第一章　材料領(lǐng)域研究前沿及創(chuàng)新技術(shù)

第一節(jié)　材料領(lǐng)域的研究前沿

一、材料科學(xué)的新發(fā)展

1．材料科學(xué)的作用

能源、信息和材料是現(xiàn)代科技發(fā)展的三大支柱，而材料是高科技的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)今科學(xué)的前沿領(lǐng)域之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各個(gè)領(lǐng)域?qū)Σ牧系男枨罅恳苍诓粩嘣黾樱瑢?duì)材料性能也提出了更高的要求，材料的形態(tài)也由三維轉(zhuǎn)向二維、一維，甚至零維，向精密化和前沿化不斷靠攏。

現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展為新材料的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，材料發(fā)展歷經(jīng)簡(jiǎn)單到復(fù)雜、宏觀到微觀和經(jīng)驗(yàn)為主到知識(shí)為主三種過(guò)程。

2．材料分子設(shè)計(jì)

近年來(lái)，材料結(jié)構(gòu)和功能又得到深度開發(fā)，利用新技術(shù)可以彌補(bǔ)材料中的缺陷和不足，進(jìn)一步完善制備工藝和手段。新技術(shù)的革命引發(fā)了新產(chǎn)業(yè)革命，紅外技術(shù)、激光技術(shù)、電子技術(shù)和能源開發(fā)等新型技術(shù)對(duì)材料也提出了更高的要求，為了解決這些難題，材料科學(xué)正在逐步向多質(zhì)合成、超級(jí)工藝和分子設(shè)計(jì)等方向發(fā)展。

分子設(shè)計(jì)主要是為了滿足生產(chǎn)和生活的需要，綜合運(yùn)用了物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)和生物等理論知識(shí)，再加上激光、計(jì)算機(jī)和電子等技術(shù)，輔以先進(jìn)測(cè)試儀，用來(lái)研究材料的性能，或者利用原子理論預(yù)測(cè)材料在未來(lái)可能具備的性能，并根據(jù)需求設(shè)計(jì)新的分子和材料。如果這項(xiàng)技術(shù)能夠得到完善，就可以改變材料的研制方法，讓材料科學(xué)進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。

3．復(fù)合材料研究

復(fù)合材料是材料發(fā)展的重點(diǎn)內(nèi)容，主要包括金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、碳基復(fù)合材料和樹脂基高強(qiáng)度材料。表面涂層也是一種復(fù)合材料，其適用范圍廣，且經(jīng)濟(jì)實(shí)用，擁有廣闊的發(fā)展前景。復(fù)合材料是采用有機(jī)和無(wú)機(jī)的方法合成的，能夠制造出耐熱、耐腐蝕和使用壽命長(zhǎng)的材料，已經(jīng)取代了鋼鐵等金屬，一躍成為新型結(jié)構(gòu)材料。這些材料打破了單一材料的局限，通過(guò)揚(yáng)長(zhǎng)避短提升了性能。

4．信息功能材料及生物材料

信息功能材料可以增加材料品種、提升性能，主要包括半導(dǎo)體、紅外、液晶和磁性材料等，這是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。

生物材料得到更廣泛的應(yīng)用，其一是生物醫(yī)學(xué)材料，可用于修復(fù)人體器官、組織或血液；其二是生物模擬材料，譬如反滲透膜。低維材料具備體材料沒(méi)有的性質(zhì)，例如零維的納米金屬顆粒是電的絕緣體，納米陶瓷具有較強(qiáng)的韌性和塑性。一維材料有有機(jī)纖維和光導(dǎo)纖維，二維材料有金剛石薄膜和超導(dǎo)薄膜，這些材料的應(yīng)用前景一片光明。

5．傳統(tǒng)材料加工新技術(shù)

材料科學(xué)的另一個(gè)發(fā)展方向是利用新科技改變材料的使用方法和制造手段，對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行加工重新利用，讓新型材料擁有特殊的功能，以滿足生物、能源、通信和航空等領(lǐng)域的需求。目前新材料領(lǐng)域出現(xiàn)了一門新學(xué)科——高分子智能材料，主要通過(guò)有機(jī)合成法合成，這種材料成為各國(guó)的研究新課題，也已經(jīng)得到應(yīng)用，不久的將來(lái)應(yīng)該會(huì)進(jìn)入日常生活當(dāng)中。

