先进材料开发与应用的展望

本文对材料的发展现状作了详尽综述，展望了先进材料的开发使用和材料科学的发展前景。由于材料特别是高性能、多用途先进材料是人类社会发展的重要推力，先进材料将继续成为科学和工程研究的重点。在众多新材料中，纤维增强树脂复合材料，和硅基电子材料是当今工业中最重要的材料，而智能材料、纳米材料、光电材料、生物材料、和高温陶瓷材料将是21世纪的研究开发重点，将发挥愈来愈大的作用。在这些最有前途的发展方向上，将可发掘出庞大的商业机会。

一、先进材料的历史地位

人们通常把材料、信息和能源并列为现代科学技术的三大支柱，这三大支柱是现代社会赖以生存和发展的基本条件之一，而材料科学显得尤为重要。从古至今，材料一直在扮演着划分时代的主角，可以说，材料是人类社会进步的里程碑，整个人类社会的物质文明史也就是一部材料发展的历史，从石器时代、青铜器时代到铁器时间，就是以每个时代出现的代表性材料而命名的。人类利用的材料的历史，溯来源远流长。人类最早使用的工具--石器，就是一种最早的天然陶瓷材料，大约在公元前5000年，人类发明用粘土烧成陶器，同时在烧陶过程中又还原出金属铜和锡，创造了炼铜技术，从而进入青铜器时代，5000年前发明炼铜技术。而现在被认为是材料的一重要发展方展方向的复合材料，其实在很久以前就已再出现，人类在6000年前就知道用稻草和泥巴混合垒墙，这是早期人工制备的复合材料；5000年前中东地区曾用芦苇增强沥青造船；我国越王剑是古老金属基复合材料的代表，它采用金属包层复合材料，不仅光亮锋利，且韧性和耐蚀性优异，在地下埋藏几千年，出土时仍然寒光夺目，锋利无比。如果说19世纪是机械世纪，20世纪是电子时代，那么21世纪将是光子时代。也有人认为21世纪将是生物、信息和材料的世纪，不管怎样，材料工业都将成为未来社会发展的重要组成部分。现代的材料按化学组成可分为金属材料、有机材料和无机非金属材料，也即金属材料、高分子材料和无机材料。一般而言，材料可分为传统材料和先进材料两大类，先进材料是指那些新近开发或正在开发的、具有优异性能的材料，先进材料对高科技和技术具有非常并键的作用，没有先进材料就没有发展高科技的物质基础，掌握先进材料是一国在科技上处于领先地位的标志之一。

二、先进材料研究与应用现状

现代科学技术发展具有学科之间相互渗透、综合交叉的特点，科学和经济之间的相互作用，推动了当前最活跃的信息和材料科学的发展，又导致了一系列高新技术和高性能材料的诞生。信息功能材料、高温结构材料、复合材料、生物材料、智能材料、纳米材料等取得了较大的发展，它们正成为国民经济发展的重要驱动力。信息功能材料。功能材料是指凡具有优良的电、磁、声、光、热、化学和生物功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高技术材料。功能材料与结构材料相比较，其最大特点是两者性能上的差异。功能材料是当代新技术如能源技术、信息技术、激光技术、计算技术、空间技术、海洋工程技术、生物工程技术的物质基础，是新技术革命的先导。

信息功能材料的发展对信息技术的进步起到了至关重要的作用。众所周知，集成电路的关键在于半导体材料和封装材料与技术。目前，硅是最重要的半导体材料，今后二、三十年也可能如此，但对硅材料的要求却愈来愈高，晶片尺寸愈大，质量要求越高，这是因为线宽赵来越细，IBM预测到2007年线宽将达到0.10微米，而现在的为0.25微米左右，那时所发的热量足以使基片熔化。于是随着电子工业的发展，集成电路、大规格集成电路以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要绝缘性能、导热性能、热膨胀匹配性能、高频性能及快速响应性能等一系列性能优良的绝缘陶瓷作为电路的基片与封装材料。特别是近10年来，由于高集成度、高信号速度电路的出现，在一块小小的硅片上安放37000000个晶体管，如此高密度的集成电路需要散热和热控制措施到位，于是高绝缘高热导的SiC瓷与AlN瓷被研究与开发并得到广泛的应用，它们不但绝缘电阻和热导率令人满意，而且热膨胀系数与单晶硅也匹配得相当好。当今，全世界每年要制造数百亿件质量相当高的集成电路，其中大约有20%要采用精密绝缘陶瓷基片。如果在计算机的集成电路中采用多层绝缘陶瓷基片与封装材料，可以使高速计算机的工作效率提高一倍，这已远超出陶瓷自身价值上千万倍。

