1、迈入迈入2121世纪新材料世纪新材料2004 年年 2 月月l序言l信息功能材料半导体材料光电子材料l能源功能材料超导材料磁性材料贮能材料燃料电池 l生物材料与智能材料医用生物材料仿生材料工业生产中的生物模拟智能材料及智能系统l宇航及动力机械材料l材料制备工艺及检测l纳米材料科学技术l材料设计l不同类型材料的发展金属结构材料工程陶瓷及其它无机非金属材料有机高分子材料先进复合材料碳素材料l结束语 序序 言言 (1)(1)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;(2)(2)信息与经济的全球一体化信息与经济的全球一体化;(3)(3)知识经济时代意味着科学技术与教
2、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 (5)(5)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 (4)(4)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)(6)(6)人的质量是社会进步的决定性因素（教育将受到重大重视，人的质量是社会进步的决定性因素（教育将受到重大重视，创新环境十分重要）创新环境十分重要）2121世纪时代特征世纪时代特征:(一一)信息时代的信息功能材料仍信息时代的信
3、息功能材料仍是最活跃的领域是最活跃的领域信息功能材料信息功能材料 是指信息获取、传输、转换、是指信息获取、传输、转换、存储、存储、显显 示或控制所需材料示或控制所需材料。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特征尺寸以每三年缩小 计计,到到20102010年可能到极限年可能到极限(0.07m)(0.07m)（量子效应、磁场及热效应、制作困难、投资（量子效应、磁场及热效应、制作困难、投资大）。大）。但不同档次的硅芯片在但不同档次的硅芯片在2121世纪仍大量世纪仍大量存在，并将有所发展。存在，
4、并将有所发展。*在绝缘衬底上的硅在绝缘衬底上的硅（SOI，SiOn Insulator):功能低、低漏电、集成度高、高速度、工艺简单等。SOI器件用于便携式通信系统，既耐高温又抗辐照。*集成系统集成系统（IS，Integrated System)：在单个芯片上完成整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设计于一个芯片(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。为了达到上述目标，有赖于外延技术（VPE，LPE，MOCVD 及 MBE）的发展，同时对硅单晶的要求也愈来愈高。表1为集成电
5、路的发展对材料质量的要求。首批产品出现年代首批产品出现年代1999200220052008工艺水平（工艺水平（m)0.180.130.100.07 DRAM256 M1 G4 G16 G硅片直径硅片直径(mm)200300300450表面关键杂质表面关键杂质 (At/cm 2)(10 9)13 7.5 5 2.5局部平坦度（局部平坦度（nm)180 130 100 100光散射缺陷光散射缺陷(个个/cm2)0.29 0.14 0.06 0.03 GaAs GaAs 电子迁移率是电子迁移率是SiSi的的6 6倍（高速），禁带倍（高速），禁带宽（高温）广泛用于高速、高频、大功率、低噪宽（高温）广泛
6、用于高速、高频、大功率、低噪音、耐高温、抗辐射器件。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倍，能倍，能力强力强1010倍，抗辐射能力强倍，抗辐射能力强2 2个量级，是携带电话个量级，是携带电话的主要材料。的主要材料。InP InP 的性能比的性能比 GaAs GaAs 性能更优越，性能更优越，用于光纤通讯、微波、毫米波器件。用于光纤通讯、微波、毫米波器件。（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 光集成光集成
