材料学的未来展望

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材料学的未来展望

材料是人类生活和生产的物质基础，是人类认识自然和改造自然的工具。人类文明曾被划分为旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，由此可见材料的发展对人类社会的影响——没有材料就是没有发展。先进复合材料（Advanced Composites ACM）专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。目前主要指有较高强度和模量的硼纤维、碳纤维、芳纶等增强的复合材料随着航空航天技术的不断发展，促进了材料的不断更新，发展和进步，各种新材料不断涌现并得到应用，尤其以先进复合材料的发展和应用最突出，众所周知，由于航空航天飞行器的特殊使用环境，飞行器的制造材料要求非常之高，飞机和卫星制造材料要求质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀，这些苛刻的条件，只有借助新材料技术才能解决。先进复合材料具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高（低）温，独特的耐烧蚀性、透电磁波，吸波隐蔽性、材料性能的可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，被大量地应用到航空航天等军事领域中，是制造飞机、火箭、航天飞行器等军事武器的理想材料。

20 世纪以来，物理、化学、力学、生物学等学科的研究和发展推动了对于物质结构、材料的物理化学和力学性能的深入认识和了解。同时，金属学、冶金学、工程陶瓷技术、高分子科学、半导体科学、复合材料科学以及纳米技术等学科的发展促进了各种新型材料的产生,并推进了对于材料的制备、生产工艺、结构、性能及其相互之间关系的研究，为材料的设计、制造、工艺优化和材料功能和性能的合理使用，提供了充分的科学依据。现代材料科学更注重于研究新型复合材料和纳米材料的制备和创新，对于设计具有不同性能要求的材料复合工艺和纳米态材料的凝聚过程，以及各类材料之间的相互渗透和交叉的性能以及综合性能的研究给予了更多的重视。现代材料科学的发展不仅与揭露材料本质及其演化规律的物理化学性质和力学性能有关，而且与使用材料的工程技术学科以及制造加工材料的工程学科有着相互交叉性的密切关系。在此基础上，“材料科学与工程”逐步形成学科，并发展成为一门独立的一级学科。作为一级学科的“材料科学与工程”下分三个二级学科：材料物理与化学、材料学、材料加工工程。

材料的未来发展

新材料的诞生会带动相关产业和技术的迅速发展，甚至会催生新的产业和技术领域。材料科学现已发展成为一门跨学科的综合性学科。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、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。

1.半导体材料

随着高科技发展的需要，半导体及其应用研究的中心正向直接影响市场的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发展，半导体化合物（GaAs、InAs、GaN、SiC等）具有重要的应用前景。

2.结构材料

Fe基、Al基、Ti基以及Mg基合金作为力学材料的主体，构成了系列结构材料，其主要功能是承担负载（如火车、汽车、飞机）。汽车用钢近年来已从一般钢铁发展为使用灿合金或特殊的高强Mg基合金，高强Ti合金在高强钢中有重要位置，不锈钢则有取代碳钢的趋势。用于军用飞机的Al合金及一般钢材则被先进的Ti合金及高分子基复合材料所取代。进一步还需要发展碳纤维增强复合材料或Al基复合材料。结构材料的主体有：（1）钢铁；（2）Al合金；（3）Mg合金；（4）Ti合金；（5）结构陶瓷及陶瓷基复合材料。

3.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，已成为国民经济基础产业以及国家安全不可或缺的重要材料。一方面量大面广的通用高分子材料需要不断地升级改造，以降低成本、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、电和磁特性将成为高分子向功能化以及微型器件化发展的重要方向。主要有以下三个研究方向：（1）分子材料与分子电子器件研究；（2）光电信息功能高分子材料研究；（3）生物医用高分子材料。

