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新材料相关资料

2020-1-15 17:02:47点击:
一、新材料
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。结构材料主要是利用它们的强度、韧性、硬度、弹性等机械性能。如新型陶瓷材料,非晶态合金 (金属玻璃) 等。功能材料主要是利用其所具有的电、光、声、磁、热等功能和物理效应。近几年,世界上研究、发展的新材料主要有新金属材料,精细陶瓷和光纤等等。
1.1重点任务
按照国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的总体部署,为贯彻落实新材料产业“十二五”发展规划,做好新材料产业标准化工作,建立完善新材料产业标准体系,促进新材料产业发展,特制订《新材料产业标准化工作三年行动计划》。
1.1.1加大重点新材料领域标准制修订力度
特种金属功能材料。积极推动高纯金属及靶材、稀贵金属、储能材料、新型半导体材料、新一代非晶材料、精细合 金等重点标准制修订工作,成套、成体系制定并发布稀土永磁、发光等功能材料标准,抓紧研制材料性能测试、成分分 析、标准样品等基础和方法标准。完成催化材料、靶材等40项重点新材料标准制修订工作,提出 80项重点标准研制计 划,开展5 项重点标准预研究。
  高端金属结构材料。重点研制高温合金及耐蚀合金、耐 蚀钢、特种不锈钢、工模具钢、轴承钢、齿轮钢,轨道交通 用铝合金、特种镁合金及钛合金等产品标准,进一步完善金 属材料超声探伤、无损检测、力学试验等配套基础和方法标准。完成核电用钢、耐蚀合金、钛合金等30项重点新材料标 准制修订工作,提出40项重点标准研制计划。
先进高分子材料。制定发布丁基橡胶等特种橡胶及专用助剂、聚酰胺等工程塑料及制品、电池隔膜、光学功能薄膜、 特种分离膜及组件、环境友好型涂料以及功能性化学品等一 批重点产品标准,完成测定方法、通用技术条件、应用规范 等配套标准制修订。完成功能薄膜、特种橡胶等领域65项重 点新材料标准制修订工作,提出110项重点标准研制计划。
  新型无机非金属材料。重点研制电光陶瓷、压电陶瓷、碳化硅陶瓷等先进陶瓷,微晶玻璃、高纯石英玻璃及专用原 料,闪烁晶体、激光晶体等产品标准,加快材料杂质检测、 试验方法等配套标准制修订步伐,强化配套标准研制。完成 特种玻璃、氮化硅陶瓷材料等领域50项重点新材料标准制修 订工作,提出 30项重点标准研制计划, 开展5 项重点标准预 研究。
  高性能复合材料。制定完善碳纤维、玄武岩纤维等高性 能纤维标准,加快制定发布纤维增强复合材料相关标准,积极研制树脂基、陶瓷基复合材料制品标准,研究复合材料分 类方法标准、性能测试标准、专用原料标准等配套标准。完 成高端玻璃增强纤维等10项重点新材料标准制修订工作,提出30项重点标准研制计划,开展10项标准预研究。
  前沿新材料。及时开展前沿领域标准预研究工作,协调、优化关键技术指标,重点围绕纳米粉体材料、石墨烯、超导 材料及原料、生物材料及制品、智能材料等产品,完成 5 项重点新材料标准研制工作,提出10项重点标准研制计划,开展3 0 项标准预研究,紧密跟踪国际新材料技术标准发展趋 势,提前做好标准布局。
1.1.2积极开展重点新材料标准应用示范
  以高强钢筋、功能性膜材料、特种玻璃、稀有金属材料、稀土功能材料、复合材料等领域标准为枢纽,面向电子信息、 高端装备等领域对新材料的需求,构建上下游联合、优势互补、良性互动的标准制修订与实施机制,提高新材料标准适 用性,充分发挥标准对产业发展的支撑和引领作用。
  选择重点新材料领域,在部分有条件的地区,开展重点新材料标准应用示范专项工程。依托部省合作机制,积极推 动地方新材料标准化工作,以新材料标准为依据,探索开展 新材料产品认定达标工作。
1.1.3加快推进新材料产业国际标准化工作
  紧密结合“十二五”规划重点,抓紧开展新材料产业国际标准以及国外先进标准对比分析研究,寻找我国新材料产业标准与国际标准、国外先进标准的差距。围绕新材料产业 和应用需求,结合我国实际情况,加快转化先进、适用的国际标准和国外先进标准,提升我国新材料产业标准的技术水平。
  加强新材料产业国际标准化发展趋势与动态分析,开展新材料产业国际标准化工作技术储备,建设新材料国际标准 提案项目库,推动自主新材料技术标准走向国际。鼓励有实 力的企业或单位参与新材料产业国际标准化工作,建立国际 标准沟通平台,争取新材料产业国际标准化工作主动权,提升我国新材料产业国际竞争力。
1.2发展
世界材料产业的产值以每年约30%的速度增长,化工新材料、微电子、光电子、新能源成了研究最活跃、发展最快、最为投资者所看好的新材料领域,材料创新已成为推动人类文明进步的重要动力之一,也促进了技术的发展和产业的升级。
化工新材料是国家重点扶持的低碳经济领域新兴产业之一,根据《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》和《新材料产业“十二五”发展规划》,化工新材料产业成为国民经济的先导产业;《石油和化工“十二五”科技发展规划纲要》提出力争到2015年,国内高端化工新材料整体技术水平与发达国家的差距缩小到10年左右,达到本世纪初国际先进水平;《石化和化学工业“十二五”发展规划》提出“十二五”化工新材料发展重点包括:特种合成橡胶、工程塑料、高性能纤维、氟硅材料、可降解材料、功能性膜材料、功能高分子材料及复合材料等领域。