此外，建立材料系統(tǒng)工程，建設(shè)好材料信息網(wǎng)，合理使用各種材料，綜合考慮材料、環(huán)境和能源三方面，以達(dá)到節(jié)約能源和保護(hù)環(huán)境的目的，這也是材料技術(shù)亟須解決的問(wèn)題。

二、復(fù)合材料研究前沿

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料，它可以發(fā)揮各組元材料的優(yōu)點(diǎn)，克服單一組元材料的缺陷。復(fù)合材料按用途可分為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和功能復(fù)合材料，根據(jù)基體種類可分為金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料、聚合物基復(fù)合材料和碳基復(fù)合材料等，按增強(qiáng)（韌）相可分為顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、晶須增強(qiáng)復(fù)合材料或纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。復(fù)合材料已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電氣、建筑、體育器材、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，近幾年更是得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

1．金屬基復(fù)合材料

金屬基復(fù)合材料是包括顆粒增強(qiáng)、晶須增強(qiáng)、纖維增強(qiáng)金屬基體的復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料兼具金屬與非金屬的綜合性能，材料的強(qiáng)韌性、耐磨性、耐熱性、導(dǎo)電導(dǎo)熱性及耐候性能適應(yīng)廣泛的工程要求，且比強(qiáng)度、比模量及耐熱性超過(guò)基體金屬，對(duì)航空航天等尖端領(lǐng)域的發(fā)展具有重要作用。在該類材料中，所用基體金屬包括輕合金（鋁、鎂、鈦）、高溫合金與金屬間化合物，以及鋼、銅、鋅、鉛等；增強(qiáng)纖維包括炭（石墨）、碳化硅、硼、氧化鋁、不銹鋼及鎢等纖維；增強(qiáng)顆粒包括碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、硼化鈦、碳化鈦、碳化硼等；增強(qiáng)晶須包括碳化硅、氧化硅、硼酸鋁、鈦酸鉀等。以上各種基體和增強(qiáng)體可組成大量金屬基復(fù)合材料，但目前多數(shù)處于研發(fā)階段，只有少數(shù)得到應(yīng)用。

2．陶瓷基復(fù)合材料

陶瓷基復(fù)合材料（CMC）的增韌材料主要有碳纖維（CF）、碳化硅纖維（SiCF）、玻璃纖維、氧化物纖維，以及碳化物和氧化物顆粒等，基體材料主要有氧化物陶瓷、碳化物陶瓷和氮化物陶瓷等。CMC種類繁多，由于其耐高溫和低密度特性優(yōu)于金屬和金屬間化合物，因而美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家一直把CMC列為新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料的發(fā)展重點(diǎn)，而連續(xù)纖維增韌的CMC是重中之重。

3．聚合物基復(fù)合材料

聚合物基復(fù)合材料（PMC）是以熱固性或熱塑性樹脂為基體材料，由不同組成、不同性質(zhì)的短切的或連續(xù)纖維及其織物復(fù)合而成的多相材料。常用的增強(qiáng)纖維材料有玻璃纖維、碳纖維、高密度聚乙烯纖維等。聚合物基復(fù)合材料密度低、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、減振性能好、模量高、熱膨脹系數(shù)低，是一種高性能工程復(fù)合材料，廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天和軍事等領(lǐng)域。

4．碳基復(fù)合材料

碳基復(fù)合材料也稱碳/碳（C/C）復(fù)合材料，是以碳纖維增強(qiáng)碳基體的復(fù)合材料，其使用溫度高達(dá)2000℃以上，密度低于2.0g/cm³，比強(qiáng)度是高溫合金的5倍，是一種優(yōu)秀的輕質(zhì)高溫結(jié)構(gòu)材料。從20世紀(jì)60年代美國(guó)NASA的阿波羅登月計(jì)劃實(shí)施以來(lái)，C/C復(fù)合材料已成為航空航天領(lǐng)域不可替代的高溫結(jié)構(gòu)材料。