4, 导电高分子材料

导电高分子材料科学是近年来发展较快的领域,自1977 年第一个导电高分子聚乙炔(PAC) 发现以来,对导电聚合物的合成、结构、导电机理、性能、应用等方面有许多新认识,现已发展成为一门相对独立的学科。其可分为结构型导电高分子和复合型导电高分子类。主要应用在发光二极管、抗静电、导电性应用、电磁屏蔽与隐身等领域中〔3〕。从导电机理的角度看,导电高分子大致可分为两大类:一类是复合型导电高分子材料,它是指在普通的聚合物中加入各种导电性填料而制成的,这些导电性填料可以是银、镍、铝等金属的微细粉末、导电性碳黑、石墨及各种导电金属盐等,此类导电高分子材料在国内外已得以广泛的应用,如抗静电、电磁波屏蔽、微波吸收、电子元件中的电极等。还有一类是结构型导电高分子材料,即依靠高分子本身产生的导电载流子导电,这类导电高分子材料一般经“掺杂”(P 型掺杂或N 型掺杂) 后具有高的导电性能(电导率增加几个数量级)，多为共轭型高聚物聚乙炔、聚对苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚苯基乙炔等是目前研究较多的导电高分子材料。这种功能高分子除具有优异的压电特性外，还具有热释电效应，可广泛地用于武器、电声、超声、诊断医疗传感器、无损测试、地震预报等诸多领域。

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5土建功能高分子材料

(1)土工织物

土工织物是一种多功能材料，主要功能有滤层作用、排水作用、隔离作用、加强作用、防渗与防潮作用等。在工程中往往是一种功能起主导作用,其它功能也不同程度地起作用。土工织物是以高分子合成纤维、合成橡胶与塑料为基本原材料, 这些高分子土工产品通常是以聚丙烯、聚酯为主，还有聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚乙烯醇、聚烯烃、聚四氟乙烯，以及透水性的土工材料氯橡胶、丁腈橡胶等材料。由含有这些组分的纤维丝、绳和塑料袋、条、板所制成的土工合成材料的主要特性是: 质地柔软而质量轻，整体连续性好，抗拉、抗折强度高，

耐腐蚀性和抗微生物侵蚀性好, 反滤性好，防渗性好，施工非常方便。目前, 国内土工织物的生产能力、应用范围、测试技术与理论研究等方面均发展很快。土工织物在长江三峡工程、长江综合开发治理工程、防治洪涝灾害、处理工业垃圾、保护水源以及环境保护等工程中均得到了应用。土工织物是一种非常有生命力的新型土工材料, 其经济效益、社会效益均非常显著，具有很高的推广价值。今后，土工织物将面向大中型工程、永久性工程, 并向系列化与复合型的方向发展；同时，相应的理论研究、测试技术、施工规范等方面也将不断完善与提高。

(2) 超轻型填土材料

当前, 应用较广泛的轻质填土材料是聚苯乙烯泡沫塑料( EPS)，它具有优异的物理、化学性能,以及随意切割成长型、逐层铺砌、搬运方便等优异的施工性能。作为一种土建结构材料, 它已广泛地应用于公路及铁路填土、桥台与挡墙填土、机场、港口码头、地下结构等工程中, 并取得了很好的效果。1995 年我国在杭甬高速公路桥头路堤采用EPS 法，克服了软土地段填土的困难，将其填筑成EPS 与混凝土相结合的桥头路堤, 使用情况良好。现已在沿海地区的软土工程中得到推广应用〔5〕。

6 隐身材料

( 1) 纳米吸波材料

由于纳米材料具有极好的吸波特性, 且纳米材料对电磁波的透射率及吸收率比微米粉要大得多,同时具备宽频带、兼容性好、质量小和厚度薄等特点。因此美、法、日、俄等国家都把纳米材料作为新一代隐身材料进行探索和研究。美国已研制出一种称作“ 超墨粉” 纳米吸波材料, 其对雷达波的吸收率高达99%,目前正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料。

(2) 等离子体吸波涂料

等离子体吸波涂料是将放射性物质涂覆在目标上, 使目标表面附近的局部空间电离, 形成等离子体来吸收电磁波的能量。早在20世纪60年代,前苏联就开始了等离子体吸收电磁波性能的研究。80年代初开始了等离子体的实验, 重点研究等离子体在高空超声速飞行器上的潜在应用。此技术最大的特点就是不用改变装备的结构, 只需利用等离子体发生器就可以实现隐身目的, 且隐身效果非常好。目前, 这种技术比较先进的国家是俄罗斯和美国〔6〕。