光通信代替微波、电缆来传输信号，具有传输信号容量大造价低、中断站少、保密性强等优点，也是由于光导纤维材料的迅速发展才得以实现的。1970年美国康宁公司用气相沉积法拉制出世界上第一根石英光纤，自1975年又建成世界上第一个正式生产光纤的工厂后，光纤得到了迅速发展，各国相继建成了大规模的光纤电话网和长途干线。当然，光纤的应用不仅在于通信方面，它还可以做成各种传感器，用来测量温度、压力、位移、速度和声音等。光导纤维有氧化物玻璃、非氧化物玻璃、卤化物晶体与塑料光纤等，其中石英的性能是最卓越的，具有透光度好、光损耗小、化学性能极为稳定的特点，可用来制造100千米以上的光纤，这已在长距离海底通信光缆中得到应用。激光材料在现代科技领域中得到了广泛的应用。以前有人提出利用激光来测量地球与月球队之间的距离，即通过记录激光从地球反射到月球然后又反射返回到地球队的时间再乘以光速求得距离，就是利用了激光的方向性好发散角度小的特点；电影"珊瑚岛上的死光"中所说的"死光"，能瞬间把攻击目标化为灰烬，即利用了激光的亮度高，能量集中的特点，可以在微米级的斑点内产生几万甚至几百万度的高温。这种神奇的激光就是由激光材料制成的激光器产生的，如在光通信中用钕-钇铝石榴石晶体制作连续波激光器，可产生很大的输出功率，超过了1kw，钕-钇铝石榴石晶体是目前激光工作物质中最优秀的材料之一。Alpha-氧化铝也应用得极为普遍，是现在大功率激光器的良好材料，特别是它能产生可见光区的激光。信息记录材料正由磁记录向光记录发展，光记录也是以激光为光源，以薄膜作为光信息存储材料，光记录具有密度高、寿命长、保真度好、无噪声和可反复使用的优点。

复合材料。复合材料因为具有高强度、化学稳定性优良、耐磨、耐高温、韧性好、导热性和导电性好和自重小等性能，在许多工业领域如机械工业、汽车工业、化学工业建筑领域以及航空航天领域等得到了广泛的应用。复合材料在机械工业方面的应用主要有阀、泵、齿轮、风机、叶片和轴承等，如用酚醛玻璃钢和纤维增强聚丙烯制成的阀门使用奉命比不锈钢阀门的长，且价格便宜；铸铁泵一般重几十公斤，而玻璃钢泵重仅几公斤。在汽车工业聚合物基复合材料可用作车身驱动轴、操纵杆底盘、发动机罩等部件，近两年北京街头出现的火箭头出租车的外壳和看似笨重的黑色车轮自行车均为聚合物基复合材料所制。航空航天工业则普遍利用了复合材料的重量轻、耐腐蚀、耐高温和耐摩擦性好等特点，大量用于飞机的减速板和刹车装置、宇宙飞船控制舱的光学仪器热防护罩、内燃机活塞，X-20飞行器的鼻锥、喷嘴材料和机翼等，如飞机采用碳-碳复合材料刹车片，可减重600kg。复合材料在现代飞行器的材料中占了较大的比重，1997年7月1日香港回归时，中国驻港空军驾驶的直-9型直升飞机，其使用的复合材料超过了60%。碳-碳复合材料的使用温度可达2200℃，是火箭基体的理想材料，现已用于火箭发动机的喷管和烧蚀层。利用复合材料的比高强度和比高模量，复合材料还可广泛用于制造网球拍、高尔夫球棒、钓鱼杆、滑雪板和乐器等。功能复合材料的应用更加引人注目，树脂基隐身复合材料在美国B2及F14、F19等飞机上均有应用。陶瓷基的耐热抗激光辐照复合材料，如碳化硅增强玻璃陶瓷基复合材料在氧化环境中能耐1300℃高温，氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料具有抗激光破坏的能力，特别适合于用作天线罩的结构材料。

