材料學的未來展望

材料是人類生活和生產的物質基礎，是人類認識自然和改造自然的工具。人類文明曾被劃分為舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代等，由此可見材料的發展對人類社會的影響——沒有材料就是沒有發展。先進復合材料（Advanced Composites ACM）專指可用于加工主承力結構和次承力結構、其剛度和強度性能相當于或超過鋁合金的復合材料。目前主要指有較高強度和模量的硼纖維、碳纖維、芳綸等增強的復合材料 隨著航空航天技術的不斷發展，促進了材料的不斷更新，發展和進步，各種新材料不斷涌現并得到應用，尤其以先進復合材料的發展和應用最突出，眾所周知，由于航空航天飛行器的特殊使用環境，飛行器的制造材料要求非常之高，飛機和衛星制造材料要求質量輕、強度高、耐高溫、耐腐蝕，這些苛刻的條件，只有借助新材料技術才能解決。先進復合材料具有質量輕，較高的比強度、比模量、較好的延展性、抗腐蝕、導熱、隔熱、隔音、減振、耐高（低）溫，獨特的耐燒蝕性、透電磁波，吸波隱蔽性、材料性能的可設計性、制備的靈活性和易加工性等特點，被大量地應用到航空航天等軍事領域中，是制造飛機、火箭、航天飛行器等軍事武器的理想材料。

20 世紀以來，物理、化學、力學、生物學等學科的研究和發展推動了對于物質結構、材料的物理化學和力學性能的深入認識和了解。同時，金屬學、冶金學、工程陶瓷技術、高分子科學、半導體科學、復合材料科學以及納米技術等學科的發展促進了各種新型材料的產生,并推進了對于材料的制備、生產工藝、結構、性能及其相互之間關系的研究，為材料的設計、制造、工藝優化和材料功能和性能的合理使用，提供了充分的科學依據�，F代材料科學更注重于研究新型復合材料和納米材料的制備和創新，對于設計具有不同性能要求的材料復合工藝和納米態材料的凝聚過程，以及各類材料之間的相互滲透和交叉的性能以及綜合性能的研究給予了更多的重視�，F代材料科學的發展不僅與揭露材料本質及其演化規律的物理化學性質和力學性能有關，而且與使用材料的工程技術學科以及制造加工材料的工程學科有著相互交叉性的密切關系。在此基礎上，“材料科學與工程”逐步形成學科，并發展成為一門獨立的一級學科。作為一級學科的“材料科學與工程”下分三個二級學科：材料物理與化學、材料學、材料加工工程。

材料的未來發展

新材料的誕生會帶動相關產業和技術的迅速發展，甚至會催生新的產業和技術領域。材料科學現已發展成為一門跨學科的綜合性學科。根據我國當前及未來發展的實際情況，新材料領域值得注意的新發展方向主要有半導體材料、結構材料、有機／高分子材料、敏感與傳感轉換材料、納米材料、生物材料及復合材料。

1.半導體材料

隨著高科技發展的需要，半導體及其應用研究的中心正向直接影響市場的微型或低維量子器件、改善傳輸質量和效率、增大功率和距離等方向發展，半導體化合物（GaAs、InAs、GaN、SiC等）具有重要的應用前景。

2.結構材料

Fe基、Al基、Ti基以及Mg基合金作為力學材料的主體，構成了系列結構材料，其主要功能是承擔負載（如火車、汽車、飛機）。汽車用鋼近年來已從一般鋼鐵發展為使用燦合金或特殊的高強Mg基合金，高強Ti合金在高強鋼中有重要位置，不銹鋼則有取代碳鋼的趨勢。用于軍用飛機的Al合金及一般鋼材則被先進的Ti合金及高分子基復合材料所取代。進一步還需要發展碳纖維增強復合材料或Al基復合材料。結構材料的主體有： （1）鋼鐵； （2）Al合金； （3）Mg合金； （4）Ti合金； （5）結構陶瓷及陶瓷基復合材料。

3.有機／高分子材料

有機／高分子材料是現代工業和高新技術的重要基石，已成為國民經濟基礎產業以及國家安全不可或缺的重要材料。一方面量大面廣的通用高分子材料需要不斷地升級改造，以降低成本、提高材料的使用性能；另一方面各類新型的高分子材料將應運而生，尤其是有機及聚合物分子或少數分子組合體的光、電和磁特性將成為高分子向功能化以及微型器件化發展的重要方向。主要有以下三個研究方向： （1）分子材料與分子電子器件研究； （2）光電信息功能高分子材料研究； （3）生物醫用高分子材料。

