Más información sobre materiales químicos funcionales
Los materiales funcionales son el núcleo del campo de los nuevos materiales y juegan un papel importante en la promoción y apoyo al desarrollo de alta tecnología. En el campo de la investigación mundial de nuevos materiales, los materiales funcionales representan alrededor del 85%. Con la llegada de la sociedad de la información, los materiales funcionales especiales desempeñan un papel importante en la promoción y apoyo del desarrollo de la alta tecnología. Son materiales clave en campos de alta tecnología como la información, la biología, la energía, la protección del medio ambiente y el espacio en el siglo XXI. Se han convertido en el foco de la investigación y el desarrollo en el campo de nuevos materiales en varios países del mundo. También son el foco de la competencia estratégica para el desarrollo de alta tecnología en varios países del mundo.
En vista del importante estado de los materiales funcionales, los países de todo el mundo conceden gran importancia a la investigación de la tecnología de materiales funcionales. Desde 65438 hasta 2009, más de 200 científicos en los Estados Unidos escribieron el informe "Ciencia de materiales e ingeniería de materiales en la década de 1990", proponiendo que 5 de los 6 materiales apoyados por el gobierno eran materiales funcionales. De 1995 a 2001, los materiales funcionales especiales y las tecnologías de productos representaron una gran proporción en el Informe Bienal Nacional de Tecnología Clave de Estados Unidos. En 2001, el séptimo informe de investigación sobre previsión tecnológica publicado por el Instituto de Política Científica y Tecnológica del Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología del Japón enumeró 100 cuestiones importantes que afectan al futuro, más de la mitad de las cuales eran nuevos materiales o Cuestiones que dependen del desarrollo de nuevos materiales, y la mayoría de ellos es un material funcional. Tanto el Sexto Plan Marco de la UE como el Plan Nacional Coreano enumeran la tecnología de materiales funcionales como una de las tecnologías clave apoyadas en sus respectivos últimos planes de desarrollo científico y tecnológico. Todos los países otorgan gran importancia al papel destacado de los materiales funcionales en el desarrollo de la economía nacional, el mantenimiento de la seguridad nacional, la mejora de la salud y la calidad de vida de las personas.
El estado de desarrollo de nuevos materiales funcionales en el extranjero
En la actualidad, los materiales funcionales internacionales y sus tecnologías de aplicación se enfrentan a nuevos avances, como materiales superconductores, materiales microelectrónicos, materiales fotónicos e información. Materiales, materiales de conversión y almacenamiento de energía, materiales ambientales ecológicos, materiales biomédicos y diseño molecular y atómico de materiales, etc. El desarrollo de tecnología de materiales funcionales se está convirtiendo en un medio importante para que algunos países desarrollados fortalezcan sus ventajas económicas y militares.
Materiales superconductores Los materiales superconductores prácticos, como NbTi, Nb3Sn, etc., se han comercializado y utilizado en muchos campos, como la resonancia magnética nuclear (NMRI), los imanes superconductores, los grandes imanes de acelerador, etc. Como modelo de aplicaciones de corriente débil superconductora, SQUID desempeña un papel importante en la medición de señales electromagnéticas débiles. Su sensibilidad no tiene comparación con ningún otro dispositivo no superconductor. Sin embargo, debido a que la temperatura crítica de los superconductores convencionales de baja temperatura es demasiado baja, deben usarse en sistemas costosos y complejos de helio líquido (4,2 K), lo que limita severamente el desarrollo de aplicaciones superconductoras de baja temperatura.
La aparición de superconductores de óxido de alta temperatura ha superado la barrera de la temperatura y ha aumentado la temperatura de aplicación de la superconductividad desde helio líquido (4,2 K) hasta nitrógeno líquido (77 K). En comparación con el helio líquido, el nitrógeno líquido es un refrigerante muy económico con alta capacidad calorífica, lo que aporta una gran comodidad a las aplicaciones de ingeniería. Además, los superconductores de alta temperatura tienen un campo crítico superior muy alto [Hc2 (4K) >: 50T] y pueden usarse para generar fuertes campos magnéticos por encima de 20T, lo que supera las deficiencias de los materiales superconductores de baja temperatura convencionales. Precisamente por el enorme potencial económico y tecnológico que aportan las características intrínsecas de Tc y Hc2, un gran número de investigadores se han sentido atraídos por utilizar los equipos técnicos más avanzados para estudiar el mecanismo superconductor, las propiedades físicas y químicas de Los materiales con alto contenido de Tc, el proceso de síntesis y la microestructura se han estudiado amplia y profundamente. Los superconductores de óxido de alta temperatura son sistemas multicomponentes muy complejos. Durante el proceso de investigación, se encontrarán cuestiones importantes que afectan a muchos campos, incluida la física de la materia condensada, la química de cristales, la tecnología de procesos y el análisis de microestructuras. Algunas de las últimas tecnologías y métodos en el campo de la investigación de la ciencia de materiales, como la tecnología amorfa, la tecnología de nanopolvos, la tecnología magnetoóptica, la microscopía de túnel, la microscopía de iones de campo, etc., se utilizan para estudiar superconductores de alta temperatura, muchos de los cuales involucrar cuestiones de frontera en la ciencia de materiales. La investigación sobre materiales superconductores de alta temperatura ha logrado avances importantes en monocristales, películas delgadas, materiales a granel, cables y aplicaciones.
