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新材料產業規劃與研究

新材料產業規劃與研究

  新材料概況及重點發展方向:

  1.新材料概況


  新材料是指新發現或通過人工新合成而產生的具有優異性能和特殊性能的材料,或者對傳統材料使用新技術進行物理或化學改性處理以后形成的比原有材料性能更優異、具有可替換潛力的新型材料。新材料具有知識與技術密集度高、與新工藝和新技術關系密切、更新換代快、品種式樣變化多等特點。

  新材料是傳統產業轉型升級的基礎,同時也是戰略性新興產業發展的重要支撐。作為先導性的戰略性新興產業需要優先發展新型材料,傳統制造業的技術改進及節能減排也需要通過新型材料來實現。可以說新材料是提高國家核心競爭力的重要力量。新材料作為高新技術的基礎和先導,應用范圍極其廣泛,它同信息技術、生物技術一起成為二十一世紀最重要和最具發展潛力的領域。

  按照新材料屬性、功能劃分,新材料可分為六大板塊:特殊金屬功能材料、高端金屬結構材料、先進高分子材料、新型無機非金屬材料、高性能纖維及復合材料、前沿新材料。在《新材料產業“十二五”發展規劃》中做了更細的劃分,特殊金屬功能材料及高端金屬結構材料主要是各種有色金屬材料、特殊鋼及半導體材料,先進高分子材料主要包括各種化工新材料,新型無機非金屬材料主要包括特種玻璃、先進陶瓷、新型建材,高性能纖維及復合材料主要是金屬材料、化工材料及非金屬材料的高性能復合產品,前沿新材料包括超導、納米、生物、智能等先進領域材料。

  根據我國當前及未來發展的實際情況,新材料領域值得注意的新發展方向主要有半導體材料、結構材料、高分子材料、敏感與傳感轉換材料、納米材料、生物材料及高性能復合材料。

  2.特殊金屬功能材料

  特殊金屬功能材料包括稀土功能材料、稀有金屬材料、其他功能合金及半導體材料。其中前三方面屬于有色金屬材料,半導體材料屬于電子信息材料。

  稀土功能材料主要是高性能稀土永磁材料、稀土發光材料,新型儲氫材料,研磨拋光材料,催化材料等。其中稀土永磁材料主要應用于消費電子占38%及傳統汽車占27%,未來電動汽車的發展必將帶動高性能永磁材料電機需求,因而電動汽車是未來永磁材料需求增長的主要動力。

  稀有金屬材料主要是鎢、銻、鈷、鈮、鉬、鋰、錸、銦、鉭、鋯、鉑、鎵、鍺、等小金屬合金制品及高技術含量深加工產品。例如,鋰電池目前80%用于消費電子,今年在TESLA電動車效應帶動下電動汽車加快發展,未來電動汽車市場的全面推進,鋰電池需求將爆發式增長。

  半導體材料是具有優異特性的微電子和光電子材料,以硅、鍺、砷和鎵為代表的半導體材料目前被廣泛應用于微電子和光電子領域。20世紀40年代發展起來的重要信息材料,已成為信息技術發展的基礎。

  硅材料機械強度高、結晶性強、在自然中儲量豐富、成本低,并且可以拉制出大尺寸的完整單晶,使之成為目前電子信息工業領域的主要半導體材料。

  砷化鎵具有許多優于硅的特性。利用砷化鎵做成的晶體管,其開關速度比硅晶體管快1-4倍。砷化鎵由于電子運動速度快、電子激發后釋放能量以發光形式進行等特點,很可能成為繼硅之后第二種最重要的半導體電子材料,制成的晶體管可以制造出速度更快、功能更強的計算機(10倍).

