《精编》漫谈迈入21世纪新材料

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1、迈入21世纪新材料 2004年2月 目录 序言信息功能材料半导体材料光电子材料能源功能材料超导材料磁性材料贮能材料燃料电池 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宇航及动力机械材料材料制备工艺及检测纳米材料科学技术材料设计 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结束语 序言 1 人口 资源 能源 环境 生态 三大压力 2 信息与经济的全球一体化 3 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 国防与战争仍是促进科学技术发展的动力 4 人类社会在发生变化 寿命延长 器官更换 生物工程 生活水平提

2、高 加速资源消耗 交往频繁 信息网络 交通运输 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 创新环境十分重要 21世纪时代特征 一 信息时代的信息功能材料仍是最活跃的领域 信息功能材料是指信息获取 传输 转换 存储 显示或控制所需材料 半导体材料 1 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计 到2010年可能到极限 0 07 m 量子效应 磁场及热效应 制作困难 投资大 但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量存在 并将有所发展 在绝缘衬底上的硅 SOI SiOnInsulator 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

3、耐高温又抗辐照 集成系统 IS IntegratedSystem 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 SystemonaChip 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为集成电路的发展对材料质量的要求 表1集成电路发展对材料质量的要求 2 第二代半导体材料是 族化合物 GaAs电子迁移率是Si的6倍 高速 禁带宽 高温 广泛用于高速 高频 大功率 低噪音 耐高温 抗辐射器件 GaAs用于集成

4、电路其处理容量大100倍 能力强10倍 抗辐射能力强2个量级 是携带电话的主要材料 InP的性能比GaAs性能更优越 用于光纤通讯 微波 毫米波器件 3 第三代半导体材料是禁带更宽的SiC GaN及金刚石 4 下一代集成电路的探索光集成原子操纵 光电子材料 21世纪光电子材料将得到更大发展电子质量 10 31Kg 电子电子运动 磁场 电阻热 电磁干扰 光高速 传输 容量大 损耗低 高速 不受电磁干扰 省材料 光电子材料包括 1 激光材料 20世纪60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 非线性光学晶体 变频晶体 KDP 磷酸二氢钾 KT

5、P 磷酸钛氢钾 LN 铌酸锂 BBO 偏硼酸铝 LBO 三硼酸锂 3 红外探测材料 军用为主 HgCdTe InSb CdZnTe CdTe 4 半导体光电子材料 见表2 表2主要化合物半导体及其用途 5 显示材料发光二级管 LED 如表3 液晶显示 LCD 材料 1968年发明 为21世纪上半叶主要显示材料 表3LED发光材料及可见光区 表4光纤发展阶段及所需材料 6 光纤与光缆材料 网络 表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1000倍 25Tbpsvs25Gbps 光纤材料 石英玻璃 SiO2 SiO2 GeO2 SiO2 B2O3 F 多组分玻璃 SiO2 GaO Na

6、2O SiO2 B2O3 Na2O 红外玻璃 重金属氧化物 卤化物 掺稀土元素玻璃 Er Nd 多模只适于小容量近距离 40Km 100Mbps 单模可传输调制后的信号 40Gbps到200Km 而不需放大 7 记录材料 21世纪将是以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 与磁记录不同之处在

7、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 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 8 敏感材料 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 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 DNA 等 限于篇幅不一一列举 二 能源功能材料将取得突破性进展 化石能源日益枯竭 甲烷水化物 环境要求越来越高 由于人口增长 生活水平提高 能源需求量大幅度增加 开源节流 1 可再生能源的开发 水电不存在材料问题 太阳能的利用 辐射于地球能量一万倍于人类所消耗的能

8、源 6 1017kwh 密度低1kwh m2 气候影响大 两种利用形式 直接辐射能热水器热水发电 光伏电能民用 高效 长寿 价廉 需要储电系统 Si 12 7 理论24 多晶17 7 单晶Si23 1 GaAs28 7 还有Cu2InSe2 CdTe Cu2O Cu2S CdS等 卫星用太阳能电池 双结电池 GaInP GaAs 23 7 三结电池 GaInP GaAs Ge 27 四结电池 GaInP GaAs GaInNAs Ge40 理论 一种设想 空间太阳能发电站 太阳能射向地球30 大气反射23 大气吸收 空间太阳能电站 微波传到地面 一个10万千瓦电站寿命10年 美国2010年电价

9、2 2 kwh我国西北日照时间长 沙漠干旱设地面太阳能电站 入网燃料电池电解水 H2储氢 1m3H2 5度电 化工原料 风能及风力发电W 1 2PV3 V风速 太阳能到地面有2 变风能全球1 3万亿KW中国32亿KW潮汐 海水温差 地热能 2 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99 28 快中子增殖维 U238 效率60 79 液铀冷却 强腐蚀 泄漏污染 副产物P239 半衰期2 4万年 法国超凤凰堆 1986 1995 最近提出加速器驱动的核电站 嬗变 可解决污染问题 可控热核聚变反应堆 永久能源D2 D2T3 P 4 04MevD2 T3He

