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干貨|近兩年新材料技術發展盤點

2017-11-10 15:39:49 作者：本網整理來源：新材料在線分享至：

新材料技術的發展不僅促進了信息技術和生物技術的革命，而且對制造業、物資供應以及個人生活方式產生重大的影響。記者日前采訪了中國科學院“高科技發展報告”課題組的有關專家，請他們介紹了當前世界上新材料技術的研究進展情況及發展趨勢。材料技術的進步使得“芯片上的實驗室”成為可能，大大促進了現代生物技術的發展。新材料技術的發展賦予材料科學新的內涵和廣闊的發展空間。

2016年盤點

高溫合金

金屬結構材料仍是2016年材料技術發展的主流，起著不可替代的作用。高溫合金是航空發動機和燃氣輪機最關鍵的材料，高溫合金的重量占航空發動機和燃氣輪機總重量的70%以上。高溫合金的研發和應用水平在很大程度上反映了一個國家的航空發動機和燃氣輪機的發展水平。

1. 低成本第三代單晶高溫合金CMSX-4 Plus投入使用

第三代單晶鎳基高溫合金是目前國外先進航空發動機應用較多、性能水平最高的單晶高溫合金。典型的第三代單晶高溫合金包括CMSX-10和Rene N6，兩種合金均含有6wt.%的價格昂貴、非常稀缺的錸元素。美國Cannon-Muskegon公司在會上報道了含錸4.8wt.%的低成本第三代單晶高溫合金CMSX-4 Plus，合金的力學性能優于已有的第三代單晶高溫合金，克服了CMSX-10合金在使用中容易出現的組織穩定性問題，而且合金成本降低20%。據報道，CMSX-4 Plus合金已經在英國Rolls-Royce等航空發動機制造公司投入使用。

2. 單晶葉片內壁再結晶無損檢測技術獲得新突破

再結晶是單晶葉片常見缺陷，目前單晶葉片再結晶缺陷的無損檢測僅限檢測葉片外表面的再結晶，對可能發生在空心葉片內壁的再結晶尚沒有簡單可行的無損檢測技術。美國加州大學圣芭芭拉分校的T. Pollock研究小組在2016年9月召開的第13屆國際高溫合金會議上報道：他們結合有限元模擬，采用共振超聲技術，嘗試了單晶葉片內表面再結晶缺陷的無損檢測。研究表明，占檢測葉片總體積1%的再結晶缺陷就會誘發明顯的異常信號，這種方法的靈敏度比目前的共振超聲技術提高了約兩個數量級。

鈦合金

2016年鈦合金的發展主要特點集中在以下幾方面。一是隨著航空、海洋工程、石化、醫療等產業的發展，全球鈦市場需求有所增長，主要國家都在提高量產規模，開發新型的材料品種。二是大力開發先進制造技術，如在3D打印基礎上現朝著更先進的4D和5D打印發展。4D打印可以通過軟件設定模型和時間，讓產品在設定的時間內變形為所需的形狀。5D打印可以復制打印出人體的任何器官。

1. 新型高強度高韌性可焊接鈦合金研制成功

2016 年美、法、日和我國“蛟龍號”等7000米級別的深潛器載人球艙均采用Ti-6Al-4V鈦合金制造，但Ti-6Al-4V合金的強度無法滿足建造萬米級潛水器載人球艙的技術要求。在中國科學院戰略性先導科技專項支持下，中國科學院金屬研究所研制成功一種新型高強度高韌性可焊接鈦合金，在保持韌性與焊接性能和Ti-6Al-4V相當的前提下實現強度提升超過20%，采用該合金制備的全海深潛水器球艙縮比件于2016年10月通過壓力試驗。