當(dāng)今，無(wú)論是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、導(dǎo)彈的再入防護(hù)，還是航空剎車副，C/C復(fù)合材料都是首選材料。很難想象，如果沒(méi)有C/C復(fù)合材料的存在，世界航空航天事業(yè)能否會(huì)有今天這樣的輝煌成就。

三、納米材料研究前沿

1．納米材料概況

納米材料、納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子（Nano Particle）組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)也非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。

2．納米材料應(yīng)用

（1）納米金屬

對(duì)于高熔點(diǎn)、難成形的金屬，只要將其加工成納米粉末，即可在較低的溫度下將其熔化，制成耐高溫的元件，用于研制新一代高速發(fā)動(dòng)機(jī)中能夠承受超高溫的材料。如納米鐵材料，是由6nm的鐵晶體壓制而成的，較之普通鐵，強(qiáng)度提高12倍，硬度提高2～3個(gè)數(shù)量級(jí)，利用納米鐵材料，可以制造出高強(qiáng)度和高韌性的特殊鋼材。

（2）“納米球”潤(rùn)滑劑

“納米球”潤(rùn)滑劑全稱為原子自組裝納米球固體潤(rùn)滑劑，是具有二十面體原子團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的鋁基合金成分，并采用獨(dú)特的納米制備工藝加工而成的納米級(jí)潤(rùn)滑劑。采用高速氣流粉碎技術(shù)，精確控制添加劑的顆粒粒度，可在摩擦表面形成新表面，對(duì)機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生修復(fù)作用。其成分設(shè)計(jì)及制備工藝具有創(chuàng)新性，填補(bǔ)了潤(rùn)滑油合金基添加劑的技術(shù)空白。將納米球應(yīng)用于機(jī)車發(fā)動(dòng)機(jī)，可以起到節(jié)省燃油、修復(fù)磨損表面、增強(qiáng)機(jī)車動(dòng)力、降低噪聲、減少污染物排放、保護(hù)環(huán)境的作用。

（3）納米陶瓷

首先利用納米粉末可使陶瓷的燒結(jié)溫度下降，簡(jiǎn)化生產(chǎn)工藝，同時(shí)，納米陶瓷具有良好的塑性甚至能夠具有超塑性，解決了普通陶瓷韌性不足的弱點(diǎn)，大大拓展了陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。

（4）碳納米管

碳納米管（也稱納米碳管）的直徑只有1.4nm，僅為計(jì)算機(jī)微處理器芯片上最細(xì)電路線寬的1%，其質(zhì)量是同體積鋼的1/6，強(qiáng)度卻是鋼的100倍，碳納米管將成為未來(lái)高能纖維的首選材料，并廣泛用于制造超微導(dǎo)線、開關(guān)及納米級(jí)電子線路。

（5）納米催化劑

由于納米材料的表面積大大增加，而且表面結(jié)構(gòu)也發(fā)生很大變化，使表面活性增強(qiáng)，所以可以將納米材料用作催化劑，如超細(xì)的硼粉、高鉻酸銨粉可以作為炸藥的有效催化劑；超細(xì)的鉑粉、碳化鎢粉是高效的氫化催化劑；超細(xì)的銀粉可以作為乙烯氧化的催化劑；用超細(xì)的Fe₃O₄微粒作為催化劑可以在低溫下將CO₂分解為碳和水；在火箭燃料中添加少量的鎳粉便能成倍地提高燃燒的效率。

