材料|材料人必看！全球十大前沿材料匯總及未來發展趨勢預測！未來熱門研究方向全在這兒
2024-03-26 14:11:06
作者：新材料智庫 來源：新材料智庫
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新材料是指新近發展或正在發展的具有優異性能的結構材料和有特殊性質的功能材料。隨著前沿技術的快速發展，新材料頗受各領域的關注，而新材料的發展對材料學子也影響巨大，極有可能成為未來的熱門研究方向。那么，你知道這些前沿材料嘛？今天，小編整理了全球十大前沿材料及未來發展趨勢，一起來看看吧。
■ 簡介：
全息膜實際是一種綜合衍射圖(hologram)技術的實際應用，它是國際上首次實現在無論光源是否充足的情況下，都能透過正面及背面兩側同時、多角度(即360°) 直接觀看影像的，具有劃時代專利技術的投影膜。
全息膜因其可提供空中動態顯示，清晰顯像的同時，能讓觀眾透過投影膜看見背后景物，又能與互動軟件組合，產生三位立體互動影像，使觀者產生身臨其境，玩轉空間的感覺，具有高清晰、耐強光、超輕薄、抗老化等無可比擬的眾多優勢，而成為未來最具有發展前景的材料之一。也就是說，在未來勢必會有更多的科研人，聚焦在全息膜上的研究。
■ 未來發展趨勢：
結合當下的材料發展趨勢，預測未來全息膜的發展趨勢主要包括以下兩方面：
1）分子級別的納米光學組件將是發展趨勢，即由全像彩色濾光板結晶體 (HCFC) 為核心材料，融合納米技術，材料光、光學高分子等多學科成果生產而成。
2）輕薄內部蘊含先進的精密光學結構，以達到高清晰、高亮度的完美顯像。成像效果卓越畫面晶瑩剔透，材料簡約纖薄設計深蘊，用于電子器件、光學薄膜。
可以說，全息膜這項技術很多國家都在研制，毫不夸張地說它包含了未來，誰最先掌握并使用這項技術，誰就最先走入未來的先進技術行列。
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，2017年1月26日，Science雜志報道哈佛大學實驗室成功制造出金屬氫。2017年2月22日，由于操作失誤，這塊地球上唯一的金屬氫樣本消失了，從理論上來看，在超高壓下得到金屬氫是確實可能的，不過，要得到金屬氫樣品，還有待科學家們進一步研究。已掌握的超導材料大多需在液氨 (-269”C) 或液氮 (-196C) 冷卻下使用，這使超導技術的發展受到限制，和化學家不同，天文學家將氫和氨以外的一切元素統稱為金屬。在高溫和高壓條件下，氣態的氫也可以成為電導體的金屬氫，以木星為例：最外層是1000公里厚的氣態分子氫，再往下是24000公里厚的液態分子氫，再往下是45000公里厚的液態金屬氫。1936年美國科學家維那對氫轉變為金屬的壓力作了首次計算，提出了氫轉變為金屬的臨界壓力是在100萬到1000萬大氣壓的范圍以內。金屬氫的超導臨界溫度（即體現超導性質最高溫度）是零下223C零下73°C，可能能夠在固態二氧化碳（- 78.45C）溫度下使用，這將大大推動超導技術的發展。由于金屬氫是高密度材料，用它作燃料，火箭的體積和重量都會大大減小，航天事業將因此而產生巨大的飛躍。一旦金屬氫問世，就如同當年蒸汽機的誕生一樣，將會引起整個科學技術領域一場劃時代的革命。金屬氫是一種亞穩態物質，可以用它來做成約束等離子體的”磁籠”，把熾熱的電離氣體”盛裝”起來，這樣，受控核聚變反應使原子核能轉變成了電能，而這種電能將是廉價的又是干凈的，在地球上就會方便地建造起一座座”模仿太陽的工廠”，人類將最終解決能源問題。超固體其實對應的是超流體，指的是一種具備超流特性的固體，也就是集”超流體+固體“特性于一身的物質。簡單來說就是超固體既有晶體態中原子規則排布的特征又可以像超流體一樣無摩擦流動。在極低溫下超固體晶體中的空隙能夠集中在一起到處流動，如果在超固體一側的空隙中放上固體，那么固體會隨著這些空隙在超固體中隨意穿梭，甚至直接穿梭就如穿墻術那樣自由穿梭。這種新物質態只能存在于極低溫且超高真空條件下，這意味著至少目前我們還無法將其應用普遍化。不過更深入地理解這種明顯矛盾的物質狀態可以幫助我們更好地理解超流和超導的性質，從而極大促進超導磁體，超導傳感器以及能量傳輸等行業的發展。而在未來，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。
冷沸材料，是與熱沸材料截然相反的物質，是一類隨著溫度的下降依次呈現固態、液態、氣態的物質。聚集態冷沸材料在高溫、常溫條件下為固態，溫度越高其強度越高，最高可耐受1萬攝氏度以上的溫度；在零下121°C變為液態；在零下270°C變為氣態。冷沸材料是一種超級材料，與目前研制的性能最優的耐高溫材料、超導材料相比，冷沸材料的耐高溫性、超導性等優點更為突出。在冷沸材料中摻雜惰性熱沸材料，可提升冷沸材料的低溫、超低溫強度，使其在更廣闊溫度范圍內具有超高強度特點。冷沸金屬材料在常溫條件下擁有超導特性，無需維持高成本的低溫環境。因此冷沸材料具有極高研究及應用價值。
行業分析人士表示，冷沸材料可以廣泛應用在航空航天、機械電子設備等領域。