智能材料。智能材料是高技术新材料发展的一个重要方向，有人认为它是继天然材料、人造材料和精细材料之后的第四代材料。如果将仿生功能引入材料，智能材料就能适时地感知与响应外界环境的变化，具有自检测、自诊断、自适应、自修复、自指令等功能。如在复合材料中埋入形状记忆合金丝，可以改变内部应力情况，提高结构件的承载能力，与传感器配合，可以进行自适应控制。有人就曾设想过在球拍中安置微型的智能材料和传感受器，使之能根据来球的方面及力度而自动调整，并使打出去的球在方向和力度上变幻莫测，令对手无所适从。将传感元件埋入基体材料中，采集结构中的信息（应变、振动等），利用现代数据处理方法，自行诊断损伤的位置、类型、程度，这就是智能材料的自诊断功能。桥梁、坝体等结构是长期承载的，应用强度自诊断进行检测很有实际意义，能监测结构的裂纹及损伤，当承受特殊事故如地震时，能测得结构损伤的地点和程度等。目前一种称为机敏蒙皮（SmartSkin）的机敏陶瓷可以降低飞行器和潜水器高速运动时的流动噪声，防止发生紊流，从而可以提高速度，减少红外辐射和声辐射，达到吸波隐身的目的。又如在飞机的机翼引入智能系统，它便能响应空气压力和飞行速度的变化而自动改变其形状，从而改变升力和阻力，这能提高飞机（特别是战斗机）的安全性和存活率。在医学方面，智能药物释放体系能响应血糖浓度、释放胰岛素，维持血糖浓度在正常水平。智能材料的研究极大地推动着材料科学技术与信息科学技术之间的交叉渗透，推动着材料加工技术与信息处理技术、传感技术、计算机技术以及控制技术的紧密结合，甚至可以萌发划时代的技术革命。

纳米材料。八十年代以来，一个新型的纳米材料科学领域，越来越引起人们的兴趣。由于纳米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸均处在100nm以下，且晶界数量大幅度增加，使得材料的强度和韧性、超塑性大为提高，对材料的电学、磁学、光学等性能产生重要影响。

纳米材料有四个基本的效应，即小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，因而出现常规材料没有的特别性能，如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点、奇特的磁性、极强的吸波性等，从而使纳米材料得到了广泛的应用。用纳米碳化物、氮化物、氧化物弥散到基体中去可以显著改善陶瓷的韧性；用纳米级的羰基铁粉、镍粉、铁氧体粉末配制的涂料涂到飞机、导弹、军舰等武器装备上，使该装备具有隐身性能；因为纳米超细粉末不仅能吸收雷达波，也能吸收可见光和红外线，由它制成的材料在很宽的频带范围内可以逃避雷达的侦察，同时也有红外隐身的作用。1991年的海湾战争中，美国的战斗机之所以能够成功躲过伊拉克严密的雷达监视，一个重要的原因就是美国的战斗机机身上包覆了红外和微波吸收材料，这种蒙皮就是含有多种超微粒子的隐身材料。因为超微粒子具有很大的比表面积，能吸收电磁波，同时纳米粒子尺寸远小于红外及雷达波波长，对波的透过率很大，相应的传递给雷达的反射信号就很弱。纳米材料还可以用作高性能磁性材料、催化剂、纳米级微粒传感器。如ZnO、TiO2等氧化物体系可制成气体传感器，且具有选择性强、灵敏度高等特点。纳米材料在其它方面也有应用，如制成纳米抛光液，可使晶体的表面抛出更高的光洁度，目前有Al2O3、Cr2O3、SiO2的悬浮液；纳米静电屏蔽材料用于家电及其它电器的静电屏蔽；化纤制品和纺织品中添加纳米微粒还有除味杀菌的作用，如Ag纳米级微粒加入到袜中可以去脚臭，医用纱布中加入纳米Ag粒子有消毒杀菌的作用。对纳米材料的研究，只是近几十年的事，但由于它所表现出的性能，可以相信它将有着巨大的应用前景。美国商业通讯公司的调查报告《纳米材料的机遇》，对美国从1996年至2001年纳米材料的市场需求作了一个预测，认为纳米材料的市场需求将会有迅速的增长，而且纳米颗粒的份额占有绝对的大比重，这主要是由于纳米晶粒陶瓷的增长所致。

结构陶瓷材料。在三大材料中即金属材料、有机高分子材料和无机材料中，无机材料无疑占据了相当重要的地位，而且可以相信，未来无机材料因其特殊的性能和多学科交叉的推动，以及材料、器件、系统一体化的发展趋势，而会占有更加优势的地位。在这种意义上说，实际上陶瓷已经成了无机非金属材料的总称。精细陶瓷（也称新型陶瓷、先进陶瓷等）市场非常广阔，从1985-2000年，全世界先进陶瓷销售额约每五年翻一番。