Como parte importante de la alta tecnología, los materiales biomédicos han entrado en una nueva etapa de rápido desarrollo y sus ventas en el mercado están aumentando a una tasa anual del 16%. Se prevé que dentro de 20 años, la proporción de materiales biomédicos alcanzará al mercado farmacéutico y se convertirá en una industria pilar. Las cerámicas bioactivas se han convertido en la dirección principal de las biocerámicas médicas; los materiales poliméricos biodegradables son una dirección importante de los materiales poliméricos médicos; la investigación de los biomateriales compuestos médicos se centra en el endurecimiento de los biomateriales y los biomateriales funcionales, que también tienen funciones terapéuticas. activo.
Materiales energéticos Los materiales de células solares son un tema candente en la investigación y el desarrollo de nuevos materiales energéticos. La célula solar compuesta multicapa desarrollada por IBM tiene una tasa de conversión de hasta el 40%.
Alrededor del 50% del financiamiento total del Departamento de Energía de EE. UU. para la investigación de la energía del hidrógeno se utiliza para la tecnología de almacenamiento de hidrógeno. La investigación sobre pilas de combustible de óxido sólido es muy activa y se centra en materiales de baterías como membranas de electrolitos sólidos y materiales catódicos, así como membranas orgánicas de intercambio de protones para pilas de combustible de membranas de intercambio de protones. , estos son puntos críticos de investigación actuales.
Materiales ecológicos y ambientales Los materiales ecoambientales son un nuevo campo formado en la investigación internacional de nuevos materiales de alta tecnología en la década de 1990. Su I+D es muy activa en países desarrollados como Japón, Estados Unidos y Alemania. Las principales direcciones de investigación son: ① Tecnologías de materiales directamente relacionadas con cuestiones ambientales, como tecnología de materiales biodegradables, tecnología de solidificación de gas CO2, tecnología de conversión catalítica de SOx y óxido de nitrógeno, tecnología de reciclaje de recursos residuales, tecnología de remediación de la contaminación ambiental y preparación y limpieza de materiales durante el procesamiento. . (2) Desarrollar materiales compatibles con el medio ambiente que permitan el desarrollo económico sostenible, como materiales biónicos, materiales respetuosos con el medio ambiente, materiales sustitutos de sustancias nocivas como el freón y el amianto, nuevos materiales ecológicos, etc.; ③ Evaluación de coordinación ambiental de materiales.
Materiales inteligentes Los materiales inteligentes son la cuarta generación de materiales después de los materiales naturales, los materiales poliméricos sintéticos y los materiales diseñados artificialmente. Son una de las direcciones importantes para el desarrollo de nuevos materiales modernos de alta tecnología y respaldarán. futuro desarrollo de alta tecnología, haciendo que los límites entre materiales funcionales y materiales estructurales en el sentido tradicional desaparezcan gradualmente, logrando la funcionalización estructural y la diversificación funcional. Los científicos predicen que el desarrollo y la aplicación a gran escala de materiales inteligentes desencadenarán una gran revolución en el desarrollo de la ciencia de los materiales. Los países extranjeros han logrado muchos avances tecnológicos en la investigación y el desarrollo de materiales inteligentes, como los sensores de alambre de acero de British Aerospace, que se utilizan para probar la tensión y la temperatura en los revestimientos de los aviones, el Reino Unido ha desarrollado una aleación con memoria de forma de respuesta rápida con una vida útil; De 100 años. Decenas de miles de ciclos, alta potencia de salida. Cuando se utiliza como freno, el tiempo de reacción es de sólo 10 minutos. La aplicación de materiales inteligentes como materiales piezoeléctricos, materiales magnetoestrictivos, materiales poliméricos conductores, fluidos electrorreológicos y fluidos magnetorreológicos en el campo de la aviación ha logrado una gran cantidad de resultados innovadores.
