信息时代的信息功能材料仍是最活跃的领域(1)

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表6－永磁体价格 / 性能比（1995）
材料 比重 ( t / m3) 性能（kJ/m3） 价格（USD/t）104 价性比（USD/J）
NdFeB* 7.4 295 17 4.3
SmCo 8.4 191 28 12.3
AlNiCo 7.3
56 5.2 68
铁氧体 5.1
25.9 0.55 1.08
（1m3 H2＝5度电） 化工原料
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风能及风力发电
W＝1/2 PV3（V风速） 太阳能到地面有2％变风能
全球 1.3万亿KW 中国 32亿KW
潮汐、海水温差、地热能
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（2）核能
目前核电站基于铀裂变（热中子反应维） 燃料U235，铀矿中占0.71％，U238为99.28％。 快中子增殖维： U238 ，效率60－79％
液晶显示(LCD)材料(1968年发明)为21世纪上半叶主要显示材料
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(6)光纤与光缆材料(网络)(表4)
一条光纤带宽所容纳信息量相当于全世界无线电带宽的 1000倍. (25 T bps vs 25 G bps )
表4 光纤发展阶段及所需材料
发展阶段 波长 (m) 第一阶段 0.85
模数 多模
太阳能的利用：辐射于地球能量一万倍于人类所消 耗的能源（61017kwh）
密度低 1kwh/m2 气候影响大
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两种利用形式
直接辐射能
热水器 热水发电
光伏电能
民用： 高效、长寿、价廉，需要储电系统。 -Si (12.7%) (理论24%) 多晶 17.7 %
单晶Si 23.1% GaAs 28.7％
多模只适于小容量近距离（40Km,100M bps) 单模可传输调制后的信号≥40Gbps 到200Km， 而不需放大。
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（7）记录材料
21世纪将是以信息存储为核心的计算机时代，在军事 方面，如何快速准确地获取记录、存储、交换与发送信 息是制胜的关键。
磁记录在21世纪初仍有很强的生命力，通过垂直磁记 录技术和纳米单磁畴技术，再加先进磁头（如巨磁电阻） （GMR）的采用，有可能使每平方英寸的密度达100GB， 所用介质为氧化物磁粉（γ-Fe2O3及加 Co γ -Fe2O3、CrO2)，金属磁粉或钡铁氧体粉。
液铀冷却 （强腐蚀），泄漏 污染 （副产物 P239,半衰期2.4万年）
法国超凤凰堆（1986－1995）
最近提出加速器驱动的核电站 （嬗变）可解决污染问题
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可控热核聚变反应堆－永久能源 D2＋D2 T3 + P + 4.04 Mev
D2＋T3 He4 + n + 17.5 Mev
一吨海水所含D2相当300吨汽油
1999
工艺水平（ m)
0.18
DRAM
256 M
硅片直径 (mm)
200
表面关键杂质 (At / cm 2) (10 9) 局部平坦度（nm)
光散射缺陷(个/ cm2)
13 180 0.29
2002 0.13 1G 300 7.5 130 0.14
2005 0.10 4G 300 5 100 0.06
衰耗 (dB/km)
1.5
中继距离 (Km) 10
第二阶段 1.30
单模
0.8
60
第三阶段 1.55
单模
0.16
-4
500
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光纤材料:
石英玻璃： SiO2、SiO2-GeO2、 SiO2-B2O3-F 多组分玻璃：SiO2-GaO-Na2O、 SiO2-B2O3–Na2O 红外玻璃： 重金属氧化物、卤化物 掺稀土元素玻璃： Er、Nd、…
磁光记录：与磁记录不同之处在于记录传感元件是光头 而不是磁头。磁光盘的介质主要是稀土-过渡族金属，如 TbFeCo、GdTbFe、NdFeCo，最新的是Pb/Co多层调制膜或 Bi石榴石薄膜。磁光盘的特点在于可重写，可交换介质。
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（8）敏感材料
计算机的控制灵敏度与精确度有赖于敏感 材料的灵敏度与稳定性。
2008 0.07 16 G 450 2.5 100 0.03
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(2)第二代半导体材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物
GaAs 电子迁移率是Si的6倍（高速），禁带宽 （高温）广泛用于高速、高频、大功率、低噪音、 耐高温、抗辐射器件。
GaAs用于集成电路其处理容量大100倍，能力 强10倍，抗辐射能力强2个量级，是携带电话的 主要材料。InP 的性能比 GaAs 性能更优越，用于 光纤通讯、微波、毫米波器件。
表7－几种金属间化物贮氢材料
相对含氢密度
液氢（-235 ? ） Mg2 Ni H4
1
1.33
相对含氢量（%）
100
3.8
La Ni5 H6 1.48 1.4
Ti Fe H1.9 1.35 1.8
纳米碳管是最近发现的贮氢材料，正在研究开发中。
