新材料研究发展的热点和重点——功能材料

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新材料研究发展的热点和重点——功能材料

功能材料是指通过光、电、磁、热、化学、生化等作用后具有特定功能的材料。功能材料涉及面广，具体包括光、电功能，磁功能，分离功能，形状记忆功能等等。这类材料相对于通常的结构材料而言，一般除了具有机械特性外，还具有其他的功能特性。被用于非结构目的的高技术材料。

一 功能材料及其应用

从功能的不同可以分为如下几类：

（1）力学功能：主要是指强化功能材料和弹性功能材料，如高结晶材料，超高强材料等等。

（2）化学功能

分离功能材料：如分离膜，离子交换树脂、高分子络合物。

反应功能材料：如高分子试剂、高分子催化剂等等。

生物功能材料：如固定化酶，生物反应器等等。

（3）物理化学功能

电学功能材料：如超导体，导电高分子等。

光学功能材料：如光导纤维、感光性高分子等。

能量转换材料：如压电材料、光电材料等。

（4）生物化学功能

医用功能材料：人工脏器用材料如人工肾、人工心肺，可降解的医用缝合线、骨钉、骨板等等。

功能性药物：如缓释高分子，药物活性高分子，高分子农药等。

生物降解材料：按功能的显示过程可分为一次功能材料和二次功能材料。

（1）一次功能：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同一种形式时，材料起到能量传输部件的作用，材料的这种功能称为一次功能。以一次功能为使用目的的材料又称为载体材料。

力学功能：如惯性、粘性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、恒弹性、高弹性、振动性和防震性。

声功能：如隔音性、吸音性。

热功能：如传热性、隔热性、吸热性和蓄热性。

电功能：如导电性、超导性、绝缘性和电阻等。

磁功能：如硬磁性、软磁性、半硬磁性等。

光功能：如遮光性、透光性、折射光性、反射光性、吸光性、偏振光性、分光性、聚光性等。

化学功能：如吸附作用、气体吸附性、催化作用、生物化学反应、酶反应等。

其他功能：如放射性、电磁波特性等等。

（2）二次功能：当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于不同形式时，材料起能量的转换部件作用，材料的这种功能称为二次功能或高次功能。二次功能按能量的转换系统可分类如下。

光能和其他形式能量的转换：如光合成反应、光分解反应、光化反应、光致抗蚀、化学发光，感光反应，光致伸缩，光生伏特效应和光导电效应。

电能和其他形式能量的转换：如电磁效应、电阻发热效应、热点效应、光电效应、场致发光效应、电化学效应和电光效应等。

磁能与其他形式能量的转换：如光磁效应、热磁效应、磁冷冻效应和磁性转变等。

机械与其他形式能量的转换：如形状记忆效应、热弹性效应、机械化学效应、压电效应、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应和磁致伸缩等。

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二 功能材料应用前景

功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。世界各国均十分重视功能材料的研发与应用，它已成为世界各国新材料研究发展的热点和重点，也是世界各国高技术发展中战略竞争的热点。在全球新材料研究领域中，功能材料约占85 %。我国高技术(863)计划、国家重大基础研究[973]计划、国家自然科学基金项目中均安排了许多功能材料技术项目（约占新材料领域70%比例），并取得了大量研究成果。当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料、生物医用材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。

1.超导材料

以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用，其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。

高温氧化物超导体的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（77K）温区。同液氦相比，液氮是一种非常经济的冷媒，并且具有较高的热容量，给工程应用带来了极大的方便。另外，高温超导体都具有相当高的上临界场[H c2 (4K)>50T]，能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。正因为这些由本征特性Tc、Hc2所带来的在经济和技术上的巨大潜在能力，吸引了大量的科学工作者采用最先进的技术装备，对高Tc超导机制、材料的物理特性、化学性质、合成工艺及显微组织进行了广泛和深入的研究。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，在研究过程中遇到了涉及多种领域的重要问题，这些领域包括凝聚态物理、晶体化学、工艺技术及微结构分析等。一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。

2.医用材料

作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向；医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料和功能性生物复合材料，带有治疗功能的HA生物复合材料的研究也十分活跃。

3.能源材料

太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是研究的热点。

4.生态环境

生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃，主要研究方向是：

1）直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，CO 2气体的固化技术，SOx、NOx催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；

2）开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；

3）材料的环境协调性评价。

5.智能材料

智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间，仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。

6.能源材料

固体氧化物燃料电池：固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜燃料电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放50%，不产生NOx，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但研究的固体氧化物燃料电池的工作温度达800～900℃，其关键部件的材料制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技术主要有：

a）高性能电极材料及其制备技术；

b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术；

c）电池结构优化设计及其制备技术；

d）电池的结构、性能与表征的研究。

光电转换效率大于18%的硅基太阳能电池商品化：研制出光电转换效率大于18%的低成本、大面积、可商业化的硅基太阳能电池及其组件。

太阳能的综合利用(光电、热电、热交换)及其与风力发电的耦合技术：建立总体利用效率达15%的追尾聚集光式太阳能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合利用与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供电。