4, 導電高分子材料

導電高分子材料科學是近年來發展較快的領域,自1977 年第一個導電高分子聚乙炔(PAC) 發現以來,對導電聚合物的合成、結構、導電機理、性能、應用等方面有許多新認識,現已發展成為一門相對獨立的學科。其可分為結構型導電高分子和復合型導電高分子類。主要應用在發光二極管、抗靜電、導電性應用、電磁屏蔽與隱身等領域中〔3〕。從導電機理的角度看,導電高分子大致可分為兩大類:一類是復合型導電高分子材料,它是指在普通的聚合物中加入各種導電性填料而制成的,這些導電性填料可以是銀、鎳、鋁等金屬的微細粉末、導電性碳黑、石墨及各種導電金屬鹽等,此類導電高分子材料在國內外已得以廣泛的應用,如抗靜電、電磁波屏蔽、微波吸收、電子元件中的電極等。還有一類是結構型導電高分子材料,即依靠高分子本身產生的導電載流子導電,這類導電高分子材料一般經“摻雜”(P 型摻雜或N 型摻雜) 后具有高的導電性能(電導率增加幾個數量級)，多為共軛型高聚物聚乙炔、聚對苯硫醚、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺、聚苯基乙炔等是目前研究較多的導電高分子材料。這種功能高分子除具有優異的壓電特性外，還具有熱釋電效應，可廣泛地用于武器、電聲、超聲、診斷醫療傳感器、無損測試、地震預報等諸多領域。

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5土建功能高分子材料

(1)土工織物

土工織物是一種多功能材料，主要功能有濾層作用、排水作用、隔離作用、加強作用、防滲與防潮作用等。在工程中往往是一種功能起主導作用,其它功能也不同程度地起作用。土工織物是以高分子合成纖維、合成橡膠與塑料為基本原材料, 這些高分子土工產品通常是以聚丙烯、聚酯為主，還有聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺、聚乙烯醇、聚烯烴、聚四氟乙烯，以及透水性的土工材料氯橡膠、丁腈橡膠等材料。由含有這些組分的纖維絲、繩和塑料袋、條、板所制成的土工合成材料的主要特性是: 質地柔軟而質量輕，整體連續性好，抗拉、抗折強度高，

耐腐蝕性和抗微生物侵蝕性好, 反濾性好，防滲性好，施工非常方便。 目前, 國內土工織物的生產能力、應用范圍、測試技術與理論研究等方面均發展很快。土工織物在長江三峽工程、長江綜合開發治理工程、防治洪澇災害、處理工業垃圾、保護水源以及環境保護等工程中均得到了應用。土工織物是一種非常有生命力的新型土工材料, 其經濟效益、社會效益均非常顯著，具有很高的推廣價值。今后，土工織物將面向大中型工程、永久性工程, 并向系列化與復合型的方向發展；同時， 相應的理論研究、測試技術、施工規范等方面也將不斷完善與提高。

(2) 超輕型填土材料

當前, 應用較廣泛的輕質填土材料是聚苯乙烯泡沫塑料( EPS)，它具有優異的物理、化學性能,以及隨意切割成長型、逐層鋪砌、搬運方便等優異的施工性能。作為一種土建結構材料, 它已廣泛地應用于公路及鐵路填土、橋臺與擋墻填土、機場、港口碼頭、地下結構等工程中, 并取得了很好的效果。1995 年我國在杭甬高速公路橋頭路堤采用EPS 法，克服了軟土地段填土的困難，將其填筑成EPS 與混凝土相結合的橋頭路堤, 使用情況良好。現已在沿海地區的軟土工程中得到推廣應用〔5〕。

6 隱身材料

( 1) 納米吸波材料

由于納米材料具有極好的吸波特性, 且納米材料對電磁波的透射率及吸收率比微米粉要大得多,同時具備寬頻帶、兼容性好、質量小和厚度薄等特點。因 此美、法、日、俄等國家都把納米材料作為新一代隱身材料進行探索和研究。美國已研制出一種稱作“ 超墨粉” 納米吸波材料, 其對雷達波的吸收率高達99%,目前正在研究覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材料。

