1.4 功能材料的现状及展望

1.4.1 功能材料国内外发展现状

当前，国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如超导材料、纳米材料、生物医用材料、生态环境材料、能源转换及储能材料、智能材料等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。

1．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。高温氧化物超导材料的出现，突破了温度壁垒，把超导应用温度从液氦（4.2 K）提高到液氮（77 K）温区。高温超导材料的研究和应用工作已在单晶、薄膜、块材、线材等方面取得了重要进展。

2．纳米材料

纳米科技是指在1～100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质与大块固体时相比将会有显著的不同。

3．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。生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷发展的主要方向；生物降解高分子材料是医用高分子材料发展的重要方向。

随着近年来材料科学的发展，生物医用材料的研究取得了一些令人瞩目的成果，尤其是组织工程研究的进展，使机体结构组织（骨、肌肉、皮肤、神经等）的再生成为可能。组织工程中的关键是支架材料，能诱导新骨形成或非骨组织形成的支架材料仍将是当前材料研究的重点。生理条件下仿生装配纳米生物材料已成为生物医用材料研究的前沿。

生物医用材料包括：①硬组织的替代材料，如人骨、人工牙齿或骨的修复材料；②埋入生物体内部的植入材料，如人工心脏瓣膜、人工血管、人工肾等医用高分子材料；③作为药物定位的载体，控制药物的释放。为此，要求生物医用材料必须具有良好的生物功能性和生物相容性。所谓生物功能性，是指生物材料具有在其植入位置上行使功能所需的物理和化学性质。生物相容性则是指一种生物材料在特殊应用中与宿主反应起作用的能力。目前对生物相容性的理解，已不仅仅是要求材料植入后不会引起毒性反应，更要求植入材料和肌体之间的相互作用能被永久地协调好。

4．能源材料

能源是人类社会生存与发展的重要物质基础，是现代文明的三大支柱之一。能源材料是指正在发展的、可能支撑新能源体系的建立、满足各种新能源及节能新技术所要求的一类材料。按使用目的不同，可分为新能源材料、节能材料和储能材料。

太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，目前最有希望大量应用的是硅太阳能电池。单晶硅光电池光电转换效率高，但材料价格较贵。多晶硅光电池效率达13%，半导体材料GaAs的转换效率可达20%～28%。采用多用复合结构，通过选择性吸收涂层和光谱转换涂层可进一步提高转换效率。

氢能是人类未来的理想能源，资源丰富，干净，无污染。氢能利用的关键是氢的制备技术和高密度的安全储运。在储氢材料中，人们对储氢合金进行了系统研究，目前具有实用价值的储氢合金材料主要有稀土系列、铣铁系列、钻锰系列等。我国稀土资源丰富，开发混合稀土系列储氢合金材料及其应用工程技术具有广阔的发展前景。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。

固体氧化物燃料电池（SOFC）的研究十分活跃，被认为是最有效率的、万能的发电系统。特别是作为分散的电站，SOFC可用于发电、热电联供、交通等许多领域。

5．生态环境材料

随着现代社会和工业的快速发展，资源和能源的消耗急剧增加，大量废弃物及有害物的排除，使人类生活的周围环境和地球环境日益恶化。许多科学家预言，环境问题将是21世纪人类面临的最大危机和最严峻的挑战之一。正因为如此，大力发展生态环境材料，开展材料的环境协调性评估，发展零排放和零废弃的新材料技术，实现材料的综合利用，已成为越来越多的国家关注的焦点。

所谓生态环境材料，是指具有良好的使用性能或功能，并且能够和环境相协调的材料。生态环境材料领域是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，其研究开发在日、美、德等发达国家十分活跃。这类材料消耗的资源和能源少，对生态和环境污染小，再生利用率高，同时从材料的制造、使用、废弃直至再生循环利用的整个寿命过程都与生态环境相协调。因此，生态环境材料不是指某一具体的新材料，而是指考虑到资源和环境问题的新材料的总称。

生态环境材料主要有以下三个研究方向：①直接面临的与环境问题相关的材料技术，如生物可降解材料技术，CO2气体的固化技术，SOx, NOx催化转化技术，废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；②开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料，环境保护材料，氟里昂、石棉等有害物质的替代材料，绿色新材料等；③材料的环境协调性评价，主要采用寿命全程评价法。

6．光电子材料

光电子材料是指光电子技术中所用的材料。它对于满足计算机、通信、国防、航天工业等领域的应用至关重要。在现代科学技术的发展中，电子学和光子学已形成交叉共生的发展关系。光电子技术是现代信息科学技术的重要组成部分。信息的传递可由光子负担，而信息的产生、处理、检测、存储和显示等功能则由光子和电子联合完成。光电子信息系统包括光载波源，光控制与信号加载，光信号传输、处理和接收（检测和显示）。其所需要的光电子器件材料多种多样，从无机物到有机物，从单晶到非晶态，从半导体到绝缘体，可达几十种之多。