鎂合金

2016 年鎂合金的發展特點表現為進一步提升產品設計水平，研究高效、低成本、綠色成型制造新技術，開發性能優異的新品種，滿足不同的性能要求。已經開發出一系列含稀土的鎂合金，還開發出含Zr高溫鎂合金，Mg-Al-Si基合金，Mg-Zn-Cu基合金等。研究改進成型制造技術開發新品種，如采用快速凝固法制備納米碳管增強鎂基復合材料，加入不同含量的碳納米管，使復合材料強度不同程度提高。采用液態成型的壓力鑄造和重力鑄造制造鎂合金壓鑄件代替傳統鑄鐵、鑄鋼件，甚至代替鋁壓鑄件，正成為汽車制造業的發展趨勢，已發展到汽車發動機支架、輪轂、框架件等受力部件的制造。

1. 輕質形狀記憶鎂合金開發成功

開發輕質形狀記憶合金是材料行業急待追求的目標。2016年7月，日本東北大學研究人員發現Mg-Sc原子比在4:1左右時能夠形成形狀記憶合金，而該合金的密度僅為2 g/cm3左右，遠遠小于之前所發現的形狀記憶合金。這種輕質鎂鈧形狀記憶合金在對重量控制嚴苛的領域存在著巨大的應用潛力。

2. 鎂合金在航空航天和國防軍工領域應用取得重要進展

2016 年，鎂合金在中國航空航天和國防軍工領域關鍵零部件上的應用取得多項關鍵進展。中國上海交通大學、重慶大學、中國科學院金屬研究等科研單位在鎂合金成分優化設計、熔體純凈化工藝、鑄造工藝、熱處理工藝和表面處理工藝等方面開展了大量研究工作，攻克了現有鎂合金強度偏低、耐熱性差、成型性差等技術難題，開發出高塑性鎂合金、超高強鎂合金、高強耐熱鑄造鎂合金、低成本鑄造鎂合金等多種新型高性能合金材料，制造了一系列組織致密、化學成分、力學性能、尺寸精度、重量及表面防護均滿足使用要求的高端鎂合金產品，并成功實現在火箭慣組支架、衛星貯箱支架、軍機彈射座椅、衛星地板、導彈外殼等重要零件上的批量應用，在中國航空航天和國防軍工事業發展壯大過程中發揮了重要技術支撐作用。

復合材料

根據JEC的預測，從2013年到2018年，全球復合材料銷量年增長將達6%，至2018年全球復合材料的市場將達到418億美元，而中國將占到這一五年增長中的45%。預計到2017年中國復合材料市場份額將達到115億美元左右，復合材料年均增長率達7.3%。

1. 采用3D打印新技術（自動傳布光敏聚合物波導法）制備高性能復合材料

2016 年波音下屬的HRL實驗室在利用3D打印技術制備新材料方面取得了顯著成績，開發出一種稱為“自動傳布的光敏聚合物波導法”的成型技術。這種由HRL自主開發、能實現快速大批量生產原型零件的方法，是美國國防預研局（DARPA）歷時10年的一項輕質、高強材料開發合同中的一部分。依靠該技術，HRL實驗室已于近期制備出超輕金屬材料和陶瓷材料。

新能源材料

新能源材料是實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術中所要用到的關鍵材料，目前重點發展的有太陽能電池光伏材料、儲能技術中的動力電池材料、風能材料、生物質材料等。

1. 鋰電池和氫燃料混合動力小型飛機試飛

2016 年9月，德國的團隊成功試飛一架只需要氫燃料的小型飛機，飛機由飛機制造商蝙蝠（pipistrel）公司、德國烏爾姆大學、德國宇航中心共同研發，這架飛機不會排出各類碳化合物，只會有少量的水蒸氣排出。據稱，這架飛機使用鋰電池和氫燃料混合動力，飛行速度可達165千米/時，最長續航距離約為1500 千米。

2. 美國“太陽能計劃”推出

2016 年10月29日，馬斯克在美國洛杉磯的環球影城全面展示了他的“太陽能計劃”，他直接把太陽能板和屋頂瓦片整合在了一起，推出了全新的屋頂太陽能瓦片，瓦片有四種花紋可以選擇，以適應不同類型的房屋。發布會上的另一個重點就是特斯拉全新的Powewall 2.0家用儲能電池，最大的變化在于容量的提升，相比老款的7 kWh和10 kWh兩個版本，powewall 2.0的性能提升了一倍，14kWh的儲電量，額定輸出功率為5kW，自帶逆變器（將直流電變為交流電），可以保證一個兩居室公寓一整天的用電。