国内化工新材料市场存在巨大的市场缺口,进口量占据国内大部分市场份额,国内化工新材料整体自给率在56%左右,其中新领域的化工新材料自给率仅为52%,工程塑料和特种橡胶自给率仅为35%和30%。
化工新材料产品都会经历产品毛利率波动和进口替代率不断上升的过程。在化工新材料进口替代过程中,多数产品供大于求的矛盾不突出,部分产品供不应求,掌握核心技术的企业产能扩张即能获得与投资成正比的利润,多数企业能实现持续快速增长。高壁垒带来高的回报,尖端化工新材料产品毛利率在70%以上,远远超过大宗化学品15%左右的行业平均利润。
1.3简介
随着科学技术发展,人们在传统材料的基础上,根据现代科技的研究成果,开发出新材料。新材料按组分为金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性能分为结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能,以满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求;功能材料主要是利用材料具有的电、磁、声、光热等效应, 以实现某种功能,如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料和制造原子弹、氢弹的核材料等。新材料在国防建设上作用重大。例如,超纯硅、砷化镓研制成功,导致大规模和超大规模集成电路的诞生,使计算机运算速度从每秒几十万次提高到每秒百亿次以上;航空发动机材料的工作温度每提高100℃,推力可增大24%;隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射,使敌方探测系统难以发现等等。
21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究,是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。
1.4类型
1.4.1复合新材料
复合新材料使用的历史可以追溯到古代。从古至今沿用的稻草增强粘土和已使用上百年的钢筋混凝土均由两种材料复合而成。20世纪40年代,因航空工业的需要,发展了玻璃纤维增强塑料(俗称玻璃钢),从此出现了复合材料这一名称。50年代以后,陆续发展了碳纤维、石墨纤维和硼纤维等高强度和高模量纤维。70年代出现了芳纶纤维和碳化硅纤维。这些高强度、高模量纤维能与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合,构成各具特色的复合材料。
超高分子量聚乙烯纤维的比强度在各种纤维中位居第一,尤其是它的抗化学试剂侵蚀性能和抗老化性能优良。它还具有优良的高频声纳透过性和耐海水腐蚀性,许多国家已用它来制造舰艇的高频声纳导流罩,大大提高了舰艇的探雷、扫雷能力,在国内思嘉新材料开发的复合新材料代表了国内的较高水平。除在军事领域,在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育运动器材等领域超高分子量聚乙烯纤维也有广阔的应用前景。该纤维一经问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。
1.4.2超导材料
有些材料当温度下降至某一临界温度时,其电阻完全消失,这种现象称为超导电性,具有这种现象的材料称为超导材料。超导体的另外一个特征是:当电阻消失时,磁感应线将不能通过超导体,这种现象称为抗磁性。
一般金属(例如:铜)的电阻率随温度的下降而逐渐减小,当温度接近于0K时,其电阻达到某一值。而1919年荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银,当温度下降到4.2K(即-269℃)时,发现水银的电阻完全消失,
超导电性和抗磁性是超导体的两个重要特性。使超导体电阻为零的温度称为临界温度(TC)。超导材料研究的难题是突破“温度障碍”,即寻找高温超导材料。
以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化,在核磁共振人体成像(NMRI)、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用;SQUID作为超导体弱电应用的典范已在微弱电磁信号测量方面起到了重要作用,其灵敏度是其它任何非超导的装置无法达到的。但是,由于常规低温超导体的临界温度太低,必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用,因而严重地限制了低温超导应用的发展。
高温氧化物超导体的出现,突破了温度壁垒,把超导应用温度从液氦( 4.2K)提高到液氮(77K)温区。同液氦相比,液氮是一种非常经济的冷媒,并且具有较高的热容量,给工程应用带来了极大的方便。另外,高温超导体都具有相当高的磁性能,能够用来产生20T以上的强磁场。
