新材料研究的发展趋势及实践案例

20世纪90年代以来，支撑新材料发展的物理学理论、电子检测与控制和各种新型加工技术取得的一系列成果，为新材料研制提供了先进研究技术手段，也为新材料的快速研发创造了条件。世界范围内材料科学与工程技术发展异常迅速，也表明现代科技发展更需要综合各相关学科协同发展。目前涉及材料科学、生命科学、信息科学、认知科学、环境科学和非线性科学等不同领域的12项新兴技术，构成当代科学技术的前沿，并在相当程度上具有互动关系。

今后，材料研究发展的方向应该是：充分利用和发掘现有材料的潜力，继续开发新材料，以及研制材料的再循环（回收）工艺。在利用现有材料和开发新材料方面，随着高技术的发展，一些具有特殊功能的材料，如新型电子材料、光学材料、磁性材料、智能材料、隐身材料、能源材料、生物材料等，日益受到重视并快速发展，成为新材料研究的重点。分析21世纪的时代特征，根据国际科学技术发展的态势，可以大体上理出今后新材料与材料科学技术发展的趋势。

（一）高性能新型结构材料

高性能新型结构材料主要是高比强度、高比刚度、高韧性及耐磨损、耐高温、耐腐蚀的材料。高比强度、高比刚度是空间机械及运载机械最重要的性能指标，如Al-Li合金具有高比强度、高比刚度及优良的抗疲劳性能，是一种新型的航空结构材料。研究结果表明，飞机及航空发动机性能的改进，分别有2/3和1/2是靠材料性能提高；对飞行速度更高的卫星和飞船来说，减重更能带来极高的效益；汽车节油有37%靠材料的轻量化，40%靠发动机的改进。这意味着高性能结构材料的研究与开发仍然是材料学科永恒的主题。

（二）电子信息功能材料

信息功能材料指信息获取、传输、转换、存储、显示或控制所需的材料，种类繁多，涉及面广。信息材料是信息技术的关键，是材料学科最活跃的领域，其中半导体材料将继续得到发展，如以硅为基础的第一代半导体材料、以GaAs为代表的第二代半导体材料、以Sic及金刚石为代表的第三代半导体材料；光纤及光电子材料更加活跃，激光材料、变频晶体、红外探测材料、半导体光电子材料、显示材料、记录材料、敏感材料及光导纤维日新月异；纳米技术的出现成为信息产业新的生长点，为信息功能器件实现小型化、多功能化与智能化提供了条件。

（三）能源功能材料

人类对能源的需求量将大幅度增加，而化石能源日益枯竭，且环境污染难以解决，故作为新能源基础的能源材料无疑将成为材料学科的重点研究领域。主要表现在以下几方面。

第一，可再生能源将得到加速开发，特别是太阳能，故开发高效、价廉、长寿命的光伏转换材料是当务之急，此外，风能、潮汐能、海水温差与地热能在21世纪都将会得到不同程度的利用，这些都存在材料问题。

第二，要求耐高温、抗辐射的核能材料将会有新的进展，以满足铀资源的有效利用和可控热核聚变反应堆的开发。

第三，贮能材料受到高度重视，贮能材料主要指贮氢材料和高能量密度蓄电池。

第四，节能材料研究仍是永恒的主题，如低铁损的非晶态磁性合金、高临界温度的超导材料等。

（四）生物功能材料

21世纪是生命科学大发展时代，生物功能材料也将会有很大发展。首先是医用生物材料，目前人的许多组织和骨骼都可制造；其次是仿生材料，如仿造珍珠壳的碳酸盐结构可得到高强度和韧性的新型陶瓷；再有，工业生产中的生物模拟也有良好的发展前景，如采用细菌冶金以实现处理低品位铜、铀矿石、尾矿，并大幅度降低污染，这是21世纪解决金属矿日趋枯竭问题的有效途径之一。(www.xing528.com)

