漫谈当前新材料研究热点领域
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书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•●生物医用材料
• 作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速 发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计 20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个 支柱产业。研究发展十分活跃： • 生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向； • 生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向； • 医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料 • 功能性生物复合材料， • 带有治疗功能的生物复合材料。
漫谈当前新材料研究热 点领域
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
2020年4月9日星期四
●新型半导体材料与大规模三维集成电路
•★元素半导体和化合物半导体：Si， Ge，金刚石, III－V、II－VI族 • 合物单晶硅Si材料，直径，1970年50mm；1985年150mm； 2 • 年225mm集成电路集成度：1987年 > 100万晶体管/平方厘米,2 • 年>1000万(1024K)IBM预测, 2007年, 设计线宽将达到0.01 微米 • 片上可集成10亿晶体管 •★ GaAs为第二代半导体, 可在300-500℃ 使用, 运算频率可达200 • Mhz而 Si 仅可工作在250℃以下,频率仅为300 MHz •★ GaN为第三代化合物半导体 ,工作放热有可能使电路失效,
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理
•CH4 •H2O
•内重整
•CO2 •CO
•H2
•阳极
•氧离子固体电解质
•阴极
•H2O
•电子
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•O2
固体氧化物燃料电池的结构（1）
•Ni-YSZ阳极
•燃 料 气
•YSZ电解质膜 •空气
•Ni接触杆 •阴极LSM •多孔支撑管
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
●固体氧化物燃料电池材料
• 固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜 料电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放 50% 产生NOx，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但目前研 的固体氧化物燃料电池的工作温度达800～900℃，其关键部件的 料制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关 技术主要有：
•a）高性能电极材料及其制备技术； •b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术； •c）电池结构优化设计及其制备技术； •d）电池的结构、性能与表征的研究。 • 固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固 电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机 子交换膜等，都是目前研究的热点。
学海无涯苦作舟
•●超导材料
• 以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体 成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；但是， 由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使 用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。 • 高温氧化物超导体，把超导应用温度从液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K） 温区。能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不 足之处。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，一些材料科学研究领域 新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场 子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科 的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应 等方面取得了重要进展。
发展高热导的II型金刚石是个方向 •★ CVD法金刚石薄膜和AlN薄膜,将有效的提高了集成度 •★ 三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发 •★ 铁电-Si微集成系统, 具有良好系统功能, 成为当前的研制热点
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
●信息传输光纤材料
• 多模光纤、新Baidu Nhomakorabea色散补偿光纤与色散 管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光 纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤 ；特别是光纤预制棒制造技术是光纤制 造技术的核心，也一直是我国光纤产业 发展的最薄弱环节
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•●新型能源材料
• 目前地球上的主要能源－化石燃料（煤、石油、天然气等）存在的主要问题 •♣ 利用效率低 •♣ 应用技术落后，对环境造成污染（烟尘、有害气体等） •♣ 未开采的储量已经不多，终将消耗
• 因而，开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题， 涉 种类繁多的新材料：
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•● 生态环境材料
• 定义：指对能源和资源消耗最少，对生态环境影响最小
，再生循环利用率最高，使用性能优异的新型材料。特点：
性能先进性；环境协调性；应用舒适性。
•
生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研
究中形成的一个新领域，主要研究方向是：
直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•管状SOFC电池结构示意图
固体氧化物燃料电池的结构（2）
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•自支撑型平板式SOFC
●太阳能利用技术
•♣ 单晶硅，多晶硅，非晶硅太阳电池材料； II－VI族化合 半导体太阳电池材料：ZnSe， CdTe。。。要求：研制出 电转换效率大于 18%的低成本、大面积、可商业化的硅基 阳能电池及其组件。 • IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40% •♣ 太阳能的综合利用 (光电、热电、热交换)及其与风力 电的耦合技术；建立总体利用效率达15%的追尾聚集光式 阳能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合 用与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供 。 书山有路勤为径，
•★核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料……） •★储氢材料（SmCo5，NbTi合金……） •★燃料电池材料（电解质、阴极、阳极、连接材料、密封材料……) •★风力发电设备材料（高强度轻质复合材料……） •★太阳电池材料（Si，a－Si， CdSe， GaAs……） •★超导输电线材料 •★镍氢电池、锂离子电池相关材料 •★……