生物醫用材料

生物醫用材料發展迅速，據有關數據，2020年全球市場將超5000億美元，從2010年起，年均增長率達15%。

1. 完全降解吸收的心血管支架投放市場

2016 年7月，美國雅培公司（Abbott）生產的Absorb GT1全吸收式生物血管支架系統（BVS）獲得美國食品藥品監督管理局（FDA, Food and Drug Administration）的上市批準，用于冠狀動脈疾病的介入治療。該產品是全世界首個能完全降解吸收的心血管支架產品，也是全世界第一個非金屬基的心血管支架，目前已經在包括美國在內的100多個國家上市銷售。

2. 生物3D打印技術可制備大尺寸且結構穩定的人體“活”組織

2016 年2月，生物3D打印器官獲得新突破。美國維克森林大學科學家開發了一款“集成型組織-器官打印機”。這項技術突破了傳統生物3D打印機打印尺寸和強度的局限，可以打印大尺寸且結構穩定的“活”組織。科學家目前已成功打印出耳朵、下頜骨、顱骨和肌肉組織，距離打印出真正的人體組織乃至器官又邁進了一大步。

新一代信息技術材料

2016 年，隨著信息載體從電子向光電子和光子的轉換步伐的加快，信息功能材料與器件正向材料、器件、電路一體化的功能系統集成芯片材料和納米結構材料方向發展。光通信、光傳感、光存儲和光轉換技術是發展的重點方向。微型化仍然是信息技術的主要發展趨勢，描述微電子技術發展的摩爾定律也擴展為“延續摩爾定律”和 “超越摩爾定律”兩條發展途徑。微電子技術的發展體現在降低單位功能成本的系統級芯片和功能多樣化、集成化。低功耗、低成本、高性能和高可靠性是未來光電子器件必需具備的基本要求，光電子集成是光電子技術發展的必由之路，微納結構光電子器件是下一代新型光電子器件發展的主攻方向。

1. 研究人員開發出全球最小晶體管

2016 年10月，美國勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家利用碳納米管和二硫化鉬開發出了柵極只有1納米、全球最小的晶體管。長期以來，柵極長度是衡量晶體管性能的重要指標之一，一般認為小于5納米的柵極難以正常工作。該研究團隊放棄基于硅材料來縮小器件尺寸的傳統思路，選擇二維半導體材料二硫化鉬。然而對于硅基器件，如果柵極線寬小于5納米時，將會產生量子隧穿效應，柵極勢壘將無法阻止電子從源極流向漏極，導致晶體管無法關閉。由于二硫化鉬的阻抗更高，因此在柵極線寬較小的情況下，源漏電流仍可經由柵壓控制。二硫化鉬材料的厚度還可進一步縮小至原子水平，從而帶來更小的介電常數，在柵極線寬縮小至1納米時，這些特性將有助于優化對晶體管內電流的控制。由于傳統光刻技術并不適用于這樣小的尺度，研究人員轉向了碳納米管，采用碳納米管柵極的二硫化鉬晶體管能夠有效控制電子流動。該成果表明，晶體管的柵極不再被局限至大于5納米。通過采用新型半導體材料和適當的器件結構，在一段時間內摩爾定律將繼續適用。

2. 硅基激光器研究獲得重大突破

2016 年3月，英國倫敦大學學院研究人員攜手來自英國謝菲爾德大學及英國卡迪夫大學的科研團隊在硅光電子領域取得突破性進展，相關工作發表在國際頂級學術期刊 Nature Photonics。該團隊在國際上首次直接在硅襯底上利用分子束外延技術生長III-V族量子點激光器的方法，將高性能III-V族通信波段激光器集成到硅襯底上，實現了可實用高性能硅激光器，打破了硅基光電子領域30多年來沒有可實用硅基光源的瓶頸。該硅激光器工作于1310納米通信波段，其預計使用壽命超過10萬個小時。這一突破性進展為未來大規模硅基光電子集成找到了新的方向。

