新材料技术发展及影响.docx
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新材料技术发展及影响
新材料技术开展及影响
摘要：
概述了材料技术开展的特点和影响。
概述了材料科学技术的开展史，分析了新材料产业的特点和新材料技术的特点。
并以世博会上不同国家场馆使用的新材料为例，说明了新材料的开展趋势。
最后从不同角度分析了，新材料技术的影响。
关键词：
新材料材料技术
Abstract：
Thisarticlemainlyintroducestheinfluenceanddevelopmentofthematerialstechnology.Summarizesthematerialsscienceandtechnologydevelopment,andAnalysesthecharacteristicsofnewmaterialindustryandnewmaterialstechnologycharacteristic.AndtakethenewmaterialsusinginthewordexpovenueforexampletodescribeThetrendofthedevelopmentofnewmaterials.Finallyfromdifferentangles,analyzestheinfluenceofnewmaterialstechnology.
Keywords:
Newmaterials,MaterialsTechnology
1材料技术开展概况
1．1材料技术概况
材料技术也称为材料工程，指人类从现有的原始材料出发经过各种加工手段制造出来的产品材料，包括人类在动物、植物、矿物原料或已有原料上生产出来的所有物质。
材料科学能为人类制造出形形色色的有用器件。
材料也是人类开展进步的标志之一，任何工程技术都离不开材料的设计和制造，一种新材料的出现，必将支持和促进当时文明的开展与技术进步。
18世纪之前人们对材料的认识处于初级阶段，对已有的原料如石头、陨石、粘土等进展简单的打、磨、冶炼、烧结等。
18世纪60年代，英国工业革命之后，蒸汽时代的到来标志着自然科学进入了一个飞速开展的时代。
材料科学作为自然科学的重要分支，在这一时期得到了迅猛的开展。
可以说材料科学的开展与人类社会的开展进步息息相关，不同用途材料的制备与产生为各行各业的开展提供了物质保证。
特别是上个世纪后期，琳琅满目的新型材料的出现，包括纳米材料、智能材料等等，这就愈来愈需要人们去研究和探索。
材料科学与工程[1]（MaterialsScienceandEngineer）顺应潮流而诞生。
材料科学与工程就是关于材料成分、构造、工艺，、材料组织与构造、材料的性能及测试技术、材料用途之间相关知识与应用的一门学科。
它涉及面十分广泛，包括材料及材料工程、外表工程、材料科学根底、材料组织与构造、测试技术等等。
能源、材料、信息是现代科学技术的三大支柱。
我国也形成了相应的三大支柱产业，能源与信息产业的开展在很大的程度上要依赖于材料的开展。
所以，工业技术先进的国家都十分重视新材料的研究与开发。
而各种新型材料的涌现，导致某些产业部门的变革，对世界经济和社会构造产生重大影响。
下列图粗略描述了材料技术的开展史
图1材料技术开展史
1.2材料技术开展史
总的来说，从人类的出现到20世纪的今天，材料技术大致经历了以下五个阶段。
使用纯天然材料的初级阶段
远古时代，就是人们通常所说的旧石器时代，人类只能使用天然材料〔如兽皮、甲骨、羽毛、树木、草叶、石块、泥土等〕来生产工具，这一阶段，人类所能利用的材料都是纯天然的。