（6）量子元件

制造量子元件，首先要開發(fā)量子箱。量子箱是直徑約10nm的微小構(gòu)造，當(dāng)把電子關(guān)在這樣的箱子里，就會(huì)因量子效應(yīng)使電子有異乎尋常的表現(xiàn)，利用這一現(xiàn)象便可制成量子元件，量子元件主要是通過(guò)控制電子波動(dòng)的相位來(lái)進(jìn)行工作的，從而能夠?qū)崿F(xiàn)更高的響應(yīng)速度和更低的電力消耗。另外，量子元件還可以使元件的體積大大縮小，使電路大為簡(jiǎn)化，因此，量子元件的興起將引發(fā)一場(chǎng)電子技術(shù)革命。人們期待著利用量子元件在21世紀(jì)制造出16GB（吉字節(jié)）的DRAM，這樣的存儲(chǔ)器芯片足以存放10億個(gè)漢字的信息。

（7）乳化劑

目前，已經(jīng)研制出一種用納米技術(shù)制造的乳化劑，以一定比例加入汽油后，可使轎車降低10%左右的耗油量。納米材料在室溫條件下具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫能力，在室溫常壓下，納米材料儲(chǔ)存的氫能中約2/3可以釋放，可以不用昂貴的超低溫液氫儲(chǔ)存裝置。

3．納米材料的應(yīng)用

納米技術(shù)基礎(chǔ)理論研究和新材料開發(fā)等應(yīng)用研究都得到了快速的發(fā)展，并且在傳統(tǒng)材料、醫(yī)療器材、電子設(shè)備、涂料等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。在產(chǎn)業(yè)化發(fā)展方面，除了納米粉體材料在美國(guó)、日本、中國(guó)等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家初步實(shí)現(xiàn)規(guī)模生產(chǎn)外，納米生物材料、納米電子器件材料、納米醫(yī)療診斷材料等產(chǎn)品仍處于開發(fā)研制階段。2010年全球納米新材料市場(chǎng)規(guī)模達(dá)22.3億美元，年增長(zhǎng)率為14.8%。

（1）天然納米材料

海龜在美國(guó)佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵，但出生后的幼小海龜為了尋找食物，卻要游到英國(guó)附近的海域，才能得以生存和長(zhǎng)大。最后，長(zhǎng)大的海龜還要再回到佛羅里達(dá)州的海邊產(chǎn)卵。如此來(lái)回約需5～6年，為什么海龜能夠進(jìn)行幾萬(wàn)千米的長(zhǎng)途跋涉呢？它們依靠的是頭部的納米磁性材料，為它們準(zhǔn)確無(wú)誤地導(dǎo)航。

生物學(xué)家在研究鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物為什么從來(lái)不會(huì)迷失方向時(shí)，也發(fā)現(xiàn)這些生物體內(nèi)同樣存在著天然納米材料為它們導(dǎo)航。

（2）納米磁性材料

實(shí)際應(yīng)用中的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學(xué)性質(zhì)，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度比γ-Fe₂O₃高幾十倍。超順磁的強(qiáng)磁性納米顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤(rùn)滑和選礦等領(lǐng)域。

（3）納米陶瓷材料

傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動(dòng)，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng)，因此，納米陶瓷材料具有極高的強(qiáng)度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進(jìn)行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。

（4）納米傳感器

納米二氧化鋯、納米氧化鎳、納米二氧化鈦等陶瓷對(duì)溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此，可以用它們制作溫度傳感器、紅外線檢測(cè)儀和汽車尾氣檢測(cè)儀，檢測(cè)靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。

（5）納米傾斜功能材料

在航天用的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃燒室的內(nèi)表面需要耐高溫，其外表面要與冷卻劑接觸。因此，內(nèi)表面要用陶瓷制作，外表面則要用導(dǎo)熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結(jié)合在一起。如果制作時(shí)在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續(xù)變化，讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”，最終便能結(jié)合在一起形成傾斜功能材料，它的意思是其中的成分變化像一個(gè)傾斜的梯子。當(dāng)用金屬和納米陶瓷顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結(jié)成形時(shí)，就能達(dá)到燃燒室內(nèi)側(cè)耐高溫、外側(cè)有良好導(dǎo)熱性的要求。

（6）納米半導(dǎo)體材料

將硅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料制成納米材料，具有許多優(yōu)異性能。例如，納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)反常、電導(dǎo)率降低，熱導(dǎo)率也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

