干货|近两年新材料技术发展盘点

2017-11-10 15:39:49 作者：本网整理来源：新材料在线分享至：

新材料技术的发展不仅促进了信息技术和生物技术的革命，而且对制造业、物资供应以及个人生活方式产生重大的影响。记者日前采访了中国科学院“高科技发展报告”课题组的有关专家，请他们介绍了当前世界上新材料技术的研究进展情况及发展趋势。材料技术的进步使得“芯片上的实验室”成为可能，大大促进了现代生物技术的发展。新材料技术的发展赋予材料科学新的内涵和广阔的发展空间。

2016年盘点

高温合金

金属结构材料仍是2016年材料技术发展的主流，起着不可替代的作用。高温合金是航空发动机和燃气轮机最关键的材料，高温合金的重量占航空发动机和燃气轮机总重量的70%以上。高温合金的研发和应用水平在很大程度上反映了一个国家的航空发动机和燃气轮机的发展水平。

1. 低成本第三代单晶高温合金CMSX-4 Plus投入使用

第三代单晶镍基高温合金是目前国外先进航空发动机应用较多、性能水平最高的单晶高温合金。典型的第三代单晶高温合金包括CMSX-10和Rene N6，两种合金均含有6wt.%的价格昂贵、非常稀缺的铼元素。美国Cannon-Muskegon公司在会上报道了含铼4.8wt.%的低成本第三代单晶高温合金CMSX-4 Plus，合金的力学性能优于已有的第三代单晶高温合金，克服了CMSX-10合金在使用中容易出现的组织稳定性问题，而且合金成本降低20%。据报道，CMSX-4 Plus合金已经在英国Rolls-Royce等航空发动机制造公司投入使用。

2. 单晶叶片内壁再结晶无损检测技术获得新突破

再结晶是单晶叶片常见缺陷，目前单晶叶片再结晶缺陷的无损检测仅限检测叶片外表面的再结晶，对可能发生在空心叶片内壁的再结晶尚没有简单可行的无损检测技术。美国加州大学圣芭芭拉分校的T. Pollock研究小组在2016年9月召开的第13届国际高温合金会议上报道：他们结合有限元模拟，采用共振超声技术，尝试了单晶叶片内表面再结晶缺陷的无损检测。研究表明，占检测叶片总体积1%的再结晶缺陷就会诱发明显的异常信号，这种方法的灵敏度比目前的共振超声技术提高了约两个数量级。

钛合金

2016年钛合金的发展主要特点集中在以下几方面。一是随着航空、海洋工程、石化、医疗等产业的发展，全球钛市场需求有所增长，主要国家都在提高量产规模，开发新型的材料品种。二是大力开发先进制造技术，如在3D打印基础上现朝着更先进的4D和5D打印发展。4D打印可以通过软件设定模型和时间，让产品在设定的时间内变形为所需的形状。5D打印可以复制打印出人体的任何器官。

1. 新型高强度高韧性可焊接钛合金研制成功

2016 年美、法、日和我国“蛟龙号”等7000米级别的深潜器载人球舱均采用Ti-6Al-4V钛合金制造，但Ti-6Al-4V合金的强度无法满足建造万米级潜水器载人球舱的技术要求。在中国科学院战略性先导科技专项支持下，中国科学院金属研究所研制成功一种新型高强度高韧性可焊接钛合金，在保持韧性与焊接性能和Ti-6Al-4V相当的前提下实现强度提升超过20%，采用该合金制备的全海深潜水器球舱缩比件于2016年10月通过压力试验。

镁合金

2016 年镁合金的发展特点表现为进一步提升产品设计水平，研究高效、低成本、绿色成型制造新技术，开发性能优异的新品种，满足不同的性能要求。已经开发出一系列含稀土的镁合金，还开发出含Zr高温镁合金，Mg-Al-Si基合金，Mg-Zn-Cu基合金等。研究改进成型制造技术开发新品种，如采用快速凝固法制备纳米碳管增强镁基复合材料，加入不同含量的碳纳米管，使复合材料强度不同程度提高。采用液态成型的压力铸造和重力铸造制造镁合金压铸件代替传统铸铁、铸钢件，甚至代替铝压铸件，正成为汽车制造业的发展趋势，已发展到汽车发动机支架、轮毂、框架件等受力部件的制造。

1. 轻质形状记忆镁合金开发成功

开发轻质形状记忆合金是材料行业急待追求的目标。2016年7月，日本东北大学研究人员发现Mg-Sc原子比在4:1左右时能够形成形状记忆合金，而该合金的密度仅为2 g/cm3左右，远远小于之前所发现的形状记忆合金。这种轻质镁钪形状记忆合金在对重量控制严苛的领域存在着巨大的应用潜力。