超导材料最诱人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体,可以将发电机的磁场强度提高到5~6万高斯,而且几乎没有能量损失,与常规发电机相比,超导发电机的单机容量提高5~10倍,发电效率提高50%;超导输电线和超导变压器可以把电力几乎无损耗地输送给用户,据统计,铜或铝导线输电,约有15%的电能损耗在输电线上,在中国每年的电力损失达1000多亿度,若改为超导输电,节省的电能相当于新建数十个大型发电厂;超导磁悬浮列车的工作原理是利用超导材料的抗磁性,将超导材料置于永久磁体(或磁场)的上方,由于超导的抗磁性,磁体的磁力线不能穿过超导体,磁体(或磁场)和超导体之间会产生排斥力,使超导体悬浮在上方。利用这种磁悬浮效应可以制作高速超导磁悬浮列车,如上海浦东国际机场的高速列车;用于超导计算机,高速计算机要求在集成电路芯片上的元件和连接线密集排列,但密集排列的电路在工作时会产生大量的热量,若利用电阻接近于零的超导材料制作连接线或超微发热的超导器件,则不存在散热问题,可使计算机的速度大大提高。
1.4.3能源材料
能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。
太阳能电池材料是新能源材料,IBM公司研制的多层复合太阳能电池,转换率高达40%。
氢是无污染、高效的理想能源,氢的利用关键是氢的储存与运输,美国能源部在全部氢能研究经费中,大约有50%用于储氢技术。氢对一般材料会产生腐蚀,造成氢脆及其渗漏,在运输中也易爆炸,储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物,当需要时加热放氢,放完后又可以继续充氢的材料。储氢材料多为金属化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。
固体氧化物燃料电池的研究十分活跃,关键是电池材料,如固体电解质薄膜和电池阴极材料,还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等。
1.4.4智能材料
智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料,是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破,如英国宇航公司的导线传感器,用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况;英国开发出一种快速反应形状记忆合金,寿命期具有百万次循环,且输出功率高,以它作制动器时、反应时间仅为10分钟;形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线等、医学等领域。
另外,还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料等功能材料。
1.4.5磁性材料
磁性材料可分为软磁材料和硬磁材料二类。
a.软磁材料
是指那些易于磁化并可反复磁化的材料,但当磁场去除后,磁性即随之消失。这类材料的特性标志是:磁导率(μ=B/H)高,即在磁场中很容易被磁化,并很快达到高的磁化强度;但当磁场消失时,其剩磁很小。这种材料在电子技术中广泛应用于高频技术。如磁芯、磁头、存储器磁芯;在强电技术中可用于制作变压器、开关继电器等。常用的软磁体有铁硅合金、铁镍合金、非晶金属。
Fe-(3%~4%)Si的铁硅合金是最常用的软磁材料,常用作低频变压器、电动机及发电机的铁芯;铁镍合金的性能比铁硅合金好,典型代表材料为坡莫合金(Permalloy),其成分为79%Ni-21%Fe,坡莫合金具有高的磁导率(磁导率μ为铁硅合金的10~20倍)、低的损耗;并且在弱磁场中具有高的磁导率和低的矫顽力,广泛用于电讯工业、电子计算机和控制系统方面,是重要的电子材料;非晶金属(金属玻璃)与一般金属的不同点是其结构为非晶体。它们是由Fe、Co、Ni及半金属元素B、Si 所组成,其生产工艺要点是采用极快的速度使金属液冷却,使固态金属获得原子无规则排列的非晶体结构。非晶金属具有非常优良的磁性能,它们已用于低能耗的变压器、磁性传感器、记录磁头等。另外,有的非晶金属具有优良的耐蚀性,有的非晶金属具有强度高、韧性好的特点。
b.永磁材料(硬磁材料)
永磁材料经磁化后,去除外磁场仍保留磁性,其性能特点是具有高的剩磁、高的矫顽力。利用此特性可制造永久磁铁,可把它作为磁源。如常见的指南针、仪表、微电机、电动机、录音机、电话及医疗等方面。永磁材料包括铁氧体和金属永磁材料两类。
铁氧体的用量大、应用广泛、价格低,但磁性能一般,用于一般要求的永磁体。
金属永磁材料中,最早使用的是高碳钢,但磁性能较差。高性能永磁材料的品种有铝镍钴(Al-Ni-Co)和铁铬钴(Fe-Cr-Co);稀土永磁,如较早的稀土钴(Re-Co)合金(主要品种有利用粉末冶金技术制成的SmCo5和Sm2Co17)广泛采用的钕铁硼(Nd-Fe-B)稀土永磁,钕铁硼磁体不仅性能优,而且不含稀缺元素钴,所以成为高性能永磁材料的代表,已用于高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪、微电机、汽车启动电机等。
1.4.6纳米材料
