代集成电路的探索）下一代集成电路的探索 光集成

9、、原子操纵光集成、原子操纵 光电子材料光电子材料 21 21世纪光电子材料将得到更大发展。世纪光电子材料将得到更大发展。 （1 1）激光材料（）激光材料（2020世纪世纪6060年代初）年代初） 激光：高亮度、单色、高方向性激光：高亮度、单色、高方向性 红宝石（红宝石（CrCr3 3+ + 、 AlAl2 2O O3 3 ） 掺钕钇铝石榴石（掺钕钇铝石榴石（NdNd : : YAGYAG) ) （2 2）非线性光学晶体（变频晶体）非线性光学晶体（变频晶体） KDPKDP（磷酸二氢钾）、（磷酸二氢钾）、KTPKTP（磷酸钛氢钾）（磷酸钛氢钾） LNLN（铌酸锂）、（铌酸锂）、 BBOBBO（偏硼

10、酸铝）、（偏硼酸铝）、 LBOLBO（三硼酸锂）（三硼酸锂） （3 3）红外探测材料（军用为主）红外探测材料（军用为主） HgCdTeHgCdTe、 InSbInSb、 CdZnTeCdZnTe、 CdTeCdTe （4 4）半导体光电子材料（附表）半导体光电子材料（附表）光纤材料光纤材料: : 石英玻璃：石英玻璃： SiOSiO2 2、SiOSiO2 2-GeO-GeO2 2、 SiOSiO2 2-B-B2 2O O3 3-F-F 多组分玻璃：多组分玻璃： SiOSiO2 2-GaO-Na-GaO-Na2 2O O、 SiOSiO2 2-B-B2 2O O3 3NaNa2 2O O 红外玻璃

11、：红外玻璃： 重金属重金属氧化物、卤化物氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃：掺稀土元素玻璃： ErEr、NdNd、（7 7）记录材料）记录材料 21 21世纪是以信息存储为核心的计算机时代，在军事方面，如何快世纪是以信息存储为核心的计算机时代，在军事方面，如何快速准确地获取记录、存储、交换与发送信息是制胜的关键。速准确地获取记录、存储、交换与发送信息是制胜的关键。 磁记录在磁记录在 2121世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁记录技术和纳世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁记录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头如（巨磁电阻、米单磁畴技术，再加先进磁头如（巨磁电阻、GMRGMR）的采用，有可能使每平）的

12、采用，有可能使每平方英寸的密度达方英寸的密度达100 GB100 GB，所用介质为氧化物磁粉（，所用介质为氧化物磁粉（ - Fe - Fe2 2O O3 3 及及 加加 Co - -FeCo - -Fe2 2O O3 3、CrOCrO2 2) )，金属磁粉或钡铁氧体粉。，金属磁粉或钡铁氧体粉。 磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是光头而不是磁头。磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是光头而不是磁头。 磁光盘介质主要是稀土磁光盘介质主要是稀土- -过渡族金属，如过渡族金属，如TbFeCoTbFeCo、GdTbFeGdTbFe、NdFeCoNdFeCo，最新的是最新的是PbPb/Co

13、/Co多层调制膜或多层调制膜或BiBi石榴石薄膜。石榴石薄膜。 磁光盘磁光盘的特点在于可重写，可交换介质。的特点在于可重写，可交换介质。2 2、能源功能材料、能源功能材料 化石能源日益枯竭（甲烷水化物）化石能源日益枯竭（甲烷水化物） 环境要求越来越高环境要求越来越高 人口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度增加人口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度增加（1 1）可再生能源的开发）可再生能源的开发 太阳能太阳能的利用：辐射于地球能量一万倍于人类所消耗的能源的利用：辐射于地球能量一万倍于人类所消耗的能源（ 6 6 10 10 17 17 kwhkwh ） 密度低密度低 1 1 kwhkwh /

14、m / m2 2 气候影响大气候影响大太阳能利用形式太阳能利用形式 直接辐射直接辐射能能 热水器热水器 热水热水发电发电 光光伏电能伏电能 民用民用： 高效、长寿、价廉，需要储电系统。高效、长寿、价廉，需要储电系统。 多晶多晶Si 17.7 %Si 17.7 % 单晶单晶Si 23.1% Si 23.1% 贴上了这张膜手机充电只需晒太阳贴上了这张膜手机充电只需晒太阳单晶体和多晶体的区别？单晶体和多晶体的区别？ 多晶体多晶体晶体晶体是由许许多多的小晶粒组成，晶粒之间的排列没有规则，是由许许多多的小晶粒组成，晶粒之间的排列没有规则，如金属铜和铁。如金属铜和铁。 单晶体晶体本身就是一个完整的大晶粒，