(3) 生物医用功能材料

生物医用高分子主要分医用高分子、药用高分子和仿生高分子三大类。目前, 除人脑外的大部分人体器官都可用高分子材料来制作, 有治疗保健作用的功能高分子也在开发之中。对生物医用高分子材料除了要求具有医疗功能外, 还要强调安全性, 即不仅要治病, 还要对人体健康无害。目前在血液相容性高分子、组织相容性高分子、生物降解吸收高分子、硬组织材料用高分子和生物复合高分子材料、医用高分子现场固化材料、医用粘合剂、固定化酶、高分子药物释放和送达体系等都有相应的研究, 并取得了初步成果〔7〕

3 功能高分子材料发展趋势

(1) 先进复合高分子材料

当今材料技术的发展趋势一是从均质材料向复合材料发展, 二是由结构材料往功能材料、多功能材料并重的方向发展。这种发展趋势造就了先进复合材料的迅速崛起与快速发展。

先进复合高分子材料是指以一种材料为基体(如树脂、陶瓷、金属等) , 加入另一种称之为增强(或增韧) 材料的高聚物(如纤维等) 复合成的高功能整体结

构物〔8〕, 这种将多相物复合在一起, 充分发挥各相性能优势的结构特征赋予了高分子复合材料广阔的应用空间。目前高分子复合材料的发展和应用已进入世界科技和工业经济的各个领域, 重点集中在航空航天、基础设施、沿海油气田和汽车的应用, 与此同时, 医用复合材料日益增长, 成为近年来不可忽视的快速发展领域〔9〕。

( 2 )生物降解及环境友好高分子材料

随着人们对环境问题认识日益加深，生态可降解已不再陌生，与此同时世界各国对材料的生态可降解性的要求也提上日程。在这种背景下，生态可降解的高分子材料的开发和应用也越来越受到各国政府、科研机构和企业的重视。目前，具有生态可降解性的高分子材料主要是发达国家产品，国内处于对国外产品的复制及仿制阶段。因此，开发具有自主知识产权的生物降解及环境友好高分子材料对于国内的相应企业和科研机构是当务之急。研究表明高分子的生物降解过程主要是其在各种生物酶作用下的水解反应、有时是先水解再进一步氧化或先氧化再水解，即易水解的高分子往往具有生物降解性［10］。即今后可降解高分子材料研究几种在在生物相容性、理化性能、降解速率的控制及缓释性等方面。

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7智能高分子材料

智能材料是能够感知环境变化，通过自我判断和自我结论，实现自我指令和自我执行的新型材料。该类材料集感知、驱动和信息处理于一体，形成类似生物材料那样具有智能属性。可以利用该类材料容易感知判断环境并实现环境响应的特性来制造传感器、制动器及仿生器等。因此，其将在医疗、环境监测、航空航天及制造业等方面得到广泛应用。

开发功能高分子材料的重要意义

功能高分子材料其独特的功能和不可替代的特性已带来各个领域技术进步，甚至质的飞跃，且在各行业已产生相当高的经济和社会效益，并导致许多新产品的出现。由于高分子材料在结构上的复杂性和多样性, 可以在分子结构(包括支链结构)、聚集态结构、共混、复合、界面和表面甚至外观结构等诸多方面, 进行单一或多种结构的综合利用, 因此最大程度地满足了其他高技术要求材料技术为他们提供的更多、更好的功能。随着纳米技术研究的深入，在分子、甚至原子水平上实现材料的功能结构设计、复合与加工生产成为可能，材料的功能将会进一步得到扩展，呈现前所未有的创新。可以预言,新一代功能高分子材料的春天已经来临，纳米材料必将成为新世纪材料发展的主流，也必将对新世纪的高新

技术如电子、生物技术、生命科学的研究产生极为深远的影响。目前我国电子、国防、医药和许多尖端技术部门所需的不少功能高分子材料仍依赖于国外市场，这使得我们的一些产品和核心技术在国际市场上竞争力不足。在各发达国家投入大量的人力财力对功能高分子材料进行研究开发，且进展迅速时，我国也应加大对功能高分子材料的研究开发支持力度，加入到这场激烈的竞争中去，这将进一步提高我国的综合国力。在未来的航空航天领域的发展中，我们相信：新型复合新材料将扮演越来越重要的角色，以后，随着使用环境对材料提出的新的，更苛刻的要求，新材料将具有不同的发展方向。