纳米本是一个尺度,纳米科学技术是一个融科学前沿的高技术于一体的完整体系,它的基本涵义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子创新物质。纳米科技主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学七个方面。
纳米材料是纳米科技领域中最富活力、研究内涵十分丰富的科学分支。用纳米来命名材料是20世纪80年代,纳米材料是指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米。纳米材料的制备与合成技术是当前主要的研究方向,虽然在样品的合成上取得了一些进展,但至今仍不能制备出大量的块状样品,因此研究纳米材料的制备对其应用起着至关重要的作用。
a.纳米材料的性能
物化性能 纳米颗粒的熔点和晶化温度比常规粉末低得多,这是由于纳米颗粒的表面能高、活性大,熔化时消耗的能量少,如一般铅的熔点为600K,而20nm的铅微粒熔点低于288K;纳米金属微粒在低温下呈现电绝缘性;钠米微粒具有极强的吸光性,因此各种纳米微粒粉末几乎都呈黑色;纳米材料具有奇异的磁性,主要表现在不同粒径的纳米微粒具有不同的磁性能,当微粒的尺寸高于某一临界尺寸时,呈现出高的矫顽力,而低于某一尺寸时,矫顽力很小,例如,粒径为85nm的镍粒,矫顽力很高,而粒径小于15nm的镍微粒矫顽力接近于零;纳米颗粒具有大的比表面积,其表面化学活性远大于正常粉末,因此原来化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却变为活性极好的催化剂。
扩散及烧结性能 纳米结构材料的扩散率是普通状态下晶格扩散率的1014~1020倍,是晶界扩散率的102~104倍,因此纳米结构材料可以在较低的温度下进行有效的掺杂,可以在较低的温度下使不混溶金属形成新的合金相。扩散能力提高的另一个结果是可以使纳米结构材料的烧结温度大大降低,因此在较低温度下烧结就能达到致密化的目的。
力学性能 纳米材料与普通材料相比,力学性能有显著的变化,一些材料的强度和硬度成倍地提高;纳米材料还表现出超塑性状态,即断裂前产生很大的伸长量。
b.纳米材料的应用
纳米金属:如纳米铁材料,是由6纳米的铁晶体压制而成的,较之普通铁强度提高12倍,硬度提高2~3个数量级,利用纳米铁材料,可以制造出高强度和高韧性的特殊钢材。对于高熔点难成形的金属,只要将其加工成纳米粉末,即可在较低的温度下将其熔化,制成耐高温的元件,用于研制新一代高速发动机中承受超高温的材料。
“纳米球”润滑剂:全称 “原子自组装纳米球固体润滑剂”,是具有二十面体原子团簇结构的铝基合金 成分并采用独特的纳米制备工艺加工而成的纳米级润滑剂。采用高速气流粉碎技术,精确控制添加剂的颗粒粒度,可在摩擦表面形成新表面,对机车发动机产生修复作用。其成分设计及制备工艺具有创新性,填补了润滑油合金基添加剂的空白技术。在机车发动机加入纳米球,可以起到节省燃油、修复磨损表面、增强机车动力、降低噪音、减少污染物排放、保护环境的作用。
纳米陶瓷:首先利用纳米粉末可使陶瓷的烧结温度下降,简化生产工艺,同时,纳米陶瓷具有良好的塑性甚至能够具有超塑性,解决了普通陶瓷韧性不足的弱点,大大拓展了陶瓷的应用领域。
纳米碳管 纳米碳管的直径只有1.4nm,仅为计算机微处理器芯片上最细电路线宽的1%,其质量是同体积钢的1/6,强度却是钢的100倍,纳米碳管将成为未来高能纤维的首选材料,并广泛用于制造超微导线、开关及纳米级电子线路。
纳米催化剂 由于纳米材料的表面积大大增加,而且表面结构也发生很大变化,使表面活性增强,所以可以将纳米材料用作催化剂,如超细的硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂;超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂;超细的银粉可以为乙烯氧化的催化剂;用超细的Fe3O4微粒做催化剂可以在低温下将CO2分解为碳和水;在火箭燃料中添加少量的镍粉便能成倍地提高燃烧的效率。
量子元件 制造量子元件,首先要开发量子箱。量子箱是直径约10纳米的微小构造,当把电子关在这样的箱子里,就会因量子效应使电子有异乎寻常的表现,利用这一现象便可制成量子元件,量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作的,从而它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外,量子元件还可以使元件的体积大大缩小,使电路大为简化,因此,量子元件的兴起将导致一场电子技术革命。人们期待着利用量子元件在21世纪制造出16GB(吉字节)的DRAM,这样的存储器芯片足以存放10亿个汉字的信息。
中国已经研制出一种用纳米技术制造的乳化剂,以一定比例加入汽油后,可使像桑塔纳一类的轿车降低10%左右的耗油量;纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力,在室温常压下,约2/3的氢能可以从这些纳米材料中得以释放,可以不用昂贵的超低温液氢储存装置。
1.5热点问题
中国复合材料发展潜力很大,但须处理好以下热点问题。