这一阶段的后期新石器时代初始阶段，虽然人类文明程度有了很大进步，在制造器物方面有了种种技巧，也制造出许多新型工具，但是都只是纯天然材料的简单加工，并没有实质性的突破。
人类单纯利用火制造材料的阶段
这一阶段横跨人们通常所说的新石器时代、青铜器时代和铁器时代，也就是距今约5000年前到20世纪初的一个漫长时期，它们分别以人类的三大人造材料为象征，即陶、铜和铁。
这一阶段主要是人类利用火来对天然材料进展煅烧、冶炼和加工的时代。
例如人类用天然的粘土烧制陶器、砖瓦和陶瓷，以后又制出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等金属材料，等等。
利用物理与化学原理合成材料的阶段
20世纪初，随着物理学和化学等科学的开展以及各种检测技术的出现，人类一方面从化学角度出发，开场研究材料的化学组成、化学键、构造及合成方法[2]。
另一方面从物理学角度出发开场研究材料的物性，就是以凝聚态物理、晶体物理和固体物理等作为根底来说明材料组成、构造及性能间的关系，并研究材料制备和使用的有关问题。
由于物理和化学等科学理论在材料技术中的应用，从而出现了材料化学、材料物理等穿插学科。
自此，人类开场了人工合成材料的新阶段。
这一阶段以合成高分子材料为开端，一直延续到现在，而且仍将继续下去。
人工合成塑料、合成纤维及合成橡胶等合成高分子材料的出现，加上已有的金属材料和陶瓷材料〔无机非金属材料〕构成了现代材料的三大支柱。
除合成高分子材料以外，人类也合成了一系列的合金材料和无机非金属材料。
超导材料、半导体材料、光纤等材料都是这一阶段的出色代表。
从这一阶段开场，人们不再是单纯地采用天然矿石和原料，经过简单的煅烧或冶炼来制造材料，而是利用一系列物理与化学原理及现象来创造新的材料。
并且根据需要，人们可以在对以往材料组成、构造及性能间关系的研究根底上，进展材料设计。
使用的原料本身有可能是天然原料，也有可能是合成原料，而材料合成及制造方法更是多种多样。
不同材料复合阶段
20世纪50年代金属陶瓷的出现标志着复合材料时代的到来[3]。
随后又出现了玻璃钢、铝塑薄膜、梯度功能材料以及最近出现的抗菌材料，都是复合材料的典型实例。
它们都是为了适应高新技术的开展以及人类文明程度的提高而产生的。
到这时，人类已经可以利用新的物理、化学方法，根据实际需要设计独特性能的材料。
现代复合材料最根本的思想不只是要使两种材料的性能加和，而是要想方法使它们性能更优越。
严格来说，复合材料并不只限于两类材料的复合。
只要是由两种不同的相组成的材料都可以称为复合材料。
材料的智能化阶段
自然界中的材料都具有自适应、自诊断和自修复的功能。
像所有的动、植物都能在没有受到绝对破坏的情况下进展自诊断和自修复。
人工材料目前还不能做到这一点，但是近三四十年研制出的一些材料已经具备了其中的局部功能，这就是目前最吸引人们注意的智能材料，如形状记忆合金、光致变色玻璃等等[4]。
尽管近10余年来，智能材料的研究取得了重大进展，但是离理想智能材料的目标还相距甚远，而且严格来讲，目前研制成功的智能材料还只是一种智能构造。
由上可见，20世纪，材料技术的开展速度是前所未有的。
1.3现代材料的新要求
现代社会对新一代材料的要求大致有以下几点：
①构造与性能相结合，要求材料不仅能作为构造材料使用，而且能具有特定的功能或多种功能；②智能型，要求材料本身具有感知、自我调节和反应的能力，具有敏感和驱动的双重功能；③污染少，为了人类的安康，要求材料的制作和废弃过程尽可能不污染环境；④节约能源，要求制作时能耗尽可能少，同时又能利用和开发新的能源；⑤可再生性，一方面可保护和充分利用自然资源，另一方面又不为地球囤积太多废料。
