新型功能材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展趨勢
郭新立，王增梅，陳堅，劉建雙，郝威，張靈敏，王蔚妮，張艷娟
（東南大學 材料科學與工程學院, 江蘇南京 211189）
摘 要：新型功能材料產(chǎn)業(yè)作為新材料產(chǎn)業(yè)的一個重要分支，涵蓋了功能材料本身形成的產(chǎn)業(yè)、技術及其裝備制造業(yè)等。其研發(fā)水平及產(chǎn)業(yè)化規(guī)模已成為衡量一個國家經(jīng)濟和社會發(fā)展、國防實力和科技水平的重要標志，世界各國特別是發(fā)達國家都十分重視新型功能材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文對新型功能材料基本概念、作用和內涵、主要特征、重要地位和當前產(chǎn)業(yè)化發(fā)展態(tài)勢作一介紹。
關鍵詞：新型功能材料；產(chǎn)業(yè)化；發(fā)展趨勢
1 基本概念、作用和內涵
功能材料是指具有優(yōu)良的電學、磁學、光學、熱學、聲學、力學、化學、生物醫(yī)學功能，特殊的物理、化學、生物學效應，能完成功能相互轉化，并被用于非結構用途的高技術材料。它是新材料領域的核心，是國民經(jīng)濟、社會發(fā)展及國防建設的基礎和先導。它涉及信息技術、生物工程技術、能源技術、納米技術、環(huán)保技術、空間技術、計算機技術、海洋工程技術等現(xiàn)代高新技術及其產(chǎn)業(yè)。它在元器件、整機或系統(tǒng)中，可實現(xiàn)對信息與能源的感知、采集、計測、傳輸、屏蔽、絕緣、吸收、儲存、記憶、處理、控制、發(fā)射和轉換等目的。
新型功能材料是指新近發(fā)展起來和正在發(fā)展中的具有優(yōu)異性能和特殊功能，對科學技術尤其是對高技術的發(fā)展及新產(chǎn)業(yè)的形成具有決定意義的新材料。主要包括電子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物醫(yī)用材料、生態(tài)環(huán)境材料、超導材料、智能材料、功能高分子材料、先進復合材料、梯度材料等。
2 重要地位、當前發(fā)展態(tài)勢和主要特征
功能材料種類繁多，用途廣泛，正在形成一個規(guī)模宏大的高技術產(chǎn)業(yè)群，有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰(zhàn)略意義。它是信息技術、生物工程技術、能源技術、納米技術、環(huán)保技術、空間技術、計算機技術、海洋工程技術等現(xiàn)代高新技術及其產(chǎn)業(yè)的先導、基石與支撐。
功能材料是關系到我國能否順利實現(xiàn)第三步戰(zhàn)略目標的關鍵新材料集群。在未來的5～10年，我國經(jīng)濟、社會及國家安全對功能材料有著巨大的需求。目前，功能材料已成為我國材料科學和工程中最具活力與創(chuàng)新性的熱點；有關功能材料的項目已占整個新材料研究項目的70%以上。
功能材料不僅是發(fā)展我國信息技術、生物技術、能源技術等高技術和加強國防建設的重要基礎材料；而且對我國基礎工業(yè)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造和升級，實現(xiàn)跨越式發(fā)展起著重要的促進作用；同時還直接關系到我國資源、環(huán)境及社會的可持續(xù)發(fā)展。
目前光電信息材料、功能陶瓷材料、生物醫(yī)用材料、超導材料、功能高分子材料、先進復合材料、智能材料以及生態(tài)環(huán)境材料等功能材料是世界各國戰(zhàn)略高技術競爭的熱點和重點，也是我國“十二五”國家科技計劃材料領域的重點。
當前國際功能材料及其應用技術正面臨新的突破，諸如微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉換及儲能材料、生態(tài)環(huán)境材料及材料的分子、原子設計等正處于日新月異的發(fā)展之中，發(fā)展功能材料技術正在成為一些發(fā)達國家強化其經(jīng)濟及軍事優(yōu)勢的重要手段。下面重點介紹幾類重要的新型功能材料：
智能材料是具有感知溫度、力、電、磁等外界環(huán)境并產(chǎn)生驅動(位移等)效應的一類重要功能材料，主要包括形狀記憶、壓電和磁致伸縮三大類材料。智能材料在國民經(jīng)濟與國防領域關鍵部件和核心系統(tǒng)中有著重要應用，其研究水平在很大程度上影響著一個國家的總體科技水平和現(xiàn)代國防實力，是現(xiàn)代高技術新材料發(fā)展的重要方向之一，將支撐未來高技術的發(fā)展，使傳統(tǒng)意義下的功能材料和結構材料之間的界線逐漸消失，實現(xiàn)結構功能化、功能多樣化。因此，智能材料已列入國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要。它是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料，科學家預言，智能材料的研制和大規(guī)模應用將導致材料科學發(fā)展的重大革命。