复合材料创新包括复合材料的技术发展、复合材料的工艺发展、复合材料的产品发展和复合材料的应用,具体要抓住树脂基体发展创新、增强材料发展创新、生产工艺发展创新和产品应用发展创新。到2007年,亚洲占世界复合材料总销售量的比例将从18%增加到25%,亚洲人均消费量仅为0.29kg,而美国为6.8kg,亚洲地区具有极大的增长潜力。
中国碳纤维工业发展缓慢,从CF发展回顾、特点、国内碳纤维发展过程、中国PAN基CF市场概况、特点、“十五”科技攻关情况看,发展聚丙烯腈基纤维既有需要也有可能。
中国玻璃纤维70%以上用于增强基材,在国际市场上具有成本优势,但在品种规格和质量上与先进国家尚有差距,必须改进和发展纱类、机织物、无纺毡、编织物、缝编织物、复合毡,推进玻纤与玻钢两行业密切合作,促进玻璃纤维增强材料的新发展。
一是清洁、可再生能源用复合材料,包括风力发电用复合材料、烟气脱硫装置用复合材料、输变电设备用复合材料和天然气、氢气高压容器;二是汽车、城市轨道交通用复合材料,包括汽车车身、构架和车体外覆盖件,轨道交通车体、车门、座椅、电缆槽、电缆架、格栅、电器箱等;三是民航客机用复合材料,主要为碳纤维复合材料。热塑性复合材料约占10%,主要产品为机翼部件、垂直尾翼、机头罩等。中国未来20年间需新增支线飞机661架,将形成民航客机的大产业,复合材料可建成新产业与之相配套;四是船艇用复合材料,主要为游艇和渔船,游艇作为高级娱乐耐用消费品在欧美有很大市场,由于中国鱼类资源的减少、渔船虽发展缓慢,但复合材料特有的优点仍有发展的空间。
1.6技术
新材料技术是按照人的意志,通过物理研究、 材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要的新型材料的技术。新材料按材料的属性划分,有金属材料、无机非金属材料(如陶瓷、砷化镓半导体等)、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料的使用性能性能分,有结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性能,以满足高强度、高刚度、高 硬度、耐高温、耐磨、耐蚀、抗辐照等性能要求。隐身材料能吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射,使敌方探测系统难以发现, 新材料技术被称为“发明之母”和“产业粮食”。
1.7应用
随着科学技术的进步,产业用纺织品新材料不断地呈现发展趋势,用途也不断向多种领域扩展。一些具有特殊功能的纤维如芳纶、聚苯硫醚、碳纤维等,虽然价格较贵,但在环境保护、节能减排、阻燃耐高温等领域仍被市场看好。
新材料作为高新技术的基础和先导,应用范围极其广泛,它同信息技术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域。同传统材料一样,新材料可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度对其进行分类,不同的分类之间相互交叉和嵌套,一般按应用领域和当今的研究热点把新材料分为以下的主要领域:
电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料(含高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等)、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工新材料等。
1.7.1阻燃
建筑与纺织的联姻是最近几年才有的。将纤维放入混凝土中,起到增强建筑强力、抗老化的效果,已经取得了成效,在奥运场馆的建设中,这样的实例不少。但是,作为建筑行业使用的防火、阻燃材料纺织品,还没有引起足够的重视。2009年2月9日央视配楼的火灾人们仍然记忆犹新。这场大火,给国家和人民群众的生命财产安全带来了严重危害。媒体披露了失火原因系大楼外墙易燃材料——挤塑板遇燃放的烟花引燃起火。挤塑板虽然环保,但是具有易燃性,过火极快。使用这种易燃材料,一旦遇到火星,造成的损失就不可避免。在建筑工程领域,为了减少由此造成的损失,世界各国对阻燃材料的研究格外重视。一些高性能及高阻燃性的聚合物,包括聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚苯硫醚(PPS)、聚苯砜(PPSU)、聚醚砜(PES)、聚偏氟乙烯(PVDF)和改性聚苯醚(PPO)等浮出水面。
目前中国生产和使用最多的是阻燃剂整理织物,包括纯棉、纯涤纶、纯毛、涤棉和各种混纺的耐久性阻燃织物和纯棉、粘胶、纯涤纶非耐久性洗涤阻燃织物,有识人士指出,随着人民生活与环境条件的不断改善,人们对阻燃纺织品性能要求越来越高,应投入人力和资金,加大开发尺寸稳定性、耐化学品性和耐磨性的阻燃纤维产品,扩大应用范围。中国在研制阻燃材料方面投入了大量人力物力,其中产业用纺织品中阻燃、耐高温材料受到格外关注,并成为阻燃纤维发展的方向和趋势。2009年,一项重大科研成果——芳纶1313与耐高温绝缘纸制备关键技术及产业化通过了中国纺织工业协会组织的专家鉴定,此项成果还获得中国纺织工业协会科学技术一等奖。
