信息时代的信息功能材料仍是最活跃的领域.ppt

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 KTP 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 Na2O 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 T3He4 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41 90年代初 高温超导 1986 至今15年工程陶瓷已大量开发研究近40年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 质量提高 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 制备工艺的发展趋势 1 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度的气相外延 VPE 液相外延 LPE 金属有机化物化学气相沉积 MOCVD 和分子束外延 MBE 技术 2 冶金 化工材料尽量做到零排放 3 制造工艺的自动化 智能化 4 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 发展自蔓燃制备技术等 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到 原子操纵 从而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 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 进入21世纪有关制备工艺的重大基础研究项目 国家重点基础研究项目 973 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攀登计划 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 微电子机械系统 熔融还原技术基础研究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 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 六 纳米材料科学技术将成为21世纪最活跃领域 1959年12月R FEYNMAN在美国物理学会上提出纳米科学技术的概念 并提出开展在原子与分子水平制造材料的物理规律 80年初发明扫描隧道显微镜 STM 及原子力显微镜 AFM 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所出现的奇异现象而发展出新的材料 2000年二月美国总统向国会提出 国家纳米技术的建议 NationalNanotecthnologyInitiative 认为纳米技术可导致下一工业革命 应置于最优先地位 纳米科学技术主要包括 纳米材料纳米电子学 光电子学和磁学纳米医学他要求2001年拨款4 95亿美元比上一年多83 其分配 基础研究1 7亿 NSF1 22 定向课题 Grandchallengs 1 4亿 DOD0 54 DOE0 36 研究中心及网络0 77亿基础设施0 80亿其它0 28亿基础研究 NSF2 17亿 及国防系统 DOD DOE NASA共2 24亿 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 设计 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10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 但是成为现实要10 20年 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 七 21世纪将逐步实现按需设计材料材料的四要素与五要素 材料科学与工程四要素 结构 成份 合成 流程 性质 效能因结构与成份非同义词相同成份可出现不同结构建议改为五要素 成分 合成 流程 结构 性质 效能特点 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 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 材料设计是一个复杂过程 非平衡热力学结构敏感性质 如力学性质 可变因素 不定因素 太多表面与内部结构及性质的不一致性复杂的环境因素 材料设计目标是根据需要 通过合理成分与工艺流程设计 最终能做出合乎要求的工程材料 零件 器件或构件 功能材料可能首先实现材料设计重点在于 深入的基础研究 了解物质结构与性能 完整而精确的数据库 正确模型的建立 大容量快速计算机 不同学科科学家与工程师的通力合作 八 不同类型材料的发展前景 1 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7 10亿吨徘徊 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 我国在 超级钢 的研究中使200MPA级的低碳钢 400MPA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 有色金属资源在21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 21世纪将出现一个开发钛的高潮 镁与铝颇多相似之处 而镁取之不尽 海水中镁2 1 1015吨 塑性好 减震性强但不耐腐蚀 特别海水和应力腐蚀 又没找到适于强化相而不能和铝相竞争 21世纪将会受到重视 金属作为功能材料 如硅钢 的地位不会改变 硬磁材料在NdFeB的基础上还会有更大发展 2 工程陶瓷及其它无机非金属材料会得到更大发展 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 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 无疑会受到重视但水泥是重要污染源 一吨水泥产生CO20 8 1 0吨 因此 充分利用废料提高水泥标号 减少产量改进水泥 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 3 有机高分子材料将得到更大发展 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 碳纤维与结晶状态的聚乙烯 特别是资源可再生 高分子材料已接近 分子设计 水平 高分子结构材料 塑料 的用途越来越广 以体积计 90年初全世界塑料广告已越过了粗钢的体积 1995年美德塑钢比分别为2 85和1 94 而我国目前塑钢体积比不到0 5 因此我国21世纪初塑钢将大发展 21世纪更有发展前途的是有机功能高分子 目前医用高分子 高分子分离膜 高吸水树脂 感光树脂 离子交换树脂 光导纤维已经成熟并已得到广泛应用 今后要大力开发的是导电高分子 非线性高分子 铁磁性材料 半导体 超导体用于电池的离分子快离子导体以及液晶显示材料等 由于这些材料质轻 原料有保证而将得到发展 但稳定性及老化是人们担心的问题 4 先进复合材料 先进复合材料是近几十年来十分重视开发的一类材料 有的已经很成熟并得到大量应用 如树脂及复合材料 已用于宇航及运动器材等要求比强度及比模量高的结构件 长纤维强化的金属基复合材料虽然具有明显优越性 以其价格高连接难 不可大量推广 因此今后的任务是发展新工艺降低成本 颗粒或短纤维强化的金属基复合材料 为提高强度和耐热性有可能大量推广 陶瓷基复合材料除了提高高温性能以外 更重要的是增加性 目前正处于开发阶段 5