7、 原子操纵原子操纵2121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 电子质量：电子质量：1010-31-31 Kg/Kg/电子电子 电子运动：磁场、电阻热、电磁干扰、光高速、电子运动：磁场、电阻热、电磁干扰、光高速、传输（容量大、损耗低、高速、不受传输（容量大、损耗低、高速、不受 电磁干扰、省材料）电磁干扰、省材料）（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 红宝石（Cr+:Al2O3）掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG)（2 2）非线性光学晶体（变频晶体）非线性光学晶体（变频晶体）KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢钾）LN
8、（铌酸锂）、BBO（偏硼酸铝）、LBO（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，见表）半导体光电子材料，见表2 2领域领域材材 料料器器 件件用用 途途微电子微电子GaAs、InP 超高速 IC电脑电脑GaAs FET携带电话携带电话光电子光电子GaAs InP Sb InAs LD光通讯光通讯GaAs 红外 LED遥控耦合器遥控耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlP LEP出外显示器出外显示器CdTe、CdZnTe、HgCdT
9、e热成像仪热成像仪InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe红外探测器红外探测器GaAs、InP、GaSb太阳能电池太阳能电池发发 光光 尺尺衬衬 底底发光颜色发光颜色波长（波长（nm)Ga0.65Al0.35As GaAs红红 660 GaAs0.35P0.65(N)GaP红红 650 GaAs0.1P0.9(N)GaP橙橙 610 GaAs0.1P0.9(N)GaP黄黄 583 GaP Gap绿绿 555 GaN-Al2O3蓝蓝 490 SiC SiC蓝蓝480(全包显示屏)液晶显示液晶显示(LCD)(LCD)材料材料(1968(1968年发明年发明)为为2121世纪上半叶主要
10、显示材料世纪上半叶主要显示材料表表3 LED 3 LED 发光材料及可见光区发光材料及可见光区发展阶段发展阶段波长波长(m)模模 数数 衰衰 耗耗 (dB/km)中继距离中继距离 (Km)第一阶段第一阶段 0.85 多多 模模 1.5 10第二阶段第二阶段 1.30 单单 模模 0.8 60第三阶段第三阶段 1.55 单单 模模 0.16 500第四阶段第四阶段 2-5 310-4 2500(6)(6)光纤与光缆材料光纤与光缆材料(网络网络)()(表表4)4)一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的10001000倍倍.(25.(25 T
11、 bps vs 25 G bps)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：红外玻璃：重金属氧化物、卤化物重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃：掺稀土元素玻璃：ErEr、NdNd、多模只适于小容量近距离（多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps)40Km,100M bps)单模可传输调制后的信号单模可传输调制后的信号40Gbps 40
12、Gbps 到到200Km200Km，而不需放大而不需放大。21世纪将是以信息存储为核心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。磁记录磁记录在21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）（GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达100GB，所用介质为氧化物磁粉（-Fe2O3及加 Co-Fe2O3、CrO2)，金属磁粉或钡铁氧体粉。磁光记录：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。磁光盘的介质主要是稀土-过渡族金属，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/
