電工材料及應(yīng)用

生物材料與智能材料醫(yī)用生物材料仿生材料工業(yè)生產(chǎn)中的生物模擬智能材料及智能系統(tǒng)宇航及動(dòng)力機(jī)械材料納米材料不同類型材料的發(fā)展金屬結(jié)構(gòu)材料工程陶瓷及其它無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)高分子材料先進(jìn)復(fù)合材料碳素材料Seeback效應(yīng)Peltier效應(yīng)熱電導(dǎo)效應(yīng)光電效應(yīng)光發(fā)射:光電導(dǎo)原理光電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)其他效應(yīng)霍爾效應(yīng)磁阻效應(yīng)……光電子材料21世紀(jì)光電子材料將得到更大發(fā)展電子質(zhì)量：10-31Kg/電子電子運(yùn)動(dòng)：磁場(chǎng)、電阻熱、電磁干擾、光高速、傳輸（容量大、損耗低、高速、不受電磁干擾、省材料）信息功能材料——

指信息獲取、傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、顯示或控制所需材料。光電子材料包括：（1）激光材料（20世紀(jì)60年代初）

激光：高亮度、單色、高方向性紅寶石（Cr+++:Al2O3）摻釹釔鋁石榴石（Nd:YAG)（2）非線性光學(xué)晶體（變頻晶體）

KDP（磷酸二氫鉀）、KTP（磷酸鈦氫鉀）

LN（鈮酸鋰）、BBO（偏硼酸鋁）、

LBO（三硼酸鋰）…（3）紅外探測(cè)材料（軍用為主）

HgCdTe、InSb、CdZnTe、CdTe（4）半導(dǎo)體光電子材料

主要化合物半導(dǎo)體及其用途領(lǐng)域材料器件用途微電子GaAs、InP

超高速IC電腦GaAsFET攜帶電話光電子GaAsInPSbInAsLD光通訊GaAs

紅外LED遙控耦合器GaP、GaAs、GaAsP、GaAlAs、InGaAlPLEP出外顯示器CdTe、CdZnTe、HgCdTe—熱成像儀InSb、CdTe、HgCdTe、PbS、PbZnTe—紅外探測(cè)器GaAs、InP、GaSb—太陽(yáng)能電池

（5）顯示材料

發(fā)光二級(jí)管（LED）

發(fā)光尺襯底發(fā)光顏色波長(zhǎng)（nm)Ga0.65Al0.35AsGaAs紅

660GaAs0.35P0.65(N)

GaP紅

650GaAs0.1P0.9(N)

GaP橙

610GaAs0.1P0.9(N)

GaP黃

583

GaPGap綠

555

GaNΑ-Al2O3藍(lán)

490

SiC

SiC藍(lán)480(全包顯示屏)液晶顯示(LCD)材料(1968年發(fā)明)為21世紀(jì)上半葉主要顯示材料LED發(fā)光材料及可見光區(qū)

光纖發(fā)展階段及所需材料發(fā)展階段波長(zhǎng)(

m)

模數(shù)

衰耗

(dB/km)

中繼距離

(Km)第一階段

0.85

多模

1.5

10第二階段

1.30

單模

0.8

60第三階段

1.55

單模

0.16

500第四階段

2--5

3×10-4

2500(6)光纖與光纜材料(網(wǎng)絡(luò))

一條光纖帶寬所容納信息量相當(dāng)于全世界無(wú)線電帶寬的1000倍.(25Tbpsvs25Gbps)光纖材料:

石英玻璃：SiO2、SiO2-GeO2、SiO2-B2O3-F

多組分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、SiO2-B2O3–Na2O

紅外玻璃：重金屬氧化物、鹵化物

摻稀土元素玻璃：Er、Nd、…多模只適于小容量近距離（40Km,100Mbps)單?？蓚鬏斦{(diào)制后的信號(hào)≥40Gbps到200Km，而不需放大。記錄材料21世紀(jì)將是以信息存儲(chǔ)為核心的計(jì)算機(jī)時(shí)代，在軍事方面，如何快速準(zhǔn)確地獲取記錄、存儲(chǔ)、交換與發(fā)送信息是制勝的關(guān)鍵。

