幾種新材料的市場前景分析

【摘 要】本文介紹電子光電材料、生物醫(yī)學(xué)材料、復(fù)合材料與高分子材料，以及其它新材料的最新發(fā)展與市場前景，期望能為材料科學(xué)發(fā)展提供借鑒。

【關(guān)鍵詞】新材料；市場前景

一、電子光電材料

信息領(lǐng)域的發(fā)展使人們需要處理的不僅是數(shù)據(jù)、文字、聲音和圖像，而是活動圖像和高清晰的圖像。在海量數(shù)據(jù)信息存儲中，信息的存入和取出速率要求越來越高，半導(dǎo)體內(nèi)存儲器的數(shù)據(jù)存取時間從微秒降到納秒級，而外部存儲器的數(shù)據(jù)存取時間從毫秒級降到微秒級，要求存儲介質(zhì)的記錄和擦除的時間響應(yīng)要快。存儲過程的物質(zhì)變化主要依靠原子、離子和分子的自旋變遷、電子躍遷、光子感應(yīng)，以及原子、離子和分子在它們最鄰近位置的移動，要求在新存儲材料研究上有新的突破。21世紀是“太元時代”，即電信時代，通信產(chǎn)業(yè)將從電子郵件、因特網(wǎng)等計算機通訊手段向智能通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展，新的網(wǎng)絡(luò)核心——光子、光網(wǎng)絡(luò)的傳播因子將直接是波長而不是分組，載有信息的光子直接進入網(wǎng)絡(luò)。目前，集成電路技術(shù)可以把整個計算機系統(tǒng)架構(gòu)在硅晶片上，經(jīng)過光纖放大器（EDFA）和波分復(fù)用（WDM）等現(xiàn)代光纖通信技術(shù)，可以將整個計算機系統(tǒng)架構(gòu)在石英光纖上，而主要原料則是砂子。微電子是技術(shù)導(dǎo)向性產(chǎn)業(yè)，通過縮小器件的特征尺寸，提高芯片的集成度、增加硅片面積來提高集成電路的性能和性價比。在微電子技術(shù)的發(fā)展過程中，材料科學(xué)技術(shù)起到?jīng)Q定性和作用，因為集成電路是制造在各相關(guān)體或薄膜材料上的，制造過程中也會涉及系列的材料問題。微電子技術(shù)將進入亞0.1um時代，在這樣的器件尺度下，技術(shù)和物理的限制將會出現(xiàn)，對材料科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提出了新要求。集成電路材料分為功能性材料、結(jié)構(gòu)材料、工藝材料和輔助材料，還可能引入新的材料。顯示技術(shù)從陰級射線管開始，已經(jīng)發(fā)展到了可便攜式和大屏幕的顯示技術(shù)，航天技術(shù)的發(fā)展要求顯示材料能克服策略加速的震動能力，并適應(yīng)不同的溫差和濕差等。目前顯示技術(shù)主要有兩種：發(fā)光顯示與不發(fā)光顯示。發(fā)光顯示屏都涂有發(fā)光涂料，不發(fā)光的材料主要是液晶。低維結(jié)構(gòu)材料指除三維體材料外的二維、一維和零維材料。一維量子材料指載流子僅在一個方向可以自由運動，而另兩個方向則受約束。零維量子材料指載流子在三個方向受約束。集成電路芯片功能的實現(xiàn)要依靠引出信號，即依靠封裝材料組成器件，封裝是集成電路支撐、保護的必要條件，是其功能實現(xiàn)的組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)電源供給、信號互聯(lián)、機械支撐、散熱和環(huán)境保護功能。微電子封裝涉及了除芯片外的所有半導(dǎo)體元器件領(lǐng)域。

二、生物醫(yī)學(xué)材料

用生物材料制成人工器官取代受損器官是當前醫(yī)學(xué)發(fā)展的趨勢，過去的材料是人工合成材料，可能造成一系列的副作用，如生物不相容性和血不相容性，同時還會帶來異體界面發(fā)生的炎性反應(yīng)、位移和破裂，器官移植供體不足和排異藥物的副作用也沒有徹底解決。利用新生物醫(yī)學(xué)材料可在體外用聚合物構(gòu)建一個支架體內(nèi)，使活細胞與支架進行結(jié)合，構(gòu)成具有生物活性的人體組織器官。這些生物功能材料可以是永久性的，也可以是生物降解的，可以是天然合成材料也可以是雜化材料，但結(jié)合材料對細胞的反應(yīng)情況，使其能實現(xiàn)活細胞在體內(nèi)或體外相容。生物醫(yī)學(xué)材料不是被“惰性”植入體，而是要引導(dǎo)細胞、組織及器官的修復(fù)和再生功能，主要的發(fā)展目標是：新型可降解材料；利用物理、化學(xué)和生物方法來改選原有材料。另一個與生物醫(yī)學(xué)材料相關(guān)的是材料仿生的研究，包括模仿天然生物材料結(jié)構(gòu)特征的結(jié)構(gòu)仿生和模仿生物體中形成材料的過程仿生。目前，細胞工程、基因工程和微生物學(xué)向材料科學(xué)的滲透，使生物科學(xué)原理在材料科學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

