先進材料開發與應用的展望

本文對材料的發展現狀作了詳盡綜述，展望了先進材料的開發使用和材料科學的發展前景。由于材料特別是高性能、多用途先進材料是人類社會發展的重要推力，先進材料將繼續成為科學和工程研究的重點。在眾多新材料中，纖維增強樹脂復合材料，和硅基電子材料是當今工業中最重要的材料，而智能材料、納米材料、光電材料、生物材料、和高溫陶瓷材料將是21世紀的研究開發重點，將發揮愈來愈大的作用。在這些最有前途的發展方向上，將可發掘出龐大的商業機會。

一、先進材料的歷史地位

人們通常把材料、信息和能源并列為現代科學技術的三大支柱，這三大支柱是現代社會賴以生存和發展的基本條件之一，而材料科學顯得尤為重要。從古至今，材料一直在扮演著劃分時代的主角，可以說，材料是人類社會進步的里程碑，整個人類社會的物質文明史也就是一部材料發展的歷史，從石器時代、青銅器時代到鐵器時間，就是以每個時代出現的代表性材料而命名的。人類利用的材料的歷史，溯來源遠流長。人類最早使用的工具？石器，就是一種最早的天然陶瓷材料，大約在公元前5000年，人類發明用粘土燒成陶器，同時在燒陶過程中又還原出金屬銅和錫，創造了煉銅技術，從而進入青銅器時代，5000年前發明煉銅技術。而現在被認為是材料的一重要發展方展方向的復合材料，其實在很久以前就已再出現，人類在6000年前就知道用稻草和泥巴混合壘墻，這是早期人工制備的復合材料；5000年前中東地區曾用蘆葦增強瀝青造船；我國越王劍是古老金屬基復合材料的代表，它采用金屬包層復合材料，不僅光亮鋒利，且韌性和耐蝕性優異，在地下埋藏幾千年，出土時仍然寒光奪目，鋒利無比。如果說19世紀是機械世紀，20世紀是電子時代，那么21世紀將是光子時代。也有人認為21世紀將是生物、信息和材料的世紀，不管怎樣，材料工業都將成為未來社會發展的重要組成部分。現代的材料按化學組成可分為金屬材料、有機材料和無機非金屬材料，也即金屬材料、高分子材料和無機材料。一般而言，材料可分為傳統材料和先進材料兩大類，先進材料是指那些新近開發或正在開發的、具有優異性能的材料，先進材料對高科技和技術具有非常并鍵的作用，沒有先進材料就沒有發展高科技的物質基礎，掌握先進材料是一國在科技上處于領先地位的標志之一。

二、先進材料研究與應用現狀

現代科學技術發展具有學科之間相互滲透、綜合交叉的特點，科學和經濟之間的相互作用，推動了當前最活躍的信息和材料科學的發展，又導致了一系列高新技術和高性能材料的誕生。信息功能材料、高溫結構材料、復合材料、生物材料、智能材料、納米材料等取得了較大的發展，它們正成為國民經濟發展的重要驅動力。信息功能材料。功能材料是指凡具有優良的電、磁、聲、光、熱、化學和生物功能及其相互轉化的功能，被用于非結構目的的高技術材料。功能材料與結構材料相比較，其最大特點是兩者性能上的差異。功能材料是當代新技術如能源技術、信息技術、激光技術、計算技術、空間技術、海洋工程技術、生物工程技術的物質基礎，是新技術革命的先導。

