材料产业的创新进展
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。下面，叙述本世纪以来材料产业的创新成果及其特点。
一、材料产业创新成果概况
（一）金属材料的创新进展
1．金属材料的内涵。
金属材料通常指由金属元素构成的，或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料。主要包括纯金属材料、合金材料，以及特种金属材料等。虽然金属氧化物不属于金属材料，但它是制取纯金属或合金材料的主要原料，与金属材料开发成果的关系十分密切，为了便于了解金属材料的开发进展情况，这里把金属氧化物也包括在金属材料之内。
2．金属材料的创新进展。
⑴纯金属及金属氧化物材料的创新成果。本世纪以来，各国在纯金属材料领域的研发，主要集中于结晶铜、金属钒、地表稀有金属，铝板、镁板，超密铝、锌材料、铅薄层和铯薄层。在金属氧化物领域的研发，主要集中于氧化铜、氧化镍、氧化锌、氧化钛、氧化铪，以及铱氧化物、钡氧化物、镉锇氧化物、金属复合氧化物。
⑵新型合金材料的创新成果。这方面主要集中于氢金属合金、因瓦合金、高熵合金、液态金硅合金和新型合金准晶体；车用钢材、船用钢板、不锈钢与合金钢、新型高性能钢材；钴铁合金、锰锗合金、镁合金、铝合金、铜铬合金、镍钛形状记忆合金、钛合金、锆镍钛铜合金、镓铟液体合金。
⑶其他金属材料的创新成果。在纳米金属材料领域的研发，主要集中于黄金纳米粒子、银纳米材料、铂纳米材料、铜纳米材料、锌纳米材料，以及含纳米囊体的电镀涂层金属表面。在磁性材料领域的研发，主要集中于氧化钴钠、银原子团簇、铋化合物、金属镝。在生物医学用金属材料领域的研发，主要集中于利用细菌制造金属纳米团簇，利用DNA链获得金纳米粒子晶体，用金纳米粒子与蛋白质制成复合结构，发现金属镓是一种有效的新型抗生素。
（二）无机非金属材料的创新进展
1．无机非金属材料的内涵。
无机非金属材料是指除金属材料和有机高分子材料以外的所有材料。主要由某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物，以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成。
2．无机非金属材料的创新进展。
⑴陶瓷与玻璃及建筑材料的创新成果。本世纪以来，各国在陶瓷领域的研发，主要集中于建筑陶瓷、工业陶瓷、生物医学陶瓷，以及与陶瓷的相关配料配件。在玻璃领域的研发，主要集中于日用玻璃、车用玻璃、工业玻璃和建筑玻璃。在建筑材料领域的研发，主要集中于新型建筑材料、环保节能型建筑材料，以及废物利用型建筑材料。
⑵碳素与纤维及半导体材料的创新成果。在碳素材料领域的研发，主要集中于碳纳米管、石墨烯、富勒烯与石墨炔，以及新型碳结构物质和无定形碳物质。在纤维材料领域的研发，主要集中于光导纤维与电子纤维、碳纤维与碳纳米管纤维，以及其他无机纤维。在半导体材料领域的研发，主要集中于探索半导体材料的性质与用途，推进研制硅半导体、碳基半导体，以及其他半导体材料。
⑶其他无机非金属材料的创新成果。主要集中于：研发光子晶体、光源和发光材料，以及其他光学材料。用碲化铅及其近亲研制热电材料，用多铁性合金等开发热电材料。探索铁电材料原理，研制和应用铁电材料。研制锂电池材料、燃料电池材料和太阳能电池材料。探索无机化合物晶体，发明人工方法快速制造石化木材碳硅化合物。开发利用人造钻石及钻石材料，同时开发利用其他超硬材料。研发超导材料，开发超导材料，探索研发超导材料的新方法。研制光学超材料、高密度高强度超材料和变色超材料。开发绝缘材料、隔热材料与阻燃材料。研发制氢催化剂、转化二氧化碳的催化剂，以及其他无机化工催化剂。推进涂料、染料与气凝胶的开发。研制防治大气污染、水体污染、固体废弃物污染和辐射污染的材料。研制用于癌症防治的无机材料，并开发生物医用的其他无机材料。
（三）有机高分子材料的创新进展
1．有机高分子材料的内涵。
有机高分子材料可以直接来自高分子化合物，也可以由高分子化合物加工制造而成。高分子化合物，表现为由一种或几种结构单元，经过多次重复连接起来的物质形态。构成高分子化合物的元素数量有限，主要包括碳、氢、氧、氮等，但是其整体物质形态的相对分子质量很大，所以才把它们称作高分子化合物。以高分子化合物为基质的有机高分子材料，具有弹性高、可塑性强、机械强度和硬度大、电绝缘性强、气密性好，以及耐磨、耐热、耐腐蚀、耐溶剂等性能，在生产和生活中具有非常广泛的用途。
2．有机高分子材料的创新进展。
⑴树脂与塑料及橡胶的创新成果。本世纪以来，各国在树脂领域的研发，主要集中于环氧树脂、聚氨酯、聚碳酸酯、氟树脂、硅树脂、聚醚醚酮树脂，以及超强高聚物。在塑料领域的研发，主要集中于新型塑料、环保型塑料、电子产业用塑料、新型塑料薄膜，可降解塑料和可降解包装。在橡胶领域的研发，主要集中于硅橡胶、氟橡胶、可再利用橡胶、抗震橡胶和橡胶助剂。
⑵生物医学与电子信息领域高分子材料的创新成果。在生物医学材料领域的研发，主要集中于生物医学用的纳米高分子材料，具有药物递送功能的高分子材料，以及人工器官用、医疗诊断用、软硬组织替代和组织工程用的高分子材料。在电子信息材料领域的研发，主要集中于电子信息用的纳米高分子材料，具有贮存信息功能的高分子材料，以及有机金属材料与有机骨架材料，有机磁性材料、绝缘材料，有机半导体及其相关材料，电池用有机材料；发光有机材料、有机光纤、感光树脂、光导水凝胶。