國外在智能材料的研發(fā)方面取得很多技術突破，如英國宇航公司在導線傳感器，用于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況；英國開發(fā)出一種快速反應形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動器時，反應時間僅為10分鐘；在壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅動組件材料在航空上的應用取得大量創(chuàng)新成果。隨著產(chǎn)業(yè)技術和國防技術的高度智能化以及這些關鍵領域的國際競爭日益加劇，對智能材料的性能（靈敏度、控制精度以及環(huán)保性能等）提出了越來越高的要求。因此，開發(fā)高性能的形狀記憶、磁制伸縮和無鉛壓電材料已成為目前智能材料領域的研究熱點，也是我國973項目的支持重點之一。
2.2 新能源材料
尋找清潔的能源和可再生能源是當今世界共同關心的問題。太陽能是一種用之不竭的綠色環(huán)保能源，太陽能電池材料是新能源材料研究開發(fā)的熱點，自從1954年單晶硅太陽能電池在貝爾實驗室問世以來，硅電池因其較高的光電轉換效率（約20%）而在各類光伏電池中占據(jù)主導地位。但由于其制造工藝復雜、硅原材料的短缺而限制了硅電池的廣泛應用。尋找與傳統(tǒng)能源材料價格相當?shù)男虏牧虾椭苽涔に囀翘柲茈姵啬軌虻玫狡占暗年P鍵。IBM公司研制的多層復合太陽能電池，轉換率高達40%。美國能源部在全部氫能研究經(jīng)費中，大約有50%用于儲氫技術。固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關鍵是電池材料，如固體電解質薄膜和電池陰極材料，還有質子交換膜型燃料電池用的有機質子交換膜等，都是目前產(chǎn)業(yè)關注的熱點。另外，薄膜太陽能電池由于大大地減少了半導體材料的消耗，也容易批量生產(chǎn)，從而大幅度地降低了太陽能電池的成本，但是效率相對較低，目前商用薄膜電池的光電轉換效率只有6～8%。
隨著納米技術的發(fā)展和成熟，納米結構材料成為新穎的太陽能電池材料，在太陽能電池中使用納米結構材料將能夠提高太陽能電池的光電轉換效率，降低電池的生產(chǎn)成本，對于實現(xiàn)太陽能電池的大規(guī)模應用將起著重要的作用，例如燃料敏化納米晶膜太陽能電池的光電轉換效率已達到11.04%，而其成本只有傳統(tǒng)硅光電池的十分之一，已成為目前應用前景看好的光電轉換器件。
2.3電子信息材料
電子信息材料是指在微電子、光電子技術和新型元器件基礎產(chǎn)品領域中所用的材料，主要包括單晶硅為代表的半導體微電子材料；激光晶體為代表的光電子材料；介質陶瓷和熱敏陶瓷為代表的電子陶瓷材料；釹鐵硼（NdFeB）永磁材料為代表的磁性材料；光纖通信材料；磁存儲和光盤存儲為主的數(shù)據(jù)存儲材料；壓電晶體與薄膜材料；貯氫材料和鋰離子嵌入材料為代表的綠色電池材料等。這些基礎材料及其產(chǎn)品支撐著通信、計算機、信息家電與網(wǎng)絡技術等現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。電子信息材料的總體發(fā)展趨勢是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向發(fā)展。當前的研究熱點和技術前沿包括柔性晶體管、光子晶體、SiC、GaN、ZnSe等寬禁帶半導體材料為代表的第三代半導體材料、有機顯示材料以及各種納米電子材料等。電子信息材料及產(chǎn)品支撐著現(xiàn)代通信、計算機、信息網(wǎng)絡技術、微機械智能系統(tǒng)、工業(yè)自動化和家電等現(xiàn)代高技術產(chǎn)業(yè)。電子信息材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)模和技術水平，已經(jīng)成為衡量一個國家經(jīng)濟發(fā)展、科技進步和國防實力的重要標志，在國民經(jīng)濟中具有重要戰(zhàn)略地位，是科技創(chuàng)新和國際競爭最為激烈的材料領域。據(jù)悉，到“十二五”末期，電子信息材料行業(yè)總產(chǎn)值將達到2500億元，較“十一五”基礎上增長50%以上。高端電子材料將占全行業(yè)產(chǎn)品的40～50%，國產(chǎn)材料配套能力提高到40～50%。
2.4 納米材料