2. 镁合金在航空航天和国防军工领域应用取得重要进展

2016 年，镁合金在中国航空航天和国防军工领域关键零部件上的应用取得多项关键进展。中国上海交通大学、重庆大学、中国科学院金属研究等科研单位在镁合金成分优化设计、熔体纯净化工艺、铸造工艺、热处理工艺和表面处理工艺等方面开展了大量研究工作，攻克了现有镁合金强度偏低、耐热性差、成型性差等技术难题，开发出高塑性镁合金、超高强镁合金、高强耐热铸造镁合金、低成本铸造镁合金等多种新型高性能合金材料，制造了一系列组织致密、化学成分、力学性能、尺寸精度、重量及表面防护均满足使用要求的高端镁合金产品，并成功实现在火箭惯组支架、卫星贮箱支架、军机弹射座椅、卫星地板、导弹外壳等重要零件上的批量应用，在中国航空航天和国防军工事业发展壮大过程中发挥了重要技术支撑作用。

复合材料

根据JEC的预测，从2013年到2018年，全球复合材料销量年增长将达6%，至2018年全球复合材料的市场将达到418亿美元，而中国将占到这一五年增长中的45%。预计到2017年中国复合材料市场份额将达到115亿美元左右，复合材料年均增长率达7.3%。

1. 采用3D打印新技术（自动传布光敏聚合物波导法）制备高性能复合材料

2016 年波音下属的HRL实验室在利用3D打印技术制备新材料方面取得了显著成绩，开发出一种称为“自动传布的光敏聚合物波导法”的成型技术。这种由HRL自主开发、能实现快速大批量生产原型零件的方法，是美国国防预研局（DARPA）历时10年的一项轻质、高强材料开发合同中的一部分。依靠该技术，HRL实验室已于近期制备出超轻金属材料和陶瓷材料。

新能源材料

新能源材料是实现新能源的转化和利用以及发展新能源技术中所要用到的关键材料，目前重点发展的有太阳能电池光伏材料、储能技术中的动力电池材料、风能材料、生物质材料等。

1. 锂电池和氢燃料混合动力小型飞机试飞

2016 年9月，德国的团队成功试飞一架只需要氢燃料的小型飞机，飞机由飞机制造商蝙蝠（pipistrel）公司、德国乌尔姆大学、德国宇航中心共同研发，这架飞机不会排出各类碳化合物，只会有少量的水蒸气排出。据称，这架飞机使用锂电池和氢燃料混合动力，飞行速度可达165千米/时，最长续航距离约为1500 千米。

2. 美国“太阳能计划”推出

2016 年10月29日，马斯克在美国洛杉矶的环球影城全面展示了他的“太阳能计划”，他直接把太阳能板和屋顶瓦片整合在了一起，推出了全新的屋顶太阳能瓦片，瓦片有四种花纹可以选择，以适应不同类型的房屋。发布会上的另一个重点就是特斯拉全新的Powewall 2.0家用储能电池，最大的变化在于容量的提升，相比老款的7 kWh和10 kWh两个版本，powewall 2.0的性能提升了一倍，14kWh的储电量，额定输出功率为5kW，自带逆变器（将直流电变为交流电），可以保证一个两居室公寓一整天的用电。

生物医用材料

生物医用材料发展迅速，据有关数据，2020年全球市场将超5000亿美元，从2010年起，年均增长率达15%。

1. 完全降解吸收的心血管支架投放市场

2016 年7月，美国雅培公司（Abbott）生产的Absorb GT1全吸收式生物血管支架系统（BVS）获得美国食品药品监督管理局（FDA, Food and Drug Administration）的上市批准，用于冠状动脉疾病的介入治疗。该产品是全世界首个能完全降解吸收的心血管支架产品，也是全世界第一个非金属基的心血管支架，目前已经在包括美国在内的100多个国家上市销售。

2. 生物3D打印技术可制备大尺寸且结构稳定的人体“活”组织

2016 年2月，生物3D打印器官获得新突破。美国维克森林大学科学家开发了一款“集成型组织-器官打印机”。这项技术突破了传统生物3D打印机打印尺寸和强度的局限，可以打印大尺寸且结构稳定的“活”组织。科学家目前已成功打印出耳朵、下颌骨、颅骨和肌肉组织，距离打印出真正的人体组织乃至器官又迈进了一大步。