節能環保材料

1. 歐洲成功實現卷對卷生產柔性OLED材料

2016 年4月，基于TREASORES項目，瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）專家Nüesch開發出了可以像報紙一樣卷對卷式生產的柔性照明箔片。這種柔性電極的三種基質——碳納米管、金屬纖維或銀薄片或于今年商業化生產，將大幅度降低OLED生產和使用成本。在Fraunhofer FEP研究所，帶有該項目標志的OLED光源卷已經在銀薄片上采用卷對卷技術制成。項目進一步的研究成果將著眼于探索新的方法來發展、檢測、擴大生產透明屏蔽箔（防止氧氣和水蒸氣接觸到有機電子設備的塑料薄層），這種屏蔽層能夠有效延長電子設備的壽命。

2. 防霧霾利器——更輕、更薄、過濾效果更好的纖維材料

2016 年3月，俄羅斯科學院理論與實驗生物研究所的研究團隊合成出一種可用于保護呼吸器官、分析研究和其他用途的理想材料。它主要由直徑小于15納米的尼龍纖維制得，且具有超輕（10-20mg/m2），近乎透明（95%的透光度），對空氣流動阻力低以及能夠攔截極細小顆粒（小于1微米）等特點，在性能上它遠超同類材料。該材料可用于凈化空氣和水，并且有望在生物研究中發揮作用。

納米材料

1. Pt基金屬合金納米結構的ORR超高質量活性

隨著能源危機和環境污染的日益加劇，開發新型的清潔能源變得刻不容緩。其中涉及電化學過程的氧還原反應（ORR）是最具實際應用前景的能源轉換和存儲方式之一。2016年12月，美國加州大學伯克利分校的研究團隊在此領域取得了突破。報道了一種帶有鋸齒結構的Pt納米線，在ORR反應中實現了超高質量活性。高應力的表面是這種鋸齒結構Pt納米線ORR質量活性提高的重要原因。2016年11月，美國斯坦福大學崔屹課題組的研究獲得突破，該團隊開發了一種利用電池電極材料直接、連續控制Pt納米催化劑的晶格應力，并調控其ORR催化活性的普適性策略。

2. 利用太陽能轉化CO2為燃料，納米結構催化劑效率提升千倍

將二氧化碳（CO2）轉化為燃料是近幾年的研究熱點。由于CO2自身的化學惰性，導致催化效率低。因此，研究者們一直在尋找開發更高活性的催化劑。美國伊利諾伊大學芝加哥分校的Amin Salehi-Khojin和阿貢國家實驗室的Larry A. Curtiss等科學家在2016年7月報道了一種高效的過渡金屬二硫屬化合物（如WSe2）納米結構催化劑，并設計出一種新型太陽能電化學催化反應裝置，能在低過電位下于離子液體中直接將CO2轉化成合成氣，生成一氧化碳的效率可達傳統銀納米顆粒催化劑的1000倍，整個過程廉價且高效，穩定性好。隨后作者設計了一種新型太陽能電池裝置。采用上述裝置模擬太陽光，系統能量轉換效率約4.6%，而采用相同裝置分解水反應的能量轉換效率為2.5%。連續使用100小時性能未見明顯下降。

（以上內容來自中國材料研究學會分發表的《2016年世界十大新材料技術發展盤點》）

2017年盤點

量子金屬

突破性：由俄羅斯遠東聯邦大學、俄羅斯科學院遠東分院的科學家與日本東京大學的同行組成的國際研究團隊合成了世界上首例量子金屬。二維系統在轉變為絕緣體或超導體的同時，仍可保持正常的金屬態。這種不尋常的狀態就被稱為量子金屬或玻色金屬。研究表明，這種新材料具有以多晶硅為襯底的雙層鉈原子結構，當溫度低于零下 272℃時，變為超導材料。通過觀察這種非正常的物質狀態，科學家有望對二維電子系統（二維金屬）溫度接近絕對零度時的行為（是否仍然是金屬態以及是否會傳導電流）一探究竟。

