新材料概论课程论文

新材料概论课程论文

摘要

新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，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。

一、概论

新材料（或称先进材料）是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料的性能更为优异的一类材料。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、无机非多属材料（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；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现在的每秒百亿次以上；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。

新材料技术被称为“发明之母”和“产业粮食”。

二、新材料的应用

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，目前，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

三、新材料技术发展的方向

新材料技术的发展不仅促进了信息技术和生物技术的革命，而且对制造业、物资供应以及个人生活方式产生重大的影响。记者日前采访了中国科学院“高科技发展报告”课题组的有关专家，请他们介绍了当前世界上新材料技术的研究进展情况及发展趋势。材料技术的进步使得“芯片上的实验室”成为可能，大大促进了现代生物技术的发展。新材料技术的发展赋予材料科学新的内涵和广阔的发展空间。目前，新材料技术正朝着研制生产更小、更智能、多功能、环保型以及可定制的产品、元件等方向发展纳米材料20世纪90年代，全球逐步掀起了纳米材料研究热潮。由于纳米技术从根本上改变了材料和器件的制造方法，使得纳米材料在磁、光、电敏感性方面呈现出常规材料不具备的许多特性，在许多领域有着广阔的应用前景。专家预测，纳米材料的研究开发将是一次技术革命，进而将引起21世纪又一次产业革命。日本三井物产公司曾在去年末宣布该公司将批量生产碳纳米管，从2002年4月开始建立年产量120吨的生产设备，9月份投入试生产，这是世界上首次批量生产低价纳米产品。美国ibm公司的科研人员，在2001年4月，用碳纳米管制造出了第一批晶体管，这一利用电子的波性，而不是常规导线实现传递住处的技术突破，有可能导致更快更小的产品出现，并可能使现有的硅芯片技术逐渐被淘汰。在碳纳米管研究方兴未艾的同时，纳米事业的新秀－－“纳米带”又问世了。在美国佐治亚理工学院工作的三位中国科学家2001年初利用高温气体固相法，在世界上首次合成了半导体化物纳米带状结构。这是继发现多壁碳纳米管和合成单壁纳米管以来，一维纳米材料合成领域的又一大突破。这种纳米带的横截面是一个窄矩形结构，带宽为30～300mm，厚度为5～10nm，而长度可达几毫米，是迄今为止合成的惟一具有结构可控且无缺陷的宽带半导体准一维带状结构。

目前已经成功合成了氧化锡、氧化铟、氧化隔等材料纳米带。由于半导体氧化物纳米带克服了碳纳米管的不稳定性和内部缺陷问题，具有比碳纳米管更独特和优越的结构及物理性能，因而能够更早地投入工业生产和商业开发。

超导材料超导材料在电动机、变压器和磁悬浮列车等领域有着巨大的市场，如用超导材料制造电机可增大极限输出量20倍，减轻重量90%。超导材料的研制，关键在于提高材料的临界温度，若此问题得到解决，则会使许多领域产生重大变化。去年，科学家在超导材料上有不少新收获，相继发现了临界温度更训的新型超导材料，使人类朝着开发室温超导材料迈出了一大步。在日本，有人发现二硼化镁可在－234℃成为超导体，这是迄今为止发现临界温度最高的金属化合物超导体。由于二硼化镁的发现，使世界凝聚态物理学界为之振奋。由于二硼化镁超导体易合成、易加工，很容易制成薄膜或线材，因而应用前景看好。

美国科学家在研制更具实用性超导材料方面取得了明显的进展，并开始进入实用阶段。美国底物律的福瑞斯比电站在地下铺设了360多米的超导电缆，电缆中123kg

重的导线是由含铋、锶、钙、铜的氧化物超导瓷制造的。这是世界上首次实用的超导输电线路。我国在高温超导产业化技术上也获得了重大突破，目前已有高温超导线材生产线投产。据估计，到2010年超导产品可有1000亿美元的市场。但应当指出的是，除超导材料以外，还有许多配套技术需要解决，同时还要继续研究开发高温超导体，如室温超导材料。

高性能结构材料高性能结构材料具有高温强度好、耐磨损、抗腐蚀等优点。高温结构陶瓷材料目前正在研制的有碳化硅、氧化硅、氮化硅、硼化物、增韧氧化锆陶瓷和纤维增强无机合成材料等。如在内燃机中用陶瓷代替金属可减少燃料消耗30%，提高热效率50%。高性能复合材料可以根据要求进行设计，能够使材料扬避短，当前的研究重点有：纤维增强塑料、碳/碳复合材料、陶瓷基复合材料和金属基复合材料。高分子功能材料是近年来发展最快的有机合成材料，每年的递增速度达到14%。此外，美国科学家还发现了一种可和玻璃结合的化合物，这种硅烷化合物能够粘在磷酸盐玻璃表面，形成一个单一分子层和多分子层，从而可以保护玻璃表面，将腐蚀减少到最小程度，这一发现对提高玻璃的抗腐蚀性有重要意义。

随着科学技术的进步，开拓了新材料的范围，推动了新材料向更高、更新方向发展。化学工业生产了大量的化工新材料，为新材料的发展提供技术支持。同时，新材料的发展同样可以推动化学工业的科技进步、产业结构的变化。高性能结构材料的开