三、復(fù)合材料與高分子材料

若想實現(xiàn)一種材料滿足各種高水平的綜合指標，從單一材料出發(fā)是非常困難的，復(fù)合材料是將金屬、無機非金屬、高分子材料組合起來的一種多相材料，其設(shè)計自由度很大，可以在組成成分選擇、占比來滿足設(shè)計要求，即復(fù)合材料效應(yīng)。目前，復(fù)合材料與金屬材料、高分子材料和無機非金屬材料并列為四大材料。如在新能源方面，碳纖維和玻璃纖維已經(jīng)應(yīng)用于風力發(fā)電機的葉片、太陽能電池的輕質(zhì)高強度支架、核電和潮汐發(fā)電的離心機轉(zhuǎn)子等。復(fù)合材料使用壽命長也可以節(jié)約資源，如高強纖維增強混凝土可以扼制開裂，從而防止鋼筋生銹；同時在設(shè)計高性能碳纖維或芳酰胺纖維增強聚合物代替鋼筋克服了原來存在的問題。在基礎(chǔ)建設(shè)的修復(fù)中，復(fù)合材料好是最經(jīng)濟的方法。特殊功能的高分子材料的質(zhì)量取決于材料的選擇和成型技術(shù)，高分子材料成型加工是一門交叉科學(xué)，主要研究材料特性，確定最佳的加工條件，制造最佳性能的產(chǎn)品。目前的主要研究方向是：研究在加工工程中材料結(jié)構(gòu)的演變，通過反應(yīng)性加工實現(xiàn)預(yù)期的材料結(jié)構(gòu)，與輻照、力化學(xué)、電磁振蕩等物理技術(shù)結(jié)合確定最佳加工方法等。合成纖維已經(jīng)占居了纖維的主要市場，目前研究的方向是：開展高性能纖維和功能纖維，如PBO纖維、分離功能纖維、有機光導(dǎo)纖維等的研制。

四、其它新材料

電池將在解決經(jīng)濟增長、能源和環(huán)境難題中直到重要的作用，而材料是電流的基礎(chǔ)。燃料電池和各種高能電池將在人類社會發(fā)展中起到重要的作用。目前發(fā)展方向是小型電池、長壽命電池和燃料電池，通過電池材料可以提高電池性能。薄膜是一種用途很廣的材料，主要用于維護材料或零部件的結(jié)構(gòu)完整性，如耐磨損、耐腐蝕性和耐高溫性等，通常被稱為是防護膜。另一個薄膜則要求應(yīng)用其電、磁、聲、光等功能，通常被稱為是功能膜。生物材料上使用的薄膜通常被稱為是生物醫(yī)學(xué)膜，還有裝飾膜和包裝膜等。薄膜技術(shù)的發(fā)展主要包括薄膜材料開發(fā)、薄膜沉積工藝、薄膜材料結(jié)構(gòu)與性能研究、薄膜應(yīng)用技術(shù)等。薄膜技術(shù)發(fā)展的主要特點是：器件的微型化使薄膜的尺度不斷減少。宏觀狀態(tài)的物質(zhì)有三維空間，當物質(zhì)在某個方向的度量尺寸是微觀尺度，而其宏觀而其它方向是宏觀尺寸時，則會呈現(xiàn)二維性，其性能也會發(fā)生重大變化，這涉及物理和材料兩個學(xué)科領(lǐng)域，可見，一維材料膜和二維材料膜構(gòu)成了低維材料家族。功能陶瓷包括鐵電、壓電、介電、熱釋電、半導(dǎo)、導(dǎo)電、超導(dǎo)和磁性等功能各異的陶瓷材料，是電子信息、集成電路、移動通訊、計算機、自動控制、精密儀器、航空航天、汽車和能源等高技術(shù)領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)材料。信息功能陶瓷是新型無機非金屬材料，用于表面組裝技術(shù)，壓電驅(qū)動器、超聲馬達，復(fù)相與復(fù)相功能陶瓷，軟化學(xué)與功能陶瓷薄膜，半導(dǎo)體陶瓷與傳感器，電子封裝陶瓷基片等領(lǐng)域。水泥材料主要研究水泥熟料礦物的結(jié)構(gòu)與特征，水泥生產(chǎn)過程的技術(shù)進步、水泥的水化與硬化、水泥硬化體的與工程性質(zhì)等，水泥漿與集料的界面結(jié)構(gòu)和混凝土的耐久性，以及低鈣復(fù)合水泥的技術(shù)開發(fā)路線等。

參考文獻：

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[4]國外優(yōu)秀科技著作出版基金專項基金會.材料科學(xué)與工程國際前沿[M].山東科技出版社,2002.

作者簡介：杜康，現(xiàn)就讀于山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2011級卓越人才班。