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新型功能材料的开发研究
摘要：材料是人类社会生活的物质基础，材料的发展导致着时代的变迁，可以这么说，材料的先进就代表着时代进步和物质文明的进步。而新型功能材料正是在引领着材料发展的潮流。一个国家对于各种新型功能材料的个、结构、性能、制备和应用，反映着该国在材料领域的水平。同时也成为衡量一个国家经济和社会发展、国防实力等的重要标志。正是由于新型功能材料对于国家、社会都有着举足轻重的地位和重要性，对起的开发的研究也显得尤为的重要。本文将对新型功能材料基本概念、作用、主要特征、地位、国内外的研究现状以及当前产业化发展态势进行逐一的介绍。
关键词：新型功能材料：产业化：发展趋势
1、选题依据
功能材料是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。功能材料不仅对高新技术的发展起着重要的推动和支撑作用，还对我国相关传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用。
功能材料不仅是发展信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升基础工业和传统产业的基础，直接关系到资源、环境及社会的可持续发展。经济的快速增长和社会可持续发展，对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的关键因素。
2、研究意义
功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料，而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础，直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。
我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运，所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的，必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等，都离不开特种功能材料的支撑。
我国经济的快速增长和社会可持续发展，对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的关键因素，我国目前是世界上能源消费增长最快的国家，同时也是能源紧缺的国家。发展电动汽车、使用清洁能源、节约石油资源等政策措施使得新型能源转换及储能材料的需求不断增加。我国西部还拥有一些储量丰富的资源，如稀土、钨、钛、钼、钽、铌、钒、锂等，有的工业储量甚至占世界总储量的一半以上，这些资源均是特种功能材料的重要原材料。研究开发与上述元素相关的特种功能材料，拓宽其应用领域，取得自主知识产权，将大幅度地提高我国相关特种功能材料及制品的国际市场竞争力，这对实现西部资源的高附加值利用，将西部的资源优势转化为技术优势和经济优势具有重要意义，将有力地支持国家的西部大开发。
材料是现代科技和国民经济的物质基础。一个国家生产材料的品种、数量和质量是衡量其科技和经济发展水平的重要标志。随着新技术将更迅猛地发展，我们对功能材料的需求也日益迫切。因此，我们要加强对功能材料的研制和开发应用，把新成果应用于劳动生产。在未来的五到十年，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求，功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料。
3、实际应用方面的价值
新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。主要包括电子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物医用材料、生态环境材料、超导材料、智能材料、功能高分子材料、先进复合材料、梯度材料等。
功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。它是信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业的先导、基石与支撑。
在未来的5～10年，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求。目前，功能材料已成为我国材料科学和工程中最具活力与创新性的热点；有关功能材料的项目已占整个新材料研究项目的70%以上。功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术和加强国防建设的重要基础材料；而且对我国基础工业与传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用；同时还直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。目前光电信息材料、功能陶瓷材料、生物医用材料、超导材料、功能高分子材料、先进复合材料、智能材料以及生态环境材料等功能材料是世界各国战略高技术竞争的热点和重点，也是我国“十二五”国家科技计划材料领域的重点。
当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料及材料的分子、原子设计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。
4、国内外的研究现状
当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料及材料的分子、原子设计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。从国内外功能材料的研究动态看，功能材料的发展趋势可归纳为如下方面：
（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、分子电子学、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（如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧、核爆炸等）下工作的高性能功能材料。（2）功能材料的功能从单功能化向多功能化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。（6）完善和发展功能材料检测和评价方法。
（7）加强功能材料的应用研究，扩展功能材料的应用领域，特别是尖端领域和民用高技术领域，并把成熟的研究成果迅速推广，以形成生产力。基于以上发展趋势，下面介绍几种重要的新型功能材料： 智能材料