13、Co多层调制膜或Bi石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介质。计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感 材料的灵敏度与稳定性。材料的灵敏度与稳定性。敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNADNA）等。限于篇幅不一一列举。等。限于篇幅不一一列举。（二）能源功能材料将取得（二）能源功能材料将取得突破性进展突破性进展 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 由于人口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度由于人
14、口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度 增加。增加。开源节流开源节流 （1 1）可再生能源的开发）可再生能源的开发（水电不存在材料问题）（水电不存在材料问题）太阳能的利用：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（61017kwh）密度低密度低 1kwh/m1kwh/m2 2 气候影响大气候影响大 两种利用形式两种利用形式 直接辐射能直接辐射能 热水器热水器 热水发电热水发电 光伏电能光伏电能 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。-Si (12.7%)(-Si (12.7%)(理论理论24%)24%)多晶多晶 17.7%17.7%单晶单晶S
15、i 23.1%GaAs 28.7 还有还有Cu2InSe2,CdTe,Cu2O,Cu2S,CdS 等等 卫星用太阳能电池卫星用太阳能电池 双结电池双结电池（GaInP/GaAs）23.7 三结电池三结电池（GaInP/GaAs/Ge）27.四结电池四结电池（GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge 40理论）理论）一种设想：一种设想：空间太阳能发电站 太阳能射向地球太阳能射向地球 3030大气反射大气反射 2323大气吸收大气吸收 空间太阳能电站，微波传到地面空间太阳能电站，微波传到地面,一个一个10 10 万千瓦电站寿命万千瓦电站寿命1010年年美国美国20102010年电价年电价2.22
16、.2/kwh/kwh我国西北日照时间长，沙漠干旱设地面我国西北日照时间长，沙漠干旱设地面太阳能电站：太阳能电站：入网 燃料电池 电解水H2 储氢 （1m3 H25度电）化工原料 系 统 占地 Km2投资/kw成本/kwh空间太阳能 4地面太阳能 263.77020.00086450风能及风力发电风能及风力发电 W W1/2 PV1/2 PV3 3（V V风速）风速）太阳能到地面有太阳能到地面有2 2变风能变风能 全球 1.3万亿KW 中国 32亿KW 潮汐、海水温差、地热能潮汐、海水温差、地热能（2 2）核能）核能 目前核电站基于铀裂变（热中子反应维）燃料U235，铀矿中占0.71，U238为
17、99.28。快中子增殖维：快中子增殖维：U238，效率6079 液铀冷却液铀冷却 （强腐蚀），泄漏 污染污染 （副产物 P239,半衰期2.4万年）法国超凤凰堆（法国超凤凰堆（1986198619951995）最近提出加速器驱动的核电站最近提出加速器驱动的核电站 （嬗变）可解决污染问题（嬗变）可解决污染问题 可控热核聚变反应堆永久能源可控热核聚变反应堆永久能源 D2D2 T3+P+4.04 Mev D2T3 He4+n+17.5 Mev 一吨海水所含一吨海水所含D D2 2相当相当300300吨汽油吨汽油 海水 D2=1013砘 已实现点火，处于物理研究所段，已实现点火，处于物理研究所段，材料
18、问题：高温材料问题：高温 抗辐射抗辐射 氢脆氢脆 20502050年或更长可实用化年或更长可实用化 低温（液氦温度）超导已产业化，价格问题低温（液氦温度）超导已产业化，价格问题 高温（液氮温度）超导已发现高温（液氮温度）超导已发现3030多种多种 YBaCuO，Je10 5 A/cm2 （薄膜（薄膜,块体）块体）(Bi,Pb)Sr Ca Cu O(B1 2223/Ag)带丝线材生产稳定，带丝线材生产稳定，质量均一性未能解决，质量均一性未能解决，20102010年可望产业化年可望产业化 探索高温超导，及高温超导机理问题探索高温超导，及高温超导机理问题 趋导失超后的安全问题趋导失超后的安全问题 硅