信息功能材料的發展對信息技術的進步起到了至關重要的作用。眾所周知，集成電路的關鍵在于半導體材料和封裝材料與技術。目前，硅是最重要的半導體材料，今后二、三十年也可能如此，但對硅材料的要求卻愈來愈高，晶片尺寸愈大，質量要求越高，這是因為線寬趙來越細，IBM預測到2007年線寬將達到0.10微米，而現在的為0.25微米左右，那時所發的熱量足以使基片熔化。于是隨著電子工業的發展，集成電路、大規格集成電路以及超大規模集成電路相繼問世，這類電路需要絕緣性能、導熱性能、熱膨脹匹配性能、高頻性能及快速響應性能等一系列性能優良的絕緣陶瓷作為電路的基片與封裝材料。特別是近10年來，由于高集成度、高信號速度電路的出現，在一塊小小的硅片上安放37000000個晶體管，如此高密度的集成電路需要散熱和熱控制措施到位，于是高絕緣高熱導的SiC瓷與AlN瓷被研究與開發并得到廣泛的應用，它們不但絕緣電阻和熱導率令人滿意，而且熱膨脹系數與單晶硅也匹配得相當好。當今，全世界每年要制造數百億件質量相當高的集成電路，其中大約有20%要采用精密絕緣陶瓷基片。如果在計算機的集成電路中采用多層絕緣陶瓷基片與封裝材料，可以使高速計算機的工作效率提高一倍，這已遠超出陶瓷自身價值上千萬倍。

光通信代替微波、電纜來傳輸信號，具有傳輸信號容量大造價低、中斷站少、保密性強等優點，也是由于光導纖維材料的迅速發展才得以實現的。1970年美國康寧公司用氣相沉積法拉制出世界上第一根石英光纖，自1975年又建成世界上第一個正式生產光纖的工廠后，光纖得到了迅速發展，各國相繼建成了大規模的光纖電話網和長途干線。當然，光纖的應用不僅在于通信方面，它還可以做成各種傳感器，用來測量溫度、壓力、位移、速度和聲音等。光導纖維有氧化物玻璃、非氧化物玻璃、鹵化物晶體與塑料光纖等，其中石英的性能是最卓越的，具有透光度好、光損耗小、化學性能極為穩定的特點，可用來制造100千米以上的光纖，這已在長距離海底通信光纜中得到應用。激光材料在現代科技領域中得到了廣泛的應用。以前有人提出利用激光來測量地球與月球隊之間的距離，即通過記錄激光從地球反射到月球然后又反射返回到地球隊的時間再乘以光速求得距離，就是利用了激光的方向性好發散角度小的特點；電影"珊瑚島上的死光"中所說的"死光"，能瞬間把攻擊目標化為灰燼，即利用了激光的亮度高，能量集中的特點，可以在微米級的斑點內產生幾萬甚至幾百萬度的高溫。這種神奇的激光就是由激光材料制成的激光器產生的，如在光通信中用釹-釔鋁石榴石晶體制作連續波激光器，可產生很大的輸出功率，超過了1kw，釹-釔鋁石榴石晶體是目前激光工作物質中最優秀的材料之一。Alpha-氧化鋁也應用得極為普遍，是現在大功率激光器的良好材料，特別是它能產生可見光區的激光。信息記錄材料正由磁記錄向光記錄發展，光記錄也是以激光為光源，以薄膜作為光信息存儲材料，光記錄具有密度高、壽命長、保真度好、無噪聲和可反復使用的優點。