（五）生态环境材料

在地球环境、资源、能源不断恶化的情况下，为确保人类社会文明可持续发展，关键是要大力研究和应用生态环境材料（或称绿色材料，green material）。生态环境材料是指在生产、使用、报废及回收处理再利用过程中，能节约资源和能源，保护生态环境和劳动者本身，易回收且再生循环利用率高的材料或材料制品。如陶瓷膜及高分子膜绿色净化材料、太阳能绿色能源材料、可降解高分子材料、石棉替代材料、S-Ca系易切削钢代替有害Pb系易切削钢、低碳马氏体钢及非调质钢代替调质钢、生物植酸盐处理取代磷化处理等。

（六）智能材料

智能材料是一种自身兼有对环境的可感知、判断、得出结论并发出指令功能的新材料，这是将信息科学融合于材料性能和功能的一种材料新构思。如形状记忆材料、压电材料、智能混凝土等。用智能材料制成的智能系统，可使材料实现自检测、自恢复或自修复，以延长产品寿命，如在结构材料中预埋一种断裂时产生声波的物质来检知裂纹，或利用一种物质在裂纹区应力作用下所产生的相变来自我抑制、修复裂纹，或利用材料中所含某种成分的自动析出来填充裂纹。智能系统还可使飞行器、潜艇、车体的外形随外界条件而改变，以减少阻力，既节省能耗又提高安全度。

（七）纳米材料

纳米材料是利用物质在小到原子或分子尺度以后，由于尺寸效应、表面效应或量子效应所出现的奇异现象而发展出来的新材料。纳米材料和纳米技术涉及信息、能源、空间技术、海洋技术、生物医药及国家安全等各个领域，纳米科学技术的发展可能引发下一代产业革命，将成为21世纪初最为活跃的领域而受到普遍重视。

（八）材料设计

21世纪将逐步实现按需设计材料的设想。通过对材料的组成、结构、生产工艺与材料基本性能关系的深入研究，以及对材料在使用条件下性能变化规律的了解，可以实现按需要设计，进而摆脱长期以来以经验为主研发材料的局面。应强调基础研究的重要性和各学科交叉，强调从事材料研究、开发、生产与设计人员合作的重要性，要有大容量计算机，要建立正确的物理模型、完整精确的数据库和科学的专家系统。

（九）材料制备与表征

材料的制备技术是新材料发展的重要基础与关键，随着新技术和新装备的不断涌现，推动了材料先进制备技术的发展。从发展趋势来看，材料表面改性和薄层材料制备技术、材料在不同尺度（毫米、微米、纳米、分子、原子）上的复合新技术、材料成分与组织的精密控制新技术、高纯材料制备技术以及材料的智能合成与制备新技术等，都是亟待发展的共性关键技术，其中包括关键新装备的研制。材料的表征和评价技术则是材料研究发展的基础，是检验材料设计结果、保证材料制备质量及在实际使用环境中具有满意功能的关键。

展望各种类型材料的发展前景，功能材料已成为材料研究、开发与应用的重点，它与结构材料一样重要，今后将互相促进、共同发展。金属材料在21世纪仍占据十分重要的位置，且性能将不断提高，生产工艺将不断改进，但某些金属资源接近枯竭，需要寻找代用品；功能陶瓷材料将继续得到发展，应用前景极其广阔；结构陶瓷的性能有待进一步改善，增强增韧是其主要目标；有机高分子材料以其优异性能、丰富资源而会得到更大发展，特别是功能高分子将是21世纪研究的重点，以丰富或升级现有功能材料，但所有高分子材料的稳定性问题都尚待解决。先进的复合材料能综合各种不同材料的优良性能，应用潜力巨大，前景极其广阔，但其成本、连接与回收问题将成为发展的主要障碍。碳素材料以其资源丰富、有多种同素异构体而成为多用途的材料，在21世纪将会有更大发展，如石墨固体润滑剂、石墨电极、碳纤维增强材料、活性炭吸附材料、金刚石、玻璃态碳阻氦材料、富勒烯（C60）、纳米碳管等。

总之，21世纪是以高科技为基础的新经济时代，而在高科技的发展中，新材料是支柱、动力和先导，可以说新材料是新经济的“基础之基础”。在继续发展高性能新型结构材料的同时，应重视研究与开发具有各种优异物理、化学、生物等性能的功能材料，其中信息材料、能源材料及生物功能材料是最活跃的领域。