磁記錄在21世紀(jì)初仍有很強(qiáng)的生命力，通過(guò)垂直磁記錄技術(shù)和納米單磁疇技術(shù)，再加先進(jìn)磁頭（如巨磁電阻）（GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度達(dá)100GB，所用介質(zhì)為氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加Co-γ-Fe2O3、CrO2)，金屬磁粉或鋇鐵氧體粉。

磁光記錄：與磁記錄不同之處在于記錄傳感元件是光頭而不是磁頭。磁光盤的介質(zhì)主要是稀土-過(guò)渡族金屬，如TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/Co多層調(diào)制膜或Bi石榴石薄膜。磁光盤的特點(diǎn)在于可重寫，可交換介質(zhì)。敏感材料

計(jì)算機(jī)的控制靈敏度與精確度有賴于敏感材料的靈敏度與穩(wěn)定性。

敏感材料種類繁多，涉及半導(dǎo)體材料、功能陶瓷、高分子、生物酶與核酸鏈（DNA）等。限于篇幅不一一列舉。能源功能材料將取得突破性進(jìn)展

化石能源日益枯竭（甲烷水化物）

環(huán)境要求越來(lái)越高

由于人口增長(zhǎng)，生活水平提高，能源需求量大幅度增加。

開源節(jié)流

（1）可再生能源的開發(fā)（水電不存在材料問(wèn)題）太陽(yáng)能的利用：輻射于地球能量一萬(wàn)倍于人類所消耗的能源（6

1017kwh）

密度低1kwh/m2

氣候影響大

兩種利用形式

直接輻射能

熱水器熱水發(fā)電

光伏電能

民用：高效、長(zhǎng)壽、價(jià)廉，需要儲(chǔ)電系統(tǒng)。

-Si(12.7%)(理論24%)

多晶17.7%

單晶Si23.1%

GaAs28.7％還有Cu2InSe2,CdTe,Cu2O,Cu2S,CdS

等

衛(wèi)星用太陽(yáng)能電池

雙結(jié)電池（GaInP/GaAs）23.7％

三結(jié)電池（GaInP/GaAs/Ge）27.％

四結(jié)電池（GaInP/GaAs/GaInNAs/Ge40％理論）一種設(shè)想：空間太陽(yáng)能發(fā)電站

太陽(yáng)能射向地球

30％大氣反射

23％大氣吸收

空間太陽(yáng)能電站，微波傳到地面,一個(gè)10

萬(wàn)千瓦電站壽命10年美國(guó)2010年電價(jià)2.2＄/kwh我國(guó)西北日照時(shí)間長(zhǎng)，沙漠干旱設(shè)地面太陽(yáng)能電站：

入網(wǎng)燃料電池電解水－H2

儲(chǔ)氫（1m3H2＝5度電）化工原料風(fēng)能及風(fēng)力發(fā)電

W＝1/2PV3（V風(fēng)速）太陽(yáng)能到地面有2％變風(fēng)能

全球1.3萬(wàn)億KW

中國(guó)32億KW

潮汐、海水溫差、地?zé)崮埽?）核能

目前核電站基于鈾裂變（熱中子反應(yīng)維）燃料U235，鈾礦中占0.71％，U238為99.28％。

快中子增殖維：U238

，效率60－79％液鈾冷卻（強(qiáng)腐蝕），泄漏污染（副產(chǎn)物P239,半衰期2.4萬(wàn)年）

法國(guó)超鳳凰堆（1986－1995）最近提出加速器驅(qū)動(dòng)的核電站（嬗變）可解決污染問(wèn)題

可控?zé)岷司圩兎磻?yīng)堆－永久能源

D2＋D2T3+P+4.04MevD2＋T3He4+n+17.5Mev

一噸海水所含D2相當(dāng)300噸汽油

海水D2=1013砘已實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火，處于物理研究所段，

材料問(wèn)題：高溫抗輻射氫脆

2050年或更長(zhǎng)可實(shí)用化超導(dǎo)材料

低溫（液氦溫度）超導(dǎo)已產(chǎn)業(yè)化，價(jià)格問(wèn)題

高溫（液氮溫度）超導(dǎo)已發(fā)現(xiàn)30多種

YBaCuO，Je≥105A/cm2

（薄膜,塊體）

(Bi,Pb)SrCaCuO(B12223/Ag)

