1、新材料技術(shù)的發(fā)展趨勢和特點
宏觀國際新材料研究發(fā)展的現(xiàn)狀,西方主要工業(yè)發(fā)達國家正集中人力、物力,尋求突破,美國、歐共體、日本和韓國等在他們的最新國家科技計劃中,都把新材料及其制備技術(shù)列為國家關(guān)鍵技術(shù)之一加以重點支持,非常強調(diào)新材料對發(fā)展國民經(jīng)濟、保衛(wèi)國家安全、增進人民健康和提高人民生活質(zhì)量等方面的突出作用。
我國對新材料及其制備技術(shù)歷來非常重視,一直作為一個重要的領(lǐng)域被列入我國自1956年以來的歷次國家科技發(fā)展規(guī)劃之中。在我國863高技術(shù)中,新技術(shù)材料又是七大重點領(lǐng)域之一。經(jīng)過40余年的努力,已在許多方面取得顯著進展,一大批新材料已成功地應(yīng)用于國防和民用工業(yè)領(lǐng)域,有些新材料的研究居國際領(lǐng)先水平,為我國新材料及其制備技術(shù)在21世紀初的持續(xù)發(fā)展奠定了較好的基礎(chǔ)。
新材料及其制備技術(shù)的研究將對世界經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大影響,其發(fā)展趨主要體現(xiàn)在:
(1)功能材料向多功能化、集成化、小型化和智能化方向發(fā)展;
(2)結(jié)構(gòu)材料向高性能化、復(fù)合化、功能化和低成本化方向發(fā)展;
(3)薄膜和低維材料研帛發(fā)展迅速,生物醫(yī)用材料異軍突起; (4)新材料制品的精加工技術(shù)和近凈形成形技術(shù)受到高度重視;
(5)材料及其制品與生態(tài)環(huán)境的協(xié)調(diào)性倍受重視,以滿足社會可持續(xù)發(fā)展的要求;
(6)材料的制備及評價表征技術(shù)日受重視,材料制備與評價表征新技術(shù)、新裝備不斷涌現(xiàn);
(7)材料在不同層次(微觀、介觀和宏觀)上的設(shè)計發(fā)展迅速,已成為發(fā)展新材料的重要基礎(chǔ)。
綜上所述,當今新材料及其制備技術(shù)的發(fā)展趨勢具有以下幾個特點:
(1)新材料技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)和高技術(shù)發(fā)展中的共性關(guān)鍵技術(shù),材料科學技術(shù)已成為當代和下世紀初最重要的、發(fā)展最快的科學技術(shù)之一。信息、能源、農(nóng)業(yè)和先進制造等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展都離不開新材料及其制備技術(shù)的發(fā)展;
(2)綜合利用現(xiàn)代先進科學技術(shù)成就,多學科交叉,知識密集,導(dǎo)臻新材料及其制備技術(shù)的投資強度大、更新?lián)Q代快,經(jīng)濟效益和社會效益巨大;
(3)新材料的制備和質(zhì)量的提高更加依賴于新技術(shù)、新工藝的發(fā)展和精確的檢測控制技術(shù)的應(yīng)用。對制備技術(shù)的重視與投入直線上升,極大地加速了基礎(chǔ)材料的發(fā)展和傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造。
(4)對材料基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性的認識已形成共識。材料的研帛和發(fā)展既要與器件的研帛密切配合,又要注意到自身的系統(tǒng)性和超前性,這樣才有利于材料實現(xiàn)跨躍發(fā)展。
2 新材料技術(shù)前沿研究領(lǐng)域
進入20世紀90年代以來,材料科學技術(shù)的發(fā)展異常迅速。材料科學與生命科學、信息科學、認知科學、環(huán)境科學等共同構(gòu)成了當代科學技術(shù)的前沿。展望21世紀,基于物理、化學、數(shù)學等自然科學與電子、化工、冶金等工程技術(shù)最新成就的材料科學技術(shù)前沿主要如下:
微電子材料 主要是大真徑(400mm)硅單晶及片材技術(shù),大直徑(200mm)硅片外延技術(shù),150mmGaAs和100mmInP晶片及其以它們?yōu)榛?/span>III-V族半導(dǎo)體超晶格、量子阱異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料制備技術(shù),GeSi合金和寬禁帶半導(dǎo)體材料等。
新型光子材料 主要是大直徑、高光學質(zhì)量人工晶體制備技術(shù)和有機、無機新型非線性光學晶體探索,大功離半導(dǎo)體激光光纖模塊及全固態(tài)(可調(diào)諧)激光技術(shù),有機、無機超高亮度紅、綠、蘭之基色材料及應(yīng)用技術(shù),新型紅外、蘭、紫半導(dǎo)體激光材料以及新型光探測和光存儲材料等。
稀土功能材料 主要是高純稀土材料的制備技術(shù),超高磁能稀土永磁材料大規(guī)模生產(chǎn)先進技術(shù),高性能稀土儲氫材料及相關(guān)技術(shù)。