利用半導(dǎo)體納米粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽(yáng)能電池。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無(wú)機(jī)物，降解大多數(shù)有機(jī)物，最終生成無(wú)毒、無(wú)味的二氧化碳、水等，所以可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽(yáng)能催化分解無(wú)機(jī)物和有機(jī)物。

（7）納米催化材料

納米粒子是一種極好的催化劑，這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分?jǐn)?shù)較大、表面的化學(xué)鍵狀態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同、表面原子配位不全，導(dǎo)致表面的活性位置增加，使它具備了作為催化劑的基本條件。

鎳或銅鋅化合物的納米粒子對(duì)某些有機(jī)物的氫化反應(yīng)來(lái)說(shuō)是極好的催化劑，可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應(yīng)的溫度從600℃降低到室溫。

（8）醫(yī)療上的應(yīng)用

血液中紅血球（也稱紅細(xì)胞）的大小為6000～9000nm，而納米粒子只有幾個(gè)納米大小，實(shí)際上比紅血球小得多，因此它可以在血液中自由活動(dòng)。如果把各種有治療作用的納米粒子注入人體各個(gè)部位，便可以檢查病變和進(jìn)行治療，其作用要比傳統(tǒng)的打針、吃藥的效果好。

碳材料的血液相溶性非常好，新型的人工心瓣都是在材料基底上沉積一層熱解碳或類金剛石碳。但是這種沉積工藝比較復(fù)雜，而且一般只適用于制備硬材料。

介入性氣囊和導(dǎo)管一般使用高彈性的聚氨酯材料制備，通過(guò)把具有高長(zhǎng)徑比和純碳原子組成的碳納米管材料引入高彈性的聚氨酯中，可以使這種聚合物材料一方面保持其優(yōu)異的力學(xué)性質(zhì)和容易加工成型的特性，另一方面獲得更好的血液相溶性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，這種納米復(fù)合材料引起血液溶血的程度會(huì)降低，激活血小板的程度也會(huì)降低。

使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。通過(guò)納米粒子的特殊性能在納米粒子表面進(jìn)行修飾形成一些具有靶向、可控釋放、便于檢測(cè)的藥物傳輸載體，為身體的局部病變的治療提供新的方法，為藥物開發(fā)開辟了新的方向。

（9）納米計(jì)算機(jī)

世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生于1945年，一共用了18000個(gè)電子管，總重量30t，占地面積約170，可以算得上一個(gè)龐然大物了，可是，它在1s內(nèi)只能完成5000次運(yùn)算。

經(jīng)過(guò)了半個(gè)世紀(jì)，由于集成電路技術(shù)、微電子學(xué)、信息存儲(chǔ)技術(shù)、計(jì)算機(jī)語(yǔ)言和編程技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)技術(shù)有了飛速的發(fā)展。今天的計(jì)算機(jī)小巧玲瓏，可以擺在一張電腦桌上，它的重量只有老祖宗的萬(wàn)分之一，但運(yùn)算速度卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了第一代電子計(jì)算機(jī)。

如果采用納米技術(shù)來(lái)構(gòu)筑電子計(jì)算機(jī)的器件，那么這種未來(lái)的計(jì)算機(jī)將是一種“分子計(jì)算機(jī)”，其袖珍的程度又遠(yuǎn)非今天的計(jì)算機(jī)可比，而且在節(jié)約材料和能源上也將給社會(huì)帶來(lái)十分可觀的效益。

（10）納米碳管

1991年，日本的專家制備出了一種稱為“納米碳管”的材料，它是由碳原子組合而成的具有六邊形環(huán)狀結(jié)構(gòu)的一種管狀物，也可以是由同軸的幾根管狀物套在一起組成的。

這種由碳原子組成的管狀物，直徑和管長(zhǎng)的尺寸都是納米量級(jí)的，因此被稱為納米碳管。它的抗張強(qiáng)度比鋼高出100倍，導(dǎo)電率比銅還要高。

