第9章--材趋势2

1、UJSDai QX,主要内容 1、开发先进材料，发展高技术产业 信息功能材料；生物材料；其它功能材料；功能复合材料；生态环境和能源材料等 2、纳米材料与纳米技术,第9章 材料研究重点和发展趋势,UJSDai QX,材料发展的战略地位 材料是一切工业与高科技的物质基础、发展先导和原动力。材料的使用与发展一直是标志人类进步的里程碑。 材料与能源、信息、（生物技术）构成了现代文明社会的三（四）大支柱。 21世纪，材料学科对于可持续地发展我国的国民经济，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。,UJSDai QX,面临的机遇和挑战 国力较量：当代材料科学和工程是一个国家科技和经济发展

2、的基础，也是世界强国竞争的焦点。 科技发展：生命、信息、能源、环境和纳米科技的发展赋予材料科学新的内涵，提供了新的生长点和广阔的发展前景。材料领域的创新层出不穷。 材料科学和工程的发展进入一个新平台。,UJSDai QX,中科院发布我国面向2050年科技发展路线图 2009年06月11日,2007年夏，中科院组织300多位专家，开展了能源、人口健康、资源、海洋、农业、生态与环境、空间、信息、先进制造、先进材料、纳米、大科学装置、重大交叉前沿、国家与公共安全等重要领域至2050年科技发展路线图战略研究。从我国国情出发设计了相应的科技发展路线图，形成了系列战略研究报告，共8大体系22个战略性问题。

3、 即：可持续能源与资源体系、先进材料与智能绿色制造体系、无所不在的信息网络体系、生态高值农业和生物产业体系、普惠健康保障体系、生态与环境保育发展体系、空天海洋能力新拓展体系、国家与公共安全体系。,UJSDai QX,我国先进材料科技发展确立8项突破口,至2050年材料科技发展的目标是，建成材料科技的完整创新体系，材料全寿命成本将成为材料研发和应用的引导因素；基础研究和新工艺等研发能力国际领先；先进材料发展能全面满足社会需求，支撑并引领人类经济社会发展。 重点从8个方面进行突破。发展计算材料学 ；加速新材料的应用；实现材料结构功能一体化，发展智能材料技术；实现材料绿色制备和低成本高效循环再利用技

4、术；推动材料近终形连续加工技术；清晰认识服役条件下材料性能演化规律，准确评估预测失效过程和材料寿命周期；实现材料实时原位宏量的分析测试与表征；设计制造和材料选择综合考虑全寿命成本。,UJSDai QX,1、开发先进材料，发展高技术产业,1）信息功能材料 指信息的产生、获取、存储、传输、转换、处理、显示所需材料 。即：信息技术（IT，Information Technology）和3C（Computer，Communication及Control）所需材料 。,UJSDai QX,光电信息功能高分子材料研究重点：,高分子光子晶体材料：探索形成光子材料的途径,高分子存储材料：开发存储密度高的高分子

5、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,UJSDai QX,塑料芯片 可能性,要实现这目标还有一段路要走，不过基本技术现已具备。可以折叠的电子书未来几年就会出现，美国通用电气正与能源部合作开发能照亮整间屋子的可折叠塑料芯片,美国一位科学家认为，未来的手机、电视、计算机 内将会广泛地使用廉价的塑料芯片。目前，已研究了 可用于几乎所有电子产品的超薄、明亮、廉价

6、以及灵 活的电子屏幕,例9 -4 塑料芯片,UJSDai QX,2）生物材料,生物材料定义,人造生物类材料，所以应该是类生物材料。它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,生物医用材料,仿生材料,生物灵性材料,仿生是受生物启发而进行材料的设计、制备与处理， 目的是模仿生物的结构和性质。仿生材料涉及面很广， 自然界中动、植物都可以作为人们仿制的对象。 天然生物材料仿生复合材料,UJSDai QX,医用生物材料的重要方向：生物仿生陶瓷、生物可降解高分子材料; 医用复合材料的研究重点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料。 仿珍珠、贝壳、竹子、骨骼、游鱼、飞鸟等 开发高效催化剂，

7、对植物光合作用进行探索和模拟。CO2和H2O 碳水化合物，解决粮食问题。 细菌冶金 :如软体动物集铜，培植海鞘提钒，烟草集锂，玉米聚金等。,UJSDai QX,例9-5 生物塑料PHA的研制与开发 (清华朱静院士）,聚羟基烷酸酯类材料（PHA），包括聚羟基丁酸己酸酯（PHBHHx）、聚羟基丁酸酯（PHB）及聚羟基丁酸戊酸酯（PHBV）等PHA类材料具有优秀的生物相容性及完全的生物降解性，可广泛应用于生物医药领域.,电纺丝法制得的PHA纳米纤维无纺布, 可用作皮肤组织工程支架、药物缓释载体、医用过滤膜、手术隔离膜等.,可降解骨钉，皮肤、人耳、血管等组织工程支架,人造“塑料”血液,以救急用.医学界