帶絲線材生產(chǎn)穩(wěn)定，質(zhì)量均一性未能解決，

2010年可望產(chǎn)業(yè)化

探索高溫超導(dǎo)，及高溫超導(dǎo)機(jī)理問(wèn)題

趨導(dǎo)失超后的安全問(wèn)題

磁性材料

硅鋼片是最重量要的軟磁材料（全世界

650萬(wàn)噸）

鐵基非晶態(tài)合金有明顯優(yōu)越性（表5）

特別用于：電焊機(jī)，節(jié)能，體積小（1/10）

作為結(jié)構(gòu)材料：耐磨（作磁頭），耐蝕（代不銹鋼）冷軋硅鋼片。

這些都屬軟磁材料，用于變壓器，電動(dòng)機(jī)。在儀表工業(yè)中用量更大的是軟磁鐵氧體，雖然已很成熟但向高磁感強(qiáng)度（Bs），高磁導(dǎo)率（

）低損耗方向發(fā)展，仍有廣闊發(fā)展前景。

硬磁材料發(fā)展很快，20世紀(jì)40年代AlNiCo，50年代鐵氧體，65年ReCO5,72年R2CO17，83年NdFeB,磁能積提高了幾十倍，從性能價(jià)格比來(lái)看，（表6）鐵氧體永磁遠(yuǎn)比其它磁性材料更具有競(jìng)爭(zhēng)能力；

NdFeB

則單位體積的性能比鐵氧體高出10倍而得到更快的發(fā)展，目前世界產(chǎn)量近萬(wàn)噸，中國(guó)占了一半左右，但性能有待進(jìn)一步提高。下一代永磁發(fā)展目標(biāo)是納米技術(shù)的應(yīng)用與新材料的探索，如：SmFeN等。過(guò)去每10年提高40kJ/m3，2010年達(dá)可到600－800kJ/m3，

永磁體價(jià)格/性能比（1995）

*NdFeB最大磁能積512KJ/m3（理論值）貯能材料（貯氫與高能電池）

電網(wǎng)調(diào)峰與環(huán)保的需要，信息電子工業(yè)所必須，與太陽(yáng)能配套。

太陽(yáng)能發(fā)電電解水－氫－貯氫電－蓄電池

也是機(jī)械能動(dòng)力源

貯氫材料：金屬間化物貯氫基本成熟，但用于

汽車燃料存在比重大，易中毒和價(jià)格問(wèn)題。

幾種金屬間化物貯氫材料

納米碳管是最近發(fā)現(xiàn)的貯氫材料，正在研究開發(fā)中。

下表為幾種典型電池反應(yīng)機(jī)理與特性，當(dāng)前最有發(fā)展前景的是Ni－MH電池，但從比能量密度，鋰電池最好，而價(jià)格是前者3.5倍，其中塑料鋰電池具有重量輕，形狀可任意改變，安全性更好的特點(diǎn)，可能是21世紀(jì)開發(fā)的重點(diǎn)。

Ni－MH電池－汽油混合汽車已實(shí)用化，低速與起動(dòng)用電池，而高速時(shí)自動(dòng)跳到汽油并充電，如比可節(jié)油（1/2），排放減至1/10，CO2（1/2）。

幾種典型電池反應(yīng)機(jī)理和特性

燃料電池是將化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置，效率高、污染小，是21世紀(jì)重點(diǎn)發(fā)展的一種技術(shù)。

