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(jì)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(jī)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(jìn)入網(wǎng)絡(luò)。目前，集成電路技術(shù)可以把整個計算機(jī)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(jī)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(jìn)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(hù)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(jī)械支撐、散熱和環(huán)境保護(hù)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(dāng)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(xì)胞與支架進(jìn)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(xì)胞的反應(yīng)情況，使其能實現(xiàn)活細(xì)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(xì)胞、組織及器官的修復(fù)和再生功能，主要的發(fā)展目標(biāo)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(xì)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(biāo)，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(jī)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(jī)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(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片、太陽能電池的輕質(zhì)高強(qiáng)度支架、核電和潮汐發(fā)電的離心機(jī)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(qiáng)纖維增強(qiáng)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(qiáng)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(jì)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(jī)光導(dǎo)纖維等的研制。

四、其它新材料

電池將在解決經(jīng)濟(jì)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(hù)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(hù)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(dāng)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(jī)、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(jī)非金屬材料，用于表面組裝技術(shù)，壓電驅(qū)動器、超聲馬達(dá)，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(jìn)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(xiàn)：

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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。