生物醫(yī)用材料 高可靠性植入人體內(nèi)的生物活性材料合成關(guān)鍵技術(shù),生物相容材料,如組織器字替代材料,人造血液,人造皮和透析膜技術(shù),以及生物新材料制品性能、質(zhì)量的在線監(jiān)測和評價技術(shù)。 先進復(fù)合材料 主要是復(fù)合材料低成本制備技術(shù),復(fù)合材料的界面控制與優(yōu)化技術(shù),不同尺度不同結(jié)構(gòu)異質(zhì)材料復(fù)合新技術(shù)。
新型金屬材料 主要是交通運輸用輕質(zhì)高強材料,能源動力用高溫耐蝕材料,新型有序金屬間化合物的脆性控制與韌化技術(shù)以及高可靠性生產(chǎn)制造技術(shù)。
先進陶瓷材料 主要是信息功能陶瓷的多功能化及系統(tǒng)集成技術(shù),高性能陶瓷薄膜、異質(zhì)薄膜的制備、集成與微加工技術(shù),結(jié)構(gòu)陶瓷及其復(fù)合材料的補強、韌化技術(shù),先進陶瓷的低成本、高可靠性、批量化制備技術(shù)。 高溫超導(dǎo)材料 主要是高溫超導(dǎo)體材料(準單晶和織構(gòu)材料)批量生產(chǎn)技術(shù),可實用化高溫超導(dǎo)薄膜及異質(zhì)結(jié)構(gòu)薄膜制備、集成和微加工技術(shù)研究開發(fā)等。
環(huán)境材料 主要是材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性評價技術(shù),材料的延壽、再生與綜合利用新技術(shù),降低材料生產(chǎn)資源和能源消耗新技術(shù)。
納米材料及技術(shù) 主要是納米材料制備與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù),固態(tài)量了器件的制備及納米加工技術(shù)。
智能材料 主要是智能材料與智能系統(tǒng)的設(shè)計、制備及應(yīng)用技術(shù)。
材料的制備與評價技術(shù) 主要是材料精密制備、近凈形成形技術(shù)與智能加工技術(shù),材料表面改性技術(shù)的低成本化途徑與批量生產(chǎn)技術(shù),材料微觀結(jié)構(gòu)的模型化技術(shù)、智能化控制及動態(tài)實時監(jiān)測分析技術(shù),不同層次的設(shè)計、性能預(yù)測和評價表征新技術(shù)。
3 粉末冶金技術(shù)的特點及其在新材料研究中的作用
粉末冶金是制取金屬或用金屬粉末(或金屬粉末與非金屬粉末的混合物)作為原料,經(jīng)過成形和燒結(jié),制造金屬材料、復(fù)合以及各種類型制品的工藝技術(shù)。粉末冶金法與生產(chǎn)陶瓷有相似的地方,因此,一系列粉末冶金新技術(shù)也可用于陶瓷材料的制備。由于粉末冶金技術(shù)的優(yōu)點,它已成為解決新材料問題的鑰匙,在新材料的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。
(1)粉末冶金技術(shù)可以最大限度地減少合金成分偏聚,消除粗大、不均勻的鑄造組織。在制備高性能稀土永磁材料、稀土儲氫材料、稀土發(fā)光材料、稀土催化劑、高溫超導(dǎo)材料、新型金屬材料(如Al-Li合金、耐熱Al合金、超合金、粉末耐蝕不銹鋼、粉末高速鋼、金屬間化合物高溫結(jié)構(gòu)材料等)具有重要的作用。
(2)可以制備非晶、微晶、準晶、納米晶和超飽和固溶體等一系列高性能非平衡材料,這些材料具有優(yōu)異的電學、磁學、光學和力學性能。
(3)可以容易地實現(xiàn)多種類型的復(fù)合,充分發(fā)揮各組元材料各自的特性,是一種低成本生產(chǎn)高性能金屬基和陶瓷復(fù)合材料的工藝技術(shù)。
(4)可以生產(chǎn)普通熔煉法無法生產(chǎn)的具有特殊結(jié)構(gòu)和性能的材料和制品,如新型多孔生物材料,多孔分離膜材料、高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷材料等。
(5)可以實現(xiàn)凈近形成形和自動化批量生產(chǎn),從而,可以有效地降低生產(chǎn)的資源和能源消耗。
(6)可以充分利用礦石、尾礦、煉鋼污泥、軋鋼鐵鱗、回收廢舊金屬作原料,是一種可有效進行材料再生和綜合利用的新技術(shù)。
4 粉末冶金學科優(yōu)先發(fā)展方向
(1)發(fā)展粉末制取新技術(shù)、新工藝及其過程理論。重點是超細粉末和納米粉的制備技術(shù),快速冷凝制備非晶、準晶和微晶粉末技術(shù),機械合金化技術(shù),自蔓延高溫合成技術(shù),粉末粒度、結(jié)構(gòu)、形貌、成分控制技術(shù)。總的趨勢是向超細、超純、粉末特性可控方向發(fā)展。 (2)建立以“凈近形成形”技術(shù)為中心的各種新型固結(jié)技術(shù)及其過程模過程理論,如粉末注射成形、擠壓成形、噴射成形、溫壓成形、粉末鍛造等。
(3)建立以“全致密化”為主要目標的新型固結(jié)技術(shù)及其過程模擬技術(shù)。如熱等靜壓、擬熱等靜壓、燒結(jié)-熱等靜壓、微波燒結(jié)、高能成形等。
(4)粉末冶金材料設(shè)計、表征和評價新技術(shù)。粉末冶金材料的孔隙特性、界面問題及強韌化機理的研究。
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