新材料产业规划与研究

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  新材料概况及重点发展方向:

  1.新材料概况


  新材料是指新发现或通过人工新合成而产生的具有优异性能和特殊性能的材料,或者对传统材料使用新技术进行物理或化学改性处理以后形成的比原有材料性能更优异、具有可替换潜力的新型材料。新材料具有知识与技术密集度高、与新工艺和新技术关系密切、更新换代快、品种式样变化多等特点。

  新材料是传统产业转型升级的基础,同时也是超级大乐透智能发展的重要支撑。作为先导性的超级大乐透智能需要优先发展新型材料,传统制造业的技术改进及节能减排也需要通过新型材料来实现??梢运敌虏牧鲜翘岣吖液诵木赫Φ闹匾α?。新材料作为高新技术的基础和先导,应用范围极其广泛,它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域。

  按照新材料属性、功能划分,新材料可分为六大板块:特殊金属功能材料、高端金属结构材料、先进高分子材料、新型无机非金属材料、高性能纤维及复合材料、前沿新材料。在《新材料产业“十二五”发展规划》中做了更细的划分,特殊金属功能材料及高端金属结构材料主要是各种有色金属材料、特殊钢及半导体材料,先进高分子材料主要包括各种化工新材料,新型无机非金属材料主要包括特种玻璃、先进陶瓷、新型建材,高性能纤维及复合材料主要是金属材料、化工材料及非金属材料的高性能复合产品,前沿新材料包括超导、纳米、生物、智能等先进领域材料。

  根据我国当前及未来发展的实际情况,新材料领域值得注意的新发展方向主要有半导体材料、结构材料、高分子材料、敏感与传感转换材料、纳米材料、生物材料及高性能复合材料。

  2.特殊金属功能材料

  特殊金属功能材料包括稀土功能材料、稀有金属材料、其他功能合金及半导体材料。其中前三方面属于有色金属材料,半导体材料属于电子信息材料。

  稀土功能材料主要是高性能稀土永磁材料、稀土发光材料,新型储氢材料,研磨抛光材料,催化材料等。其中稀土永磁材料主要应用于消费电子占38%及传统汽车占27%,未来电动汽车的发展必将带动高性能永磁材料电机需求,因而电动汽车是未来永磁材料需求增长的主要动力。

  稀有金属材料主要是钨、锑、钴、铌、钼、锂、铼、铟、钽、锆、铂、镓、锗、等小金属合金制品及高技术含量深加工产品。例如,锂电池目前80%用于消费电子,今年在TESLA电动车效应带动下电动汽车加快发展,未来电动汽车市场的全面推进,锂电池需求将爆发式增长。

  半导体材料是具有优异特性的微电子和光电子材料,以硅、锗、砷和镓为代表的半导体材料目前被广泛应用于微电子和光电子领域。20世纪40年代发展起来的重要信息材料,已成为信息技术发展的基础。

  硅材料机械强度高、结晶性强、在自然中储量丰富、成本低,并且可以拉制出大尺寸的完整单晶,使之成为目前电子信息工业领域的主要半导体材料。

  砷化镓具有许多优于硅的特性。利用砷化镓做成的晶体管,其开关速度比硅晶体管快1-4倍。砷化镓由于电子运动速度快、电子激发后释放能量以发光形式进行等特点,很可能成为继硅之后第二种最重要的半导体电子材料,制成的晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算机(10倍).

  3.高端金属结构材料

  结构材料指以力学性能为主的工程材料,它是国民经济中应用最为广泛的材料,从日用品、建筑到汽车、飞机、卫星和火箭等,均以某种形式的结构框架获得其外形、大小和强度。钢铁、有色金属等传统材料都属于此类。高性能结构材料一般指具有更高的强度、硬度、塑性、韧性等力学性能,并适应特殊环境要求的结构材料。包括新型金属材料、高性能结构陶瓷材料和高分子材料等。

  当前的研究热点包括:高温合金、新型铝合金和镁合金、高温结构陶瓷材料和高分子合金等。例如,汽车减震材料,材料减振是利用金属材料本身具有大的衰减能力去消除振动或噪声的发生源,就是像铝和镁那样发不出金属声,但却像钢一样坚固的材料,即衰减能大、强度高的材料。常用的减振合金有Fe-C-Si合金、Al-Zn合金、Fe-Cr-Al合金、Mg-Zr合金、Ni-Ti合金等。

