无机材料化学第三章.ppt
3.新材料技术及其现状和展望,3.1 新材料是高技术的基础,新材料技术是现代文明的三大支柱之一。所谓新材料是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。新材料的品种每年大约以5%的速度增长。,新材料技术被誉为“高技术的基础”。重点是金属复合材料、超合金、高温结构陶瓷、高结晶高分子材料以及纳米材料等。目前美国在复合材料和聚合物材料这两个领域遥居世界领先地位。,3.2 重点新材料简介,（1）特种陶瓷材料 特种陶瓷是以高纯、超细的人工合成无机化合物为原料，采用精密控制的工艺制备而成，比传统陶瓷性能更优异的新一代陶瓷。特种陶瓷按化学成分可分为氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、氟化物陶瓷、硫化物陶瓷和磷化物陶瓷等。按化合物分为单相陶瓷和复合陶瓷。,3.2 重点新材料简介,（2）先进金属材料 先进金属材料包括形状记忆合金材料和非晶态合金材料。后者是一类极有发展前景的新型金属材料，包括超导合金材料、间充化合物材料、纳米金属材料、高温金属材料、贮氢材料、多孔金属材料、金属磁性材料等。这些材料在现代军事、电子、汽车、机械、航天航空、医疗器械等领域都具有广阔的应用前景。,（3）新型高分子材料 新型高分子材料（精细高分子新材料）已开发出许多高强度、高模量的塑料、纤维等高分子材料和由两种及多种树脂复合制成的高分子合金。功能高分子大体上可分为化学、物理功能高分子材料，以及介于化学和物理功能之间的或具有复合功能的高分子材料。通常具有高分子材料固有的特点。用于生物环境中的以及用于医学诊断中的高聚物材料都属于医用高分子材料的范畴。,3.2 重点新材料简介,（4）高性能复合材料 复合材料是指由两种或两种以上的材料按一定方式组合而成的、具有单一材料所不能获得的优良性能的材料。高性能复合材料主要包括树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料等。功能复合材料已获得了应用。如复合压电材料、导电和超导材料、磁性材料、阻尼材料、摩擦磨耗材料、吸声材料、隐身吸波材料以及各种敏感换能材料等。,3.2 重点新材料简介,（5）电子信息材料 电子信息材料包括电子材料和光电子材料。电子材料是指在电子技术和微电子技术中使用的材料。包括半导体材料、介电材料、磁性材料、压电及铁电材料、电子陶瓷、电子用塑料等，其中最重要的是半导体材料。光电子材料是指光电子技术中所用到的材料。光电子材料以功能为线索可以划分为激光材料、光电子控制元件材料、光电探测及光电信息传输材料、光存储和显示材料、光电转换、光电子集成化用材料。,3.2 重点新材料简介,（6）超导材料 自1911年发现超导现象到1986 年止的几十年中，发现或制造出了上千种超导材料。1986 年贝德诺兹和缪勒发现Tc为35 K的钡镧铜氧化物超导材料以后，才使超导研究取得突破性进展。除了高临界温度（Tc已达132 K）氧化物超导体的迅速发展以外，重电子金属超导体、有机物超导体等也得到了迅速发展。尤其是C60超导体的进展更令人瞩目，在所有的有机物超导体中，它的超导临界温度最高。,3.2 重点新材料简介,（7）纳米材料 纳米材料可分为纳米颗粒和纳米固体两个层次。纳米材料的特殊性质主要取决于纳米颗粒的表面效应、小尺寸效应以及量子效应。纳米材料的特殊性质使得它在光、热、电、磁等方面呈现出常规材料所不具备的特性。纳米材料作为磁性材料、电子材料、光学材料、高致密材料的烧结、催化、传感等方面具有十分广泛的应用前景。我国政府在自然科学基金中设立纳米材料专项研究基金。,3.2 重点新材料简介,（8）富勒烯材料 以C60为代表的一系列富勒烯材料的发现开辟了材料科学的一个全新的领域，形成了一门蓬勃发展的交叉学科富勒烯科学。