復合材料。復合材料因為具有高強度、化學穩定性優良、耐磨、耐高溫、韌性好、導熱性和導電性好和自重小等性能，在許多工業領域如機械工業、汽車工業、化學工業建筑領域以及航空航天領域等得到了廣泛的應用。復合材料在機械工業方面的應用主要有閥、泵、齒輪、風機、葉片和軸承等，如用酚醛玻璃鋼和纖維增強聚丙烯制成的閥門使用奉命比不銹鋼閥門的長，且價格便宜；鑄鐵泵一般重幾十公斤，而玻璃鋼泵重僅幾公斤。在汽車工業聚合物基復合材料可用作車身驅動軸、操縱桿底盤、發動機罩等部件，近兩年北京街頭出現的火箭頭出租車的外殼和看似笨重的黑色車輪自行車均為聚合物基復合材料所制。航空航天工業則普遍利用了復合材料的重量輕、耐腐蝕、耐高溫和耐摩擦性好等特點，大量用于飛機的減速板和剎車裝置、宇宙飛船控制艙的光學儀器熱防護罩、內燃機活塞，X-20飛行器的鼻錐、噴嘴材料和機翼等，如飛機采用碳-碳復合材料剎車片，可減重600kg。復合材料在現代飛行器的材料中占了較大的比重，1997年7月1日香港回歸時，中國駐港空軍駕駛的直-9型直升飛機，其使用的復合材料超過了60%。碳-碳復合材料的使用溫度可達2200℃，是火箭基體的理想材料，現已用于火箭發動機的噴管和燒蝕層。利用復合材料的比高強度和比高模量，復合材料還可廣泛用于制造網球拍、高爾夫球棒、釣魚桿、滑雪板和樂器等。功能復合材料的應用更加引人注目，樹脂基隱身復合材料在美國B2及F14、F19等飛機上均有應用。陶瓷基的耐熱抗激光輻照復合材料，如碳化硅增強玻璃陶瓷基復合材料在氧化環境中能耐1300℃高溫，氧化鋁纖維增強陶瓷基復合材料具有抗激光破壞的能力，特別適合于用作天線罩的結構材料。

智能材料。智能材料是高技術新材料發展的一個重要方向，有人認為它是繼天然材料、人造材料和精細材料之后的第四代材料。如果將仿生功能引入材料，智能材料就能適時地感知與響應外界環境的變化，具有自檢測、自診斷、自適應、自修復、自指令等功能。如在復合材料中埋入形狀記憶合金絲，可以改變內部應力情況，提高結構件的承載能力，與傳感器配合，可以進行自適應控制。有人就曾設想過在球拍中安置微型的智能材料和傳感受器，使之能根據來球的方面及力度而自動調整，并使打出去的球在方向和力度上變幻莫測，令對手無所適從。將傳感元件埋入基體材料中，采集結構中的信息（應變、振動等），利用現代數據處理方法，自行診斷損傷的位置、類型、程度，這就是智能材料的自診斷功能。橋梁、壩體等結構是長期承載的，應用強度自診斷進行檢測很有實際意義，能監測結構的裂紋及損傷，當承受特殊事故如地震時，能測得結構損傷的地點和程度等。目前一種稱為機敏蒙皮（SmartSkin）的機敏陶瓷可以降低飛行器和潛水器高速運動時的流動噪聲，防止發生紊流，從而可以提高速度，減少紅外輻射和聲輻射，達到吸波隱身的目的。又如在飛機的機翼引入智能系統，它便能響應空氣壓力和飛行速度的變化而自動改變其形狀，從而改變升力和阻力，這能提高飛機（特別是戰斗機）的安全性和存活率。在醫學方面，智能藥物釋放體系能響應血糖濃度、釋放胰島素，維持血糖濃度在正常水平。智能材料的研究極大地推動著材料科學技術與信息科學技術之間的交叉滲透，推動著材料加工技術與信息處理技術、傳感技術、計算機技術以及控制技術的緊密結合，甚至可以萌發劃時代的技術革命。

納米材料。八十年代以來，一個新型的納米材料科學領域，越來越引起人們的興趣。由于納米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸均處在100nm以下，且晶界數量大幅度增加，使得材料的強度和韌性、超塑性大為提高，對材料的電學、磁學、光學等性能產生重要影響。