在空氣中將納米碳管加熱到700℃左右，使管子頂部封口處的碳原子因被氧化而破壞，成了開口的納米碳管。然后用電子束將低熔點(diǎn)金屬（如鉛）蒸發(fā)后凝聚在開口的納米碳管上，由于虹吸作用，金屬便進(jìn)入納米碳管中空的部分。納米碳管的直徑極小，因此管內(nèi)形成的金屬絲也特別細(xì)，被稱為納米絲，它產(chǎn)生的小尺寸效應(yīng)是具有超導(dǎo)性。因此，納米碳管加上納米絲后可能成為新型的超導(dǎo)體。

（11）家電上的應(yīng)用

用納米材料制成的納米多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

（12）環(huán)境保護(hù)上的應(yīng)用

環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能夠探測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能夠?qū)@些制劑進(jìn)行過(guò)濾，從而消除污染。

（13）紡織工業(yè)上的應(yīng)用

在合成纖維樹脂中添加納米SiO₂、納米ZnO、納米SiO₂復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、抗菌用品，可制得滿足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

（14）機(jī)械工業(yè)上的應(yīng)用

采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

4．納米技術(shù)的發(fā)展

隨著各國(guó)對(duì)納米技術(shù)應(yīng)用研究投入的加大，納米新材料產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程將大大加快，市場(chǎng)規(guī)模將有明顯增長(zhǎng)。納米粉體材料中的納米碳酸鈣、納米氧化鋅、納米氧化硅等幾個(gè)產(chǎn)品已形成一定的市場(chǎng)規(guī)模。

納米陶瓷材料、納米紡織材料、納米改性涂料等材料也已開發(fā)成功，并初步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，納米粉體顆粒在醫(yī)療診斷制劑、微電子領(lǐng)域的應(yīng)用正加緊由實(shí)驗(yàn)研究成果向產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)方向轉(zhuǎn)移。

四、能源工業(yè)新材料研究前沿

1．石墨烯基重防腐涂層實(shí)現(xiàn)電力設(shè)施長(zhǎng)效防腐

目前，人們?cè)诜栏g方面的最新發(fā)現(xiàn)之一就是石墨烯。常用的聚合物涂層很容易被刮傷，從而使其保護(hù)性能降低。而石墨烯作為保護(hù)膜，能顯著延緩金屬的腐蝕速率。基于石墨烯的這種特性，實(shí)現(xiàn)石墨烯在銅基體中的均勻分散和兩相界面的良好結(jié)合，目前已經(jīng)在研制兩種體系高性能石墨烯基重防腐涂層——高導(dǎo)熱石墨烯基重防腐涂層和石墨烯基導(dǎo)電涂層，實(shí)現(xiàn)沿海地區(qū)變電站變壓器、隔離開關(guān)、輸電塔架、變電站接地網(wǎng)等輸、變電設(shè)施設(shè)備的長(zhǎng)效防腐。

而將石墨烯材料與有機(jī)高分子防腐涂料結(jié)合起來(lái)，可獲得環(huán)保、低成本、高效、便于施工的重防腐材料與技術(shù)。在輸電設(shè)備中使用石墨烯基新型碳材料后，可平穩(wěn)提升線路輸電能力、保障輸電安全，顯著延長(zhǎng)輸電塔架、線路等輸、變電設(shè)備的服役壽命，將傳統(tǒng)鍍鋅層輸電塔架在海洋大氣區(qū)和工業(yè)區(qū)的防護(hù)壽命提高6年以上，減少維修檢修次數(shù)和維修頻率，確保輸電安全。目前石墨烯基電力桿塔導(dǎo)電重防腐新型涂料已經(jīng)研制成功，并在鎮(zhèn)海、北侖、鄞州等區(qū)域使用，效果良好。