納米材料是指三維空間中至少有一維處于1～100nm或由它們作為基體單元構成的材料，其命名出現(xiàn)在20世紀80年代。納米技術、信息技術及生物技術將成為世紀社會經(jīng)濟發(fā)展的三大支柱。納米科技的興起，對我國提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，同時也為我國實現(xiàn)跨越式發(fā)展提供了難得的機遇。1991年美國將納米技術列入“政府關鍵技術”。1993年德國提出今后10年重點發(fā)展的9個關鍵技術中有4個涉及納米技術。日本、歐盟也都斥巨資用于納米材料與技術的開發(fā)。我國將其列入“863”、“973”計劃和“十五”、“十一五”規(guī)劃，在2001年7月下發(fā)了《國家納米科技發(fā)展綱要》，指出我國納米科技在今后5～10年的主要目標：在納米科學前沿取得重大進展，奠定發(fā)展基礎；在納米技術開發(fā)和應用方面取得重大突破；逐步形成精干的、具有交叉綜合和持續(xù)創(chuàng)新能力的納米科技骨干隊伍；建立全國性的納米科技研發(fā)中心和以企業(yè)為主體的產(chǎn)業(yè)化基地，促進基礎研究、應用研究和產(chǎn)業(yè)化的協(xié)調發(fā)展。
納米材料是納米科技的基礎，功能納米材料是納米材料科學中最富有活力的領域，它對信息、生物、能源、環(huán)境、宇航等高科技領域，將產(chǎn)生深遠的影響并具有廣闊的應用前景。2006年國務院制定的《2006-2020年國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃》中將納米科學列為這段時期內基礎科學研究的四個主要方向之一，將納米材料和納米器件作為發(fā)展先進材料的重點目標。納米材料的應用已經(jīng)滲透到軍事、生物、高分子材料、電子、醫(yī)療、環(huán)境、生活日用品等幾乎所有的生產(chǎn)和研究領域。1999年，納米技術走向市場，全年納米產(chǎn)品營業(yè)額達到500億美元。隨著納米科技的發(fā)展和創(chuàng)新，新的納米材料也不斷出現(xiàn)，如由石墨烯，它是由碳原子通過sp2雜化構成的單原子層蜂窩狀二維網(wǎng)格結構，厚度只有一個原子直徑(~0.335nm)，具有優(yōu)異的電學、熱學和力學性能，是目前世界上已知強度和硬度最高的材料，傳輸電流的速度比電腦芯片里的硅元素快100倍，可望在高性能電子器件、復合材料、場發(fā)射材料、氣體傳感器及能量存儲等領域獲得廣泛應用。2004年曼徹斯特大學的Geim和Philip Kim首先發(fā)現(xiàn)了該材料并于2010年獲物理學諾貝爾獎。石墨烯的出現(xiàn)打破了二維晶體無法真實存在的理論預言，帶來了眾多出乎人們意料的新奇特性，使它成為繼富勒烯和碳納米管后又一個里程碑式的新材料。目前，該材料的研究和產(chǎn)業(yè)孕育開發(fā)正在全世界范圍內轟轟烈烈地展開，都在力爭搶占石墨烯產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的制高點。
3 總 結
目前新型功能材料是世界各國研究的熱點，充滿了機遇和挑戰(zhàn)，新技術、新專利層出不窮，新型功能材料在整個新材料產(chǎn)業(yè)中的市場份額越來越大，我國目前在功能材料的創(chuàng)新性研究和產(chǎn)業(yè)化方面與發(fā)達國家相比仍有較大差距。但近年來，在國家“863”、“973”、國家自然科學基金等計劃的支持下在功能材料領域取得了豐碩的成果，取得了一批接近或達到國際先進水平的研究成果，在國際上占有了一席之地，培養(yǎng)了一批優(yōu)秀的功能材料研發(fā)人才和隊伍，隨著我國在功能材料系統(tǒng)集成和產(chǎn)學研相結合等方面的完善，我國新型功能材料產(chǎn)業(yè)化的能力將得到大幅的提升和快速的發(fā)展。
參考文獻
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作者簡介：
郭新立，男，1965年6月生，教授，中國儀器儀表學會儀表功能材料分會理事。1994年東南大學獲工學博士學位（中國-法國聯(lián)合培養(yǎng)）；1994年至1996年：南京大學固體微結構國家重點實驗室博士后；1996年至1997年：南京航空航天大學材料系副教授；1997年至1998年：韓國首爾大學物理系博士后；1998年至2009年先后在日本產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所、大阪大學、東北大學、日本國家材料研究所從事復合材料、薄膜、納米材料和表面科學的研究工作；2010年歸國被聘為東南大學材料學院教授、江蘇省雙創(chuàng)人才。
郭新立教授在Nanotechnology，physical review letters，Applied physics letters，Physical review B等雜志上發(fā)表論文60多篇，英文專著一章，國家發(fā)明專利申請兩項。論文被SCI收錄有48篇；SCI引用有666篇次，其中他人引用超過600篇次；EI收錄有51篇，其中被EI PageOne 收錄有4篇，單篇論文最高他引率為~165次，國際會議發(fā)表40多次。
正在開展的主要研究項目：鐵電材料的高性能化、極化調控及其物理機制研究（資金支持：973國家重點研究發(fā)展計劃，國家自然科學基金重點項目）；基于貴金屬納米粒子表面等離激元效應的可控光學特性研究（資金支持：國家自然科學基金面上項目，江蘇省雙創(chuàng)人才基金（100萬元））；高質量石墨烯的制備與應用（資金支持：東南大學人才引進基金，江蘇省微納生物醫(yī)療器械設計與制造重點實驗室開放課題基金，等）。
