新材料技术及其发展方向

新材料技术及其发展方向

摘要：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。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。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。

关键词：纳米材料、超导材料、高分子材料、新材料、前景、性能、应用一、纳米材料

纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位。

就现在来看，一般认为纳米材料包括了两个基本条件：一是材料的特征尺寸在

1-100nm之间，二是材料在此时的物理化学性质发生了明显的改变。

纳米材料的技术特性

（1）表面与界面效应

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。

（2）小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时

就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感组件、红外隐身技术等等。

（3）量子尺寸效应

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。

（4）宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

纳米材料具有高强度、高扩散性、高可塑性、低密度、高电阻、高比热、低热导率等特殊性能，所以，纳米材料在多个领域都有广泛应用。如纳米陶瓷材料，传统陶瓷材质脆，烧结温度高，而应用纳米材料烧制后，就可以在常温和次高温下将陶瓷烧制而出，然后做表面退火处理，就能做出化学稳定性好，而内部仍具有纳米材料高延展性的新型陶瓷。还有纳米传感器，检查的灵敏度比一般的传感器高了很多。纳米半导体材料，它的一些特性在大规模集成电路器件以及光电器件等领域发挥了重要作用。甚至可以制作出效率高的、能在阴天工作的太阳能电池，还能用新型的材料利用太阳能催化分解一些有机物和无机物。另一方面，纳米材料不仅仅能利用于工业等领域，还能在生物医学领域大放异彩，在人体内，，纳米粒子的体积比人红细胞还要小，能在血液中自由流动，如果将这些纳米粒子制作成有医疗作用的药物，或者对人体进行全方位的疾病检查，就能很轻松的将疾病祛除，其效果比传统的打针吃药要好得多。

二、高分子材料

高分子材料是有机化合物, 有机化合物是碳元素的化合物．除碳原子外, 其他元素主要是氢、氧、氮等．碳原子与碳原子之间, 碳原子与其他元素的原子之间, 能形成稳定的结构．碳原子是四价, 每个一价的价键可以和一个氢原子键连接, 所

以可形成为数众多的、具有不同结构的有机化合物．有机化合物的总数已接近千万种, 远远超过其他元素的化合物的总和, 而且新的有机化合物还不断地被合

成出來．這样, 由於不同的特殊结构的形成, 使有机化合物具有很独特的功能．高分子中可以把某些有机物结构（又称为功能团）替换, 以改变高分子的特性．高分子具有巨大的分子量, 达到至少１万以上, 或几百万至千万以上, 所以, 人們將其称为高分子、大分子或高聚物．高分子材料包括三大合成材料, 即塑料、合成纤维和合成橡胶（未加工之前称为树脂）。

现有的高分子材料已具有很高的强度和韧性, 足以和金属材料相媲美, 我們日

用的家用器械、家具、洗衣机、冰箱、电视机、交通工具、住宅等, 大部分的金属构造已被高分子材料所代替．工业、农业、交通以及高科技的发展, 要求高分子材料具有更高的强度、硬度、韧性、耐温、耐磨、耐油、耐折等特性, 這些都是高分子材料要解决的重大问题．

高分子功能材料, 在高分子王国里是一片百花争艳的盛景．由於高分子的功能团能够替代, 所以只要采用极为简便的方法, 就可以制造各种各样的高分子功能

材料．常用的吸水性材料, 如棉花、海绵, 其吸水能力只有本身重量的２０倍, 在挤压时, 已吸收的大部分水將被挤出來。而用淀粉和丙烯腈制成的高分子吸水材料, 它不仅能吸收自身重量数百倍到上千倍的水, 而且受到挤压也不会挤出

水來。在信息工程方面, 已经生产了光电导摄影材料、光信息记录材料、光——能转换材料, 并都已进入实用阶段。高分子功能材料的另一极为重要的发展就是用於催促化学反应, 這类高分子功能材料被称为高分子催化剂。高分子金属络合物催化剂能够在化学反应中加速捕捉金属离子, 实现金属化合物的迅速分离,

在工业生产和工业分析上是一种十分重要的方法。还有高分子金属催化剂, 是促进化合物中金属离子迅速完成化学反应的材料, 它已获得了成功的应用。

高分子材料生物化的最大特色就是控制人的健康和生命, 利用不带药剂性的高

分子与其他药剂合成的高分子药剂, 可大大改善治疗效果, 這一类药剂人体易

於吸收, 毒性和副作用小．如引起恶心、全身不适等不良反应的抗癌药, 把它們高分子化, 其效果就大大改善, 像抗癌药芳庚酚酮和甲基丙烯酸结合为高分子, 其效果更佳。

三、超导材料