发、应用，使一些化工机械、设备的大型化、高效化、高参数化、多功能化有了物质基础，可以满足化工生产高技术的要求，使一些化工工艺的实现成为可能。纳米材料在化学工业可广泛应用，是应用于多种化学传感器的最有前途的材料。展望21世纪，新材料技术的飞速发展，必将为我们的生活带来更美好的明天。

四、新材料技术领域研究动向

当前，美国、欧洲、日本等发达国家和地区十分重视新材料技术的发展，都把发展新材料作为科技发展战略的重要组成部分，在制定国家科技与产业发展计划时，将新材料技术列为21世纪优先发展的关键技术之一，予以重点发展，以保持其经济和科技的领先地位。中国的新材料科技及产业的发展，在政府的大力关心和支持下，也取得了重大的进展和成绩，为国民经济和社会发展提供了强有力的支撑。

为研究我国新材料领域的发展现状和态势，本报告以中国期刊网数据库作为统计分析源，从文献计量学的角度进行分析研究，讨论了新材料包括超导材料、金属材料、非金属材料、高分子材料和复合材料的理论研究、制备工艺、产品应用、技术装备等方面的内容。

五、结论

1、新材料领域总体发展速度较快，势头强劲

材料是当前世界新技术革命的三大支柱(材料、信息、能源)之一，与信息技术、生物技术一起构成了21世纪世界最重要和最具发展潜力的三大领域之一。对材料的认识与利用能力，往往决定着社会的形态和人类生活的质量。人类的历史已经证明，材料是人类社会发展的物质基础和先导，而新材料则是人类社会进步的里程碑。新材料在发展高新技术、改造和提升传统产业、增强综合国力和国防实力方面起着重要的作用，而且在自然科学和工程技术领域中发展也越来越快，地位日趋重要。根据对同时段论文发表数量统计，6年间国内新材料领域论文发表数量的年平均增长率为9.15%，大于自然科学和工程技术领域8.34%的论文发表增长率；新材料领域发表论文占自然科学与工程技术领域发表论文的比重也保持上升的势头，6年间增长了0.13个百分点。

新材料领域的发展变化，得益于技术创新和成果转化速度加快。前沿技术的突破使得新兴材料产业不断涌现，同时新材料与信息、能源、医疗卫生、交通、建筑等产

业结合越来越紧密，材料科学工程与其他学科交叉领域和规模都在不断扩大，而且世界各国政府高度重视新材料产业的发展，制定了推动新材料产业和科技发展的相关计划，在资金上给予大力扶持，从而推动了本领域的技术创新能力的提高和发展，取得了一系列可喜的研究成果，保证了新材料领域发展的欣欣向荣局面。

2、高分子材料、复合材料发展迅速

2.1 高分子材料新的应用领域推动了自身的成长

天然高分子是生命起源和进化的基础。人类社会一开始就利用天然高分子材料作为生活资料和生产资料，并掌握了其加工技术。如利用蚕丝、棉、毛织成织物，用木材、棉、麻造纸等。19世纪30年代末期，进入天然高分子化学改性阶段，出现半合成高分子材料。1870年，美国人Hyatt用硝化纤维素和樟脑制得的赛璐珞塑料，是有划时代意义的一种人造高分子材料。1907年出现合成高分子酚醛树脂，真正标志着人类应用化学合成方法有目的的合成高分子材料的开始。1953年，德国科学家Zieglar和意大利科学家Natta，发明了配位聚合催化剂，大幅度地扩大了合成高分子材料的原料来源，得到了一大批新的合成高分子材料，使聚乙烯和聚丙烯这类通用合成高分子材料走人了千家万户，确立了合成高分子材料作为当代人类社会文明发展阶段的标志。现代，高分子材料已与金属材料、无机非金属材料相同，成为科学技术、经济建设中的重要材料。

高分子功能材料是近年来发展最快的有机合成材料，尤其在生物医用材料、药物控制释放体系、骨科固定、组织工程和手术缝合线等方面不断扩展其新的应用领域，全世界仅高分子材料在医学上的应用就有90多个品种、1800余种制品，西方国家在医学上消耗的高分子材料每年以10-20%的速度增长。我国的高分子材料发展也十分迅速，高分子材料研发活跃，发展相当迅猛，已成为医学和生物技术中不可缺少的组成部分，也是新材料领域发展最快的专业。

2.2 复合功能材料拓展了新的发展空间

由于多种材料多学科的交叉、融合,使材料的复合化成为发展新材料的一种重要手段。利用多种基体与增强体的复合、多种层次的复合以及利用非线性复合效应可以创造出全新性能的材料。近年来先进复合材料及新工艺发展很快，目前复合材料的发展以树脂基复合材料为主，特别是热固性材料，它的技术最成熟，应用最广。金属基复合材料大部分处于研究开发阶段，它特别适用于建造空间结构体。陶瓷基复合材料是改进陶瓷的可靠性的重要途径，从而使陶瓷材料优异的高温性能得以应用。此外碳/碳

复合材料在军事技术上有很大实用价值，并已有一定的应用，其发展趋势较快。从研究分析中可以看出，陶瓷基复合材料、聚合物基复合材料发展较快，这与其新工艺、新物质及新配方的不断涌现密切相关，碳基复合材料也正从军用转向民用，使其发展呈快速增长的态势。

参考文献

[1]郑子樵. 新材料概论. 长沙：中南大学出版社，2009

[2]吴人洁. 复合材料. 天津：天津大学出版社，2000

[3]沈新元. 先进高分子材料. 2006