⑶其他有机高分子材料的创新成果。主要集中于：天然纤维、人造纤维和有机合成纤维。有机涂料、染料与胶黏剂。有机化工催化剂、吸附剂、活性剂、润滑剂。食品添加剂、纺织添加剂、塑料添加剂，以及车用气囊填充材料。以及具有黏着或弯曲爬行功能的高分子材料。具有自修复功能的涂层、凝胶、树脂、塑料、纤维和橡胶。房屋用高分子建筑材料，以及轨道空间站用高分子建筑材料。具有自洁或健身功能、具有阻燃或防火功能、具有记忆功能或智能，以及具有发光功能的纺织品。防治大气污染、防治水体污染和防治辐射污染的有机材料。
（四）复合材料的创新进展
1．复合材料的内涵。
复合材料表现为，以金属和非金属两大类材料为基体，通过两种或两种以上不同性质材料，以物理、化学或生物的方法，在结构上组成具有新性能的材料。在复合材料中，各种组合在一起的基体材料，可以实现性能上互相取长补短，产生协同效应，从而具有原有组成材料不可比拟的综合优势，能够更好地满足各种不同的社会需求。
2．复合材料的创新进展。
本世纪以来，各国在金属基复合材料领域的研发，主要集中于铁基、铬基、铝基、铜基、锡基、钛基、镓铟锡合金等复合材料，以及银与氧化铝共存的复合材料。在无机非金属复合材料领域的研发，主要集中于陶瓷与塑料、陶瓷与碳纤维的复合材料，碳基复合材料、硅基复合材料、无机纤维复合材料，以及矿物复合材料。在高聚物基复合材料领域的研发，主要集中于含有环氧树脂的复合材料，以聚乙烯、聚丙烯、聚醚砜为基材的热塑性树脂基复合材料，聚酰胺或聚酰亚胺基复合材料，有机纤维复合材料，以及可模制的塑木材料。在纳米复合材料领域的研发，主要集中于无机纳米复合材料、有机纳米复合材料，以及用有机化合物与无机纳米粒子研制复合材料。
（五）材料研发出现的新技术
1．材料领域新技术的内涵。
材料是人们用于制造生产资料和生活资料的物质。从生产领域的大型机器设备，到日常生活的针头线脑，都是用材料制造出来的。这里考察对象的新材料，是指新近发展起来或正在发展之中的材料，它比传统材料具有更加优异的性能。研制与开发新材料的技术，包括依据一定科学原理形成的物理、化学和生物方法，以及材料设计、加工制造和试验评价等一系列研发过程的操作诀窍。新材料研制出现的新知识和新技术，促进了信息技术和生物技术革命，对制造业、物资供应以及个人生活方式产生了重大影响。
2．材料领域出现的主要新技术。
本世纪以来，各国在材料科学领域的研发，主要集中于材料运行机制、材料性质与特点，以及材料结构与功能等方面。在金属材料技术领域的研发，主要集中于寻找和改善金属材料的新技术，以及研制黑色金属、轻重有色金属、贵金属、稀有金属和稀土金属材料的新技术。在无机非金属材料技术领域的研发，主要集中于开发碳素材料、半导体材料、新能源材料，以及其他无机非金属材料的新技术。在有机高分子材料技术领域的研发，主要集中于研制塑料及其原料、涂料与涂层、食品与药品的新技术，以及开发有机电子材料、纺织材料和纸张材料的新技术。在纳米材料技术领域的研发，主要集中于研制石墨烯及其产品、分子级材料、纳米粒子与纳米球、纳米管的新技术，以及开发纳米纤维、纳米材料和纳米导线的新技术。
二、材料产业创新的主要特点
这里，以各国新材料的研制成果为考察对象。本世纪以来，各国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，各国新材料研发的主要特点，有以下几方面：
（一）注重研制高端金属材料
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。
（二）注重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。
（三）注重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。
（四）注重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。
（五）注重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。
（六）注重研发前沿新材料
1．着力研发纳米材料。
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。
2．着力研发石墨烯等二维材料。
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。
3．着力研发超材料。
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。
4．着力研发生物医学用材料。
⑴生物医学用金属材料方面：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。
⑵生物医学用无机材料方面：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。
⑶生物医学用高分子材料方面：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。
5．着力研发智能材料。
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。
——摘自张琼妮与张明龙合著的《产业发展与创新研究》，中国社会科学出版社2019年6月版。