納米材料有四個基本的效應，即小尺寸效應、表面與界面效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應，因而出現常規材料沒有的特別性能，如高強度和高韌性、高熱膨脹系數、高比熱和低熔點、奇特的磁性、極強的吸波性等，從而使納米材料得到了廣泛的應用。用納米碳化物、氮化物、氧化物彌散到基體中去可以顯著改善陶瓷的韌性；用納米級的羰基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末配制的涂料涂到飛機、導彈、軍艦等武器裝備上，使該裝備具有隱身性能；因為納米超細粉末不僅能吸收雷達波，也能吸收可見光和紅外線，由它制成的材料在很寬的頻帶范圍內可以逃避雷達的偵察，同時也有紅外隱身的作用。1991年的海灣戰爭中，美國的戰斗機之所以能夠成功躲過伊拉克嚴密的雷達監視，一個重要的原因就是美國的戰斗機機身上包覆了紅外和微波吸收材料，這種蒙皮就是含有多種超微粒子的隱身材料。因為超微粒子具有很大的比表面積，能吸收電磁波，同時納米粒子尺寸遠小于紅外及雷達波波長，對波的透過率很大，相應的傳遞給雷達的反射信號就很弱。納米材料還可以用作高性能磁性材料、催化劑、納米級微粒傳感器。如ZnO、TiO2等氧化物體系可制成氣體傳感器，且具有選擇性強、靈敏度高等特點。納米材料在其它方面也有應用，如制成納米拋光液，可使晶體的表面拋出更高的光潔度，目前有Al2O3、Cr2O3、SiO2的懸浮液；納米靜電屏蔽材料用于家電及其它電器的靜電屏蔽；化纖制品和紡織品中添加納米微粒還有除味殺菌的作用，如Ag納米級微粒加入到襪中可以去腳臭，醫用紗布中加入納米Ag粒子有消毒殺菌的作用。對納米材料的研究，只是近幾十年的事，但由于它所表現出的性能，可以相信它將有著巨大的應用前景。美國商業通訊公司的調查報告《納米材料的機遇》，對美國從1996年至2001年納米材料的市場需求作了一個預測，認為納米材料的市場需求將會有迅速的增長，而且納米顆粒的份額占有絕對的大比重，這主要是由于納米晶粒陶瓷的增長所致。

結構陶瓷材料。在三大材料中即金屬材料、有機高分子材料和無機材料中，無機材料無疑占據了相當重要的地位，而且可以相信，未來無機材料因其特殊的性能和多學科交叉的推動，以及材料、器件、系統一體化的發展趨勢，而會占有更加優勢的地位。在這種意義上說，實際上陶瓷已經成了無機非金屬材料的總稱。精細陶瓷（也稱新型陶瓷、先進陶瓷等）市場非常廣闊，從1985-2000年，全世界先進陶瓷銷售額約每五年翻一番。

陶瓷特別是結構陶瓷材料實用化的主要障礙，是陶瓷的脆性。纖維（晶須）增韌是解決陶瓷脆性的主要辦法之一，因此陶瓷基復合材料越來越受到人們的重視。專家們預測在高溫至2200℃條件下使用的材料，唯有陶瓷基復合材料是最有希望的。材料工作者們向陶瓷基內添加各種陶瓷顆粒、纖維和晶須，制備出各種陶瓷基復合材料。目前一般認為增韌的方法大致有三種，即（1）彌散韌化；（2）相變韌化；（3）纖維（晶須）韌化。自八十年代中期，人們就已開始SiC晶須增韌陶瓷基復合材料的研究，但在長期使用和研究中發現，SiC晶須存在高溫氧化問題，另外，由SiC晶須陶瓷材料制造的切削工具在加工鋼件時，容易被工件材料溶化以及被Ni、Fe和Cr置換，為此人們嘗試用TiN、TiC、Al2O3等晶須增韌陶瓷基復合材料，但由于上述晶須制備工藝因素等方面的限制，此項工作尚處于試驗探索中。增韌技術從單一的晶須增韌又發展了多重增韌，如SiC晶須和ZrO2增韌，因為SiC晶須和ZrO2的晶粒細化和韌化具有可加性，能夠產生多重韌化效果，進一步提高了陶瓷材料的斷裂韌性比Si3N4和莫來石陶瓷材料的斷裂韌性分別提高了4.7和7.0倍。還有一種用巴基管（一種碳纖維）來增韌、補強納米SiC陶瓷材料，結果表明，添加了巴基管后，納米SiC的抗彎強度（室溫）和斷裂韌性均有所提高。對于陶瓷材料的強化，除了傳統的纖維強化、晶須強化和納米復合強化外，現在以固溶為基礎的材料制備和材料改性技術也有了發展。所謂固溶復合技術，是指在不改變陶瓷晶粒的原有晶體結構前提下，通過置換某些組分元素，而使陶瓷材料的性能得到較大改變的方法。繼納米復合后，原子和分子尺度的復合將受到關注。另有一種功能梯度陶瓷，是對陶瓷的表面進行改性，形成材料的表面壓應力，同時可以愈合材料表面的缺陷，從而改進體材料的整體性能。通過熱等靜壓氮化后處理工藝，可以在碳化物基體中生長出柱狀和針狀β-Si3N4晶體，這樣在SiC陶瓷材料的表面形成Si3N4層，而與體材料的內部在組成上構成梯度的變化，成為一種梯度結構的Si3N4-SiC復相陶瓷，具有高強度（900Mpa）和高斷裂韌性（800Mpam1/2）。