8、顶级发明-人造心脏与肝脏 2007年报道,UJSDai QX,日本早稻田大学等机构的科研人员用螃蟹壳和昆布（一 种海带科藻类植物）中的成分，制成厚度只及保鲜膜厚度千 分之一的“纳米创可贴”。实验显示，这种极薄的“创可贴”能 有效促进实验犬肺部伤口愈合。 新开发的“纳米创可贴”能适应脏器表面的凹凸，紧密地 贴住伤口，而且不会与其他组织粘连。伤口愈合后，“纳米 创可贴”可在体内自然分解。 日本研究人员认为，这种“纳米创可贴”可用于胃、肝脏 等柔软且难以缝合的脏器或是易出血的脏器，有助于缩短 手术时间。,例9-7 极薄内脏“创可贴” 愈合伤口不留痕 2009年07月08日 来源：新华网,UJSDai

9、 QX,从PHA提取到应用开发的流程 聚羟基脂肪酸酯（PHA）是很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然高分子生物材料。 PHA特点是结构多元化，从而使性能多样化。具有良好的生物相容性、可降解性、热加工性，是目前生物材料领域最活跃的研究热点。,例9-8 合成天然高分子材料PHA,医用植入,植物生长,光电材料 智能材料,各种型材,3 材料加工,2 提取新材料,1 材料合成,例9-9 环境友好高分子材料聚乳酸PLA开发,聚乳酸（PLA）是由生物发酵生产的聚合物，是环境友好高分子材料。美国、德国、日本、加拿大等许多国家都投入大量资金研究产业化工作。,聚乳酸PLA还可以制成性能良好的复合材料,UJS

10、Dai QX,3）其它功能材料 新材料中功能材料大约占85% 。 智能材料 ：如形状记忆材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等 ； 稀土功能材料：稀土永磁材料、稀土储氢材料、催化材料、超磁致伸缩材料、巨磁电阻材料等 ； 泡沫金属材料：泡沫镍、铝是两大热点 。 非氧化物纳米材料 ；非晶态金属 。,UJSDai QX,上左：在传统的夹层玻璃片之间夹有黏合材料，具有特 别光学性 能、安全性能、兼顾光学、隔热、隔音、 防火等功能。 上右：自洁净玻璃。在玻璃表面增加TiO2涂层，利用光 催化作用对表面沾有的油污等有机物进行降解，以 达到玻璃自动清洁的目的。,例9-10 各种功能玻璃开发

11、应用,上左：贴膜玻璃具有保温隔热、防爆、防辐射、安全 等高性能。 上右 ：防弹玻璃和调光玻璃,例9-11 各种高性能传感器材料的开发应用,日本东北大学的研究生正在与伴舞机器人共舞。这种由东北大学和武村同音公司共同开发的机器人身高1.65米，能够凭借底部的3个轮子向任何方向自由移动。机器人凭借安装的感应器，可以从舞伴的手部感知对方的跳舞意图，而自动配合舞步。,UJSDai QX,4）功能复合材料,电功能,导电、超导、绝缘、半导体、屏蔽压等,磁功能,永磁、磁屏蔽、磁致伸缩等,光功能,透光、选择滤光、光致变色、X线屏等,声功能,吸声、声纳、抗声纳等,热功能,导热、绝热与防热、阻燃、热辐射等,进行功能

12、,阻尼减振、自润滑、耐磨、防弹等,化学功能,有吸附与分离、抗腐蚀等,UJSDai QX,例12 隐形衣有望变为现实 (2006年6月报道),一种折射光的材料模型 黑洞里面的物体能够被隐藏,图中的黑色线显示光是如何在理论上的隐形装置表面流走的,美英日研究，利用光学原理制作隐形外套,关键是材料。这种材料能 使光及物体周围其他形式的电磁辐射线，像河水流过光滑的卵石一样 , 隐形衣是由一种元材料(metamaterials)制成的，这种材料是金属和像陶 瓷、特氟纶以及光纤合成材料一样的线路板材料的混和物,德国的科学家们发明了一种绑在身上的固定翼“隐形翅膀”，其特点是精确、静音、隐形,机翼由轻型的碳纤维

13、制成,例9-13 光纤材料与稀土发光材料,例9-14 镁合金开发与应用前途无量,UJSDai QX,新型材料能改道光线让隐形人成真 2008-8-18报道 华裔科学家已经制造了2种可让光线改道的新型材料，向隐形衣迈进了第一步。一种办法是使用金属鱼网层来反转光线的方向，而另一方法则是使用微小的银线来达到这一目的，且二者都是纳米级的。 这2种新型材料都叫做超材料（metamaterial），这是一种人造工程结构，在自然状态下看不见，因为它们具有负反射指数。这2支研究小组在美国加州大学伯克利分校纳米科学与工程学中心张翔的带领下分别进行研究，其中一支小组将他们的成果发表在8月8日出版的Nature杂志