2．風(fēng)電葉片涂料用樹脂研究進(jìn)展

目前市場(chǎng)上的風(fēng)電葉片材料主要是纖維增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂和不飽和聚酯。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)會(huì)遭受諸多惡劣環(huán)境，如溫差大、光照強(qiáng)、風(fēng)沙磨損、酸雨腐蝕以及冰雪侵襲，而葉片在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，葉尖速率一般會(huì)超過(guò)100m/s，未經(jīng)防護(hù)的葉片長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，會(huì)很快磨損、老化并產(chǎn)生粉化現(xiàn)象，直至發(fā)生斷裂。另外，大型葉片的吊裝耗時(shí)且昂貴，一般需要其運(yùn)行10年以上才進(jìn)行一次維護(hù)。目前最簡(jiǎn)單有效的防護(hù)方法是采用涂料進(jìn)行保護(hù)。不同環(huán)境對(duì)風(fēng)電葉片防護(hù)涂料的要求也不一樣，主要有兩種。

① 內(nèi)陸用防護(hù)涂料

目前90%以上的風(fēng)電機(jī)組都是在陸地上工作，所處的工作環(huán)境往往光照強(qiáng)、風(fēng)沙及溫差大，比如我國(guó)西部地區(qū)。這就要求葉片防護(hù)涂料必須具有優(yōu)異的耐候性、耐沖擊性、耐磨性及高低溫柔韌性。此外，這些地方冬季往往比較寒冷，雨雪天氣較多，葉片覆冰嚴(yán)重影響發(fā)電效率，并且會(huì)大大縮短葉片的使用壽命，因此防覆冰性能也是一個(gè)很重要的指標(biāo)。

② 海上用防護(hù)涂料

海洋擁有巨大的風(fēng)力資源，歐洲國(guó)家在海上風(fēng)電方面走在世界前列。2011年，包括英國(guó)、丹麥、荷蘭、比利時(shí)等在內(nèi)9個(gè)國(guó)家的49個(gè)風(fēng)電場(chǎng)，總共1247架海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)電3.294GW。2014年，海上累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)到8.771GW。預(yù)計(jì)到2020年，海上風(fēng)電裝機(jī)總量將達(dá)到40～55GW，占?xì)W洲用電需求的10%，到2030年將增大至17%。未來(lái)的海上風(fēng)電將會(huì)成為發(fā)展最為迅速的新能源技術(shù)。我國(guó)海上風(fēng)電正處于快速發(fā)展中，如在建的上海東海大橋和臨港海上風(fēng)電場(chǎng)。因?yàn)槭艿胶Ｑ蟓h(huán)境的影響，海上風(fēng)電防護(hù)涂料除需具有優(yōu)異的耐候性及高低溫柔韌性外，還需要極佳的防腐性能。此外，優(yōu)異的防覆冰性能也是必不可少的。

對(duì)風(fēng)電葉片涂料來(lái)說(shuō)，樹脂的選擇至關(guān)重要，聚氨酯樹脂（包括丙烯酸聚氨酯）在高低溫柔韌性、耐磨性、防風(fēng)沙雨蝕方面表現(xiàn)優(yōu)異，但是在耐候性及防覆冰性能方面不如有機(jī)氟硅樹脂，而環(huán)氧樹脂則可以提供優(yōu)異的防腐性能及層間附著力。

因此，單獨(dú)使用一種樹脂所能達(dá)到的性能總是有限的，針對(duì)不同樹脂的優(yōu)缺點(diǎn)，合理搭配使用而制成的配套涂層體系往往可以達(dá)到更優(yōu)異的防護(hù)效果。

五、其他新材料

1．能源材料

能源材料主要有太陽(yáng)能電池材料、儲(chǔ)氫材料、固體氧化物燃燒電池材料等。

太陽(yáng)能電池材料是新能源材料，IBM公司研制的多層復(fù)合太陽(yáng)能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá)40%。

氫是無(wú)污染、高效的理想能源，氫的利用關(guān)鍵是氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸，美國(guó)能源部在氫能研究經(jīng)費(fèi)中，大約有50%用于儲(chǔ)氫技術(shù)。氫對(duì)一般材料會(huì)產(chǎn)生腐蝕，造成氫脆及滲漏，在運(yùn)輸中也易爆炸，儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫方式是其能與氫結(jié)合形成氫化物，當(dāng)需要時(shí)加熱放氫，放完后又可以繼續(xù)儲(chǔ)存氫。儲(chǔ)氫材料多為金屬化合物，如LaNi₅H、Ti_1.2Mn_1.6H₃等。