一方面，新材料将向耐高温的方向发展，随着人类对天空，外太空的探索，耐高温的新材料也将大有作为，据理论计算和试验发现，发动机的工作温度每提高100℃，它的推力就可提高15%左右。可见提高发动机材料的耐高温性能的重要性。

另一方面，新材料也将向低成本方向发展，正如现在，飞机上，航天器上只是

部分使用新型材料，因为新材料的造价高昂，所以，新材料的低成本化，大规模工业流程化也是研究的重点，它包括以下几个主要方面：降低原材料成本，尤其是降低高性能碳纤维成本，世界呼声很高；开发低温固化、高温使用的树脂和预浸料，节约能源，开发长寿命的预浸料，使用混杂纤维新型复合材料，通过工艺创新如电子束固化工艺等降低制造成本。

材料学的未来展望 [篇2]

畅想未来材料

“能源、材料、信息——是人类社会发展的三大支柱”，相信每一位学材料相关专业的人都听过这句话，从这里，也可以看得出材料领域的重要性。而人类文明的发展进程，可以单独以材料来命名，比如：旧石器时代、新石器时代、青铜器时代、铁器时代等，足以说明材料在人类社会发展过程中的决定性作用。如果要以一种材料来命名当今的社会，“硅”可以作为候选提名的材料之一，因为世界不再以一种材料主导，而是由多种不同的材料组合而成。材料学科也成了学术界的新贵，物理、化学、生物、环境等学科领域也在跨领域研究新型材料，因此，在材料领域内新的研究成果呈指数式增长。尽管如此，材料学科还是一块待探索的处女地，有太多的奥秘等待着有志之士去发现。因此，我们还有很多想象空间，去畅想未来的材料世界会是怎么样的。也许有的想象只是一个人的一厢情愿，但也可能是去打开新世界之门的金钥匙。

畅想之新型电池

通讯技术的发展，给移动互联网带来了契机并成为了当今互联网的主力军，智能手机、笔记本电脑、平板电脑、数码相机等产品已经成为了我们日常工作、学习、生活必不可少的的一部分。其中，智能手机的使用频率最高，使用时间也最长。这对手机电池的续航时间有了新的要求，不然就会出现到到了下午手机已经没电、重要的电话和信息接收不到的情况。除此之外，我们还希望自己的手机屏幕大、质量轻。手机屏幕越大，耗电量就越多，而为了保证使用时间，用更大的电池，导致手机越做越笨重。为什么会这样呢？这就应该从电池说起。现在我们所使用的移动设备，小到智能手表大到特斯拉电动汽车，都使用锂离子电池作为电源。锂离子电子，在1991年由索尼公司商业化生产并逐渐成为了电池界的主力军。锂离子电池是个优秀的产品，它工作电压高、能量密度高、对环境友好、无记忆效应。但到了现在，人们对移动设备电池的要求越来越高了，而目前所使用锂离子电池却没法达到需求。可以毫不夸张的说，如果有哪家公司在电池方面取得革命性突破，整个移动设备就会是他们的。这里对电池的畅想，最为主要的就是如何提高电池的能量密度并能够重复的使用。目前，能量密度比锂离子电池高的不是没有，但都只停留在实验室阶段，还没有进入商业化应用。连续使用自己的智能手机10个小时，然后发现还有60%的电量，这是目前的锂离子电池无法做到的。因此，我们需要这样一个电池：它的体积小，质量轻，能量密度高足以保证长时间的工作，可以重复使用，寿命长。如果能够实现，那些只能在设计师画笔下呈现的超薄超轻智能手机很快就会出现，再也不需要每到一处旧忙着去找插座充电了。想使用如艺术品般精美的手机吗？等新型电池出现后，这会实现的，我们可以乐观的认为，新型电池将会在不远的将来得以实现，进入我们的日常生活。