2材料科学开展特点
2.1我国新材料科技产业开展特点
新材料是新兴工业的根底。
我国大力开展对国民经济有重要支撑作用的新材料，特别是开展具有自主知识产权、和受西方制约并对我国实行技术、产品封锁的新材料，使在一些重点、关键新材料的制备技术、工艺技术、新品种开发技术及节能、环保和资源综合利用技术上，有突破性的进展。
“十一五〞期间，国家规划，新材料产业要围绕信息、生物、航空航天、重大装备、新能源等产业开展的需求，大力提升电子信息材料水平，加快航空航天材料的研制，扩大新能源材料生产能力[5]。
目前，许多省市政府把新材料产业作为新的经济增长点列入开展规划中，并将出台配套的产业政策给予重点支持。
其中以、XX、XX、XX、XX、XX、XX、XX最为突出。
下表给出了我国各个区域重点开展的新材料领域概况[6]、[7]。
表1中国各区域新材料开展重点领域概况
分区
省市
重点开展区域
华东
XX
特种钢材料、化工新材料〔北钢南化〕
XX
复合材料、有机高分子材料、稀土材料、仿生与生物医用材料、生态环境材料、新型高性能钢铁材料、有色金属及微晶合金材料
XX
磁性材料、光电信息材料、有机硅材料、高性能无机材料、医药中间体、精细化工材料、新型建材、纺织材料、功能高分子材料、氟材料等
XX
化工新材料、复合材料、电子材料、纺织材料等
东南
XX
建筑卫生陶瓷、高性能涂料、改型塑料、新型电池、汽车材料、黏胶材料、铝型材等
XX
电子材料及元件、钨制品、粉末冶金、硬质合金、磁性材料和半导体等
华北
电子信息材料、磁性材料、新能源材料、超导材料、生物医用材料、纳米材料等
XX
化工新材料、金属新材料、新能源材料、区熔单晶硅材料、化合物半导体材料、锂离子电池材料、太阳能电池材料、纳米材料及超导滤波器等
XX
半导体材料、特种钢、特种陶瓷、化工新材料和太阳能电池材料等
东北
XX
金属材料、化工新材料、镁质材料
XX
汽车材料、化工新材料和光电子材料
XX
石化新材料、特种陶瓷材料
中部
XX
超硬材料、耐火材料、有色金属材料、电子材料和建筑材料等
XX
电子信息材料、生物医用材料、纳米材料、节能环保材料等
XX
能源材料、复合材料、硬质合金和有色金属材料、有机高分子材料等
西部
XX
有机高分子材料、纺织新材料、非金属新材料、金属新材料等
XX
有色金属材料、黑色金属材料、建筑材料和煤基材料等
XX
有色金属材料（铝、铜等）、黑色金属材料、生态环境保护及修复材料等
XX
有色金属材料（铝）、无机非金属材料（磷）
XX
纳米二氧化钛材料
2.2不同类型的新材料开展特点
根据我国当前及未来开展的实际情况，新材料领域主要有半导体材料、构造材料、有机／高分子材料、敏感与传感转换材料、纳米材料、生物材料及复合材料。
下面分别介绍它们各自的特点和开展趋势。
.构造材料[8]
Fe基、Al基、Ti基以及Mg基合金作为力学材料的主体，构成了一系列构造材料，其主要功能是承当负载〔如火车、汽车、飞机用板材〕。
汽车用钢材近年来已从一般钢铁开展为使用合金或特殊高强Mg基合金。
高强Ti合金在高强钢中占有重要地位，不锈钢那么有取代碳钢的趋势。
用于军用飞机的Al合金及一般钢材那么被先进的Ti合金及高分子基复合材料所取代。
进一步还需要开展碳纤维增强复合材料或Al基复合材料。
半导体材料
随着高科技开展的需要，半导体及其应用研究中心正向微型或低维量子器件、改善传输质量和效率、增大功率和距离等方向转变。
半导体化合物〔GaAs、InAs、GaN、SiC等〕具有重要的应用前景。
有机/高分子材料
有机/高分子材料是现代工业和高新技术的重要基石，已成为国民经济根底产业以及国家平安不可缺少的重要材料。