7.稀土材料

稀土催化材料

稀土永磁材料：突破高性能(N50)、高均匀性、高工作温度、低温度系数的烧结稀土永磁材料和高性能(磁能积20MGOe）粘结稀土永磁材料的产业化关键技术。

高亮度、长寿命白光LED节能照明系统：低成本、高亮度、长寿命白光LED节能照明系统产业化并进入普通百姓家庭。

生物医用材料：

1）生物芯片；

2）生物兼容性好、可降解或可诱导再生的人体软、硬组织替换材料；

3）具有分子识别和特异免疫功能的血液净化材料和装置。

生态环境材料

1）有机膜分离技术：海水（或盐碱水）淡化效率达50%的有机膜实用化和产业化。

2）固沙植被材料与技术；

3）节能、环保的建筑材料及其关键工艺技术：

突破日产2000吨的流态化水泥烧成技术，其单位能耗与粉尘排放低于的新型干法工艺；实现纯氧燃烧生产浮法建筑玻璃的产业化。

8.特种功能材料

1）无机分离催化膜：突破无机分离催化膜（透氧膜、分子筛膜、透氢膜）的关键制备技术，建立无机分离催化膜用于天然气催化转化制备合成气和液体燃料、天然气直接转化制备乙烯、生物质原料制备乙醇、天然气制氢等方面的示范性生产装置。

2）大尺寸光学金刚石膜；

3）有机磁性材料:突破本征有机磁性材料的关键技术。

4）敏感材料与传感器。

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三 我们国家功能材料的发展

我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“ 863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”“十五”国防计划中还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。在“863”计划支持下，开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜，高性能固体推进剂材料，红外隐身材料，材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；功能陶瓷材料的研究开发取得了显著进展，以片式电子组件为目标，我国在高性能瓷料的研究上取得了突破，并在低烧瓷料和贱金属电极上形成了自己的特色并实现了产业化，使片式电容材料及其组件进入了世界先进行列； 高档钕铁硼产品的研究开发和产业化取得显著进展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权； 功能材料还在“两弹一星”、“四大装备四颗星”等国防工程中作出了举足轻重的贡献。

世界各国功能材料的研究极为活跃，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷。发达国家企图通过知识产权的形式在特种功能材料领域形成技术垄断，并试图占领中国广阔的市场，这种态势已引起我国的高度重视。我国在新型稀土永磁、生物医用、生态环境材料、催化材料与技术等领域加强了专利保护。功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础,直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。

我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。

我国经济的快速增长和社会可持续发展，对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的关键因素，我国目前是世界上能源消费增长最快的国家，同时也是能源紧缺的国家。发展电动汽车、使用清洁能源、节约石油资源等政策措施使得新型能源转换及储能材料的需求不断增加。随着电子信息技术的迅猛发展，我国便携式电器如手提电话、笔记本计算机用户每年均以超过20%的速度增加，形成了一个对小型高能量密度电池的巨大社会需求。

随着移动通信等新一代电子信息技术的迅速崛起，作为一大批基础电子元器件技术核心的信息功能陶瓷日益成为我国发展相关高技术的需求重点。按照5%的世界市场占有率计，2010年我国信息功能陶瓷材料及制品的年销售额将达300亿元人民币，对信息通讯产业发展具有举足轻重的作用。

我国是一个稀土大国，其工业储量占世界总储量的70%以上，发展稀土功能材料我国有着独特的资源优势。例如，稀土永磁材料全世界的年平均增长率为23%,而我国高达60%，稀土在发光、催化等领域的应用也具有广阔的市场需求。

我国西部还拥有一些储量丰富的资源，如稀土、钨、钛、钼、钽、铌、钒、锂等，有的工业储量甚至占世界总储量的一半以上，这些资源均是特种功能材料的重要原材料。研究开发与上述元素相关的特种功能材料，拓宽其应用领域，取得自主知识产权，将大幅度地提高我国相关特种功能材料及制品的国际市场竞争力，这对实现西部资源的高附加值利用，将西部的资源优势转化为技术优势和经济优势具有重要意义，将有力地支持国家的西部大开发。

随着我国人民生活质量的进一步改善和提高,我国潜在的生物医用材料市场将很快转化为充满勃勃生机的现实市场,从而创造出巨大的社会经济效益，成为国民经济的一个支柱产业。在未来的五到十年，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求，功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料。

四 教育教学

1.职业前景：这个专业是在国家新兴产业结构调整下应运而生的，有政策支持，专业的就业前景不错。毕业生可以从事与信息技术、生物工程技术等相关的新材料开发与应用相关的职业，也可在高校、事业部门从事教学、科研工作。功能材料在国外发展迅速，新工艺层出不穷，相对于传统材料领域，就读国内该专业的学生具有较多的出国、读研机会。

2.相近专业：无机非金属材料工程、冶金工程、材料科学与工程、复合材料与工程、焊接技术与工程、生物功能材料。

硕之学者