  3.高端金屬結構材料

  結構材料指以力學性能為主的工程材料,它是國民經濟中應用最為廣泛的材料,從日用品、建筑到汽車、飛機、衛星和火箭等,均以某種形式的結構框架獲得其外形、大小和強度。鋼鐵、有色金屬等傳統材料都屬于此類。高性能結構材料一般指具有更高的強度、硬度、塑性、韌性等力學性能,并適應特殊環境要求的結構材料。包括新型金屬材料、高性能結構陶瓷材料和高分子材料等。

  當前的研究熱點包括:高溫合金、新型鋁合金和鎂合金、高溫結構陶瓷材料和高分子合金等。例如,汽車減震材料,材料減振是利用金屬材料本身具有大的衰減能力去消除振動或噪聲的發生源,就是像鋁和鎂那樣發不出金屬聲,但卻像鋼一樣堅固的材料,即衰減能大、強度高的材料。常用的減振合金有Fe-C-Si合金、Al-Zn合金、Fe-Cr-Al合金、Mg-Zr合金、Ni-Ti合金等。

  4.先進高分子材料

  高分子是由碳、氫、氧、氮、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機化合物。具有重量輕、高彈性、強度低、韌性好、粘彈性、耐摩性、絕緣性好,低導熱性、耐熱性、耐蝕性好、易老化等特點。主要包括塑料、纖維、橡膠、薄膜、膠粘劑和涂料等,其中合成塑料、合成纖維、合成橡膠被稱為現代高分子三大合成材料。

  傳統合成塑料主要包括:聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品種,是日常生活中最常見的塑料材料。新型塑料主要有透光性好的有機玻璃,耐腐蝕塑料聚四氟乙烯,作為工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚酰亞胺和常用做泡沫塑料的聚胺脂等。

  傳統合成纖維包括:滌綸、錦綸、晴綸、維綸、丙綸、氯綸等“六大綸”。新型合成纖維有耐超熱超冷的芳綸1313,做飛機機翼、高強纜索的芳綸1414,耐400℃高溫和負273℃超低溫的聚酰亞胺纖維,可做人造血管、軟骨等人體器件的氟綸纖維,可做新式偽裝服的多色纖維,可做合成紙、合成革、高效除塵器的高縮纖維、復合纖維、有色纖維、網絡絲、完全變形紗、吸濕纖維和離子交換纖維等。

  合成橡膠是指將天然乳膠經過硫化處理變成能成型、富有彈力的材料,填補天然橡膠的不足。順丁橡膠、異戊橡膠、乙丙橡膠等發展前途看好硅橡膠、氟橡膠能在零下50度不變形,又可耐250度高溫,用于制造火箭、導彈、飛機的某些零件。

  5.新型無機非金屬

  特種玻璃:改變了傳統玻璃材料易碎、易傳熱的特性,研制出具有“特異功能”的新品種,如玻璃鋼、記憶玻璃、化學敏感性玻璃、超韌性增強玻璃、激光玻璃、防彈玻璃、防輻射玻璃等。

  先進陶瓷材料是指采用精制的高純、超細的無機化合物為原料及先進的制備工藝技術制造出的性能優異的產品。一般分為結構陶瓷、陶瓷基復合材料和功能陶瓷三類。大部分功能陶瓷在電子工業中應用十分廣泛,通常也稱為電子陶瓷材料。如用于制造芯片的陶瓷絕緣材料、陶瓷基板材料、陶瓷封裝材料以及用于制造電子器件的電容器陶瓷、壓電陶瓷、鐵氧體磁性材料等。當前的研究熱點包括陶瓷材料的強韌化技術、納米陶瓷材料的制備合成技術、先進結構陶瓷材料體系的設計以及電子陶瓷材料的高勻、超細技術。

  新型建筑材料主要包括新型墻體材料、化學建材、新型保溫隔熱材料、建筑裝飾裝修材料等。其中化學建材包括建筑塑料、建筑涂料、建筑防水、密封材料、隔熱保溫材料、隔聲材料、特種陶瓷、建筑膠粘劑等,是我國“十五”期間要重點發展的新型建筑材料。