15、如水晶和晶刚石。单晶体晶体本身就是一个完整的大晶粒，如水晶和晶刚石。 单晶硅与多晶硅光伏电池的比较？单晶硅与多晶硅光伏电池的比较？ 单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高。 多晶硅电池成本低，转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池。多晶硅电池成本低，转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池。附：中欧光伏战附：中欧光伏战 20122012年年9 9月和月和1111月，应欧盟支持太阳能组织请求，欧盟委员会对原产自中月，应欧盟支持太阳能组织请求，欧盟委员会对原产自中国的太阳能电池发起反倾销、反补贴调查。国的太阳能电池发起反倾销、反补贴调查。

16、20132013年年5 5月，商务部新闻发言人多次表示，如欧方对华光伏产品征收反倾月，商务部新闻发言人多次表示，如欧方对华光伏产品征收反倾销重税，将严重危害中欧经贸关系。销重税，将严重危害中欧经贸关系。“我们不希望看到我们不希望看到贸易战贸易战，但如，但如果欧方对果欧方对( (光伏光伏) )产品设限，我们也将切实维护中国企业的利益。产品设限，我们也将切实维护中国企业的利益。” 5 5月月2222日，中国机电产品进出口商会发表声明称，近期中国与欧盟就光伏日，中国机电产品进出口商会发表声明称，近期中国与欧盟就光伏产品双反案进行的首轮价格承诺谈判宣告破裂。产品双反案进行的首轮价格承诺谈判宣告破裂。

17、根据欧盟决策规则，成员国于今年根据欧盟决策规则，成员国于今年5 5月月2424日前就欧盟委员会贸易委员卡雷日前就欧盟委员会贸易委员卡雷尔尔 . . 德古赫特提出的征税方案提交正式书面意见。据路透社调查，欧盟德古赫特提出的征税方案提交正式书面意见。据路透社调查，欧盟2727国国中，中，1515国明确表示反对征税，国明确表示反对征税，6 6国支持，国支持，6 6国没有回应。国没有回应。 5 5月底，李克强访问瑞士和德国时多次强调，中国坚决反对欧盟对华光伏月底，李克强访问瑞士和德国时多次强调，中国坚决反对欧盟对华光伏产品和无线通讯设备发起产品和无线通讯设备发起“双反双反”调查。调查。 核反应堆核反应

18、堆，又称为原子反应堆或反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是是装配核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。装配核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。 缺点：缺点： 核污染核污染 历史上重大核污染事件：历史上重大核污染事件：1 1 、日本遭受原子弹袭击、日本遭受原子弹袭击 2 2、 切尔诺贝利核泄漏事件切尔诺贝利核泄漏事件 3 3 、三里岛核事故、三里岛核事故 4 4、 乌拉尔贮存罐核爆炸乌拉尔贮存罐核爆炸5 5、 太平洋上的核试验，比基尼事件太平洋上的核试验，比基尼事件6 6、 福岛第一核电站泄福岛第一核电站泄 漏事故漏事故（2 2）核能）核能 目前核电站基于铀裂变（热中子反应堆）目前

19、核电站基于铀裂变（热中子反应堆） 燃料燃料U U235235，铀矿中占，铀矿中占0.710.71，U U238 238 为为99.2899.28。日本高滨核电站日本高滨核电站（3）超导材料）超导材料 （ superconducting materials ）定义：在适当的温度、磁场强度和电流密度下，具有超导电性的材料。定义：在适当的温度、磁场强度和电流密度下，具有超导电性的材料。特性：特性： 零电阻、抗磁性、同位素效应零电阻、抗磁性、同位素效应应用：应用： 利用材料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、利用材料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

20、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。）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。 利用材料完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。利用材料完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。 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、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

21、成电路的快集成电路的快1020倍，功耗只有四分之一。倍，功耗只有四分之一。 资料图：中国军工船舶系统资料图：中国军工船舶系统714714研究所研究所20052005年披露的年披露的超导超导电磁流体推进概念潜艇模型电磁流体推进概念潜艇模型(4) (4) 磁磁 性性 材材 料料 硅钢片是最重量要的软磁材料硅钢片是最重量要的软磁材料 铁基非晶态合金有明显优越性铁基非晶态合金有明显优越性 特别用于：电焊机，节能，体积小特别用于：电焊机，节能，体积小 作为结构材料：耐磨（作磁头）、作为结构材料：耐磨（作磁头）、耐蚀耐蚀ATS-200M硅钢片铁损磁感测量仪硅钢片铁损磁感测量仪贮氢材料贮氢材料 金属间化物贮

22、氢基本成熟（金属间化物贮氢基本成熟（表），表），但用于汽车燃但用于汽车燃料存在比重大，易中毒和价格问题。料存在比重大，易中毒和价格问题。 纳米碳管是最近发现的贮氢材料，正在研究开发中。纳米碳管是最近发现的贮氢材料，正在研究开发中。表表几种金属氢化物贮氢材料几种金属氢化物贮氢材料液氢（液氢（-235）Mg 2 Ni H 4La Ni 5 H 6Ti Fe H 1.9相对含氢密度11.331.481.35相对含氢量（%）1003.81.41.8 下表为下表为几种典型电池反应机理与特性，当前最有发展前景的几种典型电池反应机理与特性，当前最有发展前景的是是NiNiMHMH电池，但从比能量密度，锂电池最

