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国外材料领域创新进展

发布人:zml  发布时间:2015年07月13日 22:10:22  浏览量:

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《国外材料领域创新进展》简介

人们生活中的衣食住行,样样都需要材料。缺乏材料,难以建筑高楼大厦;没有材料,甚至盖不成茅室蓬户。生产中使用的劳动资料,大至成套设备,小到螺钉螺帽,都是用材料制成的。材料不仅可以推进经济发展,而且深刻地影响着社会生活。例如,我国从战国中期开始,铁制工具逐渐替代传统的铜制工具,并广泛用于农田耕作,才使许多盐舃荒芜之地变成膏腴之田,同时,也促使社会制度发生重大变革。

 

本书以国外新材料的研制成果为考察对象。新材料是指新近几年才发展起来的材料,或者目前正在发展之中的材料,它与传统材料相比,具有更加优异的性能与结构。本世纪以来,国外新材料研发活动如火如荼,进展迅猛,涌现了大量新成果。梳理这些新成果,可以发现国外新材料研发的重点主要集中在以下几方面:

 

1.研制高端金属材料

 

成功推出无铬彩色铝板、车用镁板、超密铝、替代铟制材料的锌制材料,以及铅薄层和铯薄层等高纯金属材料。着力破解氢金属合金、因瓦合金、高熵合金、液态金硅合金和新型合金准晶体的性能与结构。重点开发新型结构钢、高张力钢板、轻质高强度钢板、智能钢铁材料等车用钢材,高效耐腐蚀钢板、高拉力强化钢板等船用钢材,高强度不锈钢、抗腐蚀高硬度不锈钢、超临界机组用合金钢,耐高温超强超硬纳米晶体铁合金,耐高温镁合金、高强度铝合金、高刚性铸铝合金等金属材料。

 

2.开发特种功能金属材料

 

成功推出磁敏感的钴铁合金,振动发电的铁钴合金,遇热收缩的锰锗合金;具有高热传导性和低热膨胀率铜铬合金,可吹塑成型的锆镍钛铜合金,能变形的镓铟液体合金。特别是,着力开发用于电子产业的特种功能金属材料,如用黄金纳米粒子制成使静止物体隐形的“隐身衣”,发明具有极强热电性能的纳米金属笼形包合物,研制成含纳米囊体的电镀涂层金属表面。同时,还大力开发生物医学用的特殊功能金属材料,已开发出可把药物直接送到癌细胞核的金纳米粒子,以及用镍和硅制成运送药物的纳米机器人螺旋桨。

 

3.研发新型无机非金属材料

 

成功推出可变形而不断裂的建筑陶瓷,室温下的陶瓷超导体,以及无膨胀可耐高温的工业陶瓷;可改善视野的挡风玻璃,能高效反射红外线的节能玻璃,自洁不反光的纳米结构玻璃;新型超硬物质体心四方碳,非结晶新型超硬碳结构材料,由大量空气构成的“飞行石墨”,用稻壳制成高性能活性炭;塑性变形能力强的可弯曲水泥,可吸收二氧化碳的环保水泥,能吸收放射性铯的建筑材料,能消除烟尘污染的自清洁建筑材料。

 

研制出高纯度二氧化硅光导纤维、多芯玻璃光导纤维、硒化锌光导纤维,以及抗高温无机纤维。开发出无闪烁现象的新型纳米晶体,耐上千度高温的光子晶体,用氮化镓植于石墨烯制成可弯曲和伸缩发光二极管材料。用碲化铅及其近亲物质研制热电材料,用多铁性合金、钛酸锶、铪锆混合物等开发热电材料。破解磷酸二氢铵同时具有铁电性和反铁电性的原因,揭示铁电纳米材料亚原子结构及性质,用钛酸铕材料制成磁性铁电体。研发出可同时操控光线和振动的硅晶体,制成硅与非硅材料“混搭”的集成电路,探索六方氮化硼石墨烯半导体用途,制造出全石墨烯无缝集成电路架构,开发出砷化铟二维半导体量子膜。以沙子提炼的物质制成性能优异的锂离子电池,研发有望提高燃料电池性能的超级晶格材料,用钙钛矿制成新型太阳能电池材料。

 

制造出电子亲合能非常高的超级卤化物,人工合成迄今已知表面积最大的碳酸盐类材料。把铋金属沉积在硅上研制大能隙拓扑绝缘体,发现可液态化生产的透明绝缘材料,发明制造“超级电容”的绝缘材料;用石英纤维制作下一代载人航天器隔热板,开发出超薄碳纳米管阻燃材料。开发硫化钼系列、纳米粒子系列,以及其他物质系列的制氢催化剂;开发转化二氧化碳的催化剂。开发具有防腐蚀功能、能抗菌抗病毒、能净化空气,以及可循环或可再回收使用的涂料。用离子液体开发二氧化碳吸收剂,开发火电厂减少二氧化碳排放的碳酸钙岩粉材料,开发出能快速把水与油分离开来的过滤材料,制成可清除核废料中放射性离子的新晶体。