新一代信息技术材料

2016 年，随着信息载体从电子向光电子和光子的转换步伐的加快，信息功能材料与器件正向材料、器件、电路一体化的功能系统集成芯片材料和纳米结构材料方向发展。光通信、光传感、光存储和光转换技术是发展的重点方向。微型化仍然是信息技术的主要发展趋势，描述微电子技术发展的摩尔定律也扩展为“延续摩尔定律”和 “超越摩尔定律”两条发展途径。微电子技术的发展体现在降低单位功能成本的系统级芯片和功能多样化、集成化。低功耗、低成本、高性能和高可靠性是未来光电子器件必需具备的基本要求，光电子集成是光电子技术发展的必由之路，微纳结构光电子器件是下一代新型光电子器件发展的主攻方向。

1. 研究人员开发出全球最小晶体管

2016 年10月，美国劳伦斯伯克利国家实验室的科学家利用碳纳米管和二硫化钼开发出了栅极只有1纳米、全球最小的晶体管。长期以来，栅极长度是衡量晶体管性能的重要指标之一，一般认为小于5纳米的栅极难以正常工作。该研究团队放弃基于硅材料来缩小器件尺寸的传统思路，选择二维半导体材料二硫化钼。然而对于硅基器件，如果栅极线宽小于5纳米时，将会产生量子隧穿效应，栅极势垒将无法阻止电子从源极流向漏极，导致晶体管无法关闭。由于二硫化钼的阻抗更高，因此在栅极线宽较小的情况下，源漏电流仍可经由栅压控制。二硫化钼材料的厚度还可进一步缩小至原子水平，从而带来更小的介电常数，在栅极线宽缩小至1纳米时，这些特性将有助于优化对晶体管内电流的控制。由于传统光刻技术并不适用于这样小的尺度，研究人员转向了碳纳米管，采用碳纳米管栅极的二硫化钼晶体管能够有效控制电子流动。该成果表明，晶体管的栅极不再被局限至大于5纳米。通过采用新型半导体材料和适当的器件结构，在一段时间内摩尔定律将继续适用。

2. 硅基激光器研究获得重大突破

2016 年3月，英国伦敦大学学院研究人员携手来自英国谢菲尔德大学及英国卡迪夫大学的科研团队在硅光电子领域取得突破性进展，相关工作发表在国际顶级学术期刊 Nature Photonics。该团队在国际上首次直接在硅衬底上利用分子束外延技术生长III-V族量子点激光器的方法，将高性能III-V族通信波段激光器集成到硅衬底上，实现了可实用高性能硅激光器，打破了硅基光电子领域30多年来没有可实用硅基光源的瓶颈。该硅激光器工作于1310纳米通信波段，其预计使用寿命超过10万个小时。这一突破性进展为未来大规模硅基光电子集成找到了新的方向。

节能环保材料

1. 欧洲成功实现卷对卷生产柔性OLED材料

2016 年4月，基于TREASORES项目，瑞士联邦材料科学与技术实验室（Empa）专家Nüesch开发出了可以像报纸一样卷对卷式生产的柔性照明箔片。这种柔性电极的三种基质——碳纳米管、金属纤维或银薄片或于今年商业化生产，将大幅度降低OLED生产和使用成本。在Fraunhofer FEP研究所，带有该项目标志的OLED光源卷已经在银薄片上采用卷对卷技术制成。项目进一步的研究成果将着眼于探索新的方法来发展、检测、扩大生产透明屏蔽箔（防止氧气和水蒸气接触到有机电子设备的塑料薄层），这种屏蔽层能够有效延长电子设备的寿命。

2. 防雾霾利器——更轻、更薄、过滤效果更好的纤维材料

2016 年3月，俄罗斯科学院理论与实验生物研究所的研究团队合成出一种可用于保护呼吸器官、分析研究和其他用途的理想材料。它主要由直径小于15纳米的尼龙纤维制得，且具有超轻（10-20mg/m2），近乎透明（95%的透光度），对空气流动阻力低以及能够拦截极细小颗粒（小于1微米）等特点，在性能上它远超同类材料。该材料可用于净化空气和水，并且有望在生物研究中发挥作用。

纳米材料

1. Pt基金属合金纳米结构的ORR超高质量活性

随着能源危机和环境污染的日益加剧，开发新型的清洁能源变得刻不容缓。其中涉及电化学过程的氧还原反应（ORR）是最具实际应用前景的能源转换和存储方式之一。2016年12月，美国加州大学伯克利分校的研究团队在此领域取得了突破。报道了一种带有锯齿结构的Pt纳米线，在ORR反应中实现了超高质量活性。高应力的表面是这种锯齿结构Pt纳米线ORR质量活性提高的重要原因。2016年11月，美国斯坦福大学崔屹课题组的研究获得突破，该团队开发了一种利用电池电极材料直接、连续控制Pt纳米催化剂的晶格应力，并调控其ORR催化活性的普适性策略。