全世界芳纶产量在3.1万吨,其中美国杜邦公司产量最大,为2.5万吨,其次是日本帝人公司,年产2500吨左右。中国生产芳纶1313的企业主要有烟台氨纶、圣欧集团和广东彩艳股份公司等,年产总量在5000吨~6000吨之间,远不能满足市场的需要。中国产业用纺织品行业协会高级工程师张艳博士介绍说,国家出台的建材下乡政策,产业用纺织品可以助一臂之力。一些高性能纤维用于建筑材料,可以起到增强、防火、阻燃的功效。如果可以把这些高性能纤维纳入建材下乡的范围,就可以扩大产业用纺织品用途,扩大产业用纺织品市场。
1.7.2低碳
环保低碳是当今世界主流,减少碳排放是国家长期目标。由于聚苯硫醚(PPS)纤维具有耐磨损、高熔点(200度不熔化)和稳定性的特征,为工业除尘首选材料,在中国煤炭、电力、水泥行业被广泛使用,充当减排的“尖兵”。有资料显示,中国燃煤电力、燃煤锅炉袋式除尘设备占到除尘设备总量不到10%。随着国家环保力度加大,对袋式除尘技术优势的认识也逐步提高,PPS纤维的年需求量将以每年30%以上的速度增长,市场前景十分广阔。另外,PPS纤维在城市垃圾焚烧、汽车尾气除尘、保温材料、绝缘材料、化工过滤材料等其它方面的应用也十分广阔,需求量也逐年加大。


二、新材料产业
“新材料产业”包括新材料及其相关产品和技术装备。具体涵盖:新材料本身形成的产业;新材料技术及其装备制造业;传统材料技术提升的产业等。与传统材料相比,新材料产业具有技术高度密集,研究与开发投入高,产品的附加值高,生产与市场的国际性强,以及应用范围广,发展前景好等特点,其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济,社会发展,科技进步和国防实力的重要标志,世界各国特别是发达国家都十分重视新材料产业的发展。
2.1定义
材料及新材料的定义:
材料是可以用来直接制造有用物件,构件或器件的物质。其形态可以是固体、液体、气体;
新材料是指新出现的或正在发展中的,具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料;或采用新技术(工艺,装备),使传统材料性能有明显提高或产生新功能的材料;一般认为满足高技术产业发展需要的一些关键材料也属于新材料的范畴。
关于材料及新材料产业,结合我国工业统计标准:“材料产业”主要包括:
(1)纺织业;
(2)石油加工及炼焦业;
(3)化学原料及化学制品制造业;
(4)化学纤维制造业;
(5)橡胶制品业;
(6)塑料制品业;
(7)非金属矿物制品业;
(8)黑色金属冶炼及压延加工业;
(9)有色金属冶炼及压延加工业;
(10)金属制品业;
(11)医用材料及医疗制品业;
(12)电工器材及电子元器件制造业等。
2.2国内发展
新材料产业在产业体系中占有重要地位。在化工新材料、轻金属材料、陶瓷材料、复合材料、石墨材料、建筑材料、纳米材料等领域,产品及技术水平具有特色与优势,初步形成了以大庆为中心的化工新材料生产基地,以牡丹江为主的特种陶瓷材料产业基地,以中心城市为主的建筑材料产业基地,以东北轻合金有限责任公司和东安发动机集团有限公司为龙头的铝镁合金材料产业化基地,以黑河、绥化为中心的硅基材料生产基地。在纳米材料、玻璃钢、石墨材料、焊接材料等方面正在逐步形成产业基地和产业集群。
随着全球家电、电脑、电动工具和玩具等产能加速向我国转移,为此,我国正逐渐成为全球改性塑料最大的潜在市场和主要需求增长动力。
我国改性塑料行业经过20多年的发展,已形成填充母料、各种功能母料和改性专用塑料产能达数百万吨,成为我国塑料工业实力强劲的一支重要生力军,并在学术、技术和产业等方面,成为最为活跃、最具发展前景的领域之一,为我国塑料工业持续快速发展乃至整个国民经济的发展做出了突出贡献。
近年来,我国改性塑料行业随着国民经济的发展而继续保持较快发展,改性塑料产量也由2000年的32万吨上升至2008年的340万吨,年复合增长率为34.37%,表观消费量由2000年的72万吨上升至2008年的392万吨,年复合增长率为23.59%,到2011年,我国改性塑料产量约为750万吨,预计2012年可达853万吨。
2.3材料分类
新材料作为高新技术的基础和先导,应用范围极其广泛,它同信息技术,生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域.同传统材料一样,新材料可以从结构组成,功能和应用领域等多种不同角度对其进行分类,不同的分类之间相互交叉和嵌套.
新材料主要有传统材料革新和新型材料的推出构成,随着高新技术的发展,新材料与传统材料产业结合日益紧密,产业结构呈现出横向扩散的特点.
新材料的分类:按照应用领域来分,一般把新材料归为以下几大类:
2.3.1信息材料
电子信息材料及产品支撑着现代通信,计算机,信息网络,微机械智能系统,工业自动化和家电等现代高技术产业.电子信息材料产业的发展规模和技术水平,在国民经济中具有重要的战略地位,是科技创新和国际竞争最为激烈的材料领域.微电子材料在未来10~15年仍是最基本的信息材料,光电子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料.信息材料主要可以分为以下几大类:
集成电路及半导体材料:以硅材料为主体,新的化合物半导体材料及新一代高温半导体材料也是重要组成部分,也包括高纯化学试剂和特种电子气体;光电子材料:激光材料,红外探测器材料,液晶显示材料,高亮度发光二极管材料,光纤材料等领域;新型电子元器件材料:磁性材料,电子陶瓷材料,压电晶体管材料,信息传感材料和高性能封装材料等.
