材料|材料人必看！全球十大前沿材料汇总及未来发展趋势预测！未来热门研究方向全在这儿
2024-03-26 14:11:06
作者：新材料智库 来源：新材料智库
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新材料是指新近发展或正在发展的具有优异性能的结构材料和有特殊性质的功能材料。随着前沿技术的快速发展，新材料颇受各领域的关注，而新材料的发展对材料学子也影响巨大，极有可能成为未来的热门研究方向。那么，你知道这些前沿材料嘛？今天，小编整理了全球十大前沿材料及未来发展趋势，一起来看看吧。
■ 简介：
全息膜实际是一种综合衍射图(hologram)技术的实际应用，它是国际上首次实现在无论光源是否充足的情况下，都能透过正面及背面两侧同时、多角度(即360°) 直接观看影像的，具有划时代专利技术的投影膜。
全息膜因其可提供空中动态显示，清晰显像的同时，能让观众透过投影膜看见背后景物，又能与互动软件组合，产生三位立体互动影像，使观者产生身临其境，玩转空间的感觉，具有高清晰、耐强光、超轻薄、抗老化等无可比拟的众多优势，而成为未来最具有发展前景的材料之一。也就是说，在未来势必会有更多的科研人，聚焦在全息膜上的研究。
■ 未来发展趋势：
结合当下的材料发展趋势，预测未来全息膜的发展趋势主要包括以下两方面：
1）分子级别的纳米光学组件将是发展趋势，即由全像彩色滤光板结晶体 (HCFC) 为核心材料，融合纳米技术，材料光、光学高分子等多学科成果生产而成。
2）轻薄内部蕴含先进的精密光学结构，以达到高清晰、高亮度的完美显像。成像效果卓越画面晶莹剔透，材料简约纤薄设计深蕴，用于电子器件、光学薄膜。
可以说，全息膜这项技术很多国家都在研制，毫不夸张地说它包含了未来，谁最先掌握并使用这项技术，谁就最先走入未来的先进技术行列。
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，2017年1月26日，Science杂志报道哈佛大学实验室成功制造出金属氢。2017年2月22日，由于操作失误，这块地球上唯一的金属氢样本消失了，从理论上来看，在超高压下得到金属氢是确实可能的，不过，要得到金属氢样品，还有待科学家们进一步研究。已掌握的超导材料大多需在液氨 (-269”C) 或液氮 (-196C) 冷却下使用，这使超导技术的发展受到限制，和化学家不同，天文学家将氢和氨以外的一切元素统称为金属。在高温和高压条件下，气态的氢也可以成为电导体的金属氢，以木星为例：最外层是1000公里厚的气态分子氢，再往下是24000公里厚的液态分子氢，再往下是45000公里厚的液态金属氢。1936年美国科学家维那对氢转变为金属的压力作了首次计算，提出了氢转变为金属的临界压力是在100万到1000万大气压的范围以内。金属氢的超导临界温度（即体现超导性质最高温度）是零下223C零下73°C，可能能够在固态二氧化碳（- 78.45C）温度下使用，这将大大推动超导技术的发展。由于金属氢是高密度材料，用它作燃料，火箭的体积和重量都会大大减小，航天事业将因此而产生巨大的飞跃。一旦金属氢问世，就如同当年蒸汽机的诞生一样，将会引起整个科学技术领域一场划时代的革命。金属氢是一种亚稳态物质，可以用它来做成约束等离子体的”磁笼”，把炽热的电离气体”盛装”起来，这样，受控核聚变反应使原子核能转变成了电能，而这种电能将是廉价的又是干净的，在地球上就会方便地建造起一座座”模仿太阳的工厂”，人类将最终解决能源问题。超固体其实对应的是超流体，指的是一种具备超流特性的固体，也就是集”超流体+固体“特性于一身的物质。简单来说就是超固体既有晶体态中原子规则排布的特征又可以像超流体一样无摩擦流动。在极低温下超固体晶体中的空隙能够集中在一起到处流动，如果在超固体一侧的空隙中放上固体，那么固体会随着这些空隙在超固体中随意穿梭，甚至直接穿梭就如穿墙术那样自由穿梭。这种新物质态只能存在于极低温且超高真空条件下，这意味着至少目前我们还无法将其应用普遍化。不过更深入地理解这种明显矛盾的物质状态可以帮助我们更好地理解超流和超导的性质，从而极大促进超导磁体，超导传感器以及能量传输等行业的发展。而在未来，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。
冷沸材料，是与热沸材料截然相反的物质，是一类随着温度的下降依次呈现固态、液态、气态的物质。聚集态冷沸材料在高温、常温条件下为固态，温度越高其强度越高，最高可耐受1万摄氏度以上的温度；在零下121°C变为液态；在零下270°C变为气态。冷沸材料是一种超级材料，与目前研制的性能最优的耐高温材料、超导材料相比，冷沸材料的耐高温性、超导性等优点更为突出。在冷沸材料中掺杂惰性热沸材料，可提升冷沸材料的低温、超低温强度，使其在更广阔温度范围内具有超高强度特点。冷沸金属材料在常温条件下拥有超导特性，无需维持高成本的低温环境。因此冷沸材料具有极高研究及应用价值。
行业分析人士表示，冷沸材料可以广泛应用在航空航天、机械电子设备等领域。