陶瓷特别是结构陶瓷材料实用化的主要障碍，是陶瓷的脆性。纤维（晶须）增韧是解决陶瓷脆性的主要办法之一，因此陶瓷基复合材料越来越受到人们的重视。专家们预测在高温至2200℃条件下使用的材料，唯有陶瓷基复合材料是最有希望的。材料工作者们向陶瓷基内添加各种陶瓷颗粒、纤维和晶须，制备出各种陶瓷基复合材料。目前一般认为增韧的方法大致有三种，即（1）弥散韧化；（2）相变韧化；（3）纤维（晶须）韧化。自八十年代中期，人们就已开始SiC晶须增韧陶瓷基复合材料的研究，但在长期使用和研究中发现，SiC晶须存在高温氧化问题，另外，由SiC晶须陶瓷材料制造的切削工具在加工钢件时，容易被工件材料溶化以及被Ni、Fe和Cr置换，为此人们尝试用TiN、TiC、Al2O3等晶须增韧陶瓷基复合材料，但由于上述晶须制备工艺因素等方面的限制，此项工作尚处于试验探索中。增韧技术从单一的晶须增韧又发展了多重增韧，如SiC晶须和ZrO2增韧，因为SiC晶须和ZrO2的晶粒细化和韧化具有可加性，能够产生多重韧化效果，进一步提高了陶瓷材料的断裂韧性比Si3N4和莫来石陶瓷材料的断裂韧性分别提高了4.7和7.0倍。还有一种用巴基管（一种碳纤维）来增韧、补强纳米SiC陶瓷材料，结果表明，添加了巴基管后，纳米SiC的抗弯强度（室温）和断裂韧性均有所提高。对于陶瓷材料的强化，除了传统的纤维强化、晶须强化和纳米复合强化外，现在以固溶为基础的材料制备和材料改性技术也有了发展。所谓固溶复合技术，是指在不改变陶瓷晶粒的原有晶体结构前提下，通过置换某些组分元素，而使陶瓷材料的性能得到较大改变的方法。继纳米复合后，原子和分子尺度的复合将受到关注。另有一种功能梯度陶瓷，是对陶瓷的表面进行改性，形成材料的表面压应力，同时可以愈合材料表面的缺陷，从而改进体材料的整体性能。通过热等静压氮化后处理工艺，可以在碳化物基体中生长出柱状和针状β-Si3N4晶体，这样在SiC陶瓷材料的表面形成Si3N4层，而与体材料的内部在组成上构成梯度的变化，成为一种梯度结构的Si3N4-SiC复相陶瓷，具有高强度（900Mpa）和高断裂韧性（800Mpam1/2）。

高温陶瓷材料。燃气轮机是喷气式飞机、轮船、发动机组等的动力来源，在热机的高温部件如叶片、转子、导叶、燃烧筒、套管等应用高温陶瓷，对提高热机的热效率具有决定性的作用。因类欲提高热效率就得提高高温热源的温度。一个发动机组，如果涡轮进口温度从1000℃提高到1200℃，每发一度电就可节油0.05公斤，相当于原来所需燃烧的60%。但以前的金属叶片材料不耐高温，进口温度只能在550℃左右，这几乎是高温合金的使用温度极限。随着陶瓷材料的发展，特别是陶瓷材料断裂韧性和抗热震性的提高，使得涡轮进口温度可提高到1400℃左右，SiC纤维/Si3N4陶瓷制造的涡轮叶片使用温度甚至可高于1500℃。用高温陶瓷制作切削刀具，可使刀具在1200-1300℃的高温下工作，而在以前，碳素工具钢刀具的最高使用温度为200-250℃，高速钢的为500-600℃，碳化钨钴类硬质合金的为800-1000℃，改进后也只能提高到1100℃。可见耐高温的陶瓷材料是有着广泛的应用前景的。在美国，早在1990年陶瓷力具的年销售额就达到了3500万美元，预计2000年可达1.6亿美元。

生物材料。生物陶瓷是具有特殊生理行为的陶瓷材料，可用来构成人体骨骼和牙齿等部位，甚至可望部分或整体地修复或替换人体的某种组织和器官，或增进其功能。据统计，近几年全世界每年要求进行人工关节移植手术者多达15万人，仅在美国，每年就有12万人做人工髋关节移植手术，3.5万人安装人工心脏瓣膜，18万人移植人工血管。中国每年髋关节病患者至少1万人。