(2) 等離子體吸波涂料

等離子體吸波涂料是將放射性物質涂覆在目標上, 使目標表面附近的局部空間電離, 形成等離子體來吸收電磁波的能量。早在20世紀60年代,前蘇聯就開始了等離子體吸收電磁波性能的研究。80年代初開始了等離子體的實驗, 重點研究等離子體在高空超聲速飛行器上的潛在應用。此技術最大的特點就是不用改變裝備的結構, 只需利用等離子體發生器就可以實現隱身目的, 且隱身效果非常好。目前, 這種技術比較先進的國家是俄羅斯和美國〔6〕。

(3) 生物醫用功能材料

生物醫用高分子主要分醫用高分子、藥用高分子和仿生高分子三大類。目前, 除人腦外的大部分人體器官都可用高分子材料來制作, 有治療保健作用的功能高分子也在開發之中。對生物醫用高分子材料除了要求具有醫療功能外, 還要強調安全性, 即不僅要治病, 還要對人體健康無害。目前在血液相容性高分子、組織相容性高分子、生物降解吸收高分子、硬組織材料用高分子和生物復合高分子材料、醫用高分子現場固化材料、醫用粘合劑、固定化酶、高分子藥物釋放和送達體系等都有相應的研究, 并取得了初步成果〔7〕

3 功能高分子材料發展趨勢

(1) 先進復合高分子材料

當今材料技術的發展趨勢一是從均質材料向復合材料發展, 二是由結構材料往功能材料、多功能材料并重的方向發展。這種發展趨勢造就了先進復合材料的迅速崛起與快速發展。

先進復合高分子材料是指以一種材料為基體(如樹脂、陶瓷、金屬等) , 加入另一種稱之為增強(或增韌) 材料的高聚物(如纖維等) 復合成的高功能整體結

構物〔8〕, 這種將多相物復合在一起, 充分發揮各相性能優勢的結構特征賦予了高分子復合材料廣闊的應用空間。目前高分子復合材料的發展和應用已進入世界科技和工業經濟的各個領域, 重點集中在航空航天、基礎設施、沿海油氣田和 汽車的應用, 與此同時, 醫用復合材料日益增長, 成為近年來不可忽視的快速發展領域〔9〕。

( 2 )生物降解及環境友好高分子材料

隨著人們對環境問題認識日益加深，生態可降解已不再陌生，與此同時世界各國對材料的生態可降解性的要求也提上日程。在這種背景下，生態可降解的高分子材料的開發和應用也越來越受到各國政府、科研機構和企業的重視。目前，具有生態可降解性的高分子材料主要是發達國家產品，國內處于對國外產品的復制及仿制階段。因此，開發具有自主知識產權的生物降解及環境友好高分子材料對于國內的相應企業和科研機構是當務之急。研究表明高分子的生物降解過程主要是其在各種生物酶作用下的水解反應、有時是先水解再進一步氧化或先氧化再水解，即易水解的高分子往往具有生物降解性［10］。即今后可降解高分子材料研究幾種在在生物相容性、理化性能、降解速率的控制及緩釋性等方面。

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7智能高分子材料

智能材料是能夠感知環境變化，通過自我判斷和自我結論，實現自我指令和自我執行的新型材料。該類材料集感知、驅動和信息處理于一體，形成類似生物材料那樣具有智能屬性。可以利用該類材料容易感知判斷環境并實現環境響應的特性來制造傳感器、制動器及仿生器等。因此，其將在醫療、環境監測、航空航天及制造業等方面得到廣泛應用。

開發功能高分子材料的重要意義

功能高分子材料其獨特的功能和不可替代的特性已帶來各個領域技術進步，甚至質的飛躍，且在各行業已產生相當高的經濟和社會效益，并導致許多新產品的出現。由于高分子材料在結構上的復雜性和多樣性, 可以在分子結構(包括支鏈結構)、聚集態結構、共混、復合、界面和表面甚至外觀結構等諸多方面, 進行單一或多種結構的綜合利用, 因此最大程度地滿足了其他高技術要求材料技術為他們提供的更多、更好的功能。隨著納米技術研究的深入，在分子、甚至原子水平上實現材料的功能結構設計、復合與加工生產成為可能，材料的功能將會進一步得到擴展，呈現前所未有的創新�？梢灶A言,新一代功能高分子材料的春天已經來臨，納米材料必將成為新世紀材料發展的主流，也必將對新世紀的高新