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表8为几种典型电池反应机理与特性，当前 最有发展前景的是Ni－MH电池，但从比能量密度， 锂电池最好，而价格是前者3.5倍，其中塑料锂 电池具有重量轻，形状可任意改变，安全性更好 的特点，可能是21世纪开发的重点。
敏感材料种类繁多，涉及半导体材料、功 能陶瓷、高分子、生物酶与核酸链（DNA） 等。限于篇幅不一一列举。
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（二）能源功能材料将取得 突破性进展
化石能源日益枯竭（甲烷水化物） 环境要求越来越高 由于人口增长，生活水平提高，能源需求量大幅度
增加。 开源节流
（1）可再生能源的开发（水电不存在材料问题）
（1） 激光材料（20世纪60年代初）
激光：高亮度、单色、高方向性 红宝石（Cr+++:Al2O3 ） 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG)
（2） 非线性光学晶体（变频晶体）
KDP（磷酸二氢钾）、KTP（磷酸钛氢钾） LN（铌酸锂）、BBO（偏硼酸铝）、 LBO（三硼酸锂）…
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（3）红外探测材料（军用为主）
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但不同档次的硅芯片在21世纪仍大量 存在，并将有所发展。
* 在绝缘衬底上的硅（SOI，SiOn Insulator) :功能低、低 漏电、集成度高、高速度、工艺简单等。SOI器件用于 便携式通信系统，既耐高温又抗辐照。
* 集成系统（IS，Integrated System)：在单个芯片上完成 整系统的功能，集处理器、存储器直到器件设计于一个 芯片 (System on a Chip)。
寿命延长(器官更换，生物工程) 生活水平提高(加速资源消耗) 交往频繁(信息网络、交通运输)
(6) 人的质量是社会进步的决定性因素（教育将受到重大重视， 创新环境十分重要）
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(一)信息时代的信息功能材料仍是 最活跃的领域
信息功能材料 是指信息获取、传输、转换、 存储、 显
示或控制所需材料。 半导体材料 (1) 以硅为基础的微电子技术仍将占十分重要位置。芯片特 征尺寸以每三年缩小 计, 到2010年可能到极限(0.07μm)（量 子效应、磁场及热效应、制作困难、投资大）。
* NdFeB最大磁能积512KJ/m3（理论值）
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（5）贮能材料（贮氢与高能电池） 电网调峰与环保的需要，信息电子工业所必须， 与太阳能配套。 太阳能发电 电解水－氢－贮氢 电－蓄电池 也是机械能动力源
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贮氢材料：金属间化物贮氢基本成熟（表7），但用于 汽车燃料存在比重大，易中毒和价格问题。
HgCdTe、 InSb、 CdZnTe、 CdTe
（4）半导体光电子材料，见表2
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表2 主要化合物半导体及其用途
领域
材料
器件
微电子 GaAs、InP
超高速 IC
GaAs
FET
光电子 GaAs InP Sb InAs
LD
GaAs
红外 LED
GaP、GaAs、GaAsP、 GaAlAs、InGaAlP
NdFeB 则单位体积的性能比铁氧体高出10倍而得 到更快的发展，目前世界产量近万吨，中国占了 一半左右，但性能有待进一步提高。
下一代永磁发展目标是纳米技术的应用与新材料 的探索，如：SmFeN等。
过 去 每 10 年 提 高 40kJ/m3 ， 2010 年 达 可 到 600 － 800kJ/m3，
铁损（W/kg）
0.31
0.15
1.00
这些都属软磁材料，用于变压器，电动机在仪 表工业中用量更大的是软磁铁氧体，虽然已很成 熟但向高磁感强度（Bs），高磁导率（）低损耗 方向发展，仍有广阔发展前景。
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硬磁材料发展很快，20世纪40年代AlNiCo， 50 年 代 铁 氧 体 ， 65 年 ReCO5,72 年 R2CO17 ， 83 年 NdFeB,磁能积提高了几十倍，从性能价格比来看， （表6）铁氧体永磁远比其它磁性材料更具有竞 争能力；
30％大气反射 23％大气吸收
空间太阳能电站，微波传到地面, 一个10 万千瓦电站寿命10年
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系统 空间太阳能 地面太阳能
占地 Km2 投资＄/kw 成本＄/kwh
4
3.770
8．6
26
20.000
45．0
美国2010年电价2.2＄/kwh
我国西北日照时间长，沙漠干旱设地面
太阳能电站： 入网 燃料电池 电解水－H2 储氢
探索高温超导，及高温超导机理问题 趋导失超后的安全问题
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(4) 磁 性 材 料
硅钢片是最重量要的软磁材料（全世界 650万吨）
铁基非晶态合金有明显优越性（表5）
特别用于：电焊机，节能，体积小（1/10） 作为结构材料：耐磨（作磁头），
耐蚀（代不锈钢） 冷轧硅钢片。
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材料
Fe 81B13.5Si3.5C2 Fe80B15.9Si2.4Co0.9 Fe-3.2Si