当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管,光子晶体,SiC,GaN,ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料,有机显示材料以及各种纳米电子材料等.
2.3.2.能源材料
全球范围内能源消耗在持续增长,80%的能源来自于化石燃料,从长远来看,需要没有污染和可持续发展的新型能源来代替所有化石燃料,未来的清洁能源包括氢能,太阳能,风能,核聚变能等.解决能源问题的关键是能源材料的突破,无论是提高燃烧效率以减少资源消耗,还是开发新能源及利用再生能源都与材料有着极为密切的关系.
传统能源所需材料:主要是提高能源利用效率,现在集中在要发展超临界蒸汽发电机组和整体煤气化联合循环技术上,这些技术对材料的要求都十分苛刻,如工程陶瓷,新型通道材料等;氢能和燃料电池:氢能生产,储存和利用所需的材料和技术,燃料电池材料等;绿色二次电池:镍氢电池,锂离子电池以及高性能聚合物电池等新型材料;太阳能电池:多晶硅,非晶硅,薄膜电池等材料;核能材料:新型核电反应堆材料.
新能源材料就材料种类主要包括专用薄膜,聚合物电解液,催化剂和电极,先进光电材料,特制光谱塑料和涂层,碳纳米管,金属氢化物浆料,高温超导材料,低成本低能耗民用工程材料,轻质,便宜,高效的绝缘材料,轻质,坚固,复合结构材料,超高温合金,陶瓷和复合材料,抗辐射材料,低活性材料,抗腐蚀及抗压力腐蚀裂解材料,机械和抗等离子腐蚀材料.当前研究热点和技术前沿包括高能储氢材料,聚合物电池材料,中温固体氧化物燃料电池电解质材料,多晶薄膜太阳能电池材料等.
2.3.3生物材料
生物材料是和生命系统结合,用以诊断,治疗或替换机体组织,器官或增进其功能的材料.它涉及材料,医学,物理,生物化学及现代高技术等诸多学科领域,已成为21世纪主要支柱产业之一.
几乎所有类型的材料在健康治疗中都已得到应用,主要包括金属和合金,陶瓷,高分子材料,复合材料和生物质材料.高分子生物材料是生物医用材料中最活跃的领域;金属生物材料仍是临床应用最广泛的承力植入材料,医用钛及其合金,以及Ni-Ti形状记忆合金的研究与开发是一个热点;无机生物材料近年来越来越受到重视.
国际生物医用材料研究和发展的主要方向,一是模拟人体硬软组织,器官和血液等的组成,结构和功能而开展的仿生或功能设计与制备,二是赋予材料优异的生物相容性,生物活性或生命活性.就具体材料来说,主要包括药物控制释放材料,组织工程材料,仿生材料,纳米生物材料,生物活性材料,介入诊断和治疗材料,可降解和吸收生物材料,新型人造器官,人造血液等.
2.3.4汽车材料
汽车用材在整个材料市场中所占的比例很小,但是属于技术要求高,技术含量高,附加值高的三高产品,代表了行业的最高水平.
汽车材料的需求呈现出以下特点:轻量化与环保是主要需求发展方向;各种材料在汽车上的应用比例正在发生变化,主要变化趋势是高强度钢和超高强度钢,铝合金,镁合金,塑料和复合材料的用量将有较大的增长,汽车车身结构材料将趋向多材料设计方向.同时汽车材料的回收利用也受到更多的重视,电动汽车,代用燃料汽车专用材料以及汽车功能材料的开发和应用工作不断加强.
2.3.5纳米材料与技术
纳米材料及技术将成为第5次推动社会经济各领域快速发展的主导技术,21世纪前20年将是纳米材料与技术发展的关键时期.纳电子代替微电子,纳加工代替微加工,纳米材料代替微米材料,纳米生物技术代替微米尺度的生物技术,这已是不以人的意志为转移的客观规律.
纳米材料与科技的研究开发大部分处于基础研究阶段,如纳米电子与器件,纳米生物等高风险领域,还没有形成大规模的产业.但纳米材料及技术在电子信息产业,生物医药产业,能源产业,环境保护等方面,对相关材料的制备和应用都将产生革命性的影响..
2.3.6超导材料与技术
超导材料与技术是21世纪具有战略意义的高新技术,广泛用于能源,医疗,交通,科学研究及国防军工等重大领域.超导材料的应用主要取决于材料本身性能及其制备技术的发展.
低温超导材料已经达到实用水平,高温超导材料产业化技术也取得重大突破,高温超导带材和移动通讯用高温超导滤波子系统将很快进商业化阶段.
2.3.7稀土材料
稀土材料是利用稀土元素优异的磁,光,电等特性开发出的一系列不可取代的,性能优越的新材料.稀土材料被广泛应用于冶金机械,石油化工,轻工农业,电子信息,能源环保,国防军工等多个领域,是当今世界各国改造传统产业,发展高新技术和国防尖端技术不可缺少的战略物资.