2. 利用太阳能转化CO2为燃料，纳米结构催化剂效率提升千倍

将二氧化碳（CO2）转化为燃料是近几年的研究热点。由于CO2自身的化学惰性，导致催化效率低。因此，研究者们一直在寻找开发更高活性的催化剂。美国伊利诺伊大学芝加哥分校的Amin Salehi-Khojin和阿贡国家实验室的Larry A. Curtiss等科学家在2016年7月报道了一种高效的过渡金属二硫属化合物（如WSe2）纳米结构催化剂，并设计出一种新型太阳能电化学催化反应装置，能在低过电位下于离子液体中直接将CO2转化成合成气，生成一氧化碳的效率可达传统银纳米颗粒催化剂的1000倍，整个过程廉价且高效，稳定性好。随后作者设计了一种新型太阳能电池装置。采用上述装置模拟太阳光，系统能量转换效率约4.6%，而采用相同装置分解水反应的能量转换效率为2.5%。连续使用100小时性能未见明显下降。

（以上内容来自中国材料研究学会分发表的《2016年世界十大新材料技术发展盘点》）

2017年盘点

量子金属

突破性：由俄罗斯远东联邦大学、俄罗斯科学院远东分院的科学家与日本东京大学的同行组成的国际研究团队合成了世界上首例量子金属。二维系统在转变为绝缘体或超导体的同时，仍可保持正常的金属态。这种不寻常的状态就被称为量子金属或玻色金属。研究表明，这种新材料具有以多晶硅为衬底的双层铊原子结构，当温度低于零下 272℃时，变为超导材料。通过观察这种非正常的物质状态，科学家有望对二维电子系统（二维金属）温度接近绝对零度时的行为（是否仍然是金属态以及是否会传导电流）一探究竟。

发展趋势：超低温导电性、正常金属存在于两个维度状态的可能性研究。

研究机构：俄罗斯远东联邦大学、日本东京大学。

超固体

突破性：超固体（Super solid）同时具备固体与流体特征，是一种空间有序（比如固体或晶体）的材料，但同时还具有超流动性。当量子流体，比如He-4冷却到某特征温度以下时，He-4将经历超流转变，进入一个零黏性的态。这个转变被认为与发生玻色-爱因斯坦凝聚有关。

发展趋势：在超固态，空位将成为相干的实体，可以在剩下的固体内不受阻碍地移动，就像超流一样。而玻色爱因斯坦凝聚体是一种出现在超冷温度下的奇异物态，在如此低的温度下原子的量子特性变得极其明显，展现出明显的波动性。

主要研究机构（公司）：宾夕法尼亚州立大学、瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）、美国麻省理工学院（MIT）等。

超高温陶瓷

突破性：超高温陶瓷通常是指能在2000℃以上有氧气气氛灯苛刻环境条件下仍然照常使用的最耐热的高级陶瓷，主要是IV B、VB族过渡金属的硼化物、碳化物及其复合材料。目前，超高温陶瓷在温度达到1600℃时仍具有较好的抗氧化性。

发展趋势：航空航天领域、军工武器领域。超高温陶瓷材料主要用于高超音速导弹、航天飞机等飞行器的热防护系统如翼前缘、端头冒以及发动机的热端，是难熔金属的最佳替代者，时超高温领域最有前途的材料。

主要研究机构（公司）：美国Sandia National Labs、英国伦敦帝国理工学院、航天703所、中材山东工陶院、中科院金属所、中科院上硅所、哈工大、西工大等。

过渡金属硫化物

突破性：过渡金属硫化物（TMDC）低成本、具有简单二维结构，是可比肩石墨烯的超级创新材料。过渡金属硫化物通常由钼或钨形成，例如硒或者碲与硫元素构成。它们具有相当简单的二维结构。由于其相对成本较低，并且更易于制成非常薄而稳定的图层，同时具有半导体特性，因此过渡金属硫化物（TMDC）也成为光电子学领域的理想材料。

发展趋势：数字电子领域。如果电子和真空洞被从一个外部环路注入过渡金属硫化物，当它们相遇时就会再次组合然后释放光子。这种光电相互转化的能力使得过渡金属硫化物有望被用于利用光传输信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。