固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關(guān)鍵是電池材料，如固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料，還有質(zhì)子交換膜型燃料電池用的有機(jī)質(zhì)子交換膜等。

2．智能材料

智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高新技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一。國(guó)外在智能材料的研發(fā)方面取得很多技術(shù)突破，如英國(guó)宇航公司的導(dǎo)線傳感器，用于測(cè)試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國(guó)開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬(wàn)次循環(huán)，且輸出功率高，以它做制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間僅為10分鐘；形狀記憶合金還已成功應(yīng)用于衛(wèi)星天線等、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

另外，還有壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動(dòng)組件材料等功能材料。

3．磁性材料

磁性材料可分為軟磁材料和硬磁材料兩類。

（1）軟磁材料

軟磁材料是指那些易于磁化并可反復(fù)磁化的材料，但當(dāng)磁場(chǎng)去除后，磁性即隨之消失。這類材料的特性標(biāo)志是：磁導(dǎo)率（μ＝B/H）高，即在磁場(chǎng)中很容易被磁化，并很快達(dá)到高的磁化強(qiáng)度；但當(dāng)磁場(chǎng)消失時(shí)，其剩磁很小。這種材料在電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用于高頻技術(shù)。如磁芯、磁頭、存儲(chǔ)器磁芯；在強(qiáng)電技術(shù)中可用于制作變壓器、開關(guān)、繼電器等。常用的軟磁體有鐵硅合金、鐵鎳合金、非晶金屬。

Fe-（3%～4%）Si的鐵硅合金是最常用的軟磁材料，常用作低頻變壓器、電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)的鐵芯。鐵鎳合金的性能比鐵硅合金好，典型代表材料為坡莫合金（Permalloy），其成分為79%Ni-21%Fe，坡莫合金具有高的磁導(dǎo)率（磁導(dǎo)率為鐵硅合金的10～20倍）、低的損耗，并且在弱磁場(chǎng)中具有高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力，廣泛用于電訊工業(yè)、電子計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)方面，是重要的電子材料。非晶金屬（金屬玻璃）與一般金屬的不同點(diǎn)是其為非晶體。它們是由Fe、Co、Ni及半金屬元素B、Si 所組成，其生產(chǎn)工藝要點(diǎn)是采用極快的速率使金屬液冷卻，使固態(tài)金屬獲得原子無(wú)規(guī)則排列的非晶體結(jié)構(gòu)。非晶金屬具有非常優(yōu)良的磁性能，它們已用于低能耗的變壓器、磁性傳感器、記錄磁頭等。另外，有的非晶金屬具有優(yōu)良的耐蝕性，有的非晶金屬具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)。

（2）永磁材料（硬磁材料）

永磁材料經(jīng)磁化后，去除外磁場(chǎng)仍保留磁性，其性能特點(diǎn)是具有高的剩磁、高的矯頑力。利用此特性可制造永久磁鐵，可把它作為磁源。如常見的指南針、儀表、微電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、錄音機(jī)、電話及醫(yī)療等方面。永磁材料包括鐵氧體和金屬永磁材料兩類。

鐵氧體的用量大、應(yīng)用廣泛、價(jià)格低，但磁性能一般，常用于一般要求的永磁體。

金屬永磁材料中，最早使用的是高碳鋼，但磁性能較差。高性能永磁材料的品種有鋁鎳鈷（Al-Ni-Co）、鐵鉻鈷（Fe-Cr-Co）和稀土永磁，如較早的稀土鈷（Re-Co）合金（主要品種有利用粉末冶金技術(shù)制成的SmCo₅和Sm₂Co₁₇）廣泛采用的釹鐵硼（Rb-Fe-B）稀土永磁，釹鐵硼稀土永磁材料不僅性能優(yōu)異，而且不含稀缺元素鈷，所以成為高性能永磁材料的代表，已用于高性能揚(yáng)聲器、電子水表、核磁共振儀、微電機(jī)、汽車啟動(dòng)電機(jī)等。