畅想之新型农用塑料薄膜

把塑料薄膜单独的放在一边讨论，纯粹是出于我个人的经历。我生长在干旱的农村地区，因缺水的缘由，在农业生产中大规模使用塑料薄膜。而传统的塑料薄膜，降解很难，常年的积累，已经在那里形成了白色污染。目睹了这个过程之后，我对新型塑料薄膜产生了浓厚了兴趣。新型塑料薄膜的关键在于两点，第一点是能够在短时间内降解，第二点是降解之后的生产物不能对土壤产生污染。塑料薄膜是有机高聚物，在自然状态下，降解需要很长的时间，而且通过积累，形成固体垃圾污染物。新型塑料薄膜，需要使降解后的产物能够有效的利用

起来。用含氮含磷的高聚物做薄膜，降解之后的产物可以作为氮肥磷肥使用。但由于农业生产过程中使用的塑料薄膜的量多，因此，降解后能够被农作物吸收的氮、磷含量不能太多，否则，会造成土壤结板，在消除白色污染之后产生二次污染，这是不应该出现的。至此，新型农用塑料薄膜的轮廓渐渐的出现在了我们面前：它降解时间段（一年左右为宜，凭个人经验得出），降解后的产物中含有少量能被农作物吸收的化学元素。之前在报道中听到过这种薄膜已问世，但还没有普及。可以肯定的是，这中新型农用塑料薄膜对干旱地区的意义重大，不仅能为经济的发展做出贡献，还能在保护农村生态环境方面起到非常积极的作用。相信离这种薄膜普及的日子不远了。

畅想之智能建筑材料

之所以畅想智能建筑材料，一方面是因为日益加剧的环境污染问题，另一方面是因为可能面临的能源危机。人类社会的发展是以环境为代价的，如果想要生活在没有污染的环境中，只能过原始人的生活，而要想享受现代社会进步带来的成果，则必须接受环境受到污染这个现实。既然环境污染是没法避免的，我们应该想办法把污染的不良影响降低到最低程度，智能建筑材料能在这种大背景下起到自己的作用。智能建筑材料能对外部的刺激做出反应，如温度、压力变化、辐射等等，因此也被称为应激材料。这意味着它们可以通过改变自身的形式、颜色等对周围环境的变化做出响应。可以这样说：用智能材料建造的建筑能够和作为使用者的我们互动。传统的材料是静态的，而智能材料是动态的，它们会应对外部的影响。根据经验，可以把智能建筑材料分为两大类，第一类是特性改变材料，第二种是能量转变材料。特性改变材料是指能够通过改变自身性状以响应外界变化的材料。比如在阳光下根据光强的不同而自身折射率发生改变的玻璃就属于第一类智能材料。还有一种相变材料，可以根据温度和压力的不同而变为固体和液体且此过程可逆，利用这一性质，可以达到调节室温的目的，这种材料也属于第一类智能材料。能量转变材料是指将一种能量从一种形式改变为另一种形式的的智能材料。第二类智能材料，能把光能、风能和人类活动产生的动能收集起来，以满足用电等耗能需求。上面所说的智能材料，主要从能源的角度去看。那怎么应对日益严重的霾雾等污染呢？这时，我们需要把目光投向纳米材料。纳米技术是如今最热门的研究领域之一，所取得的成果也能够用于建筑材料之中。用纳米材料在建筑用玻璃上涂一层防止紫外线的功能膜，可以有效的避免强紫外线带来的危害，这可以归类为“纳米功能表面”。还有光触媒材料，这是新兴起的纳米材料，可为办公场所精华空气。如果用在城市中建筑的外墙上，能够雾霾污染降低到最低程度。除此之外，还有非常热门的纳米材料——碳纳米管，把碳纳米管作为添加剂，可以加强复合材料的强度，可以制造处强度比钢铁强几百倍的新型纳米建筑材料。从目前来看，虽然智能材料所描述的是非常美的蓝图，但实际上投入使用的却很少，这也从侧面上说明了智能建筑材料领域有非常大的发展空间。可以预见，建筑材料智能化将会是大势所趋。智能建筑材料，也将把我们的生活变得更美好。

材料科学是一个非常浩瀚的领域，目前我们只是在它的边缘徘徊着，而更多的奥秘等着我们去探索。相信材料能使明天变得更好。

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