化学及新型材料

高分子分离膜具有特殊分离功能高分子材料薄膜，特点能让某些物质有选择地通过，而把另外一些物质分离掉。人造心脏人工肾脏人工膝关节人工心脏瓣膜医用高分子材料优异生物相容性，较少受到排斥，可以满足人工器官对材料的苛刻要求。化学与新型材料主讲人黄凯一、材料分类二、功能材料1、信息功能材料（半导体材料、光电子材料）2、能源功能材料（超导材料、磁性材料、贮能材料、燃料电池）3、生物材料与智能材料（医用生物材料、仿生材料）4、纳米材料三、军用新材料◆

人口、资源(能源)、环境（生态）三大压力◆

信息与经济全球一体化◆

知识经济时代意味着科学技术与教育将受到更高的重视◆国防与战争仍是促进科学技术发展的动力◆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)◆

人的质量是社会进步决定性的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:序言一、材料分类化学有机化学无机化学材料有机材料无机材料按化学组成分类金属材料黑色金属及其合金有色金属及其合金非晶、微晶金属材料特种功能金属材料无机非金属材料玻璃与非晶无机非金属材料低维无机非金属材料人工晶体材料无机陶瓷材料特种功能无机非金属材料高分子材料塑料、橡胶和纤维功能高分子材料高性能高分子材料高分子液晶材料复合材料金属基金复合材料无机非金属基复合材料聚合物基复合材料其他复合材料二、功能材料

1、信息功能材料（半导体材料、光电子材料）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。信息时代信息功能材料仍是最活跃的领域。■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(0.07μm)（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。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。联芯科技推出TD四核芯片LC1813（2）第二代半导体材料是Ⅲ-Ⅴ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。高效电源模块主要采用国产三结GaInP2/GaAs/Ge高效太阳电池阵。神舟七号（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。（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（Cr3+

、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（附表）全球鹰隐身无人机侧视雷达/光电/红外探测装置光纤材料:

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、…（7）记录材料21世纪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（γ-Fe2O3及加Co-γ-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。数据永久保存铼德推M-DISC千年光盘2、能源功能材料

化石能源日益枯竭（甲烷水化物）

环境要求越来越高

人口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度增加（1）可再生能源的开发

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（61017kwh）

密度低1kwh/m2

气候影响大太阳能利用形式

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。

多晶Si17.7%

单晶Si23.1%贴上了这张膜手机充电只需晒太阳单晶体和多晶体的区别？

多晶体晶体是由许许多多的小晶粒组成，晶粒之间的排列没有规则，如金属铜和铁。单晶体晶体本身就是一个完整的大晶粒，如水晶和晶刚石。

单晶硅与多晶硅光伏电池的比较？

单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高。多晶硅电池成本低，转换效率略低于直拉单晶硅太阳能电池。附：中欧光伏战

2012年9月和11月，应欧盟支持太阳能组织请求，欧盟委员会对原产自中国的太阳能电池发起反倾销、反补贴调查。

2013年5月，商务部新闻发言人多次表示，如欧方对华光伏产品征收反倾销重税，将严重危害中欧经贸关系。“我们不希望看到‘贸易战’，但如果欧方对(光伏)产品设限，我们也将切实维护中国企业的利益。”

5月22日，中国机电产品进出口商会发表声明称，近期中国与欧盟就光伏产品双反案进行的首轮价格承诺谈判宣告破裂。

根据欧盟决策规则，成员国于今年5月24日前就欧盟委员会贸易委员卡雷尔.德古赫特提出的征税方案提交正式书面意见。据路透社调查，欧盟27国中，15国明确表示反对征税，6国支持，6国没有回应。

5月底，李克强访问瑞士和德国时多次强调，中国坚决反对欧盟对华光伏产品和无线通讯设备发起“双反”调查。试就“无锡尚德”事例，谈谈你对综合利用太阳能的认识？核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配核燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。缺点：核污染历史上重大核污染事件：1、日本遭受原子弹袭击

2、切尔诺贝利核泄漏事件3、三里岛核事故4、乌拉尔贮存罐核爆炸5、太平洋上的核试验，比基尼事件6、福岛第一核电站泄漏事故（2）核能目前核电站基于铀裂变（热中子反应堆）燃料U235，铀矿中占0.71％，U238为99.28％。日本高滨核电站（3）超导材料（superconductingmaterials）定义：在适当的温度、磁场强度和电流密度下，具有超导电性的材料。特性：零电阻、抗磁性、同位素效应应用：①利用材料超导电性可制作磁体，应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等；可制作电力电缆，用于大容量输电（功率可达10000MVA）；可制作通信电缆和天线，其性能优于常规材料。②利用材料完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件，其运算速度比高性能集成电路的快10～20倍，功耗只有四分之一。

资料图：中国军工船舶系统714研究所2005年披露的超导电磁流体推进概念潜艇模型

(4)磁性材料

硅钢片是最重量要的软磁材料

铁基非晶态合金有明显优越性

特别用于：电焊机，节能，体积小

作为结构材料：耐磨（作磁头）、耐蚀ATS-200M硅钢片铁损磁感测量仪（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高能电池贮氢材料金属间化物贮氢基本成熟（表），但用于汽车燃料存在比重大，易中毒和价格问题。纳米碳管是最近发现的贮氢材料，正在研究开发中。表－几种金属氢化物贮氢材料液氢（-235℃）Mg2NiH4LaNi5H6TiFeH1.9相对含氢密度11.331.481.35相对含氢量（%）1003.81.41.8

下表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－几种典型电池反应机理和特性（6）燃料电池

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。

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。

美氢燃料电池板块涨势凌厉汽车动力氢时代驶近3、生物材料与智能材料将受到高度重视21世纪是生命科学时代（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。（2）仿生材料医用生物材料海洋生物医用材料“止血愈创纱”医用胶片进入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4、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。纳米技术与3D打印让超级听力不再是超人的专利，每个普通人都可以成为超级英雄。透明化可弯曲纳米纸纳米纤维既坚韧又有强度结束语一）新材料发现不等于能应用于实际，有很多看来诱人如金属的非晶态、高温超导等，但生产工艺不过关，价格没竞争能力，而不能产业化。二）新材料的发现往往出于偶然，如超导、C60等因此广泛探索，悉心钻研十分关键。三）新材料的研究开发与产业化，有赖于高技术的发展而高技术又以新材料基础和先导，因此新材料与高技术相辅相成。四）在开发先进材料的同时，必须重视传统材料，因此后者是国民经济和支柱产业的基础，资源消耗的大户，又是环境的主要污染源。传统材料性能的提高的生产工艺的改进，有很大潜力必须给以更高的投入（人力、财力）和足够的重视。

五）通过纳米科学技术和学科间的交叉，21世纪材料科学技术将会出现突破性进展，新型材料不断涌现为信息技术、能源技术、机械制造、空间技术等的发展创造条件，并达到小型化、智能化和多功能化。六）进入21世纪我国重大基础研究项目中，在国家重点基础研究（973）80个项目中有26项与材料有关属于材料领域者有11项，自然科学基金有60个重大项目，与材料有关的有17项，但多数于化学领域。三、军用新材料飞机、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