 

4.研制先进有机高分子材料

 

研制高性能墨水状环氧树脂、热传导率高的环氧树脂、绝缘膜用环氧树脂;开发溶剂型聚氨酯、耐高温聚氨酯、高性能聚碳酸酯、车用氟树脂,高流动性聚醚醚酮树脂,并用硅树脂制成新聚合物。研制新功能塑料、环保型塑料、可降解塑料、电子产业用塑料,以及塑料薄膜;开发能吸附二氧化等有害物质的黑塑料。开发不含卤素的硅橡胶、低滚动阻力的硅橡胶、高性能氟橡胶、抗震橡胶、橡胶助剂。以自然物为原料开发天然纤维,通过转基因技术开发天然纤维;开发嫘萦纤维与莫代尔纤维,以及高强度有机合成纤维。

 

开发环保型有机涂料、能保护堤坝和桥梁的有机涂料、能提高光学仪器质量的有机涂料,研制可提高太阳能电池效率的合成有机染料,开发高强度有机纳米黏合剂。开发生物柴油催化剂、有机化工催化剂;研制高效生物活性吸附剂、油污吸附剂、导电碳纤维吸附剂;开发特种用途润滑剂、无污染“绿色”润滑剂。研制食品添加剂、纺织添加剂、塑料及其他添加剂。

 

研制具有运送治癌药物功能的智能纳米载体,用生物材料制成可在身体内行走的纳米级胶囊,发现运输药物功能特佳的纳米圆柱颗粒,研制出具有靶向给药功能的聚合物,研制具有纳米药物递送车功能的DNA“分子笼”,研发能将酸奶益生菌安全送入肠道的可食用聚合物。研制兼有药物与靶向载体双重功能的高分子材料,研制出可保留各自功能的纳米粒子结合体,发明兼具双重抗癌功能的纳米药物载体,开发出可同时携带两种药物的多功能高分子纳米粒子。设计出可实现8种生物医学应用功能的单个纳米颗粒。利用染料开发出具有信息存储功能的高分子材料。

 

开发高导电性的有机金属材料;研制可食用的金属有机骨架材料、吸收二氧化碳的金属有机骨架材料;发明共价有机骨架聚合物、能吸附温室气体的沸石咪唑酯骨架结构材料。开发有机磁性材料、运行速度最快的有机半导体、大分子碳结构有机半导体,以及可大幅降低半导体制造成本的环氧硅氧烷聚酯树脂;研制出氟类聚合物电解质膜、可改进质子交换膜燃料电池的有机材料。研制高发光效率的有机EL材料,开发能在室温下发白光的有机材料;开发出全氟树脂光纤、传输高保真影像的塑料光纤;研制依靠光照反复液化和固化的光反应性有机材料

 

开发出加固房屋的环氧基碳塑材料,设计可作房屋防震“护身衣”的塑料圈;发明轨道空间站的高分子建筑材料。研制既高度防水又能自我清洁的布料、自动去污杀菌的纳米涂料服装面料;研制具有耐高温或阻燃功能的布料、纳米级碳素防火面料,以及能吸收放射性铯的布料。

 

5.开发高性能复合材料

 

开发出铁损半减的转子铁基复合软磁材料,可大量吸附二氧化碳的铬基复合材料,铝与碳纤维组成的高热传导复合材料,用银与氧化铝研制成可增强光线负折射率的金属基复合材料;开发让电子设备更快降温的铜基复合材料,既可输送又能储存能量的铜基复合新电缆,室温下电导率达百分之百的锡基复合材料;研制成可大幅提高氢储存能力的钛基复合材料,可切割融合并能弹起的金属液滴复合材料。

 

开发出热传导率极高的钻石基复合材料,以多孔碳材研制用于硫锂电池的碳基复合材料;利用硅基复合材料设计制造出可利用红外光的新型光学设备,把金属天线嵌入硅中制成避免电磁波逆向反射的复合材料;研发出模拟血管结构的无机纤维复合材料,研制成被誉为人造骨骼的矿物基复合材料。

 

开发环氧树脂基铸模复合材料,用聚乙烯研制出超高强度的复合纤维材料,研制出以聚丙烯为基材的高性能复合涂料,研制出以聚醚砜等热塑性树脂为基材的复合材料;开发以芳香族聚酰胺纤维为基材的预浸渍复合材料,开发出可吸收冲击力的聚酰胺基复合材料,研制出以聚酰亚胺为基材的柔性复合材料;用有机硅与液态金属制成可延展拉伸的电子复合材料。

 

把碲化铋镶嵌在硫化铋中制成树枝状晶体复合纳米棒,研制出可提升电池性能的石墨烯纳米复合材料,用光敏配合基与硒化镉纳米粒子形成光控复合材料,用有机物与硅胶纳米粒制成复合材料;研制出类海参皮质的纳米复合材料,把生物纳米技术与沾笔纳米光刻技术结合起来制造复合材料;用有机化合物与无机纳米粒子研制复合材料。

 