14、上，而另一支小组则将他们的发现发表在8月8日出版的Science杂志上。,UJSDai QX,韩科研人员发明专“吃”二氧化碳塑料薄膜 - 2007报道 发明了一种可迅速过滤大量二氧化碳气体的新型塑料薄 膜，这种薄膜在温室气体减排方面应用前景广阔。 汉阳大学研制的这种薄膜主要材料是经过热处理的聚酰 亚胺。该薄膜可用于减少火力发电厂和天然气井的CO2排 放量，其减排效率要比现有技术高出大约倍。 Science杂志发表了有关这项发明的论文。,美研制出新型透明塑料：薄如纸片坚如钢筋 - 2007报道 以粘土和不含毒素的胶水，研发一种薄如纸、强如钢的透 明塑料。这类复合塑料生产成本低，而且能降解，环保。

15、 新型塑料需要300层纳米薄片，机器人操作,花了几个小 时才完成一片塑料。,UJSDai QX,5）先进镁合金及其应用研究,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”。,UJSDai QX,6）生态环境和能源材料,环境协调产品：如混合燃料汽车、空调器、可再生房屋 ； 生态建筑材料 ：多种无毒、无污染的建筑涂料 ； 生态资源材料、环境净化材料、环境修复材料、环境降解材料等都在研究开发中； 吸波材料和反射材料电磁波污

16、染 ； 固体废弃物的处理 ：例如聚合物基废弃物 ，工业固体废弃物 ，金属基废弃物 等。 能源材料：太阳能 光-电转换材料；可控热核聚变 ；超导技术及材料；电池材料及核能材料等。,UJSDai QX,上左：国外已将高温超导微波接收机广泛应用于雷达军事通信 和导弹制导等方面 上右：高温超导磁悬浮技术的发展及其应用将极大地推动高温超导材料的研究和产业化 下左：超导生物医学仪器已成为我国超导技术发展重点,例9-15 超导技术及材料将发挥巨大作用,“中华06号”轻型吊轨磁悬浮技术验证车在大连首次亮相。采用超导等新材料。安全性能好，成本低，其复线每公里建设费造价约0.8亿元人民币，仅相当于国外先进技术的2

17、8%。设计时速可达400公里，是专为大中型城市的区域经济圈设计的城际交通工具。 2005北京科技博览,UJSDai QX,新能源材料的发展是能源技术的关键。 目前研究的重点集中在二次电池，包括镍氢电 池、锂电池、燃料电池和太阳能电池用材料。 充电电池技术是重点发展方向之一，锂离子电池 是目前综合性能最好电池体系，是主要发展方向。 燃料电池是20世纪末兴起的，被认为是21世纪最 有希望代替石油的新能源技术，将成为未来环保汽 车的主要动力。,UJSDai QX,环保材料应用产品主要有： 利用废弃物生产的产品或再生产，如利用工业垃圾生产建筑材料等； 本身不产生污染或相对消耗更少的资源及能源的产品，如

18、水溶性涂料、无铅汽油等； 具有节能型或主动降低环境污染性能的材料，如蓄能材料、节能照明灯、隔热保温材料等； 对人体有益的材料，如抗菌材料、电磁波屏蔽材料等。,UJSDai QX,以前是“一代飞机一代材料”，国务委员兼国防部长曹刚川视察一航材料院时，强调了一个概念：一代材料一代装备。强调材料的特殊重要地位。 飞机机体材料发展历程：,第一阶段： 19031919年 机体为木布,第二阶段： 19201949年 铝合金和钢,第三阶段： 19561969年 增加钛合金,第四阶段： 1970到当前 +复合材料,第五阶段： 刚开始进入。各材料比例发生 变化 ，以复合材料为主,UJSDai QX,我国大飞机项

19、目投入四万亿，新支线飞机试飞 民用大飞机总体投入将达2000亿元。2008.11.28，我国首架具有完全自主知识产权的新支线飞机ARJ21-700在上海成功首飞。这一在我国航空史上具有里程碑意义的飞行。,例9-16 自主研发大飞机,例9-17 外太空空间材料的研究,神七进行外太空空间材料暴露试验. 固体润滑剂材料样品,有4大类11种; 还有4种太阳能电池基底薄膜材料. 试验目的研究空间环境对材料的作用,与地面模拟实验的结果比较.,UJSDai QX,二、纳米材料与纳米技术,纳米材料制备技术是关键 ； 纳米效应 ：尺寸，晶界 ，量子纳米结构表征； 纳米产品：纳米管 ，纳米带 ，纳米薄膜 ，纳米复

20、合材料 ，纳米金属材料 ； 探索问题：纳米块体材料 ；制备技术与工艺 ；设计和控制 ；功能与结构一体化 ；结构和性能的稳定性,UJSDai QX,纳米材料应用领域广泛,纳米材料应用非常广泛,UJSDai QX,例9-19 纳米神奇武器,麻雀卫星,美国1995年提出麻雀卫星，重量不足10千克，用纳米材料制造，采用微机电一体化集成技术整合。若在太阳同步轨道上布置648颗纳米卫星，就可以全面监视地球。,蚊子导弹,苍蝇飞机,蚂蚁士兵,形如蚊子微型导弹受电波遥控，其威力足以炸毁敌方坦克、飞机、指挥部和弹药库,袖珍飞行器，携带各种探测设备，具有信息处理、导航和通信能力,以各种途径钻进敌方武器装备等设施中，长期潜伏。一旦启用实施破坏,UJSDai QX,纳米技术发展的五