  氣敏陶瓷的電阻會隨各種氣體的濃度改變幾百~幾萬倍。因此可利用這些陶瓷制造各種氣體傳感器,通俗地稱它們為電子鼻。

  6.高新能纖維及復合材料

  復合材料是由兩種或多種性質不同的材料通過物理和化學復合,組成具有兩個或兩個以上相態結構的材料。該類材料不僅性能優于組成中的任意一個單獨的材料,而且具有組分單獨不具有的獨特性能。例如,復合材料在高度輕量化直升機上的用量已達結構重量的70%-80%,在先進戰斗機上的用量大約是結構重量的30%-40%。

  復合材料按用途主要可分為結構復合材料和功能復合材料兩大類。結構復合材料主要作為承力結構使用的材料,由能承受載荷的增強體組元(如玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金屬、天然纖維、織物、晶須、片材和顆粒等)與能聯結增強體成為整體材料同時又起傳力作用的基體組元(如樹脂、金屬、陶瓷、玻璃、碳和水泥等)構成。結構材料通常按基體的不同分為聚合物基復合材料、金屬基復合材料、陶瓷基復合材料、碳基復合材料和水泥基復合材料等。

  功能材料是指除力學性能以外還提供其它物理、化學、生物等性能的復合材料。包括壓電、導電、雷達隱身、永磁、光致變色、吸聲、阻燃、生物自吸收等種類繁多的復合材料,具有廣闊的發展前途。未來的功能復合材料比重將超過結構復合材料,成為復合材料發展的主流。未來復合材料的研究方向主要集中在納米復合材料、仿生復合材料和多功能智能復合材料等領域。虎式攻擊直升機用復合材料,由碳纖維增強聚合凱夫拉爾纖維、鋁以及鈦材料制成,能夠抵御23毫米自動加農炮攻擊。

  7.前沿新材料

  納米材料又稱為超微顆粒材料,由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒,一般是指尺寸在1~100nm間的粒子,是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域。納米材料的概念形成于80年代中期,由于納米材料會表現出特異的光、電、磁、熱、力學、機械等性能,納米技術迅速滲透到材料的各個領域,成為當前世界科學研究的熱點。按物理形態分,納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體和納米相分離液體等五類。基本上還處于實驗室的初級研究階段,大規模應用預計要到5-10年以后。

  當前的研究熱點和技術前沿包括:以碳納米管為代表的納米組裝材料;納米陶瓷和納米復合材料等高性能納米結構材料;納米涂層材料的設計與合成;單電子晶體管、納米激光器和納米開關等納米電子器件的研制、C60超高密度信息存貯材料等。

  生物材料也稱為生物工程材料或生物醫學材料,是生物體器官缺損、病變或衰竭的替代材料,也就是人類器官再造材料。生物活性陶瓷已實現與骨相結合,并與軟組織相結生物化學水泥在骨骼缺損修補、骨骼植入材料的固定和牙齒的修復等過程使用人工器官已制造出人工心臟、人工肝臟、人工腎、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血漿和血液等。預期研制出具有主動誘導、能促進人體自身組織和器官再生作用的生物復合材料。

  智能材料又稱為機敏材料,其設計思路來源于仿生原理。智能材料具有四種功能:對環境參數的敏感;對敏感信息的傳輸;對敏感信息的分析、判斷;智能反應。現有的智能材料性能一般比較單一,難以滿足其全部功能要求,所以一般由兩種或兩種以上材料復合構成一個智能材料系統。按功能可以分為光導纖維、形狀記憶合金、壓電、電流變體和電(磁)致伸縮材料等。

  新材料與其它六大戰略新興產業勾稽關系:

  新材料是七大戰略性新興產業之一,主要服務于戰略性新興產業,同時也是新興產業發展的基礎及先導,新材料的應用領域基本集中在新興產業。我們重點從新興產業發展來探尋新材料的機會,重點研究節能環保材料、電子信息材料、生物材料、高端裝備材料、新能源材料、汽車材料。從應用領域來看,一個領域可能存在多種類型的新材料。