高溫陶瓷材料。燃氣輪機是噴氣式飛機、輪船、發動機組等的動力來源，在熱機的高溫部件如葉片、轉子、導葉、燃燒筒、套管等應用高溫陶瓷，對提高熱機的熱效率具有決定性的作用。因類欲提高熱效率就得提高高溫熱源的溫度。一個發動機組，如果渦輪進口溫度從1000℃提高到1200℃，每發一度電就可節油0.05公斤，相當于原來所需燃燒的60%。但以前的金屬葉片材料不耐高溫，進口溫度只能在550℃左右，這幾乎是高溫合金的使用溫度極限。隨著陶瓷材料的發展，特別是陶瓷材料斷裂韌性和抗熱震性的提高，使得渦輪進口溫度可提高到1400℃左右，SiC纖維/Si3N4陶瓷制造的渦輪葉片使用溫度甚至可高于1500℃。用高溫陶瓷制作切削刀具，可使刀具在1200-1300℃的高溫下工作，而在以前，碳素工具鋼刀具的最高使用溫度為200-250℃，高速鋼的為500-600℃，碳化鎢鈷類硬質合金的為800-1000℃，改進后也只能提高到1100℃?？梢娔透邷氐奶沾刹牧鲜怯兄鴱V泛的應用前景的。在美國，早在1990年陶瓷力具的年銷售額就達到了3500萬美元，預計2000年可達1.6億美元。

生物材料。生物陶瓷是具有特殊生理行為的陶瓷材料，可用來構成人體骨骼和牙齒等部位，甚至可望部分或整體地修復或替換人體的某種組織和器官，或增進其功能。據統計，近幾年全世界每年要求進行人工關節移植手術者多達15萬人，僅在美國，每年就有12萬人做人工髖關節移植手術，3.5萬人安裝人工心臟瓣膜，18萬人移植人工血管。中國每年髖關節病患者至少1萬人。

生物陶瓷必須具備生物相容性、力學相容性、與生物組織有優異的親和性、抗血栓、滅菌性、很好的物理、化學穩定性。目前，生物醫學陶瓷一般分為惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷、吸收性生物陶瓷、生物復合材料等四大類。如表面活性生物陶瓷中的烴基磷灰石陶瓷（HA）的抗壓強度可達462~509Mpa，比致密骨的89~164MPa和牙齒的295Mpa都要高得多。因此HA大量用作人工骨、人工牙齒。人們對衛生管理的重視，導致了各種抗菌劑制品的產生。一般抗菌制品是在基材中添加抗菌劑制成的，目前使用的抗菌劑以無機抗菌劑即陶瓷劑為主，主要是指以沸石、磷酸鈣、硅藻土等陶瓷材料為基體，被覆銀、銅、鋅等金屬離子而制成的抗菌劑以及TiO2等光催化抗菌劑。生物磁性材料在醫學中的應用是相當廣泛的，它可用作造影劑、赤蹤劑、靶向飾藥系統的載體、人工發熱體、骨缺損修復材料及蓋髓劑等。