以航空航天為例，冷沸材料可以制造性能更優的航空發動機、飛行器外殼等部件，應用于第三宇宙速度及以上速度的太空飛行器中。在其超高速度飛行產生超高溫度的情況下，部件材料仍能夠保持超高硬度，同時還可以滿足太空飛行器在宇宙低溫、超低溫環境中仍能夠良好運行的要求。
冷沸材料可推動航空航天產業科技革命，但其無論是人工制備還是從月球中開采均具有極大難度實現應用還有較長道路要走。
磁流體材料又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液，是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動性又具有體磁性材料的磁性，是由直徑為納米量級 (10納米以下)的磁性體顆粒、基載液以及界面活性劑三者混合而成的一種穩定的膠狀液體。該流體在靜態時無磁性吸引力，當外加磁場作用時，才表現出磁性，正因如此，它才在實際中有著廣泛的應用，在理論上具有很高的學術價值。用納米金屬及合金粉末生產的磁流體性能優異，可廣泛應用于各種苛刻條件的磁性流體密封、減震、醫療器械、聲音調節、光顯示、磁流體選礦等領域。近年來，磁流體材料在航空航天、國防、醫療、交通等新領域中的應用取得了頗多新的科研成果，磁流體的應用隨著科技發展被應用到越來越多的領域，相應地，對磁流體相關科學技術的要求也在逐漸提高。作為未來極具發展潛力的新材料之一，磁流體材料吸引了各國的關注。我國在磁流體研究方面雖然起步較晚，但也大有后來居上的勢頭。隨著磁流體高端應用技術由英美等發達國家獨家掌握的局面逐漸被打破，可以預見的是，未來關于磁流體材料研究的角力將會越來越激烈。
可編程水泥，通過控制水泥微粒的微觀形狀，將水泥微粒”編程”形成高密度、低孔隙的特種混凝土，使其堅固性提高，防水性與耐腐蝕性提升。可編程水泥是一種技術含量較高的新型水泥，除了其綜合性能得到提升以外，其在生產與應用過程中對環境的危害也大幅降低據行業分析人士表示，目前來看，我國在可編程水泥研究方面與美國相比關注度較低，但為實現從制造大國向制造強國轉變，以及實現碳中和、可持續發展戰略目標，我國政府正在大力推動高性能、高環保新材料的研究工作，未來，我國新型建筑材料相關研究投入將不斷加大，可編程水泥相關研究成果有望不斷增多。
鉑合金是指鉑與其他金屬混合而成的合金，其他金屬有鈀、銠、釔、釕、鈷、鋨、銅等。鉑合金作為功能材料被用作測溫材料、催化劑、電接觸材料、電極材料、彈性材料、水磁材料等。鉑合金測溫材料高溫熱電性穩定、精度高，主要是鉑銠、鉑鉬和鉑鈷系合金：鉑銠合金有良好高溫抗氧化性和化學穩定性。鉑鉬合金熱電偶是在真空或惰性氣氛及核場測量中使用的高溫熱電偶。鉑鈷合金作電阻溫度計，在20K以上工作有很高的精度和靈敏度。鉑合金催化劑是氨氧化法制取硝酸的唯一材料。催化劑主要是鉑銠或鉑銠鈀合金網。鉑合金在高溫應變材料、精密電位器繞組材料、醫用材料、首飾、貨幣等方面都有廣泛應用，未來發展潛力及巨大。
■ 簡介：
自修復材料，顧名思義，就是在含有某種材料的物品出現損傷時，不需或者只需很少的干預，破損處就會自動修復。這樣，在延長物品壽命、確保其使用安全性和完整性的同時，也降低了維護成本。對自修復材料的研究，始于上世紀90年代的建筑混凝土領域。但直到2001年，世界電化學家、美國人懷特等人在Nature雜志發文，將填充修復劑的微膠囊埋到含催化劑的環氧樹脂中，才開發出了聚合物自修復材料，相關研究逐步引起國際上的廣泛關注。隨著自修復技術的快速發展，各種各樣的自修復材料必將在建筑、汽車、航天、航空、電子等行業領域得到更廣泛應用，對節約資源、實現可持續發展意義重大。
■ 簡介：
仿生材料是指模仿生物的各種特點或特性而研制開發的材料。通常把仿照生命系統的運行模式和生物材料的結構規律而設計制造的人工材料稱為仿生材料。
仿生塑料既具有遠高于工程塑料的強度，又有很強的韌性和抗裂紋擴展性能。在零下130攝氏度至零上150攝氏度范圍內，其尺寸變化非常小，在室溫下，它的熱膨脹系數僅為普通塑料的約十分之一。
■ 未來發展趨勢：
隨著我國城市化進程的加快，社會穩定和城市安全等問題逐漸浮出水面，仿生塑料技術是實現基礎設施建設的關鍵技術。
因此隨著社會經濟和信息技術的進一步發展，仿生塑料的應用將成為未來的新趨勢。
■ 簡介：
耐燒蝕陶瓷材料是一種很有發展前途的高溫結構材料，熔點高，可用作優質耐火材料，如熔爐、高溫爐管等。
在耐燒蝕陶瓷材料中，有一種稱為結構材料的材料，主要由強度、硬度、韌性等力學性能組成。
金屬已廣泛用作結構材料，但由于金屬易腐蝕，在高溫下會氧化，因此不適合在高溫下使用。
高溫結構材料的出現彌補了弱金屬材料的不足。這種材料耐高溫，不怕氧化，耐酸堿腐蝕。
■ 未來發展趨勢：
耐燒蝕高溫陶瓷具有絕緣、耐高溫，抗腐蝕，機械性能好等特點，耐高溫陶瓷絕緣涂料具有綠色環保、高效、多功能性等性能，在特種涂料領域占據著重要的位置。
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