發展趨勢：超低溫導電性、正常金屬存在于兩個維度狀態的可能性研究。

研究機構：俄羅斯遠東聯邦大學、日本東京大學。

超固體

突破性：超固體（Super solid）同時具備固體與流體特征，是一種空間有序（比如固體或晶體）的材料，但同時還具有超流動性。當量子流體，比如He-4冷卻到某特征溫度以下時，He-4將經歷超流轉變，進入一個零黏性的態。這個轉變被認為與發生玻色-愛因斯坦凝聚有關。

發展趨勢：在超固態，空位將成為相干的實體，可以在剩下的固體內不受阻礙地移動，就像超流一樣。而玻色愛因斯坦凝聚體是一種出現在超冷溫度下的奇異物態，在如此低的溫度下原子的量子特性變得極其明顯，展現出明顯的波動性。

主要研究機構（公司）：賓夕法尼亞州立大學、瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH）、美國麻省理工學院（MIT）等。

超高溫陶瓷

突破性：超高溫陶瓷通常是指能在2000℃以上有氧氣氣氛燈苛刻環境條件下仍然照常使用的最耐熱的高級陶瓷，主要是IV B、VB族過渡金屬的硼化物、碳化物及其復合材料。目前，超高溫陶瓷在溫度達到1600℃時仍具有較好的抗氧化性。

發展趨勢：航空航天領域、軍工武器領域。超高溫陶瓷材料主要用于高超音速導彈、航天飛機等飛行器的熱防護系統如翼前緣、端頭冒以及發動機的熱端，是難熔金屬的最佳替代者，時超高溫領域最有前途的材料。

主要研究機構（公司）：美國Sandia National Labs、英國倫敦帝國理工學院、航天703所、中材山東工陶院、中科院金屬所、中科院上硅所、哈工大、西工大等。

過渡金屬硫化物

突破性：過渡金屬硫化物（TMDC）低成本、具有簡單二維結構，是可比肩石墨烯的超級創新材料。過渡金屬硫化物通常由鉬或鎢形成，例如硒或者碲與硫元素構成。它們具有相當簡單的二維結構。由于其相對成本較低，并且更易于制成非常薄而穩定的圖層，同時具有半導體特性，因此過渡金屬硫化物（TMDC）也成為光電子學領域的理想材料。

發展趨勢：數字電子領域。如果電子和真空洞被從一個外部環路注入過渡金屬硫化物，當它們相遇時就會再次組合然后釋放光子。這種光電相互轉化的能力使得過渡金屬硫化物有望被用于利用光傳輸信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。

主要研究機構（公司）：中國科學技術大學、北京航空航天大學、中國石油大學、中國石油天然氣集團公司催化重點實驗室等。

微格金屬

突破性：超輕，99.99%部分都是空氣，表觀密度為0.9g/cm3，是一種合成的多孔極輕3D開放式蜂窩聚合物結構金屬材料，具有聲學、振動和沖擊能量抑制，非常堅硬，壓縮50%張力之后能夠完全恢復，具有超級高能量吸收能力。

發展趨勢：電池電極、催化劑載體，未來航空飛行器制造，微格金屬材料可以確保美國宇航局降低深太空探索航天器40%質量，這對于未來旅行至火星和其它星球至關重要。

主要研究機構（公司）：Boeing。

第三代半導體

突破性：碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、氮化鋁等寬緊帶半導體材料。具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場，高的熱導率，高的發光效率，高的電子飽和速率及高的抗輻射能力。更適用于制作高溫高頻、抗輻射及大功率器件。