材料科学家将C60誉为“新材料皇后”。它们所具有的一系列独特性质，使得它们可能在光学、半导体、超导和微电子等领域具有广阔的应用前景，它们的出现极有可能导致科学技术的一场革命。,3.2 重点新材料简介,（3）面向改善人类生活环境和 提高生活质量的新材料技术生态环境材料,材料的环境协调性评价已成为生态环境材料研究和材料产业环境协调发展的重要基础。,能源材料,太阳能的充分利用可部分解决能源短缺问题，太阳能电池是其中的关键。储氢材料能够解决氢的储存问题，是氢能源利用的关键。碳纳米管将有可能成为广泛应用的储氢材料。燃料电池在替代燃油发动机方面具有重要应用前景。,生物医用材料,生物医用材料植入人体的数量已达200 余种，大量应用的在20 种左右。典型的生物医用材料主要包括矫形植入体、心脏瓣膜、新血管支架和药物载体等。人工关节仍然是最大的生物医用材料器械市场。迄今我国尚无医用级的用于关节制备的钛合金材料，提升我国医用合金的档次尤其是对新型无钒铁合金的研究已显得十分迫切和必要。,纳米材料,纳米技术是由材料、化学、物理学、生物学、电子学等学科相互交叉发展所形成的高新技术。纳米技术带来技术创新的原动力。带动信息技术、自动化技术、能源技术、生物医学技术、环境科学技术、现代国防建设等领域的跨越式发展。目前我国的纳米材料尚处于研发阶段。,（4）面向战略性竞争的关键性 新材料技术,超导材料,目前国际上高温超导电缆的总体发展趋势是研制大容量、低损耗、超常高温超导产业电缆。我国在超导研究领域已有相当的工作基础，获得了108 项专利，高温超导领域可以说是我国科技水平与国际相差较小的领域之一。在低温超导材料方面，我国已进行了30 多年的研发，达到了国际先进水平。,3.4 我国新材料技术领域的 发展策略,a与重点企业结合，振兴传统材料产业；b加强源头创新，大力发展前瞻性新材料；c加强材料技术标准的建设，与国际接轨；d加强技术成果转化，推动新材料产业发展。,高性能结构材料是指那些具有高强度、高韧性、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等特殊性能的材料。包括高温结构材料、超硬结构材料、高强高韧结构材料和超强吸水高分子材料。广泛用于路面、建筑物、桥梁、沟渠、航天航空、国防建设、工业制品零件等许多方面。,4.高性能结构材料简介 及其应用,高温结构材料主要是陶瓷材料。具有金属等其它材料所不具有的优点，即在高温下具有强度和硬度高、蠕动小、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀、低热膨胀系数和高导热性等。包括高熔点氧化物陶瓷材料（Al2O3、ZrO2、MgOBeO）、耐高温非氧化物陶瓷（B4C、TiC、ZrC、SiC、WC、TiB2、ZB2、CrB2、NbB2、AlN、TiN、ZrN、Si3N4）和氧化物与非氧化物复合陶瓷材料（Cr-Al2O3系、W-Cr-Al2O3系、ZrO2-Ti）等。,4.1 高温结构材料,金属陶瓷可作为超硬质材料，是具有耐磨、耐高温等优良性能的陶瓷和具有韧性的金属组合而成的复合材料。可作为切削物体或对物体进行塑性形变加工的工具材料。可分为高碳钢、高速钢、超硬质合金、金刚石等。超硬质合金主要是碳化物基金属陶瓷：W-C-Co、C-Co、WtiTaNb-C-Co、等，前者可用于耐磨、抗冲击工具等，后者用做切削工（刀）具。金刚石具有极高的硬度，因此人工合成金刚石是科学工作者一直探索的课题。,4.2 超硬结构材料,氧化锆陶瓷材料 常温抗拉强度可达2000MPa。纤维（或晶须）增强陶瓷复合材料 短裂韧性可高达20MPam1/2，抗拉强度达900MPa以上。