一方面通用高分子材料需要不断地升级改造，以降低本钱、提高材料的使用性能。
另一方面各类新型的高分子材料将应运而生，尤其是有机及聚合物分子或少数分子组合体的光、电、磁等特性将成为高分子向功能化以及微型器件化开展的重要方向。
敏感与传感转换材料
敏感与传感转换材料是指对电、磁、光、声、热〔温度〕、力、化学、生物变化敏感并具有转换功能的材料。
包括磁性材料、磁电材料、磁阻和巨磁阻材料、电磁液流变液体、磁致伸缩材料、电阻材料、超导材料、感光和发光材料、介电材料〔介电、压电、铁电、热释电、微波材料〕、气敏、湿敏、温敏材料、热偶、记忆合金及储氢材料、生物传感材料及智能材料。
此类材料是目前研究比拟热的领域，但进展缓慢。
可以想象随着人们对材料技术的关注和政府的扶持，材料科技必将有所突破。
纳米科学与技术
自从1991年碳纳米管的出现[9]，纳米技术一直是材料技术研究的热点，研究结果也说明材料处于纳米尺寸时有许多的优点。
如今碳纳米管研究已经比拟成熟，最近研究主要集中在纳米复合材料、高分子纳米材料，纳米复合纤维，导电纳米材料，设计和构筑新的纳米构造、材料和器件。
最新的研究报道提出：
纳米TiO2和纳米ZnO等陶瓷粉，具有抗紫外线的作用[10]。
以此类材料与纤维复合制成的织物，便于印染整理，手感柔软，透气凉爽，服用性好。
将二氧化锡和氧化锌等白色纳米粉体与纤维高聚物混合纺丝可制成白色导电纤维，可用来制作防护服、工作服和装饰性导电材料。
涂料中添加纳米材料，如纳米TiO2，可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，可应用于医院和家庭内墙涂饰；在涂料中添加纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍提高，涂料的质量和档次大大升级。
纳米稀土是目前国内纳米材料研发的热点之一。
目前正在重点开发纺织纤维用纳米稀土材料、PDP\LED用稀土发光材料、稀土荧光粉和高性能稀土合金。
纳米稀土的主要应用方向为汽车尾气催化剂〔如纳米CeO2〕、纺织纤维添加剂、高性能稀土发光材料、陶瓷及涂层等。
生物材料
生物材料一般指具有生物活性或某种生物功能的人造材料，生物材料包括仿生材料、生物医用材料、生物灵性材料，即在电、光、磁等作用下具有伸缩功能的类似生物的智能材料。
目前研究的重点是生物材料分子自组装。
2.3当代新材料开展趋势
刚刚完毕的XX世博会，以“城市，让世界更美好〞为口号，唱响了新的城市，新的生活。
而这一切都离不开新材料的应用，各国场馆的建立表达了，最新材料技术的特点[11]。
下面以不同场馆使用到的新材料为例，说明未来新材料的开展趋势。
新型环保塑木材料：
或成开展趋势
与正红色“东方之冠〞相照应的是，中国馆周围大片红木色的地板。
这些地板既有木材的质感，也有木料的纹路，但事实上这些地板并不是木头制作的，而是一种名叫塑木的新型环保材料。
塑木的主要成分是塑料和天然纤维，是采用特殊工艺如〔挤出、注塑、压模等〕将塑料和天然木质纤维加工成型的产品。
与传统木材相比，塑木最大的优势就是对环境奉献大，节省木材有利于保护环境、不需要油漆防止对环境的污染、不怕水、在10年左右的使用周期完毕后可回收利用不产生二次污染。
砂基透水砖：
低碳型建筑材料[12]
世博会中国国家馆广场所用的“仁创砂基透水岩〞是仁创科技集团自主研发，以沙漠中的风沙为原料，通过免烧结工艺制备而成。
其“低投入、高产出、低消耗、少排放、能循环、可持续〞的特性不仅符合低碳经济开展需要，而且满足建筑生态文明的需要。
太阳能电池板：
光伏建筑一体化材料
中国国家馆采取了利用68米平台和60米观景平台铺设单晶硅太阳能组建的方案总装机容量达302千瓦。
