无机非金属材料发展的新趋势及其影响

无机非金属材料发展的新趋势及其影响

从近代高技术的发展来看，无机非金属材料所起的基础和先导作用卓然。上二十世纪下半叶兴起的高技术以其产业为例，化合物半导体材料促使光电子技术的很大发展，形成了半导体发光二极管和半导体激光器的新兴产业，特别是近十年宽禁带半导体材料，如GaN 材料的突破将推动全固态光源技术和产业的发展。由于七十年代石英玻璃光导纤维的损耗小于20dB/km，才使光纤通信技术能够实用化。近十年由于掺稀土离子的光纤放大器材料的突破，使多波复用长距离的光纤通信迅速发展。由于在La－Ba－Cu－O化合物中观察到30k以上的超导转变，开创了高温超导的新兴技术领域。碳富勒烯球和碳纳米管的诞生使纳米技术走向世纪的前沿。弛豫铁电和压电单晶和陶瓷的突破使高性能超声和水声换能器、压电驱动器等得到发展，在医用等高技术领域广泛应用。氧化物和超薄膜材料中巨磁电阻效应（GMR）和近十年隧道磁电阻效应的发现，使磁存储密度获得很大提高，磁记录产业得到迅速发展。人们研究并发展了晶须增韧、颗粒弥散强化、相变增韧等多种途径，使一些新型的氮化物（如Si3N4、

BN）、硼化物（如LaB6、ZrB2等）、碳化物（TiC、WC、SiC）等材料，其断裂韧性高达20MPa·m1/2以上，使陶瓷基复合材料进入实用化，推动了航空、航天和交通制造业。

21世纪无机非金属材料的发展具有低维化（在宏观和微观上）、复合化（材料的功能复合和组成复合）、智能化和环境友好等特征。宏观上的低维化是从体材料向薄膜材料和纤维材料的发展。现代信息功能器件（微电子、光电子和光子学器件）都是集成化的，因此主要应用薄膜材料。结构材料也用涂层和薄膜来改性：增强、增韧、耐磨。无机涂层包括各类热控涂层、耐高温防腐蚀涂层、抗氧化涂层、耐损涂层等，应用于航天器、核反应堆和远载工具上。特别在结构材料的功能化上，薄膜具有特殊的作用。因此无机非金属材料的薄膜制备、结构和性能、表面态以及发展新的薄膜材料的研究就十分重要。在功能器件中纤维也作为集成元件，如光通信中光信号的放大、调制、选模等功能都通过功能纤维来完成，形成集成纤维光路和光网。纤维作为结构复合材料的主体，纤维的表面结构和性能就尤为重要。

从微观上的低维化，即无机非金属材料的织构与结构上的尺寸从毫米、微米趋向纳米。上世纪末出现的光子学晶体，是以一维、二维和三维的以光波长为尺度（微米和亚微米）以介电常数空间周期变化的人工带隙新材料，将在本世纪内有很快的发展，特别是应用于光电子学和光子学材料和器件。纳米尺度上的超晶格薄膜、纳米线、纳米点材料的结构、性能的尺寸效应以及纳米材料的制备在上世纪末已作为公共关心的主题。纳米材料和器件由于其尺度上纳米量级，可表现出许多不同于块体结构的性质，对材料结构和性能关系的认识延伸到介观尺度。进入到21世纪将以纳米器件为中心来研究纳米材料的合成、组装与性能调控。进一步的低维化，涉及到基于原子和分子的纳米材料和技术，低维纳米材料及其复合的量子特性，量子限域体系设计和制造，研究量子点和量子线材料的电子和能带结构、杂质态和缺陷态等与结构与材料的物理性质关系，实现量子调控。

无机非金属材料与金属材料和有机高分子材料的复合化（composite）或杂化(hybrid)是另一发展趋势。以应用为目标，优化三大类材料的各自优点，进行在宏观尺寸上复合化，上个世纪在传统无机非金属材料上

已广泛采用，如钢筋混凝土（金属与水泥）、玻璃钢（有机高分子与无机玻璃纤维），这类以结构材料为主的复合材料，今后仍将优化并继续发展。

随着材料的复合的尺寸愈来愈小，以至于达到纳米和分子尺度上的复合或称之为杂化，今后在无机非金属功能材料上将颇为明显，如纳米TiO2和敏化染料杂化以及以CdSe纳米线与噻吩的复合材料的太阳能电池材料，高的非线性光学常数的无机－有机杂化材料，碳纳管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料等。

功能的复合将使结构材料与功能材料的界限逐步消失，例如平板玻璃是作为门、窗、墙的结构材料，但当平板玻璃镀膜后就具有不同的光反射和吸收的阳光控制和低辐射玻璃后，就成为能满足节能、环保、安全和装饰的多功能建筑玻璃。结构陶瓷也逐步功能化，利用陶瓷优良的介电性能和光反射性能，发展了结构、防热、透波（或吸波）等陶瓷材料。利用AIN陶瓷高的导热性、低的电导率和热膨胀以及优良的机械性可作为大功率半导体集成器件的基板。

材料的智能化，即材料性能的多元化，能接受外部环境变化的信息，并能实时反馈。智能（smart）无机非金属材料日益受到关注。最早的智能化材料为被动式（passive smart），如光色（光致变色）材料受阳光辐射，自动改变透光度，但透光度的深浅是不同控的。但电致变色材料不仅光照后变色，并且变色程度由外加电压可控，是智能自动式（active smart）。智能化功能材料大都分为多片压电和铁电陶瓷的复式结构，外场信号的感知和反馈操作是分开的，目前趋向薄膜化和集成化。纳米复合材料的出现，可以把不同功能的材料从微观上复合在一起，形成紧凑的单体智能材料，这也是多功能无机非金属材料的主要发展方向。

本世纪的经济和社会发展是以人为本，与环境和谐的。所以节能降耗、环境友好、资源综合和循环利用、废弃物资循环利用和处理、有害气体液体的低排放和无害处理、有毒有害元素的替代必将是我国无机非金属材料的创新研究和生产中必须遵循的，应该全方位、多学科地研究绿色生产工艺、环境协调材料制备技术及其理论基础。

传统无机非金属材料产业是著名的资源、能源高消耗

和对环境的高污染。21世纪要按照“全面、协调、可持续发展”的科学发展观，首先解决传统无机非金属材料与生态环境协调的生产技术，成为生态环境材料（ecomaterials）。加强理论基础研究，探索出低能耗少污染的新的合成和制造工艺；提高产品性能和节耗的技术途径；废气废料的合理科学处理技术；矿物资源的合理利用和结构调整。以传统的无机非金属材料为例，建立材料环境负荷评价的方法。

发挥无机非金属材料的制备特点，加强对改善环境的关键材料的研究，诸如核废物固化材料以解决核废物的永久处理；汽车和柴油机尾气三效催化剂（稀土复合氧化物）及载体材料（多孔陶瓷和陶瓷纤维）以解决汽车和柴油机的尾气污染；光催化的建筑材料以解决建筑材料的自洁以及无机膜分离材料对药物、食物和污水处理。

21世纪无机非金属材料的主要应用领域为信息、能源、交通、生物医学、生态环境和国防。新材料的发展将会对上述各领域产生深远的影响。

信息功能材料和器件作为21世纪信息社会产业发展的基础，涉及到信息的发射、传输、接受、处理、运算、存储和显示等各方面，主要的技术和手段为微