新材料前沿技术跟踪研究

江苏省

科学技术情报研究所

新材料前沿技术跟踪研究

江苏省科学技术情报研究所

2012年12月

江苏省科学技术情报研究所

新材料是指新出现或正在发展中的、具有传统材料所不具有的优异性能的材料。它主要包括电子信息、光电、超导材料；生物功能材料；能源材料和生态环境材料；高性能陶瓷材料及新型工程塑料；粉体、纳米、微孔材料和高纯金属及高纯材料；表面技术与涂层和薄膜材料；复合材料；智能材料；新结构功能助剂材料、优异性能的新型结构材料等。新材料产业包括新材料及其相关产品和技术装备。

与传统材料相比，新材料产业技术高度密集、更新换代快、研究与开发投入高、保密性强、产品的附加值高、生产与市场具有强烈的国际性、产品的质量与特定性能在市场中具有决定作用。新材料的应用范围非常广泛，发展前景十分广阔，其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志。

综观全世界，新材料产业已经渗透到国民经济、国防建设和社会生活的各个领域，支撑着一大批高新技术产业的发展，对国民经济的发展具有举足轻重的作用，成为各个国家抢占未来经济发展制高点的重要领域。主要发达国家都十分重视新材料产业投入和发展。在我国新材料产业发展过程中，国家给予了大力支持，极大地促进了新材料产业发展。

未来新材料技术将向材料的结构功能复合化、功能材料智能化、材料与器件集成化、制备和使用过程绿色化发展。突破现代材料设计、评价、表征与先进制备加工技术，在纳米科学研究的基础上发展纳米材料与器件，开发超导材料、智能材料、能源材料等特种功能材料，开发超级结构材料、新一代光电信息材料等新材料。本报告将就其中的碳纳米管材料、功能薄膜材料、复合材料等前沿技术给予重点介绍

一、碳纳米管

1、技术综述

1991年，日本NEC 公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是碳纳米管（Carbon nanotube ）。

碳纳米管又称巴基管（Carbon Nanotube ），是一种具有特殊结构（径向尺寸为2—20nm 量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料，主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。碳纳米管按石墨烯片层数可分为单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes ，SWNTs ）和多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes ，MWNTs ）。多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成，其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有更高的均匀一致性。

由于碳纳米管具有独特的金属和半导体导电性、极高的机械强度、贮氢能力、吸附能力、较强的微波吸收能力，因而被认为是纳米材料中的“乌金”，如：其独特的结构是理想的一维模型材料;巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线、纳米半导体材料、催化剂载体、分子吸收剂和近场发射材料等。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断地展现出来。步入21世纪，伴随碳纳米管产业化制备技术的成熟，在复合材料、电子、场发射组件、能源／资源、量测／仪器、生物医药及平台等七个重点领域广泛的应用，已引起各国的高度关注。

江苏省科学技术情报研究所 2、国际现状 目前，美国、日本等发达国家的碳纳米管厂商，在碳纳米管的批量化制备技术及相关设备方面一直处于全球领先水平。而拥有碳纳米管批量制备技术的仅有Baytubes （拜尔）、Showa （昭和）、Arkema （阿科玛）、Thomas Swan 、Nanocyl 等几家。 2009年，美国拜耳科技公司碳纳米管量产规模已超200吨/ 年，3000吨/ 年的生产线处于在建之中。日本“昭和、电工”两厂商依靠自主设备，开发的面向树脂复合材料的多层碳纳米管产品“VGCF-X ”，年度量产规模已达400吨/ 年。 对碳纳米管更深入的研究也发掘了其更大的商业价值。美国Nanocomp 科技公司（Nanocomp Technologies)正在研究用长纳米管纤维纺成轻质、导电的线或者布片长以取代飞机上的铜线。一架飞机上的铜线长达60英里，如果使用轻得多的碳纳米管来替代它们，可以大幅减轻重景，减少燃油消耗。 2011年8月，美国凯斯西储大学高分子科学和工程系博士后玛希尔-洛斯与其合作者制造出碳纳米管增强聚氨酯风电叶片。机械性能测试表明，这种碳纳米管增强聚氨酯材料优于目前在风电叶片制造中所采用的树脂材料，新材料每单位体积的重量要轻于碳纤维材料和铝，而在抗张强度上是碳纤维材料的5倍和铝的60倍。在抗疲劳测试中，新材料叶片的寿命比玻璃纤维增强环氧树脂材料长8倍。同时其断裂韧性也要优于玻璃纤维增强环氧树脂。 2012年年初，由IBM 、苏黎世理工学院和美国普渡大学的工程师构建出了首个10纳米以下的碳纳米管晶体管，而这种尺寸正是未来十年计算技术所需的。这种微型晶体管能有效控制电流，在极低的工作电压下，仍能保持出众的电流密度，甚至可超过同尺寸性能最好的硅晶体管的表现。