10、4 n 17 5Mev一吨海水所含D2相当300吨汽油海水D2 1013砘已实现点火 处于物理研究所段 材料问题 高温抗辐射氢脆2050年或更长可实用化 3 超导材料 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30多种YBaCuO Je 105A cm2 薄膜 块体 Bi Pb SrCaCuO B12223 Ag 带丝线材生产稳定 质量均一性未能解决 2010年可望产业化 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 4 磁性材料 硅钢片是最重量要的软磁材料 全世界650万吨 铁基非晶态合金有明显优越性 表5 特别用于 电焊机 节能 体积小 1 10 作为结构

11、材料 耐磨 作磁头 耐蚀 代不锈钢 冷轧硅钢片 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 虽然已很成熟但向高磁感强度 Bs 高磁导率 低损耗方向发展 仍有广阔发展前景 硬磁材料发展很快 20世纪40年代AlNiCo 50年代铁氧体 65年ReCO5 72年R2CO17 83年NdFeB 磁能积提高了几十倍 从性能价格比来看 表6 铁氧体永磁远比其它磁性材料更具有竞争能力 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 但性能有待进一步提高 下一代永磁发展目标是纳米技术的应用与新材料的探索 如 SmFeN等 过去每

12、10年提高40kJ m3 2010年达可到600 800kJ m3 表6 永磁体价格 性能比 1995 NdFeB最大磁能积512KJ m3 理论值 5 贮能材料 贮氢与高能电池 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 太阳能发电电解水 氢 贮氢电 蓄电池也是机械能动力源 贮氢材料 金属间化物贮氢基本成熟 表7 但用于汽车燃料存在比重大 易中毒和价格问题 表7 几种金属间化物贮氢材料 纳米碳管是最近发现的贮氢材料 正在研究开发中 表8为几种典型电池反应机理与特性 当前最有发展前景的是Ni MH电池 但从比能量密度 锂电池最好 而价格是前者3 5倍 其中塑料锂电池具有重量轻 形状

13、可任意改变 安全性更好的特点 可能是21世纪开发的重点 Ni MH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 如比可节油 1 2 排放减至1 10 CO2 1 2 表8 几种典型电池反应机理和特性 燃料电池是将化学能转变为电能的一种装置 效率高 污染小 是21世纪重点发展的一种技术 目前正在开发的燃料电池 如表9 表9 正在开发的燃料电池类型 6 燃料电池 以氢氧燃料电池为例其理论比容量为2975A h kg 比能量为3660w h kg 远高于蓄电池 燃料电池的发展 有电极材料问题 据报导 Benz厂用甲醇作燃料电池的燃料已用于汽车 最近美国NASA正在开展一种

14、试验 即太阳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H2O燃料电池工作 目前载人还不现实 计划在2003年实现用于通信 三 生物材料与智能材料将受到高度重视 1 医用生物材料最主要是与人体相容性 组织工程 生长因子 DNA 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 21世纪是生命科学时代 2 仿生材料生物材料多年演化的结果 合理性 人造丝与蚕丝陶瓷与珍珠壳 骨骼 表10 3 工业生产中的生物模拟 4 智能材料及智能系统 智能系统用于机翼 潜艇 车体 建筑随

15、处界条件改变外形以减少阻力 即省能耗 提高安全 材料的自检测 自恢复及自修复 药物和控制释放 四 宇航及动力机械材料将不断提高 飞机 导弹 卫星与飞船的发展 材料是关键 以飞机为例 战斗机性能的提高有2 3靠材料 发动机性能的提高 材料占1 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 41 树脂基复合材料 24 铝合金 15 钢只有5 民用机到了第三代 波音777 铝 70 钢及复合材料 多11 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

16、趋势提供一些参考 表11 军用发动机性能发展趋势 从发动机关键材料看 高温合金仍然是主要材料 50 作为涡轮叶片 单晶加发汗冷却 可以满足2000 以上 陶瓷有可能用于燃烧室和导向叶片 钛合金 1600 650 及钛铝基中间化物 600 1000 可用于机匣 压气机叶片 C C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 树脂基复合材料目前使用温度已达290 345 正向425 发展 喷管为C C复合材料 比强高 抗热震 耐烧能 关键航天材料 高强 高模纤维 碳纤维 T300 T800 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 工业燃气耗机将得到更大发展 图5 图5 全世界工业燃气轮机发电量 工业燃气轮机与航空发动机相比 表13 运行寿命长 腐蚀严重 特别叶片大 重量差20 30倍 涡轮也相应增大 表13 工业燃气轮机与航空发动机要求对比 因此 今后工业燃气轮机材料在21世纪将受到更大重视 五 材料制备工艺及检测方法的研究与开发将多到更多的重视 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 有效利用资源和能源 减