正在開發(fā)的燃料電池類型

燃料電池

以氫氧燃料電池為例其理論比容量為2975A.h/kg，比能量為3660w.h/kg，遠(yuǎn)高于蓄電池、燃料電池的發(fā)展，有電極材料問(wèn)題。據(jù)報(bào)導(dǎo)，Benz廠用甲醇作燃料電池的燃料已用于汽車。最近美國(guó)NASA正在開展一種試驗(yàn)，即太陽(yáng)能電池與氫氧燃料電池聯(lián)合開動(dòng)的小飛機(jī)，白天太陽(yáng)能電池工作，用剩余電來(lái)電解水、晚上H2O燃料電池工作，目前載人還不現(xiàn)實(shí)。生物材料與智能材料將受到高度重視（1）醫(yī)用生物材料最主要是與人體相容性

*組織工程

*生長(zhǎng)因子

*DNA*自組裝除神經(jīng)系統(tǒng)以外的各種器官都可制造。目前正在嘗試?yán)谜障鄼C(jī)、光導(dǎo)系統(tǒng)與視網(wǎng)膜細(xì)胞相聯(lián)為盲人復(fù)明，要生物學(xué)家，工程師，材料科學(xué)家的通力合作。21世紀(jì)是生命科學(xué)時(shí)代（2）仿生材料生物材料多年演化的結(jié)果（合理性）人造絲與蠶絲陶瓷與珍珠殼、骨骼（表10）(3)工業(yè)生產(chǎn)中的生物模擬(4)

智能材料及智能系統(tǒng)智能系統(tǒng)

用于機(jī)翼、潛艇、車體、建筑隨處界條件改變外形以減少阻力、即省能耗，提高安全。

材料的自檢測(cè)、自恢復(fù)及自修復(fù)

藥物和控制釋放

宇航及動(dòng)力機(jī)械材料將不斷提高

飛機(jī)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星與飛船的發(fā)展，材料是關(guān)鍵。以飛機(jī)為例，戰(zhàn)斗機(jī)性能的提高有2/3靠材料，發(fā)動(dòng)機(jī)性能的提高，材料占1/2，對(duì)空間飛行器來(lái)說(shuō)，由于材料的改進(jìn)，收益更為顯著。如圖4，說(shuō)明比強(qiáng)度和比剛度對(duì)高速飛行器來(lái)說(shuō)更為重要。戰(zhàn)斗機(jī)已發(fā)展到第四代（如美國(guó)F22），主要材料為鈦合金（41％），樹脂基復(fù)合材料（24％），鋁合金（15％），鋼只有5％。民用機(jī)到了第三代（波音777），鋁（70%）,鋼及復(fù)合材料（多11％），鈦（7％）。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)材料來(lái)說(shuō)，除了比剛度、比強(qiáng)度，主要是耐高溫、長(zhǎng)壽命，為軍用發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)提供一些參考。軍用發(fā)動(dòng)機(jī)性能發(fā)展趨勢(shì)

從發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵材料看：高溫合金仍然是主要材料（>50％）。作為渦輪葉片，單晶加發(fā)汗冷卻，可以滿足2000℃以上。

陶瓷有可能用于燃燒室和導(dǎo)向葉片。

鈦合金（1600℃－650℃）及鈦鋁基中間化物（600℃－1000℃）可用于機(jī)匣，壓氣機(jī)葉片。

C/C復(fù)合材料雖然在比強(qiáng)度，比剛度和高溫有特殊優(yōu)越性，但抗氧化問(wèn)題須解決。

樹脂基復(fù)合材料目前使用溫度已達(dá)290－345℃，正向425℃發(fā)展。噴管為C/C復(fù)合材料（比強(qiáng)高,抗熱震，耐燒能）關(guān)鍵航天材料：高強(qiáng)、高模纖維。碳纖維（T300,T800）芳綸及高強(qiáng)聚乙烯纖維。為減少污染，提高燃效，增加機(jī)動(dòng)性（如調(diào)峰），工業(yè)燃?xì)夂臋C(jī)將得到更大發(fā)展（圖5）全世界工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電量

工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)相比，運(yùn)行壽命長(zhǎng)，腐蝕嚴(yán)重，特別葉片大，重量差20－30倍，渦輪也相應(yīng)增大。

工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)與航空發(fā)動(dòng)機(jī)要求對(duì)比

因此，今后工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)材料在21世紀(jì)將受到更大重視。納米材料科學(xué)技術(shù)將成