19、钢片是最重量要的软磁材料（全世界硅钢片是最重量要的软磁材料（全世界 650650万吨）万吨）铁基非晶态合金有明显优越性（表铁基非晶态合金有明显优越性（表5 5）特别用于：电焊机，节能，体积小（特别用于：电焊机，节能，体积小（1/101/10）作为结构材料：耐磨（作磁头），作为结构材料：耐磨（作磁头），耐蚀（代不锈钢）耐蚀（代不锈钢）冷轧硅钢片。冷轧硅钢片。这些都属软磁材料，用于变压器，电动机在仪这些都属软磁材料，用于变压器，电动机在仪表工业中用量更大的是软磁铁氧体，虽然已很成表工业中用量更大的是软磁铁氧体，虽然已很成熟但向高磁感强度熟但向高磁感强度（Bs），），高磁导率高磁导率（）低损耗低损耗
20、方向发展，仍有广阔发展前景。方向发展，仍有广阔发展前景。材材料料Fe 81B13.5Si3.5C2Fe80B15.9Si2.4Co0.9Fe-3.2Si铁铁损损（W/kg）0.310.151.00 硬磁材料硬磁材料发展很快，20世纪40年代AlNiCo，50年代铁氧体铁氧体，65年ReCOReCO5 5,72年R R2 2COCO1717，83年NdFeB,NdFeB,磁能积提高了几十倍，从性能价格比来看，（表6）铁氧体永磁铁氧体永磁远比其它磁性材料更具有竞争能力；NdFeB NdFeB 则单位体积的性能比铁氧体高出10倍而得到更快的发展，目前世界产量近万吨，中国占了一半左右，但性能有待进一步
21、提高。下一代永磁发展目标是纳米技术的应用与新纳米技术的应用与新材料的探索，材料的探索，如：SmFeN等。过去每10年提高40kJ/m40kJ/m3 3，2010年达可到600600800kJ/m800kJ/m3 3，*NdFeB最大磁能积512KJ/m3（理论值）材 料 NdFeB*SmCo AlNiCo 铁氧体 比重(t/m3)性能（kJ/m3）价格（USD/t）104 价性比（USD/J）7.4 8.4 7.3 5.1 295 191 56 25.9 17 28 5.2 0.55 4.3 12.3 68 1.08（5 5）贮能材料）贮能材料（贮氢与高能电池）（贮氢与高能电池）电网调峰与环保
22、的需要，信息电子工业所电网调峰与环保的需要，信息电子工业所必须，与太阳能配套。必须，与太阳能配套。太阳能发电太阳能发电 电解水氢贮氢电解水氢贮氢 电蓄电池电蓄电池 也是机械能动力源也是机械能动力源 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。液氢（-235?）Mg2 Ni H4La Ni5 H6Ti Fe H1.9相对含氢密度11.331.481.35相对含氢量（%）1003.81.41.8 表表8 8为几种典型电池反应机理与特性，当前为几种典型电池反应机理与特性，当前最有发展前景的是最有发展前景的是NiNiMHMH电池，但从比能量密度，电池，但
23、从比能量密度，锂电池最好，而价格是前者锂电池最好，而价格是前者3.53.5倍，其中塑料锂倍，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，与起动用电池，而高速时自动跳到汽油并充电，如比可节油（如比可节油（1/21/2），排放减至），排放减至1/101/10，COCO2 2（1/21/2）。）。电性能参数（理论）电池系列负极正极反 应 机 理电压（V）比容量（A.h
24、/kg）比能量(W.h/kg)铅酸蓄电池PbPbO2PbPbO22H2SO4 2PbSO4+2H2O2.1120252.00 碱性锌猛电池ZnMnO2Zn+2MnO2 ZnO+Mn2O31.5224336.00 钠硫蓄电池NaS2Na+3S Na2S32.1377791.70 镉、镍蓄电池CdNiOOHCd+2NiOOH+2H2O2Ni(OH)2+Cd(OH)21.35181244.35 氢镍蓄电池HNiOOHH+2NiOOH2Ni(OH)21.5289433.50 锂二氧化锰电池LiMnO2Li+MnO MnO2Li3.52861001.0 锂亚硫酰氯电池LiSOCl24Li+2SOCl24
25、LiCl+SO2+S3.657302664.5 锂离子蓄电池LiC6CoO2C6Li+CoO2C6+LiCoO24.1170697（6）燃料电池）燃料电池电解压磷酸盐融熔碳酸盐ErO2聚合物薄膜碱性溶液工作温度（）150-210550-6501000-110060-11070-200燃料天然气CH4天然气煤气天然气煤气城市煤气H2天然气H2效率()35-4250-60604060目前所处状态成熟工业试验实验出工业试验工业试验 以氢氧燃料电池为例其理论比容量为以氢氧燃料电池为例其理论比容量为2975 A.h/kg，比能量为，比能量为3660 w.h/kg，远高于蓄电池、，远高于蓄电池、燃料电池的
