高性能结构材料信息功能材料领域新型功能材料发展趋势.pdf

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高性能结构材料、信息功能材料领域新型功能材料发展趋势结构材料是社会生活和国民经济建设的重要的物质基础。金属、陶瓷和高分子材料长期以来是三大传统的工程结构材料。随着工业化的迅速推进，对工程结构材料的性能提出了越来越高的要求，也推动了发展新一代高性能结构材料。“高性能结构材料发展趋势”文稿介绍了高性能结构材料发展趋势的部分内容。现代通信、计算机、信息网络技术、集成微机械智能系统、工业自动化和家电等以电子信息技术为基础的高技术产业迅速发展，推动了系列信息功能材料的研究、发展，以及广泛应用。“信息功能材料领域新型功能材料发展趋势”文稿介绍了信息功能材料领域新型功能材料发展趋势的部分内容。高性能结构材料发展趋势研制与开发具有高比强度、高比刚度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀等性能结构材料，是新一代高性能结构材料发展的主要方向。一、金属类工程结构材料钢铁材料、稀有金属新材料、高温合金、高性能合金是属于金属类工程结构材料。（1）钢铁材料和稀有金属新材料钢铁作为金属材料的主角在经济建设和现代工业文明中起着十分重要的作用。世界钢铁工业目前发展趋势是：在扩张钢铁生产规模的同时，各国注重产品结构的优化；为节约能源和减轻钢铁工业对环境的污染程度，大力发展绿色钢铁冶金技术。因此，短流程炼铁和炼钢生产方式得到发展，熔融还原、直接还原等新的炼铁工艺，以及连铸连轧和“带液芯压下”等钢板生产技术得到广泛采用。为了提高钢材的质量、性能，延长使用周期，在钢铁材料生产中，广泛应用信息 技术改造传统的生产工艺，提高生产过程的自动化和智能化程度，实现组织细化和精确控制，提高钢材洁净度和高均匀度，出现低温轧制、临界点温度轧制、铁素体轧制等新工艺。世界各先进的国家当前也争相发展稀有金属新材料。高强、高韧、高损伤容限钛合金，以及热强钛合金、锆合金、难熔金属合金、钽钨合金、高精度铍材等，这些是被主要包括的稀有金属新材料。（2）高温合金和高性能合金高温结构材料被世界各国列为高性能结构材料领域的重点发展的对象。高温结构材料主要种类包括：高温合金、粉末合金、高温结构金属间化合物，以及高熔点金属间化合物等。在国际上，变形高温合金品种目前有百种以上，在这些变形高温合金品种中，用量最多的有Inconel718和Hastoloyx，新型的还有In909和In783等。粉末合金主要用于高推重比发动机涡轮盘和发动机叶片，第三代粉末合金产品目前已经研制成功。高温结构金属间化合物主要是NiAl、TiAl合金。高熔点金属间化合物主要探索研究的是Mo-Si系合金。耐热、耐磨、高比强、高比刚、高韧性的新型高性能铝合金，以及纤维增强和颗粒增强金属基复合材料是交通运输等行业急需的新材料，是美国、日本等发达的国家重点研究发展的方向。轻质高性能镁材因具有系列优良性能和资源优势而被称为“21世纪新兴绿色工程材料”，也是工业发达的国家大力发展的轻质结构材料。二、先进陶瓷材料先进的陶瓷材料是近年来迅速发展的新材料之一，主要是功能陶瓷和陶瓷基复合材料。先进的结构陶瓷研究的技术问题主要是增韧技术。高温结构陶瓷材料是先进陶瓷材料发展的重点，其主要应用目标是燃气轮机和重载卡车用低散热柴油机。采用陶瓷发动机可以提高热效率，降低燃料消耗。美国的综合高温涡轮燃气机计划(IHPTET)和先进热机材料计划(HITEP)提出，陶瓷基复合材料目标用于高温1650摄氏度以上的发动机。 三、高分子合成材料树脂、纤维和橡胶，这3大类高分子合成材料目前世界年产量已经达到1.8亿吨以上，其中有80%以上是合成树脂和塑料。新型高分子结构材料发展的重点是特种工程塑料、有机硅材料、有机氟材料、高性能纤维、高性能合成橡胶、高性能树脂等。合成树脂是在迅速发展中的材料。高性能乙丙橡胶生产技术已经进入新阶段，以活性阴离子聚合、活性阳离子聚合，以及弹性体改性和热塑化等技术为开发的热点。高分子材料的绿色工程技术在世界范围内也已经受到普遍的重视。四、复合材料复合材料是先进结构材料发展的新方向，应用十分广泛。其研究与开发重点是：高聚物（树脂）基复合材料，金属基复合材料、陶瓷基复合材料。C/C复合材料（碳纤维增强碳基体复合材料）强度比高温合金高5倍，被普遍认为是推重比20-30发动机热端件的优选材料。