  1.節能環保材料

  節能環保材料也叫生態環境材料,是指具有滿意的使用性能同時又被賦予優異的環境協調性的材料。主要包括環境友好材料、綠色建筑材料和生態工程材料。這類材料的特點是消耗的資源和能源少,對生態和環境污染小,再生利用率高,而且從材料制造、使用、廢棄直到再生循環利用的整個壽命過程,都與生態環境相協調。主要包括:環境相容材料,如純天然材料(木材、石材等)、仿生物材料(人工骨、人工器臟等)、綠色包裝材料(綠色包裝袋、包裝容器)、生態建材(無毒裝飾材料等);環境降解材料(生物降解塑料等);環境工程材料,如環境修復材料、環境凈化材料(分子篩、離子篩材料)、環境替代材料(無磷洗衣粉助劑)等。

  生態環境材料研究熱點和發展方向包括再生聚合物(塑料)的設計、材料環境協調性評價的理論體系、降低材料環境負荷的新工藝、新技術和新方法等。

  2.電子信息材料

  電子信息材料是指在微電子、光電子技術和新型元器件基礎產品領域中所用的材料,主要可以分為以下幾大類:集成電路及半導體材料:以硅材料為主體,新的化合物半導體材料及新一代高溫半導體材料也是重要組成部分,也包括高純化學試劑和特種電子氣體;光電子材料:激光材料,紅外探測器材料,液晶顯示材料,高亮度發光二極管材料,光纖材料等領域;新型電子元器件材料:磁性材料,電子陶瓷材料,壓電晶體管材料,信息傳感材料和高性能封裝材料等。

  這些基礎材料及其產品支撐著通信、計算機、信息家電與網絡技術等現代信息產業的發展。微電子材料在未來10~15年仍是最基本的信息材料,光電子材料將成為發展最快和最有前途的信息材料。

  電子信息材料的總體發展趨勢是向著大尺寸、高均勻性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向發展。當前的研究熱點和技術前沿包括柔性晶體管、光子晶體、SiC、GaN、ZnSe等寬禁帶半導體材料為代表的第三代半導體材料、有機顯示材料以及各種納米電子材料等。

  3.生物材料

  生物材料是和生命系統結合,用以診斷,治療或替換機體組織,器官或增進其功能的材料。它涉及材料,醫學,物理,生物化學及現代高技術等諸多學科領域,已成為21世紀主要支柱產業之一。

  現在幾乎所有類型的材料在健康治療中都已得到應用,主要包括金屬和合金,陶瓷,高分子材料,復合材料和生物質材料。高分子生物材料是生物醫用材料中最活躍的領域;金屬生物材料仍是臨床應用最廣泛的承力植入材料,醫用鈦及其合金,以及Ni-Ti形狀記憶合金的研究與開發是一個熱點,無機生物材料近年來越來越受到重視。

  目前,國際生物醫用材料研究和發展的主要方向,一是模擬人體硬軟組織,器官和血液等的組成,結構和功能而開展的仿生或功能設計與制備,二是賦予材料優異的生物相容性,生物活性或生命活性。就具體材料來說,主要包括藥物控制釋放材料,組織工程材料,仿生材料,納米生物材料,生物活性材料,介入診斷和治療材料,可降解和吸收生物材料,新型人造器官,人造血液等。

  4.高端裝備材料

  航空航天、軌道交通、海洋工程等高端裝備制造業,需要各類軸承鋼、油船耐腐蝕合金鋼、軌道交通大規格鋁合金型材、高精度可轉位硬質合金切削工具材料。大型客機等航空航天產業發展需要高性能鋁材,碳纖維及其復合材料應用比重將大幅增加。

  5.新能源材料

  新能源和再生清潔能源技術是21世紀世界經濟發展中最具有決定性影響的五個技術領域之一,新能源包括太陽能、生物質能、核能、風能、地熱、海洋能等一次能源以及二次電源中的氫能等。

  新能源材料則是指實現新能源的轉化和利用以及發展新能源技術中所要用到的關鍵材料。主要包括儲氫電極合金材料為代表的鎳氫電池材料、嵌鋰碳負極和LiCoO2正極為代表的鋰離子電池材料、燃料電池材料、Si半導體材料為代表的太陽能電池材料以及鈾、氘、氚為代表的反應堆核能材料等。