技術如電子、生物技術、生命科學的研究產生極為深遠的影響。目前我國電子、國防、醫藥和許多尖端技術部門所需的不少功能高分子材料仍依賴于國外市場，這使得我們的一些產品和核心技術在國際市場上競爭力不足。在各發達國家投入大量的人力財力對功能高分子材料進行研究開發，且進展迅速時，我國也應加大對功能高分子材料的研究開發支持力度，加入到這場激烈的競爭中去，這將進一步提高我國的綜合國力。在未來的航空航天領域的發展中，我們相信：新型復合新材料將扮演越來越重要的角色，以后，隨著使用環境對材料提出的新的，更苛刻的要求，新材料將具有不同的發展方向。

一方面，新材料將向耐高溫的方向發展，隨著人類對天空，外太空的探索，耐高溫的新材料也將大有作為，據理論計算和試驗發現，發動機的工作溫度每提高100℃，它的推力就可提高15%左右�？梢娞岣甙l動機材料的耐高溫性能的重要性。

另一方面，新材料也將向低成本方向發展，正如現在，飛機上，航天器上只是

部分使用新型材料，因為新材料的造價高昂，所以，新材料的低成本化，大規模工業流程化也是研究的重點，它包括以下幾個主要方面：降低原材料成本，尤其是降低高性能碳纖維成本，世界呼聲很高；開發低溫固化、高溫使用的樹脂和預浸料，節約能源，開發長壽命的預浸料，使用混雜纖維新型復合材料，通過工藝創新如電子束固化工藝等降低制造成本。

材料學的未來展望 [篇2]

暢想未來材料

“能源、材料、信息——是人類社會發展的三大支柱”，相信每一位學材料相關專業的人都聽過這句話，從這里，也可以看得出材料領域的重要性。而人類文明的發展進程，可以單獨以材料來命名，比如：舊石器時代、新石器時代、青銅器時代、鐵器時代等，足以說明材料在人類社會發展過程中的決定性作用。如果要以一種材料來命名當今的社會，“硅”可以作為候選提名的材料之一，因為世界不再以一種材料主導，而是由多種不同的材料組合而成。材料學科也成了學術界的新貴，物理、化學、生物、環境等學科領域也在跨領域研究新型材料，因此，在材料領域內新的研究成果呈指數式增長。盡管如此，材料學科還是一塊待探索的處女地，有太多的奧秘等待著有志之士去發現。因此，我們還有很多想象空間，去暢想未來的材料世界會是怎么樣的。也許有的想象只是一個人的一廂情愿，但也可能是去打開新世界之門的金鑰匙。

暢想之新型電池

通訊技術的發展，給移動互聯網帶來了契機并成為了當今互聯網的主力軍，智能手機、筆記本電腦、平板電腦、數碼相機等產品已經成為了我們日常工作、學習、生活必不可少的的一部分。其中，智能手機的使用頻率最高，使用時間也最長。這對手機電池的續航時間有了新的要求，不然就會出現到到了下午手機已經沒電、重要的電話和信息接收不到的情況。除此之外，我們還希望自己的手機屏幕大、質量輕。手機屏幕越大，耗電量就越多，而為了保證使用時間，用更大的電池，導致手機越做越笨重。為什么會這樣呢？這就應該從電池說起�，F在我們所使用的移動設備，小到智能手表大到特斯拉電動汽車，都使用鋰離子電池作為電源。鋰離子電子，在1991年由索尼公司商業化生產并逐漸成為了電池界的主力軍。鋰離子電池是個優秀的產品，它工作電壓高、能量密度高、對環境友好、無記憶效應。但到了現在，人們對移動設備電池的要求越來越高了，而目前所使用鋰離子電池卻沒法達到需求�？梢院敛豢鋸埖恼f，如果有哪家公司在電池方面取得革命性突破，整個移動設備就會是他們的。這里對電池的暢想，最為主要的就是如何提高電池的能量密度并能夠重復的使用。目前，能量密度比鋰離子電池高的不是沒有，但都只停留在實驗室階段，還沒有進入商業化應用。連續使用自己的智能手機10個小時，然后發現還有60%的電量，這是目前的鋰離子電池無法做到的。因此，我們需要這樣一個電池：它的體積小，質量輕，能量密度高足以保證長時間的工作，可以重復使用，壽命長。如果能夠實現，那些只能在設計師畫筆下呈現的超薄超輕智能手機很快就會出現，再也不需要每到一處舊忙著去找插座充電了。想使用如藝術品般精美的手機嗎？等新型電池出現后，這會實現的，我們可以樂觀的認為，新型電池將會在不遠的將來得以實現，進入我們的日常生活。

