几种新材料的市场前景分析

【摘 要】本文介绍电子光电材料、生物医学材料、复合材料与高分子材料，以及其它新材料的最新发展与市场前景，期望能为材料科学发展提供借鉴。

【关键词】新材料；市场前景

一、电子光电材料

信息领域的发展使人们需要处理的不仅是数据、文字、声音和图像，而是活动图像和高清晰的图像。在海量数据信息存储中，信息的存入和取出速率要求越来越高，半导体内存储器的数据存取时间从微秒降到纳秒级，而外部存储器的数据存取时间从毫秒级降到微秒级，要求存储介质的记录和擦除的时间响应要快。存储过程的物质变化主要依靠原子、离子和分子的自旋变迁、电子跃迁、光子感应，以及原子、离子和分子在它们最邻近位置的移动，要求在新存储材料研究上有新的突破。21世纪是“太元时代”，即电信时代，通信产业将从电子邮件、因特网等计算机通讯手段向智能通信网络发展，新的网络核心——光子、光网络的传播因子将直接是波长而不是分组，载有信息的光子直接进入网络。目前，集成电路技术可以把整个计算机系统架构在硅晶片上，经过光纤放大器（EDFA）和波分复用（WDM）等现代光纤通信技术，可以将整个计算机系统架构在石英光纤上，而主要原料则是砂子。微电子是技术导向性产业，通过缩小器件的特征尺寸，提高芯片的集成度、增加硅片面积来提高集成电路的性能和性价比。在微电子技术的发展过程中，材料科学技术起到决定性和作用，因为集成电路是制造在各相关体或薄膜材料上的，制造过程中也会涉及系列的材料问题。微电子技术将进入亚0.1um时代，在这样的器件尺度下，技术和物理的限制将会出现，对材料科学技术的发展提出了新要求。集成电路材料分为功能性材料、结构材料、工艺材料和辅助材料，还可能引入新的材料。显示技术从阴级射线管开始，已经发展到了可便携式和大屏幕的显示技术，航天技术的发展要求显示材料能克服策略加速的震动能力，并适应不同的温差和湿差等。目前显示技术主要有两种：发光显示与不发光显示。发光显示屏都涂有发光涂料，不发光的材料主要是液晶。低维结构材料指除三维体材料外的二维、一维和零维材料。一维量子材料指载流子仅在一个方向可以自由运动，而另两个方向则受约束。零维量子材料指载流子在三个方向受约束。集成电路芯片功能的实现要依靠引出信号，即依靠封装材料组成器件，封装是集成电路支撑、保护的必要条件，是其功能实现的组成部分，能够实现电源供给、信号互联、机械支撑、散热和环境保护功能。微电子封装涉及了除芯片外的所有半导体元器件领域。

二、生物医学材料

用生物材料制成人工器官取代受损器官是当前医学发展的趋势，过去的材料是人工合成材料，可能造成一系列的副作用，如生物不相容性和血不相容性，同时还会带来异体界面发生的炎性反应、位移和破裂，器官移植供体不足和排异药物的副作用也没有彻底解决。利用新生物医学材料可在体外用聚合物构建一个支架体内，使活细胞与支架进行结合，构成具有生物活性的人体组织器官。这些生物功能材料可以是永久性的，也可以是生物降解的，可以是天然合成材料也可以是杂化材料，但结合材料对细胞的反应情况，使其能实现活细胞在体内或体外相容。生物医学材料不是被“惰性”植入体，而是要引导细胞、组织及器官的修复和再生功能，主要的发展目标是：新型可降解材料；利用物理、化学和生物方法来改选原有材料。另一个与生物医学材料相关的是材料仿生的研究，包括模仿天然生物材料结构特征的结构仿生和模仿生物体中形成材料的过程仿生。目前，细胞工程、基因工程和微生物学向材料科学的渗透，使生物科学原理在材料科学领域得到了广泛应用。