26、发展，有电极燃料电池的发展，有电极 材料问题。据报导，材料问题。据报导，Benz厂用甲醇厂用甲醇 作燃料电池的燃料已用于汽车。作燃料电池的燃料已用于汽车。最近美国最近美国NASA正在开展一种试验，即太阳正在开展一种试验，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、晚上天太阳能电池工作，用剩余电来电解水、晚上H2O燃料电池工作，目前载人还不现实，计划燃料电池工作，目前载人还不现实，计划在在2003年实现用于通信。年实现用于通信。（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
27、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，工程师，材料科学家的通力合作。生物学家，工程师，材料科学家的通力合作。2121世纪是生命科学时代世纪是生命科学时代（2 2）仿生材料）仿生材料 生物材料多年演化的结果（合理性）生物材料多年演化的结果（合理性）人造丝与蚕丝人造丝与蚕丝 陶瓷与珍珠壳、骨骼（表陶瓷与珍珠壳、骨骼（表1010）材料模量(GPa)弯曲强度(MPa)韧性(Jm-2)
28、陶瓷457612-200珍珠壳64130600-1240骨骼152701700 催化剂使化肥，石油化工的大规模生产成为可能；石催化剂使化肥，石油化工的大规模生产成为可能；石墨转变为金刚石，要在很高温墨转变为金刚石，要在很高温（3300K3300K）和高压）和高压（130Kb130Kb）下完成，而采用溶媒下完成，而采用溶媒（NiNi）催化反应，只要在）催化反应，只要在 2000K2000K 以下，以下，压力在压力在 60kb60kb 以下，就可完成。人体中物质与能量转换在常以下，就可完成。人体中物质与能量转换在常温，是酶催化的结果，其效率和速度千百万倍于常规催化剂。温，是酶催化的结果，其效率和速
29、度千百万倍于常规催化剂。今后任务是高效催化剂的探索，与光合作用的模拟。使用过今后任务是高效催化剂的探索，与光合作用的模拟。使用过剩的剩的 COCO2 2H H2 2O O 而成为碳水化物而成为碳水化物（粮食）。（粮食）。细菌冶金细菌冶金（Cu,U）已实现处理低品位矿石、尾矿，大已实现处理低品位矿石、尾矿，大幅度降低污染。幅度降低污染。智能系统智能系统 用于机翼、潜艇、车体、建筑随处界条件改变用于机翼、潜艇、车体、建筑随处界条件改变 外形以减少阻力、即省能耗，提高安全。外形以减少阻力、即省能耗，提高安全。材料的自检测、自恢复及自修复材料的自检测、自恢复及自修复 药物和控制释放药物和控制释放 飞机
30、、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2/32/3靠材料，发动机性能的提高，材料占1/21/2，对空间飞行器来说，由于材料的改进，收益更为显著。如图4，说明比强度和比刚度对高速飞行器来说更为重要。战斗机已发展到第四代（如美国F22），主要材料为钛合金钛合金（41），树脂基复合材料树脂基复合材料（24），铝合金铝合金（15），钢钢只有5。民用机到了第三代（波音777），铝铝（70%）,钢及复钢及复合材料合材料（多11），钛钛（7）。对发动机材料来说，除了比刚度、比强度，主要是耐高温、长寿命，为军用发动机的发展趋势提供一些参考。代发动机定型年代 单位推力da
31、N.S.kg-1推重比 总增压比滑轮前温度（）II1960-197610072050）。作为涡轮叶片，单晶加发汗冷却，可以满足2000以上。陶瓷陶瓷 有可能用于燃烧室和导向叶片。钛合金钛合金 （1600650）及钛铝基中间化物（6001000）可用于机匣，压气机叶片。C/CC/C复合材料复合材料 虽然在比强度，比刚度和高温有特殊优越性，但抗氧化问题须解决。树脂基复合材料树脂基复合材料 目前使用温度已达290345，正向425发展。导弹火箭材料主要用于瞬间。除比强度、比刚度和耐高温导弹火箭材料主要用于瞬间。除比强度、比刚度和耐高温以外，还有特殊要求，如大热流、高真空，粒子云及原子氧侵以外，还有特