以纤维增强的Si3N4陶瓷复合材料的短裂韧性可高达28MPam1/2，抗拉强度达690MPa。金属陶瓷材料 具有耐热、耐腐蚀和强度大等特性，因而是一种重要的结构材料。工程塑料 通常将高分子材料中拉伸强度在50MPa以上、冲击韧性大于6kJ/m2、长期耐热性能超过100、耐磨、自润滑性优良的塑料称为工程塑料，这类塑料可以代替金属。,4.3 高强韧性结构材料,（1）超强吸水高分子材料的概况 超强吸水高分子材料简称SAP。与传统的吸水材料相比，SAP有三大优势：吸水量大；保水性强；具有弹性、可塑性、可加工性。目前美国和日本处于领先水平。我国自80年代初开始对SAP的研究，先后有40多个单位参与。自1985年以来，已获得几十项专利。我国SAP生产能力约2600吨左右，大多数为小型企业，其中规模最大的是江苏无锡海龙卫生材料有限公司，年产量为1000吨。,4.4 超强吸水高分子材料,生理卫生方面 生理卫生品指的是体液（血液、汗液、尿液）的吸收用品，如卫生巾、尿布（裤）、汗毛巾、棉球、止血栓等。是SAP主要的较为成熟的应用领域，约占SAP市场总用量的70%。在我国，虽有已研制出高吸水树脂，但工业化应用开发研究的报道少见。主要存在的问题是：制备的SAP质量有一定欠缺；消费认识和水平跟不上，如纸尿巾，我国普及率不足1%。我国的SAP有较大的应用前景,（2）超强吸水高分子材料的应用,a土壤改良剂：吸水、保水、控温和改良土壤 b种子生育促进剂及苗木移植保存剂 c肥料缓释剂 d水果、蔬菜、食品保鲜包装材料,农业与园艺方面,沙漠治理及表土绿化方面,SAP在沙漠治理及表土绿化方面极具应用前景。例如：将SAP配制成0.3%0.4%的凝胶液，埋入1015cm深的沙漠中，就可在其中种植蔬菜和一般作物；再如修筑道路、水坝时，往往除去表土形成岩石斜面，容易受风雨侵蚀造成水土流失。现在研究把草籽、缓释肥料纳入含SAP的无纺布漏网中，再固定在岩石中进行斜面覆盖植被，起到表土绿化作用。,利用SAP优异的亲水性，添加在化妆品中，可起到保水、增稠、防干（裂）和滋润皮肤的作用。,日用化工方面,聚丙烯酸钠在软膏、霜剂、擦剂、巴布剂等外用药剂中作基质材料，具有保温、增稠、皮肤浸润、胶凝等作用。医用聚丙烯酸钠与粘胶纤维复合制成吸血海绵体材料高吸水性非织造布，用于外科手术，具有不掉毛、吸液性能好（吸液倍率764.2g/g，吸液高度73mm）等优点。在智能药物释放系统中，高分子亲水凝胶可作为控制药物释放量、释放时间和释放空间的智能载体,医药方面,SAP有平衡水分的功能，高温下能吸收水分，低温下又能释放水分，因此可制造防止结露无纺布、防潮涂料、建筑工程和地下工程中墙壁抹灰的吸水剂、防渗漏剂、油田勘探中的钻头润滑剂和泥浆胶凝剂、化学工业油水分离的脱水材料等。凝胶传动器是与SAP相关的最新研究领域。添加SAP材料作机器人的人工肌肉，利用凝胶胀度随光强、温度、盐浓度、酸碱度或电场强度变化的感知，可以带动“肌肉”作相应的运动。,其他方面,5.电子信息材料 电子信息材料是指光电子技术中所需用的材料，它对于满足计算机、通讯、国防、航天工业等领域的应用至关重要.信息的传递可由光子负担；而信息的产生处理、检测、存储和显示等功能，则由光子和电子联合来完成。光电子信息系统包括光载波源、光控制与信号加载、光信号传输、处理和接收（检测和显示）.,(1)国外现状 半导体材料：以半导体器件为主的世界电子产品的产值：2006年达到17000亿美元，世界集成电路市场2001年达3210亿美元；2006年生产单晶硅原料32950多万吨。2006年硅片产量达80 亿平方英寸（相当于7500多吨），其中8英寸和12英寸各占一半。4英寸GaAs单晶片已商品化，6英寸已批量生产。2006年GaN蓝光LCD的其市场销售将达30亿美元，占化合物半导体市场的20%。