2023年新型无机材料的创新与发展.doc

新型无机材料的创新与开展 HYC—BUCT ：本文介绍了新型无机材料的分类、特点、应用等根本情况，着重强调了近年来的创新和开展及其巨大的应用价值和开展潜力。 关键词：新型无机材料 开展 创新 1 前言 材料作为当代文明的三大支柱之一，在世界的开展进步中起到了极大的支撑的作用，而作为重要分支的无机材料，无疑扮演者及其重大的角色。 无机材料是由多种元素以适当的组合形成的无机化合物构成。无机材料一般可以分为传统的和新型的无机材料两大类。传统的无机材料是指以二氧化硅及其硅酸盐化合物为主要成分制备的材料，因此又称硅酸盐材料。新型无机材料是指新近开展起来和正在开展中的具有优异性能和特殊功能的材料，其多用氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、硫化物、硅化物以及各种非金属化合物经特殊的先进工艺制成。 新型无机材料为高技术密集型材料，具有以下显著特点[1]： 1) 新型无机材料以经典和现代科学理论为根底。 2) 综合运用现代先进的科学技术，多学科交叉，知识密集，与现代社会密切相关，具有特定的功能、结构，突破关键技术，能够充分实现材料的价值。 3) 品种较多，生产规模一般较小，更新换代快，技术保密性强，开展迅速，具有一定的针对性。 4) 高投入、耗时长、高风险、高技术、高性能、高产值、高效益。 2 新型无机材料的创新和开展 新型无机材料可以根据各方面的因素，采用混合分类法，以应用为主线，分为新型陶瓷材料、纳米材料、新能源材料、半导体材料以及其他等几个领域。这几个领域在诸多情况下是相互交叉、彼此关联的。 2.1 新型陶瓷材料 传统陶瓷主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷那么采用人工合成的高纯度无机化合物或者精制的高纯天然无机物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的，这类陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷。 新型陶瓷材料主要有电解质陶瓷、压电陶瓷、敏感陶瓷、铁电陶瓷、超导和磁性陶瓷、纳米陶瓷等种类，在国防、航空航天、能源、电子、机械、汽车、生物医药等领域有着重要的应用。 以航空航天为例，随着航空航天技术的不断开展，对耐高温材料提出了越来越高的要求，传统材料已经无法满足这种需求。当前，对高温结构陶瓷的研究主要集中于SiC、Si3N4、Al2O3和ZrO2等，其中尤以Si3N4高温结构材料最为引人注目[2]。它们具有耐高温、耐磨损、耐腐蚀、质量轻等优异的综合特性。 近年来，Ti3AlC2这种新近开展起来的新型陶瓷材料也逐渐引起了人们的注意[3]。它兼具金属和陶瓷的优良性能，耐氧化、抗热震、高弹性模量、高断裂韧性，更为重要的是在高温下具有良好的塑性并能保持比目前最好的硬质合金还要高的强度，易加工、质量轻并且有良好的自润滑性能，在除了航空航天上的巨大应用价值之外，还在新一代电刷和电极材料等领域有着很好的前景。 目前，新型陶瓷材料的主要开展和创新方向有：陶瓷膜材料、陶瓷基复合材料、金属陶瓷、陶瓷涂层、纳米陶瓷、梯度陶瓷材料、仿生层状复合陶瓷材料等。相信，随着新型陶瓷材料的不断开展，其必将在推动社会开展、科技进步上起到更大的作用。 2.2 纳米材料 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为根本单元构成的材料。