7．智能材料

智能材料是指能够感知环境变化并通过自我判断得出结论同时执行相应命令的材料，是继天然材料、制造材料、合成高分子材料、人工设计复合材料之后的第五代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，从而实现结构功能化、功能多样化的目标。因此，科学家们预言智能材料的研制成功和大规模应用将导致材料科学发展的又一次重大革命。

智能材料系统和结构集传感、控制和驱动（执行）等功能于一体，它能适时地感知与响应外界环境的变化，做出判断，发出指令，并执行和完成动作，在高水平上实现自检测、自诊断、自监控、自修复及自适应等多种功能。目前，研究开发的智能材料系统和结构的主要材料有形状记忆合金、压电材料、电（磁）致伸缩材料、光纤和电流变体、磁流变体等。利用这些机敏材料的功能，通过多种材料组合的功能复合和仿生设计，将智能属性“注入”材料系统的宏观和微观结构中，得到传感、控制和驱动于一体的智能材料系统和结构。

国外智能材料的研发方面已取得很多技术突破，例如英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作为制动器时，反应时间仅为10 min；智能玻璃是近年刚出现的新型智能材料，国外目前正开始大规模生产，而国内还处于刚刚起步的阶段。

我国非常重视功能材料的发展，在国家攻关、“863”、“973”、国家自然科学基金等计划中，功能材料都占有很大比例。在“九五”“十五”国防计划中，还将特种功能材料列为“国防尖端”材料。这些科技行动的实施，使我国在功能材料领域取得了丰硕的成果。

在“863”计划的支持下，我国开辟了超导材料、平板显示材料、稀土功能材料、生物医用材料、储氢等新能源材料，金刚石薄膜、高性能固体推进剂材料、红外隐身材料、材料设计与性能预测等功能材料新领域，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地。例如，镍氢电池、锂离子电池的主要性能指标和生产工艺技术均达到了国外的先进水平，推动了镍氢电池的产业化；高档钕铁硼产品的研究开发和产业化取得了显著进展，在某些成分配方和相关技术上取得了自主知识产权。

国家工业和信息化部于2012年发布《新材料产业“十二五”发展规划》（以下简称《规划》）。《规划》指出，材料工业是国民经济的基础产业。新材料产业是材料工业发展的先导，是重要的战略性新兴产业。高性能复合材料和前沿新材料将是我国重点发展的新材料品种。《规划》将新材料划分为六大领域：①特种金属功能材料；②高端金属结构材料；③先进高分子材料；④新型无机非金属材料；⑤高性能复合材料；⑥前沿新材料。

资料表明，我国2011年新材料产业规模超过8000亿元，与2009年相比，增加近1500亿元。我国的新材料产业规模近年来正在经历快速扩张，年均增长率超过20%。《规划》中预计，新材料产业总产值到2015年将达2万亿元；到2020年，新材料产业将成为国民经济的先导产业，主要产品能满足国民经济和国防建设的需要。目前，我国稀土功能材料、先进储能材料、光伏材料、有机硅、超硬材料、特种不锈钢、玻璃纤维及其复合材料等产能已居世界前列。我国目前已掌握近20项新材料的关键技术，包括高性能碳纤维、高品质特殊钢和半导体照明材料与芯片等。新材料是促进传统产业转型升级的重要基础，也是国家战略性新兴产业发展的重大支撑和保障，对提升我国材料工业整体实力，促进工业转型升级具有重要战略意义。但目前我国新材料仍面临技术创新水平低、自主开发能力薄弱等问题。此外，我国的高端结构材料和功能材料也面临自给率不高、材料品质低、新材料研发与产业化脱节等问题。一些高端产品虽然早已在国内研发成功，但推广应用困难，相关产品还得依靠进口。

1.4.2 功能材料的发展趋势

展望21世纪，高新技术会更加迅猛地发展，对功能材料的需求也会日益迫切。功能材料具有各种奇特的功能，其发展潜力是巨大的，随着科学技术的发展，必将会有更多的新型功能材料出现。从国内外功能材料的研究动态看，功能材料的发展可归纳如下：

（1）开发高技术所需的新型功能材料，特别是尖端领域（如航空航天、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等）所需和在极端条件下（如超高温、超高压、超低温、强腐蚀、高真空、强辐射等）工作的高性能功能材料。

（2）功能材料的功能从单功能向多功能和复合或综合功能发展，从低级功能（如单一的物理性能）向高级功能（如人工智能、生物功能和生命功能等）发展。

（3）功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化。

（4）功能材料和结构材料兼容，即功能材料结构化、结构材料功能化。

（5）进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。已提出的新概念有梯度化、低维化、智能化、非平衡态、分子组装、杂化、超分子化等；已提出的新设计有化学模式识别设计、分子设计、非平衡态设计、量子化学和统计力学计算法等，这些新设计方法都要采用计算机辅助设计，要求建立数据库和计算机专家系统；已提出的新工艺有激光加工、离子注入、等离子注入、分子束外延、电子和离子束沉积、固相外延、精细刻蚀、生物技术及在特定条件下（如高温、高压、低温、高真空、微重力、强电磁场、强辐射、急冷和超净等）的工艺技术。

（6）完善和发展功能材料检测和评价的方法。

（7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域。