23、好，而价格是前者电池，但从比能量密度，锂电池最好，而价格是前者3.53.5倍，其中塑料锂电池具有重量轻，形状可任意改变，安全性倍，其中塑料锂电池具有重量轻，形状可任意改变，安全性更好的特点，可能是更好的特点，可能是2121世纪开发的重点。世纪开发的重点。 NiNiMHMH电池汽油混合汽车已实用化，低速与起动用电池，电池汽油混合汽车已实用化，低速与起动用电池，而高速时自动跳到汽油并充电，如比可节油（而高速时自动跳到汽油并充电，如比可节油（1/21/2），排放减至），排放减至1/101/10，COCO2 2（1/21/2）。）。（6）燃料电池）燃料电池 燃料电池燃料电池是将化学能转变为电能的一种装

24、置，效率高、污染小，是是将化学能转变为电能的一种装置，效率高、污染小，是2121世纪重点发展的一种技术。世纪重点发展的一种技术。 最近最近美国美国NASANASA正在开展一种试验，即太阳能电池与氢氧燃料电池联正在开展一种试验，即太阳能电池与氢氧燃料电池联合开动的小飞机，白天太阳能电池工作，用剩余电来电解水、晚上合开动的小飞机，白天太阳能电池工作，用剩余电来电解水、晚上H H2 2O O燃燃料电池工作，目前载人还不现实，计划在料电池工作，目前载人还不现实，计划在20032003年实现用于通信。年实现用于通信。美氢燃料电池板块涨势凌厉美氢燃料电池板块涨势凌厉 汽车动力氢时代驶近汽车动力氢时代驶近3

25、 3、生物材料与智能材料将受到高度重视、生物材料与智能材料将受到高度重视2121世纪是生命科学时代世纪是生命科学时代（1 1） 医用生物材料医用生物材料 最主要是与人体相容性最主要是与人体相容性 * * 组织工程组织工程 * * 生长因子生长因子 * * DNADNA * * 自组装自组装 除神经系统以外的各种器官都可制造。目前正在尝试利用照除神经系统以外的各种器官都可制造。目前正在尝试利用照相机、光导系统与视网膜细胞相联为盲人复明，要生物学家，工相机、光导系统与视网膜细胞相联为盲人复明，要生物学家，工程师，材料科学家的通力合作。程师，材料科学家的通力合作。（2 2）仿生材料）仿生材料医医用用

26、生生物物材材料料海洋生物医用材料海洋生物医用材料“止血愈创纱止血愈创纱”医用胶片医用胶片 1959 1959年年1212月月R.FEYNMANR.FEYNMAN在美国物理学会上提出纳米科学技术的概念在美国物理学会上提出纳米科学技术的概念, ,并提出并提出开展在原子与分子水平制造材料的物理规律。开展在原子与分子水平制造材料的物理规律。 8080年初发明扫描隧道显微镜（年初发明扫描隧道显微镜（STMSTM）及原子力显微镜（）及原子力显微镜（AFMAFM）以后原子）以后原子操纵才有可能。操纵才有可能。 纳米材料就是利用物质在小到原子或分子尺度以后所出现的奇异现象纳米材料就是利用物质在小到原子或分子尺

27、度以后所出现的奇异现象而发展出新的材料。而发展出新的材料。 20002000年二月美国总统向国会提出年二月美国总统向国会提出国家纳米技术的建议国家纳米技术的建议 （National National NanotecthnologyNanotecthnology Initiative Initiative）认为纳米技术可导致下一）认为纳米技术可导致下一工业革命，应置于最优先地位。工业革命，应置于最优先地位。纳米技术与纳米技术与3D打印让超级听力不再是打印让超级听力不再是超人的专利，每个普通人都可以成为超超人的专利，每个普通人都可以成为超级英雄。级英雄。透明化可弯曲纳米纸透明化可弯曲纳米纸纳米纤维

28、纳米纤维 既坚韧又有强度既坚韧又有强度飞机、导弹、卫星与飞船的发展，飞机、导弹、卫星与飞船的发展，材料是关键材料是关键。 以飞机为例，战斗机性能的提高有以飞机为例，战斗机性能的提高有2/32/3靠材料，发动机性能的提靠材料，发动机性能的提高，材料占高，材料占1/21/2，对空间飞行器来说，由于材料的改进，收益更为显，对空间飞行器来说，由于材料的改进，收益更为显著著。 战斗机已发展到第四代（如美国战斗机已发展到第四代（如美国F22F22），主要材料为钛合金（），主要材料为钛合金（4141），树脂基复合材料（），树脂基复合材料（2424），铝合金（），铝合金（1515），钢只有），钢只有5 5。 民用机到了第三代（波音民用机到了第三代