  4.先进高分子材料

  高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。具有重量轻、高弹性、强度低、韧性好、粘弹性、耐摩性、绝缘性好,低导热性、耐热性、耐蚀性好、易老化等特点。主要包括塑料、纤维、橡胶、薄膜、胶粘剂和涂料等,其中合成塑料、合成纤维、合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料。

  传统合成塑料主要包括:聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种,是日常生活中最常见的塑料材料。新型塑料主要有透光性好的有机玻璃,耐腐蚀塑料聚四氟乙烯,作为工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚酰亚胺和常用做泡沫塑料的聚胺脂等。

  传统合成纤维包括:涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、氯纶等“六大纶”。新型合成纤维有耐超热超冷的芳纶1313,做飞机机翼、高强缆索的芳纶1414,耐400℃高温和负273℃超低温的聚酰亚胺纤维,可做人造血管、软骨等人体器件的氟纶纤维,可做新式伪装服的多色纤维,可做合成纸、合成革、高效除尘器的高缩纤维、复合纤维、有色纤维、网络丝、完全变形纱、吸湿纤维和离子交换纤维等。

  合成橡胶是指将天然乳胶经过硫化处理变成能成型、富有弹力的材料,填补天然橡胶的不足。顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶等发展前途看好硅橡胶、氟橡胶能在零下50度不变形,又可耐250度高温,用于制造火箭、导弹、飞机的某些零件。

  5.新型无机非金属

  特种玻璃:改变了传统玻璃材料易碎、易传热的特性,研制出具有“特异功能”的新品种,如玻璃钢、记忆玻璃、化学敏感性玻璃、超韧性增强玻璃、激光玻璃、防弹玻璃、防辐射玻璃等。

  先进陶瓷材料是指采用精制的高纯、超细的无机化合物为原料及先进的制备工艺技术制造出的性能优异的产品。一般分为结构陶瓷、陶瓷基复合材料和功能陶瓷三类。大部分功能陶瓷在电子工业中应用十分广泛,通常也称为电子陶瓷材料。如用于制造芯片的陶瓷绝缘材料、陶瓷基板材料、陶瓷封装材料以及用于制造电子器件的电容器陶瓷、压电陶瓷、铁氧体磁性材料等。当前的研究热点包括陶瓷材料的强韧化技术、纳米陶瓷材料的制备合成技术、先进结构陶瓷材料体系的设计以及电子陶瓷材料的高匀、超细技术。

  新型建筑材料主要包括新型墙体材料、化学建材、新型保温隔热材料、建筑装饰装修材料等。其中化学建材包括建筑塑料、建筑涂料、建筑防水、密封材料、隔热保温材料、隔声材料、特种陶瓷、建筑胶粘剂等,是我国“十五”期间要重点发展的新型建筑材料。

  气敏陶瓷的电阻会随各种气体的浓度改变几百~几万倍。因此可利用这些陶瓷制造各种气体传感器,通俗地称它们为电子鼻。

  6.高新能纤维及复合材料

  复合材料是由两种或多种性质不同的材料通过物理和化学复合,组成具有两个或两个以上相态结构的材料。该类材料不仅性能优于组成中的任意一个单独的材料,而且具有组分单独不具有的独特性能。例如,复合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构重量的70%-80%,在先进战斗机上的用量大约是结构重量的30%-40%。

  复合材料按用途主要可分为结构复合材料和功能复合材料两大类。结构复合材料主要作为承力结构使用的材料,由能承受载荷的增强体组元(如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶须、片材和颗粒等)与能联结增强体成为整体材料同时又起传力作用的基体组元(如树脂、金属、陶瓷、玻璃、碳和水泥等)构成。结构材料通常按基体的不同分为聚合物基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料和水泥基复合材料等。

  功能材料是指除力学性能以外还提供其它物理、化学、生物等性能的复合材料。包括压电、导电、雷达隐身、永磁、光致变色、吸声、阻燃、生物自吸收等种类繁多的复合材料,具有广阔的发展前途。未来的功能复合材料比重将超过结构复合材料,成为复合材料发展的主流。未来复合材料的研究方向主要集中在纳米复合材料、仿生复合材料和多功能智能复合材料等领域?;⑹焦セ髦鄙酶春喜牧?,由碳纤维增强聚合凯夫拉尔纤维、铝以及钛材料制成,能够抵御23毫米自动加农炮攻击。