具体包括:稀土永磁材料:其是发展最快的稀土材料,包括NdFeB,SmCo等,广泛应用于电机,电声,医疗设备,磁悬浮列车及军事工业等高技术领域;贮氢合金:主要用于动力电池和燃料电池;稀土发光材料:有新型高效节能环保光源用稀土发光材料,高清晰度,数字化彩色电视机和计算机显示器用稀土发光材料,和特种或极端条件下应用的稀土发光材料等;稀土催化材料:发展重点是替代贵金属,降低催化剂的成本,提高抗中毒性能和稳定性能;稀土在其他新材料中的应用:如精密陶瓷,光学玻璃,稀土刻蚀剂,稀土无机颜料等方面也正在以较高的速度增长,如稀土电子陶瓷,稀土无机颜料等.
2.3.8新型钢铁材料
钢铁材料是重要的基础材料,广泛应用于能源开发,交通运输,石油化工,机械电力,轻工纺织,医疗卫生,建筑建材,家电通讯,国防建设以及高科技产业,并具有较强的竞争优势.
新型钢铁材料发展的重点是高性能钢铁材料.其方向为高性能,长寿命,在质量上已向组织细化和精确控制,提高钢材洁净度和高均匀度方面发展.
2.3.9新型有色金属合金材料
主要包括铝,镁,钛等轻金属合金以及粉末冶金材料,高纯金属材料等.
铝合金:包括各种新型高强高韧,高比强高比模,高强耐蚀可焊,耐热耐蚀铝合金材料,如Al-Li合金等;镁合金:包括镁合金和镁-基复合材料,超轻高塑性Mg-Li-X系合金等;钛合金材料:包括新型医用钛合金,高温钛合金,高强钛合金,低成本钛合金等;粉末冶金材料:产品主要包括铁基,铜基汽车零件,难熔金属,硬质合金等;高纯金属及材料:材料的纯度向着更纯化方向发展,其杂质含量达ppb级,产品的规格向着大型化方向发展.
2.3.10新型建筑材料
新型建筑材料主要包括新型墙体材料,化学建材,新型保温隔热材料,建筑装饰装修材料等.国际上建材的趋势正向环保,节能,多功能化方向发展.
其中玻璃的发展趋势是向着功能型,实用型,装饰型,安全型和环保型五个方向发展,包括对玻璃原片进行表面改性或精加工处理,节能的低辐射(Low—E)和阳光控制低辐射(Sun-E)膜玻璃等;此外,还包括节能,环保的新型房建材料,以及满足工程特殊需要的特种系列水泥等.
2.3.11新型化工材料
化工材料在国民经济中有着重要地位,在航空航天,机械,石油工业,农业,建筑业,汽车,家电,电子,生物医用行业等都起着重要的作用.
新型化工材料主要包括有机氟材料,有机硅材料,高性能纤维,纳米化工材料,无机功能材料等;纳米化工材料和特种化工涂料是近年来的研究热点.精细化,专用化,功能化成了化工材料工业的重要发展趋势.
2.3.12生态环境材料
生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的重要战略意义和世界各国纷纷走可持续发展道路的背景下提出来的,一般认为生态环境材料是具有满意的使用性能同时又被赋予优异的环境协调性的材料.
这类材料的特点是消耗的资源和能源少,对生态和环境污染小,再生利用率高,而且从材料制造,使用,废弃直到再生循环利用的整个寿命过程,都与生态环境相协调.主要包括:环境相容材料,如纯天然材料(木材,石材等),仿生物材料(人工骨,人工器脏等),绿色包装材料(绿色包装袋,包装容器),生态建材(无毒装饰材料等);环境降解材料(生物降解塑料等);环境工程材料,如环境修复材料,环境净化材料(分子筛,离子筛材料),环境替代材料(无磷洗衣粉助剂)等.
生态环境材料研究热点和发展方向包括再生聚合物(塑料)的设计,材料环境协调性评价的理论体系,降低材料环境负荷的新工艺,新技术和新方法等.
2.3.13军工新材料
军工材料对国防科技,国防力量的强弱和国民经济的发展具有重要推动作用,是武器装备的物质基础和技术先导,是决定武器装备性能的重要因素,也是拓展武器装备新功能和降低武器装备全寿命费用,取得和保持武器装备竞争优势的原动力.
随着武器装备的迅速发展,起支撑作用的材料技术发展呈现出以下趋势:一是复合化:通过微观,介观和宏观层次的复合大幅度提高材料的综合性能;二是多功能化:通过材料成分,组织,结构的优化设计和精确控制,使单一材料具备多项功能,达到简化武器装备结构设计,实现小型化,高可靠的目的;三是高性能化:材料的综合性能不断优化,为提高武器装备的性能奠定物质基础;四是低成本化:低成本技术在材料领域是一项高科技含量的技术,对武器装备的研制和生产具有越来越重要的作用.

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