纳米材料能够体现出小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道等纳米效应，使得纳米材料的性能优越于粗晶粒组成的传统材料，拥有一些特殊的性质，并在催化、生物医药、机械、电子、能源等诸多方面有着重要的应用。作为21世纪的重要学科，无机纳米材料的研究开发和应用必将对其他学科、产业、社会产生重大的影响。 纳米材料的小孔径效应和外表效应与化学电源中的活性材料非常相关，作为电极的活性材料纳米化后，外表增大，电流密度会降低，极化减小，导致电容量增大，从而具有更良好的电化学活性。特别是最富特征的一维纳米材料纳米碳管在作为新型贮锂材料、电化学贮能材料和高性能复合材料等方面的研究己取得了重大突破，因而开辟了全新的科学研究领域[4]。纳米微粒作催化剂可以控制反响时间、提高反响效率及反响速度、决定反响路径、有优良的选择性和降低反响温度的特性，主要有金属〔Ag、Pd、Pt、Fe等〕、复合金属〔多种金属负载与多空载体上〕、相关化合物〔MoS、ZnS等〕。在生物医药上，科研人员已经成功地利用纳米SiO2微粒进行细胞别离，用金纳米颗粒进行定位病变治疗，减少了副作用。纳米涂料实现防紫外线辐射、抗降解、变色、杀菌保洁的成效，纳米级二氧化锡等可以与树脂复合，作为静电屏蔽涂层[5]。 2.3 新能源材料 能源是人类社会进步的根底，能源结构的重大变革引起并促进了人类社会的革命性进步。从近现代的第一次工业革命的蒸汽机的应用、第二次工业革命的电力的应用、第三次工业革命的核能的应用，一直到现在正在发生的第四次工业革命中新能源的大规模开发、应用、推广，无不如此。随着时代的开展，原来作为人类社会开展的主要动力的化石能源正在日益枯竭，并造成了巨大的环境污染，引发了人们必须面对的巨大的生存危机，新能源的出现正在逐渐缓解这种危机，并注定在将来成为社会新的主要推动力。新能源的开发是以材料作为根底的，材料可以提高储能和能量转化效果，决定新能源的性能、安全性及环境协调性，决定了能源的投资和运行本钱，并且可以将诸多的不适于大规模应用的能源转化成为可以广泛利用的新能源，如现在可以利用催化剂、电解质使氢与氧直接反响产生电能，应用于电动车等领域。 氢作为一种洁净的新能源受到了广泛的关注，但是其储存却成了很大的问题，近年来开展起来的固体无机物储氢材料为解决这一问题提供了很好的路径，浙江大学的林仁波等[6]发现，球磨2h无水CaCl2样品在温度20℃和氨压0.55MPa的条件下，15min内即可完全氨化，形成CaCl2(NH3)8，其吸氨量可达55.1wt％，相当于储氢量9.72wt％，CaCl2(NH3)8在20—300℃的范围内可通过三步反响实现完全脱氨，脱氨反响受温度和压力控制，其中6个NH3分子在常温、常压下即可脱附，如果与NH3分解催化剂联用，可能是一种较好的以NH3为介质的高容量储氢材料。球形纳米晶LiFeP04作为良好的正极材料，具有原料廉价、结构稳定、安全性高、循环和热稳定性明显优于其他材料等优点，同时Li4 Ti5 012作为负极材料具有充电平稳、首次库仑效率高、循环稳定性好等特点，二者的结合在1C倍率下的循环比容量分别高达140和130mAh/g，是组成高安全性动力锂离子电池的热点[7]。此外，新型无机材料钒掺杂纳米TiO2薄膜在太阳能电池的应用等都取得了很大的进展。 2.4 半导体材料 通常来说，半导体是指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，电阻率一般在104~1010Ω·cm之间。半导体材料是半导体器件的物质根底，从家用电器、太阳能到计算机、人造卫星，半导体材料与国民经济的开展、人民的日常生活息息相关，承当着信息交流、沟通等重要作用，也是目前无机新材料中取得最为迅速开展的科学与技术之一。 