32、殊要求，如大热流、高真空，粒子云及原子氧侵蚀等。固体火箭壳体材料主要是先进复合材料如表蚀等。固体火箭壳体材料主要是先进复合材料如表 1212。表 12固体火箭发动机材料材材料料高高强强钢钢钛钛合合金金玻玻璃璃钢钢芳芳纶纶复复合合碳碳纤纤维维复复合合比比强强度度50-8070-110120-190200-350300-400喷管为喷管为C/C复合材料（比强高复合材料（比强高,抗热震，耐烧能）抗热震，耐烧能）关键航天材料：高强、高模纤维。关键航天材料：高强、高模纤维。碳纤维（碳纤维（T300,T800）芳纶及高强聚乙烯纤维。芳纶及高强聚乙烯纤维。为减少污染，提高燃效，增加机动性（如调峰），工业燃为
33、减少污染，提高燃效，增加机动性（如调峰），工业燃气耗机将得到更大发展（图气耗机将得到更大发展（图5）0 0101020203030404050506060707080809090第一季度第一季度第二季度第二季度第三季度第三季度第四季度第四季度东部东部西部西部北部北部参数参数航空发动机航空发动机工业燃气轮机工业燃气轮机重量重量很重要很重要不太重要不太重要操作时间操作时间（时）（时）稳态稳态温度峰值温度峰值25000100,000100,000环境环境腐蚀不严重腐蚀不严重严重腐蚀严重腐蚀叶片、轮盘尺寸叶片、轮盘尺寸小小大大因此，今后工业燃气轮机材料在因此，今后工业燃气轮机材料在21世纪将受到更大世
34、纪将受到更大重视。重视。材料制备是从基础到研究到工程应用必由之路；材料制备是从基础到研究到工程应用必由之路；提高材料质量及降低成本的主要途径；提高材料质量及降低成本的主要途径；有效利用资源和能源，减少污染的重要手段。有效利用资源和能源，减少污染的重要手段。美国科学基金会材料领域投入中材料制备占美国科学基金会材料领域投入中材料制备占41%41%（9090年代初）。年代初）。*高温超导（高温超导（19861986）至今）至今1515年年 工程陶瓷已大量开发研究近工程陶瓷已大量开发研究近4040年年 未开发出合适工艺而不能大量推广未开发出合适工艺而不能大量推广 *钢的价格波动甚少，因工艺不断改进（质
35、量提高，钢的价格波动甚少，因工艺不断改进（质量提高，收得率增加，能耗下降，劳动生产率提高）收得率增加，能耗下降，劳动生产率提高）*高温合金叶片材料的不断提高，主要通过工艺的不断改进。高温合金叶片材料的不断提高，主要通过工艺的不断改进。（1 1）电子信息材料向功能与结构一体化，多功能化、）电子信息材料向功能与结构一体化，多功能化、材料与器件一体化和小型化发展，主要靠采用控制到原子精材料与器件一体化和小型化发展，主要靠采用控制到原子精度的气相外延度的气相外延（VPE）、）、液相外延液相外延（LPE）、）、金属有机化物金属有机化物化学气相沉积化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（和分子束外延（MB
36、EMBE）技术。）技术。（2 2）冶金、化工材料尽量做到零排放。）冶金、化工材料尽量做到零排放。（3 3）制造工艺的自动化、智能化。）制造工艺的自动化、智能化。（4 4）为提高材料利用率、提高性能、降低成本，开发）为提高材料利用率、提高性能、降低成本，开发多种类型的表面改性技术，梯度材料制备技术；发展自蔓燃多种类型的表面改性技术，梯度材料制备技术；发展自蔓燃制备技术等。制备技术等。检测方法的新进展往往带来材料研究和质量检测方法的新进展往往带来材料研究和质量控制的新突破，如描述隧道显微镜的发明可以做控制的新突破，如描述隧道显微镜的发明可以做到到“原子操纵原子操纵”从而成为下一代信息技术的新热从而
37、成为下一代信息技术的新热点。工程陶瓷断裂的临界尺寸为微米级，因此，点。工程陶瓷断裂的临界尺寸为微米级，因此，要使陶瓷稳定生产，必须开发更精确的探伤手段，要使陶瓷稳定生产，必须开发更精确的探伤手段，而且要求在线检测和动态检测。而且要求在线检测和动态检测。国家重点基础研究项目（国家重点基础研究项目（973973）集成微光机电系统研究集成微光机电系统研究 材料先进制备、成型与加工的科学基础材料先进制备、成型与加工的科学基础攀登计划攀登计划 金属材料热成型过程的动态模拟及组织、性能、金属材料热成型过程的动态模拟及组织、性能、质量的优化控制。质量的优化控制。微电子机械系统微电子机械系统 熔融还原技术基础