為21世紀(jì)最活躍領(lǐng)域

1959年12月R.FEYNMAN在美國(guó)物理學(xué)會(huì)上提出納米科學(xué)技術(shù)的概念,并提出開展在原子與分子水平制造材料的物理規(guī)律。

80年初發(fā)明掃描隧道顯微鏡（STM）及原子力顯微鏡（AFM）以后原子操縱才有可能。

納米材料就是利用物質(zhì)在小到原子或分子尺度以后所出現(xiàn)的奇異現(xiàn)象而發(fā)展出新的材料。

2000年二月美國(guó)總統(tǒng)向國(guó)會(huì)提出《國(guó)家納米技術(shù)的建議》（NationalNanotecthnologyInitiative）認(rèn)為納米技術(shù)可導(dǎo)致下一工業(yè)革命，應(yīng)置于最優(yōu)先地位。

納米科學(xué)技術(shù)主要包括:

納米材料

納米電子學(xué)、光電子學(xué)和磁學(xué)

納米醫(yī)學(xué)

他要求2001年撥款4.95億美元比上一年多83%。其分配：

基礎(chǔ)研究1.7億（NSF1.22）定向課題(Grandchallengs)1.4億

(DOD0.54,DOE0.36)

研究中心及網(wǎng)絡(luò)0.77億

基礎(chǔ)設(shè)施0.80億

其它0.28億

基礎(chǔ)研究(NSF2.17億)及國(guó)防系統(tǒng)(DOD、DOE、NASA共2.24億)占大頭。

可以認(rèn)為納米技術(shù)尚處于基礎(chǔ)研究階段尚未大規(guī)模進(jìn)入工業(yè)開發(fā)，但他們?nèi)詮?qiáng)調(diào)與產(chǎn)業(yè)界結(jié)合，及時(shí)轉(zhuǎn)入規(guī)模生產(chǎn)。

通過(guò)“設(shè)計(jì)”制造出來(lái)的材料，性能大幅度提高，預(yù)期強(qiáng)度為鋼的四倍，其重量比紙輕10倍，環(huán)境友好，價(jià)格又可承受。使用的可靠性提高，因其可自修復(fù)。這類材料用于造橋，壽命可大幅度延長(zhǎng)，用于造空間飛引器，可幾十倍的減輕重量，如此等等，前景誘人，但是成為現(xiàn)實(shí)要10-20年。

我國(guó)納米材料起步不晚，聲勢(shì)也很大，謹(jǐn)防一哄而起，急于求成。不同類型材料的發(fā)展前景

（1）金屬在結(jié)構(gòu)材料中仍占主要位置，特別是鋼鐵今后幾十年內(nèi)的世界年產(chǎn)量在7-10億噸徘徊。但鋼的性能會(huì)大幅度提高從而達(dá)到節(jié)約資源減少污染的目的。

我國(guó)在超級(jí)鋼的研究中使200MPA級(jí)的低碳鋼、400MPA級(jí)低合金鋼通過(guò)強(qiáng)化、晶粒細(xì)化和均勻化可提高強(qiáng)度一倍，并通過(guò)了大生產(chǎn)試驗(yàn)。

有色金屬資源在21世紀(jì)前半葉就接近枯竭，如同鉛、鋅等。代用品的研究與開發(fā)為當(dāng)務(wù)之急。有些金屬，如鋁，地殼中含量很高分布很廣，但合於開采價(jià)值的礦石卻有限，因此開發(fā)低品位礦石的采選與冶煉工藝的研究與尋找代用材料必須及早考慮。

鈦，性能優(yōu)越，地殼含量不低，以及生產(chǎn)成本高而不能得到廣泛應(yīng)用，有些水電豐富地區(qū)如我國(guó)攀西地區(qū)，不但水電豐富而且礦藏世界前茅，21世紀(jì)將出現(xiàn)一個(gè)開發(fā)鈦的高潮。