  當前研究熱點和技術前沿包括高能儲氫材料、聚合物電池材料、中溫固體氧化物燃料電池電解質材料、多晶薄膜太陽能電池材料等。

  6.新能源汽車材料

  新能源汽車材料主要包括三大類:驅動電機材料、動力電池材料、輕量化材料。在各種驅動電機中,永磁電機適用于電動汽車對高功率、大密度電機的要求。永磁材料在新能源汽車中有著重要地位;動力電池材料方面,目前主要以鋰電池為主;輕量化材料包括超輕汽車高強度鋼、先進鋁合金、鎂合金、鈦合金材料,工程塑料和復合材料。

  汽車材料的需求呈現出以下特點:輕量化與環保是主要需求發展方向;各種材料在汽車上的應用比例正在發生變化,主要變化趨勢是高強度鋼和超高強度鋼,鋁合金,鎂合金,塑料和復合材料的用量將有較大的增長,汽車車身結構材料將趨向多材料設計方向。同時汽車材料的回收利用也受到更多的重視,電動汽車,代用燃料汽車專用材料以及汽車功能材料的開發和應用工作不斷加強。
新材料產業規劃與研究

   新材料涉及領域廣泛,一般指新出現的具有優異性能和特殊功能的材料,或是傳統材料改進后性能明顯提高和產生新功能的材料,主要包括新型功能材料、高性能結構材料和先進復合材料。“新材料產業”包括新材料及其相關產品和技術裝備,具體涵蓋:新材料本身形成的產業;新材料技術及其裝備制造業;傳統材料技術提升的產業等。


新材料產業規劃與研究
 
  新材料產業具有技術高度密集,研究與開發投入高,產品的附加值高,生產與市場的國際性強,以及應用范圍廣,發展前景好等特點,其研發水平及產業化規模已成為衡量一個國家經濟,社會發展,科技進步和國防實力的重要標志。

  國家對新材料行業給予了重點支持,大致分為三大類:1、前瞻性的基礎研究資助。主要針對科研院所以及39個材料領域的國家工程研究中心的研究人員,對新材料科研項目每年總計無償資助約在3.5億元左右。2、對產業化項目和產業化技術開發項目資助。主要體現在火炬計劃、中小企業創新基金、國家科技攻關計劃等三個項目上,它們發揮著技術孵化器的作用。3、對高科技企業給予出口補貼和稅收減免。從事新材料的企業,可以申請稅收減免等優惠。

  目前,中國的稀土功能材料、先進儲能材料、光伏材料、有機硅、超硬材料、特種不銹鋼、玻璃纖維及其復合材料等產能已居世界前列。中國也已掌握18項新材料關鍵技術,包括高性能碳纖維,高品質特殊鋼和半導體照明材料與芯片等。2011年我國新材料產業規模超過8000億元,與2005年相比年均增長約20%。但由于我國新材料產業起步晚、生產技術基礎差,目前有相當部分市場成熟的新材料產品,尤其是基本型產品國內市場供不應求,在很大程度上依賴進口,所以國家大力支持發展新材料產業以滿足市場的供需平衡。

  中國現已經批準設立的國家級新材料產業基地有129個(7個高技術產業基地、32個新型工業化示范基地和90個高新技術產業化基地),這些基地分布廣泛、特色鮮明,已初步呈現出集群化分布特征,形成“東部沿海聚集,中西部特色發展”的空間布局。

  環渤海、長三角和珠三角地區承擔著新材料的研發、高端制造等功能,新材料種類多,成為全國三大綜合性新材料產業聚集區;中部地區依托雄厚的原材料工業基礎,新材料產業快速發展;西部地區依托豐富的資源基礎,新材料產業呈特色化發展,形成多個特色新材料基地;東北地區老工業基地,具有較強的工業優勢,新材料產業發展潛力日益凸顯。

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