生物陶瓷必须具备生物相容性、力学相容性、与生物组织有优异的亲和性、抗血栓、灭菌性、很好的物理、化学稳定性。目前，生物医学陶瓷一般分为惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷、吸收性生物陶瓷、生物复合材料等四大类。如表面活性生物陶瓷中的烃基磷灰石陶瓷（HA）的抗压强度可达462~509Mpa，比致密骨的89~164MPa和牙齿的295Mpa都要高得多。因此HA大量用作人工骨、人工牙齿。人们对卫生管理的重视，导致了各种抗菌剂制品的产生。一般抗菌制品是在基材中添加抗菌剂制成的，目前使用的抗菌剂以无机抗菌剂即陶瓷剂为主，主要是指以沸石、磷酸钙、硅藻土等陶瓷材料为基体，被覆银、铜、锌等金属离子而制成的抗菌剂以及TiO2等光催化抗菌剂。生物磁性材料在医学中的应用是相当广泛的，它可用作造影剂、赤踪剂、靶向饰药系统的载体、人工发热体、骨缺损修复材料及盖髓剂等。

金属材料。金属材料由于历史长久，生产已具有相当规模，生产、设计和使用均有成熟的技术和经验。性能价格比和可靠性都较高。因此现阶段对金属材料的研究一般集中在对现有的基础进行改进和创新。如在铝合金中加入2~3%的锂，可使比重减小10%，刚度提高10%；前面所提的高温热机，人口温度已接近合金的极限温度，但如采用金属间化合物，将可能取得突破，现在有一个很具吸引力的钛铝系合金，通过中间化合物的研究，钛合金的使用温度将可能从600℃提高到800~900℃。

高分子材料虽然发展历史不长，但已取得长足的进步。各种聚合物材料及聚合物基复合材料不断涌现，它们具有许多有效的功能。如工程塑料具有高强度（50MPa）、高模量、高使用温度?gt;150℃）的性能。有些有机高分子材料还具有导电、吸波、发光、磁性等性能。现在高分子共聚物的强度可通过合金化和嵌段共聚手段，使两种以上不同性质的分子成链，也可通过共混得到不同性能的材料。目前，高分子材料已进入按需设计的阶段，即所谓"分子复合"。

三．先进材料发展前景展望

二十一世纪的科学技术，将以先进材料、先进能源、信息技术、生物技术等四大技术为中心，通过其相互交叉和相互影响，为人类创造出完全不同的物质环境。受欢迎的新型材料，应该是与生物和自然都有很好的适应性、相容性和良好感性的材料。面向二十一世纪，先进材料有如下发展趋势：继续重视对新型金属材料的研究开发，开发非晶合金材料；继续发掘复合材料和半导体硅材料的潜在价值；大力发展纳米材料、光电材料、智能材料、生物材料和高性能陶瓷材料等。先进材料的发展固然与材料科学理论的发展密切相关，没有正确的理论指导，先进材料的开发就会成为一句空话。但是，制作材料的原料、制备工艺以及分析测度手段等的进步，更是实践科学理论的关键。在原料工艺上，具有众多优点的工艺技术不断涌现，如材料表面改性及优化工程和工艺、激冷凝固工程和工艺、低维材料工程和工艺、超塑料加工工程和工艺等。以陶瓷为例，成型技术上发展了等静压、热压注射、离心注射、离心注浆、压力注浆、成型技术上发展了等静压、热压注射、离心注射、离心注浆、压力注浆、流型成膜等成型方法。烧成技术上则发展了热压烧结、热等静压烧结、反应烧结、快速烧结、微波烧结、等离子体烧结、自蔓燃烧结。在分析测试手段上，也出现了各种先进的方式和仪器。各种显微分析方法如扫描电镜、电子探针、透射电镜的发展以及与照相、计算机的连接，都有力地促进了对材料的显微结构的分析，从而对材料的发展提供技术指导。德国研究单位FraunhoferInstituteforSystemsAndInnovationResearch分析了世界各国的发展计划，总结出在21世纪初的九大重点领域，即先进材料，纳米技术、微电子学、光子学，微系统工程，软件与计算机模拟，分子电子学，细胞生物技术、信息、生产与管理工程。在这九个领域中，列出80个课题，其中属于先进材料的有24项，在其它领域中也包含了不少与材料有关的课题，如纳米技术的纳米材料，微电子学中的信息存储、微电子材料、超导及高温电子学等，共有27项，因此，在未来80个课题中，与材料有关的课题占了60%以上，可见材料在未来技术中的地位。正因为材料与人类生活息息相关，社会进步都是以材料的发展为前提的，因此性能不断提高、来源愈加广泛、能满足社会日益增加的需要的先进材料，将以更快的速度发展。有理由相信，在科技将会取得辉煌进步的21世纪，一系列高性能、有广泛用途的各种先进材料，会层出不穷地出现，渗透到生活中的每个角落、每个领域，明天的生活将更加多姿多彩，灿烂而又辉煌！