C/C复合材料在民用飞机、高速列车等应用上呈发展态势，到目前为止，已经形成成熟材料和工艺，正在向高效率、低成本、多功能方向发展。结构材料是社会生活和国民经济建设的重要的物质基础。金属、陶瓷和高分子材料长期以来是三大传统的工程结构材料。随着工业化的迅速推进，对工程结构材料的性能提出了越来越高的要求，也推动了发展新一代高性能结构材料。信息功能材料领域新型功能材料发展趋势新型功能材料是信息领域赖以发展的极为重要基础材料。信息功能材料是指具有电子和光学、电学、磁学等功能的特殊功能新材料，主要包括半导体材料、光电子材料、传感器材料、磁性材料、电子功能陶瓷、光传导纤维、绿色电池材料等。一、半导体材料 在目前国际上，电子材料和器件的设计理论原理正在由传统电子学向以应用量子效应为基础的纳米电子学转移；宽带隙材料、硅基异质结构材料和光学功能材料等已经成为新一代光电子、光子信息技术发展的基础，成为当前电子信息材料研究和发展的重点。随着电子学向光电子学、光子学的迈进，尽管微电子材料在将来10至15年内仍是最基本的信息功能材料，而光电子材料、光子材料将成为发展最快和最有前途的领域。以硅为代表的半导体是目前集成电路和光电子元器件制造的基础材料。为降低成本和提高集成度，半导体芯片正朝着大尺寸、晶格高完整性、渗杂元素浓度精确控制的方向发展。因此，Si、GaAs、InP等半导体单晶材料也朝着大尺寸、高均质和晶格高完整性的方向发展。在目前国际上，IC主流生产线产品采用8英吋硅芯片，并且正在向12英吋硅芯片过渡。6英吋GaAs单晶片已经开始批量生产，芯片质量已经达到“开盒即用”水平。在以Si、SiGe、GaAs为代表的第一、二代半导体材料继续发展的同时，包括SiC、GaN、ZnSe、金刚石等作为第三代半导体材料的宽禁带半导体材料近年来国外发展也十分迅速，用以制作高温、高频、高功率、抗辐射，以及蓝绿光、紫外光的发光器件和探测器件，总的发展趋势是晶体大直径、大尺寸化。2英吋4HS-SiC、6H-SiC芯片目前已经商品化。GaN材料异质外延技术目前已经取得突破，并且实现了GaN的P型渗杂，制备出高亮度的蓝光LED和LD、绿光LED和LD。以GaAs、InP、GaN为代表的半导体光电材料和以分子束外延多层膜量子级连激光器的研究获得重大的突破，已经研制出GaN基紫蓝光量子阱激光器。继经典半导体的同质结、异质结之后，基于量子阱、量子线、量子点的器件，其设计、制造和集成技术在将来10至15年内，将在信息材料和元器件制造中占据主导地位。随着金属有机化合物化学气相外延(MOCVD)和分子束外延(MBE)两大超薄层外延技术的日趋成熟，促进了超薄层微结构材料的迅速发展，涌现出大批新器件，例如，PHEMTMMIC放大器、GaAs基HBT器件、InP基HEMT器件等。MOCVD和MBE技术今后将进一步得到发展和更加广泛应用。 近年来，在高速、低压、低功耗的需求驱动下，商用IC芯片的SOI芯片制造技术取得了飞速发展。二、光电子材料光电集成是21世纪光电子技术发展的重要方向。光电子材料是发展光电信息技术的先导和基础。其正在朝着“材料尺度低维化”的方向发展，由体材料转向薄层、超薄层和纳米结构材料等。在世界范围内，激光晶体材料目前已经发展有数十种。固体激光晶体正在向高功率、LD泵浦、可调谐、新波长、多功能和新工艺的方向发展。应用最广泛、用量最大的激光晶体为Nd:YAG；应用较多的激光晶体有Nd:YLF、Ho:YAG、Er:YAG、Ti:AL2O3等。三、光传导纤维通信光纤材料在总体上向扩大容量、增加传输距离、降低损耗与色散、提高带宽、抑制非线性效应、实现密集波分复用、高灵敏度传感的方向发展。敷设量最大的目前为G.652光纤，其占敷设总量的90%以上。在新一代光纤通信系统中，最佳传输介质目前是G.655光纤，其适用于密集波分复用系统。国外制作的大尺寸光纤预制棒每棒拉丝目前最长达到1000公里。国外开发了通信光纤，还开发了保偏光纤、有源光纤、约外光纤、细径光纤、抗辐照光纤、耐高（低）温光纤、高强度光纤、增敏和退敏光纤等特种光纤。四、磁性材料磁性材料主要用于计算机存储领域的磁记录设备和介质，磁记录器的高密度、低噪音、小型化等要求磁粉的颗粒尺寸由微米向亚微米、纳米方向发展，且颗粒分布要尽可能密集。由于当今高密度磁盘和数字磁带的发展，对高性能金属磁粉的需求将明显增加。 现代通信、计算机、信息网络技术、集成微机械智能系统、工业自动化和家电等以电子信息技术为基础的高技术产业迅速发展，推动了系列信息功能材料的研究、发展，以及广泛应用。