  7.前沿新材料

  纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1~100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。纳米材料的概念形成于80年代中期,由于纳米材料会表现出特异的光、电、磁、热、力学、机械等性能,纳米技术迅速渗透到材料的各个领域,成为当前世界科学研究的热点。按物理形态分,纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类?;旧匣勾τ谑笛槭业某跫堆芯拷锥?,大规模应用预计要到5-10年以后。

  当前的研究热点和技术前沿包括:以碳纳米管为代表的纳米组装材料;纳米陶瓷和纳米复合材料等高性能纳米结构材料;纳米涂层材料的设计与合成;单电子晶体管、纳米激光器和纳米开关等纳米电子器件的研制、C60超高密度信息存贮材料等。

  生物材料也称为生物工程材料或生物医学材料,是生物体器官缺损、病变或衰竭的替代材料,也就是人类器官再造材料。生物活性陶瓷已实现与骨相结合,并与软组织相结生物化学水泥在骨骼缺损修补、骨骼植入材料的固定和牙齿的修复等过程使用人工器官已制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等。预期研制出具有主动诱导、能促进人体自身组织和器官再生作用的生物复合材料。

  智能材料又称为机敏材料,其设计思路来源于仿生原理。智能材料具有四种功能:对环境参数的敏感;对敏感信息的传输;对敏感信息的分析、判断;智能反应。现有的智能材料性能一般比较单一,难以满足其全部功能要求,所以一般由两种或两种以上材料复合构成一个智能材料系统。按功能可以分为光导纤维、形状记忆合金、压电、电流变体和电(磁)致伸缩材料等。

  新材料与其它六大战略新兴产业勾稽关系:

  新材料是七大战略性新兴产业之一,主要服务于战略性新兴产业,同时也是新兴产业发展的基础及先导,新材料的应用领域基本集中在新兴产业。我们重点从新兴产业发展来探寻新材料的机会,重点研究节能环保材料、电子信息材料、生物材料、高端装备材料、新能源材料、汽车材料。从应用领域来看,一个领域可能存在多种类型的新材料。

  1.节能环保材料

  节能环保材料也叫生态环境材料,是指具有满意的使用性能同时又被赋予优异的环境协调性的材料。主要包括环境友好材料、绿色建筑材料和生态工程材料。这类材料的特点是消耗的资源和能源少,对生态和环境污染小,再生利用率高,而且从材料制造、使用、废弃直到再生循环利用的整个寿命过程,都与生态环境相协调。主要包括:环境相容材料,如纯天然材料(木材、石材等)、仿生物材料(人工骨、人工器脏等)、绿色包装材料(绿色包装袋、包装容器)、生态建材(无毒装饰材料等);环境降解材料(生物降解塑料等);环境工程材料,如环境修复材料、环境净化材料(分子筛、离子筛材料)、环境替代材料(无磷洗衣粉助剂)等。

  生态环境材料研究热点和发展方向包括再生聚合物(塑料)的设计、材料环境协调性评价的理论体系、降低材料环境负荷的新工艺、新技术和新方法等。

  2.电子信息材料

  电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料,主要可以分为以下几大类:集成电路及半导体材料:以硅材料为主体,新的化合物半导体材料及新一代高温半导体材料也是重要组成部分,也包括高纯化学试剂和特种电子气体;光电子材料:激光材料,红外探测器材料,液晶显示材料,高亮度发光二极管材料,光纤材料等领域;新型电子元器件材料:磁性材料,电子陶瓷材料,压电晶体管材料,信息传感材料和高性能封装材料等。

  这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。微电子材料在未来10~15年仍是最基本的信息材料,光电子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料。

  电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。

  3.生物材料

  生物材料是和生命系统结合,用以诊断,治疗或替换机体组织,器官或增进其功能的材料。它涉及材料,医学,物理,生物化学及现代高技术等诸多学科领域,已成为21世纪主要支柱产业之一。

  现在几乎所有类型的材料在健康治疗中都已得到应用,主要包括金属和合金,陶瓷,高分子材料,复合材料和生物质材料。高分子生物材料是生物医用材料中最活跃的领域;金属生物材料仍是临床应用最广泛的承力植入材料,医用钛及其合金,以及Ni-Ti形状记忆合金的研究与开发是一个热点,无机生物材料近年来越来越受到重视。