•●生物医用材料
• 作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速 发展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计 20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个 支柱产业。研究发展十分活跃： • 生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向； • 生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向； • 医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料 • 功能性生物复合材料， • 带有治疗功能的生物复合材料。
漫谈当前新材料研究热 点领域
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
2020年4月9日星期四
●新型半导体材料与大规模三维集成电路
•★元素半导体和化合物半导体：Si， Ge，金刚石, III－V、II－VI族 • 合物单晶硅Si材料，直径，1970年50mm；1985年150mm； 2 • 年225mm集成电路集成度：1987年 > 100万晶体管/平方厘米,2 • 年>1000万(1024K)IBM预测, 2007年, 设计线宽将达到0.01 微米 • 片上可集成10亿晶体管 •★ GaAs为第二代半导体, 可在300-500℃ 使用, 运算频率可达200 • Mhz而 Si 仅可工作在250℃以下,频率仅为300 MHz •★ GaN为第三代化合物半导体 ,工作放热有可能使电路失效,
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理
•CH4 •H2O
•内重整
•CO2 •CO
•H2
•阳极
•氧离子固体电解质
•阴极
•H2O
•电子
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•O2
固体氧化物燃料电池的结构（1）
•Ni-YSZ阳极
•燃 料 气
•YSZ电解质膜 •空气
•Ni接触杆 •阴极LSM •多孔支撑管
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
●固体氧化物燃料电池材料
• 固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜 料电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放 50% 产生NOx，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但目前研 的固体氧化物燃料电池的工作温度达800～900℃，其关键部件的 料制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关 技术主要有：
•a）高性能电极材料及其制备技术； •b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术； •c）电池结构优化设计及其制备技术； •d）电池的结构、性能与表征的研究。 • 固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固 电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机 子交换膜等，都是目前研究的热点。
学海无涯苦作舟
•●超导材料
• 以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体 成像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；但是， 由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使 用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。 • 高温氧化物超导体，把超导应用温度从液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K） 温区。能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不 足之处。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，一些材料科学研究领域 新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场 子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科 的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应 等方面取得了重要进展。
发展高热导的II型金刚石是个方向 •★ CVD法金刚石薄膜和AlN薄膜,将有效的提高了集成度 •★ 三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发 •★ 铁电-Si微集成系统, 具有良好系统功能, 成为当前的研制热点
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
●信息传输光纤材料
• 多模光纤、新Baidu Nhomakorabea色散补偿光纤与色散 管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光 纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤 ；特别是光纤预制棒制造技术是光纤制 造技术的核心，也一直是我国光纤产业 发展的最薄弱环节
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•●新型能源材料
• 目前地球上的主要能源－化石燃料（煤、石油、天然气等）存在的主要问题 •♣ 利用效率低 •♣ 应用技术落后，对环境造成污染（烟尘、有害气体等） •♣ 未开采的储量已经不多，终将消耗
• 因而，开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题， 涉 种类繁多的新材料：
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•● 生态环境材料
• 定义：指对能源和资源消耗最少，对生态环境影响最小
，再生循环利用率最高，使用性能优异的新型材料。特点：
性能先进性；环境协调性；应用舒适性。
•
生态环境材料是20世纪90年代在国际高技术新材料研
究中形成的一个新领域，主要研究方向是：
直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•管状SOFC电池结构示意图
固体氧化物燃料电池的结构（2）
书山有路勤为径， 学海无涯苦作舟
•自支撑型平板式SOFC
●太阳能利用技术
•♣ 单晶硅，多晶硅，非晶硅太阳电池材料； II－VI族化合 半导体太阳电池材料：ZnSe， CdTe。。。要求：研制出 电转换效率大于 18%的低成本、大面积、可商业化的硅基 阳能电池及其组件。 • IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40% •♣ 太阳能的综合利用 (光电、热电、热交换)及其与风力 电的耦合技术；建立总体利用效率达15%的追尾聚集光式 阳能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合 用与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供 。 书山有路勤为径，
•★核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料……） •★储氢材料（SmCo5，NbTi合金……） •★燃料电池材料（电解质、阴极、阳极、连接材料、密封材料……) •★风力发电设备材料（高强度轻质复合材料……） •★太阳电池材料（Si，a－Si， CdSe， GaAs……） •★超导输电线材料 •★镍氢电池、锂离子电池相关材料 •★……