以航空航天为例，冷沸材料可以制造性能更优的航空发动机、飞行器外壳等部件，应用于第三宇宙速度及以上速度的太空飞行器中。在其超高速度飞行产生超高温度的情况下，部件材料仍能够保持超高硬度，同时还可以满足太空飞行器在宇宙低温、超低温环境中仍能够良好运行的要求。
冷沸材料可推动航空航天产业科技革命，但其无论是人工制备还是从月球中开采均具有极大难度实现应用还有较长道路要走。
磁流体材料又称磁性液体、铁磁流体或磁液，是一种新型的功能材料，它既具有液体的流动性又具有体磁性材料的磁性，是由直径为纳米量级 (10纳米以下)的磁性体颗粒、基载液以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。该流体在静态时无磁性吸引力，当外加磁场作用时，才表现出磁性，正因如此，它才在实际中有着广泛的应用，在理论上具有很高的学术价值。用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异，可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封、减震、医疗器械、声音调节、光显示、磁流体选矿等领域。近年来，磁流体材料在航空航天、国防、医疗、交通等新领域中的应用取得了颇多新的科研成果，磁流体的应用随着科技发展被应用到越来越多的领域，相应地，对磁流体相关科学技术的要求也在逐渐提高。作为未来极具发展潜力的新材料之一，磁流体材料吸引了各国的关注。我国在磁流体研究方面虽然起步较晚，但也大有后来居上的势头。随着磁流体高端应用技术由英美等发达国家独家掌握的局面逐渐被打破，可以预见的是，未来关于磁流体材料研究的角力将会越来越激烈。
可编程水泥，通过控制水泥微粒的微观形状，将水泥微粒”编程”形成高密度、低孔隙的特种混凝土，使其坚固性提高，防水性与耐腐蚀性提升。可编程水泥是一种技术含量较高的新型水泥，除了其综合性能得到提升以外，其在生产与应用过程中对环境的危害也大幅降低据行业分析人士表示，目前来看，我国在可编程水泥研究方面与美国相比关注度较低，但为实现从制造大国向制造强国转变，以及实现碳中和、可持续发展战略目标，我国政府正在大力推动高性能、高环保新材料的研究工作，未来，我国新型建筑材料相关研究投入将不断加大，可编程水泥相关研究成果有望不断增多。
铂合金是指铂与其他金属混合而成的合金，其他金属有钯、铑、钇、钌、钴、锇、铜等。铂合金作为功能材料被用作测温材料、催化剂、电接触材料、电极材料、弹性材料、水磁材料等。铂合金测温材料高温热电性稳定、精度高，主要是铂铑、铂钼和铂钴系合金：铂铑合金有良好高温抗氧化性和化学稳定性。铂钼合金热电偶是在真空或惰性气氛及核场测量中使用的高温热电偶。铂钴合金作电阻温度计，在20K以上工作有很高的精度和灵敏度。铂合金催化剂是氨氧化法制取硝酸的唯一材料。催化剂主要是铂铑或铂铑钯合金网。铂合金在高温应变材料、精密电位器绕组材料、医用材料、首饰、货币等方面都有广泛应用，未来发展潜力及巨大。
■ 简介：
自修复材料，顾名思义，就是在含有某种材料的物品出现损伤时，不需或者只需很少的干预，破损处就会自动修复。这样，在延长物品寿命、确保其使用安全性和完整性的同时，也降低了维护成本。对自修复材料的研究，始于上世纪90年代的建筑混凝土领域。但直到2001年，世界电化学家、美国人怀特等人在Nature杂志发文，将填充修复剂的微胶囊埋到含催化剂的环氧树脂中，才开发出了聚合物自修复材料，相关研究逐步引起国际上的广泛关注。随着自修复技术的快速发展，各种各样的自修复材料必将在建筑、汽车、航天、航空、电子等行业领域得到更广泛应用，对节约资源、实现可持续发展意义重大。
■ 简介：
仿生材料是指模仿生物的各种特点或特性而研制开发的材料。通常把仿照生命系统的运行模式和生物材料的结构规律而设计制造的人工材料称为仿生材料。
仿生塑料既具有远高于工程塑料的强度，又有很强的韧性和抗裂纹扩展性能。在零下130摄氏度至零上150摄氏度范围内，其尺寸变化非常小，在室温下，它的热膨胀系数仅为普通塑料的约十分之一。
■ 未来发展趋势：
随着我国城市化进程的加快，社会稳定和城市安全等问题逐渐浮出水面，仿生塑料技术是实现基础设施建设的关键技术。
因此随着社会经济和信息技术的进一步发展，仿生塑料的应用将成为未来的新趋势。
■ 简介：
耐烧蚀陶瓷材料是一种很有发展前途的高温结构材料，熔点高，可用作优质耐火材料，如熔炉、高温炉管等。
在耐烧蚀陶瓷材料中，有一种称为结构材料的材料，主要由强度、硬度、韧性等力学性能组成。
金属已广泛用作结构材料，但由于金属易腐蚀，在高温下会氧化，因此不适合在高温下使用。
高温结构材料的出现弥补了弱金属材料的不足。这种材料耐高温，不怕氧化，耐酸碱腐蚀。
■ 未来发展趋势：
耐烧蚀高温陶瓷具有绝缘、耐高温，抗腐蚀，机械性能好等特点，耐高温陶瓷绝缘涂料具有绿色环保、高效、多功能性等性能，在特种涂料领域占据着重要的位置。
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