主要研究机构（公司）：中国科学技术大学、北京航空航天大学、中国石油大学、中国石油天然气集团公司催化重点实验室等。

微格金属

突破性：超轻，99.99%部分都是空气，表观密度为0.9g/cm3，是一种合成的多孔极轻3D开放式蜂窝聚合物结构金属材料，具有声学、振动和冲击能量抑制，非常坚硬，压缩50%张力之后能够完全恢复，具有超级高能量吸收能力。

发展趋势：电池电极、催化剂载体，未来航空飞行器制造，微格金属材料可以确保美国宇航局降低深太空探索航天器40%质量，这对于未来旅行至火星和其它星球至关重要。

主要研究机构（公司）：Boeing。

第三代半导体

突破性：碳化硅、氮化镓、氧化锌、氮化铝等宽紧带半导体材料。具有宽的禁带宽度，高的击穿电场，高的热导率，高的发光效率，高的电子饱和速率及高的抗辐射能力。更适用于制作高温高频、抗辐射及大功率器件。

发展趋势：更高集成度的电子器件，光电子器件、电力电子器件，蓝光LED，OLED，照明、新能源汽车、导弹、卫星等。

主要研究机构（公司）：罗姆、三菱电机、松下电器，Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的Nippon、Sixon，芬兰的Okmetic，德国的SiCrystal，TDI、Kyma、ATMI、Cree，日亚（Nichia）、Matsushita、索尼（Sony）、东芝（Toshiba）。

4D打印材料

突破性：4D打印是一种能够自动变形的材料，直接将设计内置到物料当中，不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。即无需打印机器就能让材料快速成型的革命性新技术。大小形状可以随时间变化。4D打印最关键是记忆合金。

发展趋势：家具制造以及最终的宇宙航天和建筑领域。

主要研究机构（公司）：斯特塔西有限公司，麻省理工学院。

金属氢

突破性：金属氢是液态或固态氢在上百万大气压的高压下变成的导电体。导电性类似于金属，故称金属氢。金属氢是一种高密度、高储能材料，之前的预测中表明，金属氢是一种室温超导体。金属氢内储藏着巨大的能量，比普通TNT炸药大30─40倍。

发展趋势：能量密度最高的化学燃料料（如：火箭燃料），航天级新概念武器，发电储能材料，可能为常温超导体，新火药，潜在的聚变应用价值。

主要研究机构（公司）：哈佛大学，爱丁堡大学。

高熵合金

突破性：高熵合金由多种含量相近的主元混合而成，由于主元数增多，混合熵增加，混产生独特的高熵效应，并抑制金属间化合物和其他有序相的生成。元素间不同的尺寸和结合力，导致了合金具有晶格畸变和缓慢扩散效应，保证了合金强硬；凝固过程中保留的大量缺陷和能量，使得铸态的合金即保留了很大的残余能量，有利于孪晶等的发生，变现出一系列优异的和特殊的力学行为；多种主元，保证了合金的钝化层复杂，耐腐蚀性能优越，等等。高熵合金在机械性能、耐腐蚀、耐磨损、磁学性能、抗辐照、低温性能等方面都很优异。

发展趋势：工业制造，航空航天，电子电器等领域。

主要研究机构（公司）：北卡罗莱纳州立大学，卡塔尔大学，浙江大学，北京科技大学。

硼墨烯

突破性：硼墨烯是一种不同寻常的材料，因为它在纳米尺度表现出很多金属特性，而三维硼或者散状硼都只是非金属半导体。因为硼墨烯同时具有金属性和原子厚度，从电子产品到光伏发电都具有广泛的应用可能性。导电属性具有方向性，较高的拉伸强度。

发展趋势：航空航天，纳米级电子设备，微型机械设备等领域。

主要研究机构（公司）：美国能源部阿贡国家实验室、西北大学和纽约州立大学石溪分校，美国布朗大学，清华大学。

锂空气电池

突破性：锂-氧电池或锂空气电池能量密度是锂离子电子的10倍，被业界誉为“终极电池”。理论上这样的能量密度可使电动车续航能力接近传统汽油汽车，电动汽车只充一次电就能从伦敦驶到爱丁堡，而且锂空气电池的成本和重量只有现在市面上销售的电动汽车所使用的锂离子电池的1/5。

发展趋势：航空航天，电子电器，动力汽车等领域。

主要研究机构（公司）：日本产业技术综合研究所，日本学术振兴会（JSPS），剑桥大学，美国IBM。

特种纤维

突破性：特种纤维分别具有不同的特殊性能，如耐强腐蚀、低磨损、耐高温、耐辐射、抗燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性、反渗透、高效过滤、吸附、离子交换、导光、导电以及多种医学功能。例如，TeflonTFE?，Nomex?，Kermel?，Kevlar?，Torayca?。