鎂與鋁頗多相似之處，而鎂取之不盡（海水中鎂2.1×1015噸），塑性好，減震性強(qiáng)但不耐腐蝕（特別海水和應(yīng)力腐蝕，又沒(méi)找到適于強(qiáng)化相而不能和鋁相競(jìng)爭(zhēng)，21世紀(jì)將會(huì)受到重視。）

金屬作為功能材料（如硅鋼）的地位不會(huì)改變。硬磁材料在NdFeB的基礎(chǔ)上還會(huì)有更大發(fā)展

（2）工程陶瓷及其它無(wú)機(jī)非金屬材料

會(huì)得到更大發(fā)展

功能陶瓷在功能材料中已占十分重要地位。隨著凝聚態(tài)物理與化學(xué)進(jìn)展，將會(huì)有更大進(jìn)展，當(dāng)前氧化物研究正廣泛開展，高溫超導(dǎo)便是成果之一。

工程陶瓷發(fā)展方向：一是開發(fā)新工藝流程以降低成本，同時(shí)大力推廣只有生產(chǎn)量大，成本才能降下來(lái)。二是進(jìn)一步提高性能，開發(fā)生產(chǎn)過(guò)程的臨控手段，保證質(zhì)量的穩(wěn)定性。三是機(jī)械制造的工作者，開發(fā)使用脆性材料的設(shè)計(jì)思想。

在金屬材料資源日益枯竭，科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)步的情況下工程陶瓷會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。

水泥與玻璃是極為重要的建筑材料，無(wú)疑會(huì)受到重視但水泥是重要污染源（一噸水泥產(chǎn)生CO20.8-1.0噸）：因此，

充分利用廢料

提高水泥標(biāo)號(hào)，減少產(chǎn)量

改進(jìn)水泥，增強(qiáng)組元（塑料不銹鋼絲）

玻璃的智能化對(duì)性能有明顯的作用（3）有機(jī)高分子材料將得到更大發(fā)展

高分子材料比重小，軟硬靈活加工外瑚比剛度比強(qiáng)度高（三大高強(qiáng)纖維：芳綸、碳纖維與結(jié)晶狀態(tài)的聚乙烯）。特別是資源可再生。

高分子材料已接近《分子設(shè)計(jì)》水平。

高分子結(jié)構(gòu)材料（塑料）的用途越來(lái)越廣，以體積計(jì)，90年初全世界塑料廣告已越過(guò)了粗鋼的體積。1995年美德塑鋼比分別為2.85和1.94，而我國(guó)目前塑鋼體積比不到0.5，因此我國(guó)21世紀(jì)初塑鋼將大發(fā)展。

21世紀(jì)更有發(fā)展前途的是有機(jī)功能高分子，目前醫(yī)用高分子、高分子分離膜，高吸水樹脂、感光樹脂、離子交換樹脂、光導(dǎo)纖維已經(jīng)成熟并已得到廣泛應(yīng)用。

今后要大力開發(fā)的是導(dǎo)電高分子、非線性高分子、鐵磁性材料、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體用于電池的離分子快離子導(dǎo)體以及液晶顯示材料等。由于這些材料質(zhì)輕、原料有保證而將得到發(fā)展。但穩(wěn)定性及老化是人們擔(dān)心的問(wèn)題。

（4）先進(jìn)復(fù)合材料

先進(jìn)復(fù)合材料是近幾十年來(lái)十分重視開發(fā)的一類材料。有的已經(jīng)很成熟并得到大量應(yīng)用，如樹脂及復(fù)合材料，已用于宇航及運(yùn)動(dòng)器材等要求比強(qiáng)度及比模量高的結(jié)構(gòu)件，長(zhǎng)纖維強(qiáng)化的金屬基復(fù)合材料雖然具有明顯優(yōu)越性，以其價(jià)格高連接難，不可大量推廣。因此今后的任務(wù)是發(fā)展新工藝降低成本。顆?；蚨汤w維強(qiáng)化的金屬基復(fù)合材料，為提高強(qiáng)度和耐熱性有可能大量推廣。陶瓷基復(fù)合材料除了提高高溫性能以外，更重要的是增加性，目前正處于開發(fā)階段。

（5）碳素材料將得到更大發(fā)展

自然界是碳素的大循環(huán)