38、研究熔融还原技术基础研究自然科学基金重大项目自然科学基金重大项目 支持产品创新的先进制造技术中的若干基础研究支持产品创新的先进制造技术中的若干基础研究 金属熔体凝固控制与若干先进成形过程基础研究金属熔体凝固控制与若干先进成形过程基础研究 新型功能陶瓷材料的制备科学及其关键基础化问题新型功能陶瓷材料的制备科学及其关键基础化问题 19591959年年1212月月R.R.FEYNMAN在美国物理学会上提出纳在美国物理学会上提出纳米科学技术的概念米科学技术的概念,并提出开展在原子与分子水平制造材并提出开展在原子与分子水平制造材料的物理规律。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
39、显微镜（STMSTM）及原子力显微）及原子力显微镜（镜（AFMAFM）以后原子操纵才有可能。）以后原子操纵才有可能。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而发展出新的材料所出现的奇异现象而发展出新的材料。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 Nanotecthnology Initiative）认为纳米技术可导致）认为纳米技术可导致下一工业革命，应置于最优先地位。下一工业革命，应置于最优先地位。纳米科学技术主要包括纳米科学技术主要包括:纳米材料纳米
40、材料 纳米电子学、光电子学和磁学纳米电子学、光电子学和磁学 纳米医学纳米医学他要求他要求20012001年拨款年拨款4.954.95亿美元比上一年多亿美元比上一年多83%83%。其分配：。其分配：基础研究基础研究 1.71.7亿（亿（NSF 1.22NSF 1.22）定向课题定向课题 (Grand challengs)1.4 1.4亿亿 (DOD 0.54,DOE 0.36)(DOD 0.54,DOE 0.36)研究中心及网络研究中心及网络 0.770.77亿亿 基础设施基础设施 0.800.80亿亿 其它其它 0.280.28亿亿 基础研究基础研究(NSF2.17(NSF2.17亿亿)及国防
41、系统及国防系统(DOD、DOE、NASA共共2.242.24亿亿)占大头。占大头。可以认为纳米技术尚处于基础研究阶段尚未大规模进入工可以认为纳米技术尚处于基础研究阶段尚未大规模进入工业开发，但他们仍强调与产业界结合，及时转入规模生产。业开发，但他们仍强调与产业界结合，及时转入规模生产。通过通过“设计设计”制造出来的材料，性能大幅度提高，制造出来的材料，性能大幅度提高，预期强度为钢的四倍，其重量比纸轻预期强度为钢的四倍，其重量比纸轻1010倍，环境友好，倍，环境友好，价格又可承受。使用的可靠性提高，因其可自修复。这价格又可承受。使用的可靠性提高，因其可自修复。这类材料用于造桥，寿命可大幅度延长，
42、用于造空间飞引类材料用于造桥，寿命可大幅度延长，用于造空间飞引器，可几十倍的减轻重量，如此等等，前景诱人，但是器，可几十倍的减轻重量，如此等等，前景诱人，但是成为现实要成为现实要10-2010-20年。年。我国纳米材料起步不晚，声势也很大，谨防一哄而我国纳米材料起步不晚，声势也很大，谨防一哄而起，急于求成。起，急于求成。材料科学与工程四要素：材料科学与工程四要素：结构结构/成份、合成成份、合成/流程、性质、效能流程、性质、效能 因结构与成份非同义词因结构与成份非同义词 相同成份可出现不同结构相同成份可出现不同结构 建议改为五要素：建议改为五要素：成分、合成成分、合成/流程、结构、性质、效能流程
43、、结构、性质、效能 特点：材料理论与材料设计处于五边形中心；特点：材料理论与材料设计处于五边形中心；性能与效能（使用性能）和环境发生直接联系性能与效能（使用性能）和环境发生直接联系图 材料科学与工程四要素（a）与五要素（b）关系图材料根据对性能的要求而决定于不同层次的结构，如图图不同层次的材料设计 非平衡热力学非平衡热力学 结构敏感性质（如力学性质）可变因素（不定结构敏感性质（如力学性质）可变因素（不定 因素）太多因素）太多 表面与内部结构及性质的不一致性表面与内部结构及性质的不一致性 复杂的环境因素复杂的环境因素 材料设计目标是根据需要，通过合理成分与工艺流材料设计目标是根据需要，通过合理成
44、分与工艺流程设计，最终能做出合乎要求的工程材料、零件、器件程设计，最终能做出合乎要求的工程材料、零件、器件或构件。或构件。功能材料可能首先实现材料设计功能材料可能首先实现材料设计 重点在于：重点在于：深入的基础研究深入的基础研究了解物质结构与性能了解物质结构与性能 完整而精确的数据库完整而精确的数据库 正确模型的建立正确模型的建立 大容量快速计算机大容量快速计算机 不同学科科学家与工程师的通力合作。不同学科科学家与工程师的通力合作。（1 1）金属在结构材料中仍占主要位置，特别是钢铁）金属在结构材料中仍占主要位置，特别是钢铁今后几十年内的世界年产量在今后几十年内的世界年产量在7-107-10亿吨