,5.1 电子信息材料的发展现状,激光晶体材料和液晶材料 激光晶体材料正在向高功率、可调谐、新波长、多功能和新工艺方向发展。其中Nd：YAG 研制最熟、应用最广，其最大尺寸为100mm，商品化尺寸为5075 mm。Nd：YLF、HO：YAG、Er：YAG、Ti3+：A2O3等亦形成商品。液晶材料是生产LCD的关键材料。国外在品种及性能等方面均能满足大尺寸高分辨率STN和TFT液晶显示器的要求。,光纤材料 其趋势是向低非线性化方向发展。世界光纤用量正以年均25%以上的速度增长，2006年我国达到2400万公里，随着3G技术的飞速发展，光纤供不应求。光纤预制棒的尺寸，大的单棒拉丝长达1000多公里，拉丝速度大于1000米/分钟。此外，还开发了保光光纤、有源光纤、红外光纤、细径光纤、抗辐射光纤、耐高低温光纤和高强度光纤等特种光纤。,磁性材料 磁性材料的生产与研究也有大的发展，国外已生产出最大磁能积(BH)max=416kJ/M3 永磁体。软磁铁氧体最高磁导率达20000左右；最新开发的纳米微晶软磁合金Finement。磁导率高达100000。饱和磁感应强度达1.3T;软磁相与永磁相在纳米尺度范围内进行复合的双相纳米永磁合金,理论最大磁能积(BH)max为8001000 kJ/M3.,功能电子陶瓷材料 功能电子陶瓷材料的国内外需求量越来越大。2005年需近100亿只。安规磁介电容器是最新出现的新型电子元件；而晶界层磁介电容器的优越性能也越来越显现出来。它们在通信、计算机、家电及国防工程等领域均有广泛的应用。,(3)存在问题a.厂点多、规模小、发展不平衡、经济效益差.b.产品档次低，品种规格不全.c.自给率低，依赖进口局面仍然存在.产生上述问题的主要原因有:a.电子信息材料的重要性还未引起足够的重视.b.企业生产设备陈旧，研究手段落后，投资强度低，创新能力差，科研成果转化率低，管理水平不适应等等。,4.2 市场需求分析,电子信息材料总趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、规模化、多功能化。片式化、高集成化方向发展。,发展重点：微电子器件、电路用材料；光电子材料；新型元器件料：a磁性材料:b.电子陶瓷：c.片式钽电容器及钽粉、钽丝；d.超薄、低价电损耗的新型覆铜板；e.高性能薄型印制电路板；f.压电晶体材料：g.绿色电池：h.信息传感材料；I.专用金属材料。,6.新型生物医用材料 作为生物体部分功能或形态修复的材料称为生物医用材料，简称生物材料(Biomaterials)。生物医用材料包括3个方面：一是硬组织的替代材料；二是埋入生物体内的植入材料；三是作为药物定位的载体，控制药物的释放。为此要求生物医用材料必须具有良好的生物功能性和生物相容性。所谓生物功能性是指生物材料具有在其植入位置上行使功能所要求的物理和化学性质；生物相容性则是指一种生物材料在特殊应用中和宿主反应起作用的能力。,医用金属和合金：目前所用的医用合金主要是不锈钢、钴基合金以及钛和钛合金，主要用于骨骼、关节、牙齿等硬组织的修复和替换。其中钛和钛合金具有良好的生物相容性，接近骨的弹性模量，抗疲劳，耐腐蚀，因而受到特别重视。医用金属和合金的主要缺点是不具有生物活性，难于和生物组织形成牢固的结合。,医用生物陶瓷：医用生物陶瓷可分为生物惰性陶瓷和生物活性陶瓷两类。生物惰性陶瓷主要是氧化铝、氧化钴等。生物活性陶瓷主要是羟基磷灰石（HA）陶瓷和磷酸三钙（TCP）陶瓷等。羟基磷灰石是构成脊椎动物和人体硬组织的主要无机质，不仅具有良好的生物相容性，而且可以诱导骨生长并和生物组织形成牢固的键合。,医用高分子材料：包括天然高分子和合成高分子。合成高分子聚四氟乙烯、聚硅氧烷、聚氨脂、聚酯等有的已在临床应用，其缺点是大多不具有生物活性。近10年来，生物降解高分子材料（如聚乳酸、聚羟基丁酯、聚多糖类、聚磷腈等）的开发和应用，已成为医用高分子材料的发展的重要方向。