作为第三代半导体材料的典型代表，宽禁带半导体氮化镓(GaN)具有许多硅材料所不具备的优异性能，它具有禁带宽度宽、临界击穿电场强度大、饱和电子漂移速度高、介电常数小以及良好的化学稳定性等特点，是高频、高压、高温和大功率应用的优良半导体材料，在民用和军事领域具有广阔的应用前景，南加 州大学研究了SiO2作为钝化层对高压AlGaN/GaN HEMT的影响，实现了击穿电压930 V，比导通电阻为2.43 mΩ·cm2的高压器件[8]。窄禁带的锑化物半导体材料近年来被国际上公认为第三代超高速、超低功耗集成电路和第三代焦平面阵列红外探测器的首选材料体系，而固体红外激光器在气体环境监测、化学物品探测、生物医学诊断、卫星遥感技术等领域中都有十分重要的应用。锑化物材料的禁带宽带正好对应于2～5μm中红外波段的大气窗口，是开发工作于该波段激光器的重要材料。研究和开发高性能的新型锑化物基红外激光器是近年来非常活泼的研究课题，取得了一系列重要研究成果，如A1GaAsSb／InGaAsSb多量子阱激光器等[9]。 2.5 其他 新型无机材料中还包含有环境材料、特种玻璃、人工晶体、多孔材料、无机纤维、薄膜材料、生物材料等等一系列方面和领域，它们之间往往没有清楚的界限，互相之间有所包容，这或许也就是无机新材料得到迅速开展、应用广泛的奥秘所在吧。 3 新型无机材料的展望和趋势 以下是个人结合中国科学院院士郭景坤等专家的预测做出的展望和趋势推断。 1、新型能源转换和储能材料：主要在电动汽车和混合动力车等新一代环境和谐型交通工具和如风能等新能源的开展上。 2、新型光电子材料及器件：集中在信息技术数字化、网络化、超大容量信息传输、超高密度信息储存、信息防破译传输方面发挥巨大作用，如量子通讯技术。 3、生物医用材料：除了人工骨、人工牙齿、HAP陶瓷、心脏瓣膜与血管支架等生物材料之外，还将利用特种纳米粒子，进行细胞别离、染色，生物探针标记及利用纳米制成药物或新型抗体进行临床疾病诊断、靶向治疗。 4、信息功能材料：主要应用于信息技术中，材料的制作将向着微型化和智能化方向开展，在新一代移动通讯及数字化信息技术中，能扮演重要角色。 5、复合智能型材料：在未来汽车工业、高速列车、航空航天等领域上，对新一代拥有轻质高强、高韧、自修复、自洁净、可感知等性能的复合材料提出了要求。 6、纳米无机材料：主要集中在光子电子纳米信息材料；纳米发光材料；纳米结构器件设计等方面。这类材料有可能成为下一代微电子和光电子器件的核心，以及新一代发光器件。 参考文献 [1] 杨华明等．新型无机材料［M］.北京：化学工业出版社，2023年． [2] 王淑梅等. 新型陶瓷材料的特性和技术开展［J］.江苏陶瓷，2023,37〔3〕：1~3. [3] 陈秀娟等. Ti3AlC2陶瓷材料研究进展［J］.粉末冶金工业，2023,18〔4〕：40~43. [4] 杨朝俊. 浅析纳米材料在电池中的应用［J］.硅谷，2023〔5〕：60. [5] 朱世东等. 纳米材料国内外研究进展Ⅱ［J］.热处理技术与装备，2023,31〔4〕：1~8. [6] 林仁波等. 新型氨基储氢材料CaCl2的性能研究［J］.无机材料学报，2023,23〔5〕：1059~1062. [7] 高剑等. 球形纳米晶LiFeP04和Li4 Ti5 012的制备及电池研究［J］.无机材料学报，2023,24〔1〕：139~141. [8] 张波等. 氮化镓功率半导体器件技术［J］.固体电子学研究与进展，2023,30〔1〕：1~8. [9] 刘超等. 锑化物半导体材料与器件应用研究进展［J］.半导体技术，2023,34〔6〕：525~529.