  目前,国际生物医用材料研究和发展的主要方向,一是模拟人体硬软组织,器官和血液等的组成,结构和功能而开展的仿生或功能设计与制备,二是赋予材料优异的生物相容性,生物活性或生命活性。就具体材料来说,主要包括药物控制释放材料,组织工程材料,仿生材料,纳米生物材料,生物活性材料,介入诊断和治疗材料,可降解和吸收生物材料,新型人造器官,人造血液等。

  4.高端装备材料

  航空航天、轨道交通、海洋工程等高端装备制造业,需要各类轴承钢、油船耐腐蚀合金钢、轨道交通大规格铝合金型材、高精度可转位硬质合金切削工具材料。大型客机等航空航天产业发展需要高性能铝材,碳纤维及其复合材料应用比重将大幅增加。

  5.新能源材料

  新能源和再生清洁能源技术是21世纪世界经济发展中最具有决定性影响的五个技术领域之一,新能源包括太阳能、生物质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次电源中的氢能等。

  新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料。主要包括储氢电极合金材料为代表的镍氢电池材料、嵌锂碳负极和LiCoO2正极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、Si半导体材料为代表的太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的反应堆核能材料等。

  当前研究热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物电池材料、中温固体氧化物燃料电池电解质材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。

  6.新能源汽车材料

  新能源汽车材料主要包括三大类:驱动电机材料、动力电池材料、轻量化材料。在各种驱动电机中,永磁电机适用于电动汽车对高功率、大密度电机的要求。永磁材料在新能源汽车中有着重要地位;动力电池材料方面,目前主要以锂电池为主;轻量化材料包括超轻汽车高强度钢、先进铝合金、镁合金、钛合金材料,工程塑料和复合材料。

  汽车材料的需求呈现出以下特点:轻量化与环保是主要需求发展方向;各种材料在汽车上的应用比例正在发生变化,主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢,铝合金,镁合金,塑料和复合材料的用量将有较大的增长,汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向。同时汽车材料的回收利用也受到更多的重视,电动汽车,代用燃料汽车专用材料以及汽车功能材料的开发和应用工作不断加强。
新材料产业规划与研究

   新材料涉及领域广泛,一般指新出现的具有优异性能和特殊功能的材料,或是传统材料改进后性能明显提高和产生新功能的材料,主要包括新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料。“新材料产业”包括新材料及其相关产品和技术装备,具体涵盖:新材料本身形成的产业;新材料技术及其装备制造业;传统材料技术提升的产业等。


新材料产业规划与研究
 
  新材料产业具有技术高度密集,研究与开发投入高,产品的附加值高,生产与市场的国际性强,以及应用范围广,发展前景好等特点,其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济,社会发展,科技进步和国防实力的重要标志。

  国家对新材料行业给予了重点支持,大致分为三大类:1、前瞻性的基础研究资助。主要针对科研院所以及39个材料领域的国家工程研究中心的研究人员,对新材料科研项目每年总计无偿资助约在3.5亿元左右。2、对产业化项目和产业化技术开发项目资助。主要体现在火炬计划、中小企业创新基金、国家科技攻关计划等三个项目上,它们发挥着技术孵化器的作用。3、对高科技企业给予出口补贴和税收减免。从事新材料的企业,可以申请税收减免等优惠。

  目前,中国的稀土功能材料、先进储能材料、光伏材料、有机硅、超硬材料、特种不锈钢、玻璃纤维及其复合材料等产能已居世界前列。中国也已掌握18项新材料关键技术,包括高性能碳纤维,高品质特殊钢和半导体照明材料与芯片等。2011年我国新材料产业规模超过8000亿元,与2005年相比年均增长约20%。但由于我国新材料产业起步晚、生产技术基础差,目前有相当部分市场成熟的新材料产品,尤其是基本型产品国内市场供不应求,在很大程度上依赖进口,所以国家大力支持发展新材料产业以满足市场的供需平衡。

  中国现已经批准设立的国家级新材料产业基地有129个(7个高技术产业基地、32个新型工业化示范基地和90个高新技术产业化基地),这些基地分布广泛、特色鲜明,已初步呈现出集群化分布特征,形成“东部沿海聚集,中西部特色发展”的空间布局。

  环渤海、长三角和珠三角地区承担着新材料的研发、高端制造等功能,新材料种类多,成为全国三大综合性新材料产业聚集区;中部地区依托雄厚的原材料工业基础,新材料产业快速发展;西部地区依托丰富的资源基础,新材料产业呈特色化发展,形成多个特色新材料基地;东北地区老工业基地,具有较强的工业优势,新材料产业发展潜力日益凸显。

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