6.研发前沿新材料

 

⑴纳米材料:开发出精密分子结构、分子多面体结构、单分子发光二极管,合成三个分子组成的互锁分子等分子级纳米技术,研制出纳米粒子、纳米球、纳米管、纳米纤维、光控纳米阀、可控的纳米齿轮。特别是,制成高纯度长碳纳米管、单层碳纳米管、双层碳纳米管、高性能超长碳纳米管,并用碳纳米管制成坚硬材料、纳米元件基础材料、类似壁虎脚底的黏合材料等碳纳米管系列产品。

 

⑵石墨烯:自从成功制成石墨烯之后,又相继合成它的“表亲”—— 二维材料硅烯和二维材料锗烯,还用计算机模拟设计出性能胜过石墨烯的石墨炔;并且已经开发出能够观察石墨烯单个原子一个一个“搭建”晶体的新技术,以及可以大规模批量生产石墨烯的新方法。目前,已经研制出形状尺寸可控的石墨烯量子点、弯曲如马鞍的石墨烯、高质量石墨烯纳米带等石墨烯产品,同时已用制成可伸缩晶体管、柔性电路、高灵敏光电探测器、计算机存储便条,以及纳米二冲程发动机等。

 

⑶超材料:超硬材料方面,利用化学气象沉淀法快速制成人造大钻石,利用人造钻石创下量子比特存储时间新纪录,造出可制超强轻质线缆的超细钻石纳米线。同时,设计出超硬新材料二硼化铼,超导材料方面,发现“三明治”结构锂硼化合物具有高温超导现象;发现氮化钛薄膜同时存在超导与超绝缘现象,发现钛酸锶同时具有超导和铁磁性;发现酒煮铁碲化合物会产生超导性的机制,揭示石墨烯插层材料的超导机制;发现高温超导体铜酸盐超导性改变的原因,发现使绝缘材料钽酸钾具有超导性的方法,还发现赝能隙会抢走高温超导体中的电子。光学超材料方面,通过改变光路和光速开发负折射光学超材料,研制出具有负折射率的超颖物质,发明有望隐藏坦克等大型物体隐身的光学超材料。同时,研制出能吸收所有光线的高效超材料,设计能让光弯曲的光学超材料。其他超材料方面,开发出用超高压制成的能量密度超大物质,制成能让热“弯曲”传导的热力学超材料,研制像乌贼一样变色的超材料。

 

⑷生物医学用材料方面:一是开发出可用于生物传感器的金银纳米粒子,用金纳米颗粒制成可探测癌症的电子鼻,推出能提高心肌导电性的金纳米线心脏补丁,通过金纳米粒子精确显示脑部肿瘤的轮廓,开发出可把药物直接送到癌细胞核的金纳米粒子。二是发现可用来检测癌症的硅纳米导线,开发能杀死癌变肿瘤的石英纳米微粒、用于治疗癌症的磁性纳米粒子、能向神经元发送信号的碳纳米管,并在碳纳米管上繁殖成功骨骼细胞。三是制成人造聚乙烯视网膜,发明能安全弥合心脏缺陷的速黏强力仿生胶,开发出修复受损心脏组织的水凝胶,发明可修补裂孔疝组织的合成高分子材料,发现可用于皮肤修复和再生用高分子材料,研制出能用来修复人体骨骼的超高强度材料,研发出可粘合到面部骨骼上的畸形儿童整容用塑胶材料,研制出新型医用生物材料骨粘固剂。

 

⑸智能材料:开发能“自动疗伤”的镍钛形状记忆合金;发明能自我清洁、可调节室内冷暖,以及可随环境温度自动调光的智能玻璃;发明遇水自洁轻松去油垢的涂料,研制出能自行修补的宇宙飞船包覆层,发明具有自我修复功能的汽车油漆涂层,研制具有自洁功能的纳米有机染料;运用计算化学开发新型超强自愈高聚物材料,开发具有“自愈”能力的有机玻璃、塑料、橡胶,以及能够自我修复的树脂复合材料和纤维复合材料。推出具有“记忆”功能的衣料、以形态记忆材质为基础的可调温纺织面料,以及智能防护衣料。

 

笔者多年前就已开始关注新材料及其创新问题,先后在《国外发明创造信息概述》、《八大工业国创新信息》、《新兴四国创新信息》等书中,特意安排一定篇幅,专门介绍国外在新材料领域取得的创新成果。现在,笔者在原有基础上,继续推进这项研究,从已经搜集到的大量科技创新信息中,提炼出有关新材料研发的内容,把它系统化为一本书,于是有了《国外材料领域创新进展》。

 

本书由5章内容组成,前4章分别分析国外在金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料领域的创新信息。第5章分析材料研制与开发的新技术进展状况。本书密切跟踪国外新材料研发的前沿信息,所选材料限于本世纪以来的创新成果,其中90%以上集中在2005年1月至2014年12月的10年期间。本书披露了大量鲜为人知的创新信息,可为遴选新材料方面研究开发项目和制定相关科技政策提供重要参考。