三、复合材料与高分子材料

若想实现一种材料满足各种高水平的综合指标，从单一材料出发是非常困难的，复合材料是将金属、无机非金属、高分子材料组合起来的一种多相材料，其设计自由度很大，可以在组成成分选择、占比来满足设计要求，即复合材料效应。目前，复合材料与金属材料、高分子材料和无机非金属材料并列为四大材料。如在新能源方面，碳纤维和玻璃纤维已经应用于风力发电机的叶片、太阳能电池的轻质高强度支架、核电和潮汐发电的离心机转子等。复合材料使用寿命长也可以节约资源，如高强纤维增强混凝土可以扼制开裂，从而防止钢筋生锈；同时在设计高性能碳纤维或芳酰胺纤维增强聚合物代替钢筋克服了原来存在的问题。在基础建设的修复中，复合材料好是最经济的方法。特殊功能的高分子材料的质量取决于材料的选择和成型技术，高分子材料成型加工是一门交叉科学，主要研究材料特性，确定最佳的加工条件，制造最佳性能的产品。目前的主要研究方向是：研究在加工工程中材料结构的演变，通过反应性加工实现预期的材料结构，与辐照、力化学、电磁振荡等物理技术结合确定最佳加工方法等。合成纤维已经占居了纤维的主要市场，目前研究的方向是：开展高性能纤维和功能纤维，如PBO纤维、分离功能纤维、有机光导纤维等的研制。

四、其它新材料

电池将在解决经济增长、能源和环境难题中直到重要的作用，而材料是电流的基础。燃料电池和各种高能电池将在人类社会发展中起到重要的作用。目前发展方向是小型电池、长寿命电池和燃料电池，通过电池材料可以提高电池性能。薄膜是一种用途很广的材料，主要用于维护材料或零部件的结构完整性，如耐磨损、耐腐蚀性和耐高温性等，通常被称为是防护膜。另一个薄膜则要求应用其电、磁、声、光等功能，通常被称为是功能膜。生物材料上使用的薄膜通常被称为是生物医学膜，还有装饰膜和包装膜等。薄膜技术的发展主要包括薄膜材料开发、薄膜沉积工艺、薄膜材料结构与性能研究、薄膜应用技术等。薄膜技术发展的主要特点是：器件的微型化使薄膜的尺度不断减少。宏观状态的物质有三维空间，当物质在某个方向的度量尺寸是微观尺度，而其宏观而其它方向是宏观尺寸时，则会呈现二维性，其性能也会发生重大变化，这涉及物理和材料两个学科领域，可见，一维材料膜和二维材料膜构成了低维材料家族。功能陶瓷包括铁电、压电、介电、热释电、半导、导电、超导和磁性等功能各异的陶瓷材料，是电子信息、集成电路、移动通讯、计算机、自动控制、精密仪器、航空航天、汽车和能源等高技术领域的重要基础材料。信息功能陶瓷是新型无机非金属材料，用于表面组装技术，压电驱动器、超声马达，复相与复相功能陶瓷，软化学与功能陶瓷薄膜，半导体陶瓷与传感器，电子封装陶瓷基片等领域。水泥材料主要研究水泥熟料矿物的结构与特征，水泥生产过程的技术进步、水泥的水化与硬化、水泥硬化体的与工程性质等，水泥浆与集料的界面结构和混凝土的耐久性，以及低钙复合水泥的技术开发路线等。

参考文献：

[1]Fine,M,E.(1990) The First Thirty Years in Tech. The Farly Years: a History of the Technological Institute at North Weatern University form 1939 to 1969(privately published by North Weatern University) P.121.

[2]国外优秀科技著作出版基金专项基金.走进材料科学[M].科学出版社,2001.

[3]潘金生,仝建民,田民波.材料科学基础[M].清华大学出版社,2001.

[4]国外优秀科技著作出版基金专项基金会.材料科学与工程国际前沿[M].山东科技出版社,2002.

作者简介：杜康，现就读于山东大学材料科学与工程学院2011级卓越人才班。