智能材料是具有感知温度、力、电、磁等外界环境并产生驱动(位移等)效应的一类重要功能材料，主要包括形状记忆、压电和磁料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前产业关注的热点。另外，薄膜太阳能电池由于大大地减少了半导体材料的消耗，也容易批量生产，从而大幅度地降低了太阳能电池的成本，但是效率相对较低，目前商用薄膜电池的光电转换效率只有6～8%。随着纳米技术的发展和成熟，纳米结构材料成为新颖的太阳能电池材料，在太阳能电池中使用纳米结构材料将能够提高太阳能电池的光电转换效率，降低电池的生产成本，对于实现太阳能电池的大规模应用将起着重要的作用，例如燃料敏化纳米晶膜太阳能电池的光电转换效率已达到11.04%，而其成本只有传统硅光电池的十分之一，已成为目前应用前景看好的光电转换器件。电子信息材料
电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料，主要包括单晶硅为代表的半导体微电子材料；激光晶体为代表的光电子材料；介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的电子陶瓷材料；钕铁硼（NdFeB）永磁材料为代表的磁性材料； 纳米材料
纳米材料是指三维空间中至少有一维处于1～100nm或由它们作为基体单元构成的材料，其命名出现在20世纪80年代。纳米技术、信息技术及生物技术将成为世纪社会经济发展的三大支柱。
纳米科技的兴起，对我国提出了严峻的挑战，同时也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。1991年美国将纳米技术列入“政府关键技术”。1993年德国提出今后10年重点发展的9个关键技术中有4个涉及纳米技术。日本、欧盟也都斥巨资用于纳米材料与技术的开发。我国将其列入“863”、“973”计划和“十五”、“十一五”规划，在2001年7月下发了《国家纳米科技发展纲要》，指出我国纳米科技在今后5～10年的主要目标：在纳米科学前沿取得重大进展，奠定发展基础；在纳米技术开发和应用方面取得重大突破；逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳米科技骨干队伍；建立全国性的纳米科技研发中心和以企业为主体的产业化基地，促进基础研究、应用研究和产业化的协调发展。2004年曼彻斯特大学的Geim和Philip Kim首先发现了该材料并于2010年获物理学诺贝尔奖。石墨烯的出现打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，带来了众多出乎人们意料的新奇特性，使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。目前，该材料的研究和产业孕育开发正在全世界范围内轰轰烈烈地展开，都在力争抢占石墨烯产业创新的制高点。光纤通信材料 磁存储和光盘存储为主的数据存储材料；压电晶体与薄膜材料；贮氢材料和锂离子嵌入材料为代表的绿色电池材料等。这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。电子信息材料及产品支撑着现代通信、计算机、信息网络技术、微机械智能系统、工业自动化和家电等现代高技术产业。电子信息材料产业的发展规模和技术水平，已经成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，在国民经济中具有重要战略地位，是科技创新和国际竞争最为激烈的材料领域。
新能源材料
寻找清洁的能源和可再生能源是当今世界共同关心的问题。太阳能是一种用之不竭的绿色环保能源，太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，自从1954年单晶硅太阳能电池在贝尔实验室问世以来，硅电池因其较高的光电转换效率（约20%）而在各类光伏电池中占据主导地位。但由于其制造工艺复杂、硅原材料的短缺而限制了硅电池的广泛应用。寻找与传统能源材料价格相当的新材料和制备工艺是太阳能电池能够得到普及的关键。IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。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的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前产业关注的热点。另外，薄膜太阳能电池由于大大地减少了半导体材料的消耗，也容易批量生产，从而大幅度地降低了太阳能电池的成本，但是效率相对较低，目前商用薄膜电池的光电转换效率只有6～8%。随着纳米技术的发展和成熟，纳米结构材料成为新颖的太阳能电池材料，在太阳能电池中使用纳米结构材料将能够提高太阳能电池的光电转换效率，降低电池的生产成本，对于实现太阳能电池的大规模应用将起着重要的作用，例如燃料敏化纳米晶膜太阳能电池的光电转换效率已达到11.04%，而其成本只有传统硅光电池的十分之一，已成为目前应用前景看好的光电转换器件。
5、课题研究的方法及研究中的主要难点及解决方法
课题主要采用文献法，即通过查阅各类资料、图表等,分析、比较得出结论。搜集和分析研究各种现存的有关文献资料，从中选取信息，以达到某种调查研究目的的方法。它所要解决的是如何在浩如烟海的文献群中选取适用于课题的资料，并对这些资料做出恰当分析和使用。
课题研究中存在的问题
（1）理论支撑的力度不够
课题研究，离不开理论学习，无论是研究的方法、研究的途径、手段，必须经过一系列的理论学习，没有理论做指导，任何一种的研究都是盲目的，甚至是无从着手的，没有成体系的理论依据来指导自己的课题研究以致理论依据比较单薄，无法支撑课题。
（2）盲目的选取材料 在进行课题的研究过程中，对于浩瀚如烟的资料，刚开始时我将显得分外芒然，不知该怎么从这些资料中选取有用的资料来为课题服务。解决方法
通过老师的讲解及专业知识的学习，加深对于课题理论知识的认识和了解。收集资料初步研究，在找到相关资料后，对问题进行初步讨论和研究，查找解决问题的有关理论、文献，充分占有资料，听取专业老师及各方意见，以便为总体计划的拟定做好诊断性评价。
6、总结
目前新型功能材料是世界各国研究的热点，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷，新型功能材料在整个新材料产业中的市场份额越来越大，我国目前在功能材料的创新性研究和产业化方面与发达国家相比仍有较大差距。但近年来，在国家“863”、“973”、国家自然科学基金等计划的支持下在功能材料领域取得了丰硕的成果，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，培养了一批优秀的功能材料研发人才和队伍，随着我国在功能材料系统集成和产学研相结合等方面的完善，我国新型功能材料产业化的能力将得到大幅的提升和快速的发展。
参考文献
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[5]高技术新材料要览编辑委员会.高技术新材料要览.北京：中国科学技术出版社
[6]师昌绪.新型材料与材料科学.北京: 科学出版社,1988.14
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