金屬材料。金屬材料由于歷史長久，生產已具有相當規模，生產、設計和使用均有成熟的技術和經驗。性能價格比和可靠性都較高。因此現階段對金屬材料的研究一般集中在對現有的基礎進行改進和創新。如在鋁合金中加入2~3%的鋰，可使比重減小10%，剛度提高10%；前面所提的高溫熱機，人口溫度已接近合金的極限溫度，但如采用金屬間化合物，將可能取得突破，現在有一個很具吸引力的鈦鋁系合金，通過中間化合物的研究，鈦合金的使用溫度將可能從600℃提高到800~900℃。

高分子材料雖然發展歷史不長，但已取得長足的進步。各種聚合物材料及聚合物基復合材料不斷涌現，它們具有許多有效的功能。如工程塑料具有高強度（50MPa）、高模量、高使用溫度?gt;150℃）的性能。有些有機高分子材料還具有導電、吸波、發光、磁性等性能?，F在高分子共聚物的強度可通過合金化和嵌段共聚手段，使兩種以上不同性質的分子成鏈，也可通過共混得到不同性能的材料。目前，高分子材料已進入按需設計的階段，即所謂"分子復合"。

三．先進材料發展前景展望

二十一世紀的科學技術，將以先進材料、先進能源、信息技術、生物技術等四大技術為中心，通過其相互交叉和相互影響，為人類創造出完全不同的物質環境。受歡迎的新型材料，應該是與生物和自然都有很好的適應性、相容性和良好感性的材料。面向二十一世紀，先進材料有如下發展趨勢：繼續重視對新型金屬材料的研究開發，開發非晶合金材料；繼續發掘復合材料和半導體硅材料的潛在價值；大力發展納米材料、光電材料、智能材料、生物材料和高性能陶瓷材料等。先進材料的發展固然與材料科學理論的發展密切相關，沒有正確的理論指導，先進材料的開發就會成為一句空話。但是，制作材料的原料、制備工藝以及分析測度手段等的進步，更是實踐科學理論的關鍵。在原料工藝上，具有眾多優點的工藝技術不斷涌現，如材料表面改性及優化工程和工藝、激冷凝固工程和工藝、低維材料工程和工藝、超塑料加工工程和工藝等。以陶瓷為例，成型技術上發展了等靜壓、熱壓注射、離心注射、離心注漿、壓力注漿、成型技術上發展了等靜壓、熱壓注射、離心注射、離心注漿、壓力注漿、流型成膜等成型方法。燒成技術上則發展了熱壓燒結、熱等靜壓燒結、反應燒結、快速燒結、微波燒結、等離子體燒結、自蔓燃燒結。在分析測試手段上，也出現了各種先進的方式和儀器。各種顯微分析方法如掃描電鏡、電子探針、透射電鏡的發展以及與照相、計算機的連接，都有力地促進了對材料的顯微結構的分析，從而對材料的發展提供技術指導。德國研究單位FraunhoferInstituteforSystemsAndInnovationResearch分析了世界各國的發展計劃，總結出在21世紀初的九大重點領域，即先進材料，納米技術、微電子學、光子學，微系統工程，軟件與計算機模擬，分子電子學，細胞生物技術、信息、生產與管理工程。在這九個領域中，列出80個課題，其中屬于先進材料的有24項，在其它領域中也包含了不少與材料有關的課題，如納米技術的納米材料，微電子學中的信息存儲、微電子材料、超導及高溫電子學等，共有27項，因此，在未來80個課題中，與材料有關的課題占了60%以上，可見材料在未來技術中的地位。正因為材料與人類生活息息相關，社會進步都是以材料的發展為前提的，因此性能不斷提高、來源愈加廣泛、能滿足社會日益增加的需要的先進材料，將以更快的速度發展。有理由相信，在科技將會取得輝煌進步的21世紀，一系列高性能、有廣泛用途的各種先進材料，會層出不窮地出現，滲透到生活中的每個角落、每個領域，明天的生活將更加多姿多彩，燦爛而又輝煌！