發展趨勢：更高集成度的電子器件，光電子器件、電力電子器件，藍光LED，OLED，照明、新能源汽車、導彈、衛星等。

主要研究機構（公司）：羅姆、三菱電機、松下電器，Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的Nippon、Sixon，芬蘭的Okmetic，德國的SiCrystal，TDI、Kyma、ATMI、Cree，日亞（Nichia）、Matsushita、索尼（Sony）、東芝（Toshiba）。

4D打印材料

突破性：4D打印是一種能夠自動變形的材料，直接將設計內置到物料當中，不需要連接任何復雜的機電設備，就能按照產品設計自動折疊成相應的形狀。即無需打印機器就能讓材料快速成型的革命性新技術。大小形狀可以隨時間變化。4D打印最關鍵是記憶合金。

發展趨勢：家具制造以及最終的宇宙航天和建筑領域。

主要研究機構（公司）：斯特塔西有限公司，麻省理工學院。

金屬氫

突破性：金屬氫是液態或固態氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的導電體。導電性類似于金屬，故稱金屬氫。金屬氫是一種高密度、高儲能材料，之前的預測中表明，金屬氫是一種室溫超導體。金屬氫內儲藏著巨大的能量，比普通TNT炸藥大30─40倍。

發展趨勢：能量密度最高的化學燃料料（如：火箭燃料），航天級新概念武器，發電儲能材料，可能為常溫超導體，新火藥，潛在的聚變應用價值。

主要研究機構（公司）：哈佛大學，愛丁堡大學。

高熵合金

突破性：高熵合金由多種含量相近的主元混合而成，由于主元數增多，混合熵增加，混產生獨特的高熵效應，并抑制金屬間化合物和其他有序相的生成。元素間不同的尺寸和結合力，導致了合金具有晶格畸變和緩慢擴散效應，保證了合金強硬；凝固過程中保留的大量缺陷和能量，使得鑄態的合金即保留了很大的殘余能量，有利于孿晶等的發生，變現出一系列優異的和特殊的力學行為；多種主元，保證了合金的鈍化層復雜，耐腐蝕性能優越，等等。高熵合金在機械性能、耐腐蝕、耐磨損、磁學性能、抗輻照、低溫性能等方面都很優異。

發展趨勢：工業制造，航空航天，電子電器等領域。

主要研究機構（公司）：北卡羅萊納州立大學，卡塔爾大學，浙江大學，北京科技大學。

硼墨烯

突破性：硼墨烯是一種不同尋常的材料，因為它在納米尺度表現出很多金屬特性，而三維硼或者散狀硼都只是非金屬半導體。因為硼墨烯同時具有金屬性和原子厚度，從電子產品到光伏發電都具有廣泛的應用可能性。導電屬性具有方向性，較高的拉伸強度。

發展趨勢：航空航天，納米級電子設備，微型機械設備等領域。

主要研究機構（公司）：美國能源部阿貢國家實驗室、西北大學和紐約州立大學石溪分校，美國布朗大學，清華大學。

鋰空氣電池

突破性：鋰-氧電池或鋰空氣電池能量密度是鋰離子電子的10倍，被業界譽為“終極電池”。理論上這樣的能量密度可使電動車續航能力接近傳統汽油汽車，電動汽車只充一次電就能從倫敦駛到愛丁堡，而且鋰空氣電池的成本和重量只有現在市面上銷售的電動汽車所使用的鋰離子電池的1/5。

發展趨勢：航空航天，電子電器，動力汽車等領域。

主要研究機構（公司）：日本產業技術綜合研究所，日本學術振興會（JSPS），劍橋大學，美國IBM。

特種纖維

突破性：特種纖維分別具有不同的特殊性能，如耐強腐蝕、低磨損、耐高溫、耐輻射、抗燃、耐高電壓、高強度高模量、高彈性、反滲透、高效過濾、吸附、離子交換、導光、導電以及多種醫學功能。例如，TeflonTFE?，Nomex?，Kermel?，Kevlar?，Torayca?。