中国馆的60米观景平台四周采用特制的透光型“双玻组建〞太阳能电池板，用这种“双玻组建〞建成的玻璃幕墙，既具有传统幕墙的功能，又能够将阳光转化成清洁电力，一举两得。
PTFE膜材料：
打造世界最大顶棚膜构造
阳光谷——世博轴的要害性节点。
6个阳光谷之间的索膜构造是迄今为止世界上最大的连续X拉索膜构造。
索膜选用了一种名为聚四氟乙烯〔PTFE〕的纤维，膜材料厚度仅为1毫米，但强度高，设计X力到达5吨/平方米，该材料具有不易燃烧、防紫外线、抗风化、高反射性等特点。
由于索膜构造表层含有一层功能涂料，因此具有自清洁功能。
此外，透明玻璃与金属架连接处采用高性能硅橡胶和化学粘合剂。
新型合成树脂：
环保材料
韩国馆的外立面由合成树脂做成，但跟以往很难腐化的合成树脂不同的是，韩国馆外立面用合成树脂是可腐化的。
在世博会后，韩国馆将被撤除，而这些合成树脂外立面那么将被制作成环保袋。
胶合木：
强度堪比钢材
瑞典国家馆的入口是由纵横交织的木梁和木柱支撑起来的。
这些木梁、木柱所用的材料是胶合木，是一些边角木料用胶粘成的“栋梁之材〞。
胶合木由单独的规格材层板组成。
木材经过烘干、刨平成板材后分类成各种强度级别，多层板材用胶粘剂黏合搭接，以获得不同的长度、厚度和形状。
由于这种特殊的生产方法，胶合木可以做成尺寸和形状各异的构造部件。
胶合木与一样体积的普通木材相比，具有更大强度和刚性。
特殊不锈钢板材：
塑造逼真的“流动沙丘〞
阿联酋馆在设计中采用了一种玫瑰金色的不锈钢，这种板材是将不锈钢板浸泡在热的铬和硫酸中，通过增加氧化膜的厚度来取得动态的色彩效果。
当阳光照射在板材上时，光线分别在金属层和氧化膜上折射，通过分隔光谱，就能反射出不同的颜色。
也就是说，只要有阳光，游览者站在不同角度就能看到阿联酋馆反射出不同的颜色。
最重要的是，到达这样的效果无须任何能源[13]。
革新性建筑布料：
建筑外墙的第二层皮肤
德国馆的外墙使用的是网状、透气性良好的革新建筑布料，表层织入一种金属性银色材料，这种材料对太阳辐射具有极高的反射力。
同时，同时，这种网状构造的包覆材料具有透气功能，还有利于馆内空气流通，能有效防止因人流密集而导致热量聚积，减轻展馆内空调设备能源消耗的负担。
可再生软木：
打造最环保建筑
葡萄牙馆3640平方米的外墙被28000千克的软木板包裹，堪称世界最环保的外墙隔绝技术。
在场馆内部，铺设了1100平方米的软木地板。
放映大厅中780平方米的墙面全部由软木覆盖，在吸音作用上到达良好效果。
本届世博会上，葡萄牙馆使用的软木，都是用边角余料压合制成的，“这些软木如同为外墙穿上了一层泡沫外衣，不仅可以到达隔音、隔热的效果，而且在展览完毕之后还能回收再利用。
〞软木具有良好的吸音、隔热和减震作用，代表了一种可持续性开展理念，以及人与自然和谐开展的创新精神。
多种新型材料：
构建艺术外观[14]
波兰馆的建筑外形呈现不规那么状，非常抽象，建筑外表以民间剪纸术为参考，布满了镂空花纹。
波兰馆的外表层选择了一种激光切割胶合板，这些胶合板被安装在一块块的建筑模块上，再在模块外表装上玻璃和防水、防火、防紫外线辐射的环保材料。
在建筑中，先将胶合板切割好，再安装在一块一块的胶合板建筑模块上，然后再在模块外表装上玻璃、聚碳酸酯、防水或防紫外线辐射的材料，最终构成墙体。
在镂空剪纸胶合板下面，还要安装半透明的PVC或高密度聚乙烯合成的薄膜材料，以形成封闭的外表，从而最大限度节约资源、减少污染。
综上，低碳、环保、低能耗、可再生成为21世纪的新材料开展特点和趋势。
3新材料技术的影响
3.1材料技术的带动作用。
表2材料技术开展的带头作用[15]
时间
时代特征