,医用复合生物材料：由于复合材料具有单个组分材料所不具有的各种性能组合，因此将不同组成的生物材料进行复合化，就可以得到医用复合材料。这类材料研究的重点主要是：a.强韧化生物复合材料；b.功能性生物复合材料；c.带有治疗功能的HA生物复合材料，研究也十分活跃。,几种新型医用生物材料的最新研究成果：（1）用于人造血管的弹性蛋白；（2）用于避孕和防病的聚丙烯酸酯；（3）干细胞作为人体最基本的建筑材料，可以发育成具有任何功能的细胞，有人将其称为“万能细胞”；（4）人工肝脏材料；（5）用于临床外科手术的强力生物粘胶材料；（6）用于治疗口腔疾病的新型生物材料。,7.纳米技术和纳米材料纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100102nm。1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。纳米材料研究是目前国内外材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。,7.1 纳米技术在陶瓷领域方面的应用,具有优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性的纳米陶瓷；美国波士顿大学的化学家们制备出了由78个原子构成世界上最小的分子马达。,6.2 纳米技术在微电子学上的应用,单电子晶体管、纳米丝和纳米棒制成的微型探测器、纳米探针、开关功能的量子点阵列、单电子量子点等。,6.3 纳米技术在生物工程上的应用,美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题“哈密尔顿路径问题”，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。纳米计算机储存和信息处理能力提高上百万倍.,6.4 纳米技术在光电领域的应用,超高分辨率纳米孔径雷达、光纤通信中的纳米激光器、纳米电晶体。激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关，适用于光纤通信。,6.5 纳米技术在化工领域的应用,屏蔽紫外线纳米二氧化钛化妆品、纳米二氧化钛塑料包装和食品保鲜材料、抗静电的纳米化纤制品、纳米导电涂料、纳米反应器、纳米碳管制造防弹背心或服装。,6.6 纳米技术在医学上的应用,纳米细胞分离器，纳米粒子定位病变治疗、纳米病毒诱导物已用于临床动物实验、分子机器人杀死癌细胞。,6.7 纳米技术在分子组装方面的应用,纳米组装与剪裁，控制纳米粒子的尺寸大小并防止团聚的发生。具有开关功能的配合物分子梭，纳米分子器件，C60分子构成的“纳米算盘”、“纳米秤”等,6.8 纳米技术在其它方面的应用,含有纳米电脑的人机对话并具有自我复制能力的纳米装置，分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报，分子传感器和探测器，仿生纳米材料，碳纳米管控制药剂的释放，碳纳米管储氢材料、纳米复合红外隐身材料等。,8.21世纪新材料的发展趋势多相复合材料、纳米材料、信息功能材料、生物材料、环境及能源等材料是21世纪材料研究.目前纳米材料的某些应用已进入了工业化的生产阶段，但一些新的应用领域还需要进一步的开拓。陶瓷材料发展的未来趋势之一是纳米陶瓷的开发，另一个趋向是向多相复合陶瓷方向发展。以C60为代表的富勒烯材料的应用很广，包括催化剂、研磨剂、半导体、非线性光学器件、超导材料、传感器和分子器件等方面。医用高分子材料的研究将不仅是简单模仿人体器官的形状和功能，而且会在研究生命过程、人体结构和机制上取得进展。,