暢想之新型農用塑料薄膜

把塑料薄膜單獨的放在一邊討論，純粹是出于我個人的經歷。我生長在干旱的農村地區，因缺水的緣由，在農業生產中大規模使用塑料薄膜。而傳統的塑料薄膜，降解很難，常年的積累，已經在那里形成了白色污染。目睹了這個過程之后，我對新型塑料薄膜產生了濃厚了興趣。新型塑料薄膜的關鍵在于兩點，第一點是能夠在短時間內降解，第二點是降解之后的生產物不能對土壤產生污染。塑料薄膜是有機高聚物，在自然狀態下，降解需要很長的時間，而且通過積累，形成固體垃圾污染物。新型塑料薄膜，需要使降解后的產物能夠有效的利用

起來。用含氮含磷的高聚物做薄膜，降解之后的產物可以作為氮肥磷肥使用。但由于農業生產過程中使用的塑料薄膜的量多，因此，降解后能夠被農作物吸收的氮、磷含量不能太多，否則，會造成土壤結板，在消除白色污染之后產生二次污染，這是不應該出現的。至此，新型農用塑料薄膜的輪廓漸漸的出現在了我們面前：它降解時間段（一年左右為宜，憑個人經驗得出），降解后的產物中含有少量能被農作物吸收的化學元素。之前在報道中聽到過這種薄膜已問世，但還沒有普及�？梢钥隙ǖ氖�，這中新型農用塑料薄膜對干旱地區的意義重大，不僅能為經濟的發展做出貢獻，還能在保護農村生態環境方面起到非常積極的作用。相信離這種薄膜普及的日子不遠了。

暢想之智能建筑材料

之所以暢想智能建筑材料，一方面是因為日益加劇的環境污染問題，另一方面是因為可能面臨的能源危機。人類社會的發展是以環境為代價的，如果想要生活在沒有污染的環境中，只能過原始人的生活，而要想享受現代社會進步帶來的成果，則必須接受環境受到污染這個現實。既然環境污染是沒法避免的，我們應該想辦法把污染的不良影響降低到最低程度，智能建筑材料能在這種大背景下起到自己的作用。智能建筑材料能對外部的刺激做出反應，如溫度、壓力變化、輻射等等，因此也被稱為應激材料。這意味著它們可以通過改變自身的形式、顏色等對周圍環境的變化做出響應�？梢赃@樣說：用智能材料建造的建筑能夠和作為使用者的我們互動。傳統的材料是靜態的，而智能材料是動態的，它們會應對外部的影響。根據經驗，可以把智能建筑材料分為兩大類，第一類是特性改變材料，第二種是能量轉變材料。特性改變材料是指能夠通過改變自身性狀以響應外界變化的材料。比如在陽光下根據光強的不同而自身折射率發生改變的玻璃就屬于第一類智能材料。還有一種相變材料，可以根據溫度和壓力的不同而變為固體和液體且此過程可逆，利用這一性質，可以達到調節室溫 的目的，這種材料也屬于第一類智能材料。能量轉變材料是指將一種能量從一種形式改變為另一種形式的的智能材料。第二類智能材料，能把光能、風能和人類活動產生的動能收集起來，以滿足用電等耗能需求。上面所說的智能材料，主要從能源的角度去看。那怎么應對日益嚴重的霾霧等污染呢？這時，我們需要把目光投向納米材料。納米技術是如今最熱門的研究領域之一，所取得的成果也能夠用于建筑材料之中。用納米材料在建筑用玻璃上涂一層防止紫外線的功能膜，可以有效的避免強紫外線帶來的危害，這可以歸類為“納米功能表面”。還有光觸媒材料，這是新興起的納米材料，可為辦公場所精華空氣。如果用在城市中建筑的外墻上，能夠霧霾污染降低到最低程度。除此之外，還有非常熱門的納米材料——碳納米管，把碳納米管作為添加劑，可以加強復合材料的強度，可以制造處強度比鋼鐵強幾百倍的新型納米建筑材料。從目前來看，雖然智能材料所描述的是非常美的藍圖，但實際上投入使用的卻很少，這也從側面上說明了智能建筑材料領域有非常大的發展空間�？梢灶A見，建筑材料智能化將會是大勢所趨。智能建筑材料，也將把我們的生活變得更美好。

材料科學是一個非常浩瀚的領域，目前我們只是在它的邊緣徘徊著，而更多的奧秘等著我們去探索。相信材料能使明天變得更好。

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