技术开展特点
对产业的带头作用举例
第一次革命
公元前2000年
石器时代
石器打、磨
自然资源加工
农业畜牧业开展
第二次革命
公元前1350~1400
青铜器，
铁器时代
铜的熔炼
武器的兴旺
第三次革命
公元1500~1700
工业革命之后
蒸汽机出现
钢构造〔军舰、铁桥〕
蒸汽机、内燃机
电镀、电解铝
第四次革命
20世纪初
合成材料
酚醛树脂、尼龙等塑料合成
陶瓷材料合成
航空航天技术迅速开展
超导材料的应用
计算机技术、信息技术
第五次革命
20世纪末
新材料与新工艺
性能设计与工艺设计一体化
生物工程
可持续开展
太空资源开发
新材料作为一个根底性和关联性非常强的产业领域，其开展可以广泛带动汽车、航空设备、通讯设备、家电、IT行业以及房地产、交通运输、城市建立等领域的技术进步。
近年来，中国新材料产业市场需求平均年增长率都在20%左右，整个产业正处于迅速的开展状态之中。
在其带动下，汽车、通讯设备、家电、IT产业、房地产等领域也获得了比拟快的开展，材料产业成为国民经济的主要支柱产业之一。
例如，为了支持我国轿车工业的开展，设立了“轿车新材料〞专项。
开发了新材料85种，新产品165项。
84项科技成果已得到实际应用，52项科技成果实现了商品化研制生产的材料已应用于桑塔纳、奥迪、捷达、富康等的某些车型。
3.2新材料与国防
新材料为我国战略战术武器和重点军工型号任务的开展提供了所需的关键配套物质根底，如高能量密度固体火箭推进剂、低密度烧蚀材料、隐身材料、NA1、Al和TAl金属间化合物合金、金属基复合材料等。
3.3民用新材料的影响
随着化工新材料在技术上的突破，规模化生产导致本钱大幅下降，价格已为民用产品所承受，加上化工新材料具有耐高温、耐腐蚀、抗老化及强度高等优异的性能，目前已经广泛应用于电子、汽车、建材领域，中国经济的高速开展带动了对类似电子、汽车等消费品的需求，这些下游消费品的需求又促进了新材料的开展。
能源、信息领域使用的关键材料也取得了进展，如快堆用的ODS包套材料、Mo材料、人工晶体材料、半导体激光器模块、片式陶瓷电子元件、印刷电路用高挡电解铜箔和新型二次电池等。
国内龙头企业通过不断研发和创新，形成了具有自主知识产权的工艺和技术，逐渐具有本钱和规模优势，进口替代趋势明显。
比拟典型的是有机硅产品，在国内未建成工业化装置之前，国外对手采取的封锁技术以及高价策略，有机硅中间体产品价格昂贵。
国内装置建成之后，国家积极保护民族产业，使得我国有机硅产业迅速开展，并接近国际水平。
另外，我国研发的各种高性能增强体材料也正在逐步替代进口产品，一批有特色的高性能树脂已经研制成功，新一代树脂基、金属基、和陶瓷基复合材料正在研发中，国内支柱产业及高技术产业开展对新材料的需求不断扩大,机械制造业、电子信息制造业、汽车工业、建筑业等支柱产业的快速开展对原材料在质量、性能与数量等方面都提出了更高的要求;高新技术产业将带动新材料需求的增加,特别是电子信息材料以每年20—30%的速度增长,生物医用材料以约20%的速度递增。
4结论
材料科学技术的迅速开展，一方面促进了新材料设计与制备加工工艺时代的到来，包括先进制备技术、加工与成形技术在国内的开展，反过来也促进了国民经济和国防建等各个领域高新技术的开展，促进了人类社会的繁荣和人们生活水平、质量的提高。
另一方面，以资源、能源以及环境等为代表的可持续开展问题，是人类进入21世纪后社会开展面临的最大挑战。
因此，节能、高效和优质，不仅对于传统材料加工技术的开展，而且对于未来材料加工技术革命，都是至关重要的核心关键问题。
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