45、徘徊。但钢的亿吨徘徊。但钢的性能会大幅度提高从而达到节约资源减少污染的目的。性能会大幅度提高从而达到节约资源减少污染的目的。我国在我国在超级钢超级钢的研究中使的研究中使200MPA200MPA级的低碳钢、级的低碳钢、400MPA400MPA级低合金钢通过强化、晶粒细化和均匀化可提级低合金钢通过强化、晶粒细化和均匀化可提高强度一倍，并通过了大生产试验。高强度一倍，并通过了大生产试验。有色金属资源在有色金属资源在2121世纪前半叶就接近枯竭，如同世纪前半叶就接近枯竭，如同铅、锌等。代用品的研究与开发为当务之急。有些金铅、锌等。代用品的研究与开发为当务之急。有些金属，如铝，地壳中含量很高分布很广，但
46、合於开采价属，如铝，地壳中含量很高分布很广，但合於开采价值的矿石却有限，因此开发低品位矿石的采选与冶炼值的矿石却有限，因此开发低品位矿石的采选与冶炼工艺的研究与寻找代用材料必须及早考虑。工艺的研究与寻找代用材料必须及早考虑。钛，性能优越，地壳含量不低，以及生产成本高钛，性能优越，地壳含量不低，以及生产成本高而不能得到广泛应用，有些水电丰富地区如我国攀西而不能得到广泛应用，有些水电丰富地区如我国攀西地区，不但水电丰富而且矿藏世界前茅，地区，不但水电丰富而且矿藏世界前茅，2121世纪将出世纪将出现一个开发钛的高潮。现一个开发钛的高潮。镁与铝颇多相似之处，而镁取之不尽（海镁与铝颇多相似之处，而镁取之
47、不尽（海水中镁水中镁2.12.110101515吨），塑性好，减震性强但不吨），塑性好，减震性强但不耐腐蚀（特别海水和应力腐蚀，又没找到适于耐腐蚀（特别海水和应力腐蚀，又没找到适于强化相而不能和铝相竞争，强化相而不能和铝相竞争，2121世纪将会受到重世纪将会受到重视。）视。）金属作为功能材料（如硅钢）的地位不会金属作为功能材料（如硅钢）的地位不会改变。硬磁材料在改变。硬磁材料在NdFeBNdFeB的基础上还会有更大的基础上还会有更大发展发展 功能陶瓷在功能材料中已占十分重要地位随着凝功能陶瓷在功能材料中已占十分重要地位随着凝聚态物理与化学进展，将会有更大进展，当前氧化物聚态物理与化学进展，将会
48、有更大进展，当前氧化物研究正广泛开展，高温超导便是成果之一。研究正广泛开展，高温超导便是成果之一。工程陶瓷发展方向：一是开发新工艺流程以降低成工程陶瓷发展方向：一是开发新工艺流程以降低成本，同时大力推广只有生产量大，成本才能降下来。本，同时大力推广只有生产量大，成本才能降下来。二是进一步提高性能，开发生产过程的临控手段，保二是进一步提高性能，开发生产过程的临控手段，保证质量的稳定性。三是机械制造的工作者，开发使用证质量的稳定性。三是机械制造的工作者，开发使用脆性材料的设计思想。脆性材料的设计思想。在金属材料资源日益枯竭，科学技术日益进步的在金属材料资源日益枯竭，科学技术日益进步的情况下工程陶瓷
49、会得到进一步发展。情况下工程陶瓷会得到进一步发展。水泥与玻璃是极为重要的建筑材料，无疑会受到水泥与玻璃是极为重要的建筑材料，无疑会受到重视但水泥是重要污染源（一吨水泥产生重视但水泥是重要污染源（一吨水泥产生COCO2 2 0.8-1.00.8-1.0吨）：因此，吨）：因此，充分利用废料充分利用废料 提高水泥标号，减少产量提高水泥标号，减少产量 改进水泥，增强组元（塑料不诱钢丝）改进水泥，增强组元（塑料不诱钢丝）玻璃的智能化对命能有明显的作用玻璃的智能化对命能有明显的作用 高分子材料比重小，软硬灵活加工外瑚比刚度比高分子材料比重小，软硬灵活加工外瑚比刚度比强度高（三大高强纤维：芳纶、碳纤维与结晶
50、状态的强度高（三大高强纤维：芳纶、碳纤维与结晶状态的聚乙烯）。特别是资源可再生。聚乙烯）。特别是资源可再生。高分子材料已接近高分子材料已接近分子设计分子设计水平。水平。高分子结构材料（塑料）的用途越来越广，以体高分子结构材料（塑料）的用途越来越广，以体积计，积计，9090年初全世界塑料广告已越过了粗钢的体积。年初全世界塑料广告已越过了粗钢的体积。19951995年美德塑钢比分别为年美德塑钢比分别为2.852.85和和1.941.94，而我国目前塑，而我国目前塑钢体积比不到钢体积比不到0.50.5，因此我国，因此我国2121世纪初塑钢将大发展世纪初塑钢将大发展。2121世纪更有发展前途的是有机功