La situación actual y la brecha en el desarrollo de materiales funcionales en China
Mi país concede gran importancia al desarrollo de materiales funcionales. Los materiales funcionales están incluidos en los proyectos nacionales clave. 863", "973" y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China. Ocupa una gran proporción. En el "Noveno Plan Quinquenal" y el "Décimo Plan Quinquenal", los materiales funcionales especiales también figuran como materiales de "vanguardia en defensa". La implementación de estas acciones científicas y tecnológicas ha permitido a nuestro país alcanzar resultados fructíferos en el campo de los materiales funcionales. Con el apoyo del programa "863", hemos desarrollado materiales superconductores, materiales para pantallas planas, materiales funcionales de tierras raras, materiales biomédicos, almacenamiento de hidrógeno y otros materiales funcionales, películas de diamante, materiales propulsores sólidos de alto rendimiento, materiales invisibles en infrarrojos, diseño de materiales y En nuevos campos como la predicción del rendimiento, se han logrado una serie de resultados de investigación que se acercan o alcanzan el nivel avanzado internacional, ocupando un lugar en el mundo. Los principales indicadores de rendimiento y la tecnología de producción de las baterías de hidruro metálico de níquel y de iones de litio han alcanzado el nivel extranjero avanzado, promoviendo la industrialización de las baterías de hidruro metálico de níquel. Se han logrado avances notables en la investigación y el desarrollo de materiales cerámicos funcionales. En cuanto a los componentes electrónicos de chip, mi país ha logrado avances en la investigación de materiales de porcelana de alto rendimiento, ha formado sus propias características y ha realizado la industrialización de materiales de porcelana de baja cocción y electrodos de metal base, colocando los materiales y componentes de condensadores de chip en las filas avanzadas del mundo; Se han logrado avances significativos en la investigación, el desarrollo y la industrialización de productos NdFeB de alta calidad, y algunos componentes y tecnologías relacionadas han obtenido derechos de propiedad intelectual independientes. Los materiales funcionales también han hecho contribuciones decisivas a proyectos de defensa nacional como "dos bombas y una". satélite", "cuatro equipos principales y cuatro satélites".
En la actualidad, la investigación internacional sobre materiales funcionales es muy activa, llena de oportunidades y desafíos, y van surgiendo una tras otra nuevas tecnologías y patentes. Los países desarrollados están tratando de formar un monopolio tecnológico en el campo de materiales funcionales especiales a través de derechos de propiedad intelectual, tratando de ocupar el vasto mercado de China. Esta situación ha causado gran preocupación en el país. En los últimos años, mi país ha fortalecido la protección de patentes en los campos de nuevos imanes permanentes de tierras raras, biomedicina, materiales ecológicos y respetuosos con el medio ambiente, materiales catalíticos y tecnologías. Sin embargo, deberíamos ver que la investigación innovadora actual de mi país sobre materiales funcionales no es suficiente, y que el número de solicitudes de patentes, especialmente el número de patentes originales internacionales, aún está lejos de ser proporcional al estatus de mi país. Los materiales funcionales de nuestro país también tienen deficiencias en la integración del sistema y necesitan ser mejorados y desarrollados.
En los próximos cinco a diez años, la economía, la sociedad y la seguridad nacional de China tendrán una enorme demanda de materiales funcionales, y los materiales funcionales son nuevos materiales clave relacionados con si China puede lograr con éxito el tercer paso de su estrategia. objetivos.
Enfoque de desarrollo
Tecnología de preparación y aplicación de materiales superconductores de alta temperatura
Materiales funcionales de tierras raras
Nuevos materiales y tecnologías de conversión de energía (Materiales energéticos)
Materiales biomédicos
Materiales y tecnología de ingeniería olímpica ecológica
Materiales y tecnología de membranas de separación (agua de mar, membrana cloro-álcali)
Materiales de impresión (fabricación de planchas, fotosensibilidad) y visualización (diodos emisores de luz orgánicos)
Transformación de alta tecnología de las tecnologías industriales tradicionales
Selección de tecnologías clave
Materiales energéticos
①Pila de combustible de óxido sólido:
La pila de combustible de óxido sólido (SOFC) es un nuevo dispositivo de energía verde con mayor eficiencia de conversión y efecto de ahorro de energía que el combustible de membrana de intercambio de protones. La celda puede reducir las emisiones de dióxido de carbono en un 50% y no produce óxidos de nitrógeno. Se ha convertido en una nueva tecnología energética enfocada al desarrollo en los países desarrollados.
Sin embargo, la temperatura de funcionamiento de las pilas de combustible de óxido sólido actualmente estudiadas alcanza los 800 ~ 900 °C, y la preparación del material de sus componentes clave siempre ha sido un cuello de botella que restringe el desarrollo de pilas de combustible de óxido sólido. Las tecnologías clave que deben avanzar son: a) materiales de electrodos de alto rendimiento y su tecnología de preparación; b) tecnología de preparación de nuevos materiales de electrolitos y membranas de electrolitos de soporte de electrodos; c) diseño optimizado de la estructura de la batería y su proceso de preparación; Investigación sobre la estructura, el rendimiento y las características de la batería.
② Comercialización de células solares basadas en silicio con una eficiencia de conversión fotoeléctrica superior al 18%.
Desarrollar células solares comerciales de bajo costo y de gran superficie y sus componentes. Conversión fotoeléctrica La eficiencia es superior al 18%.
③ Utilización integral de la energía solar (fotovoltaica, termoeléctrica, intercambio de calor) y su tecnología de acoplamiento con la generación de energía eólica; establecer e implementar un sistema solar fotovoltaico, termoeléctrico y de intercambio de calor enfocado en el back-end con un enfoque general; eficiencia de utilización del 15% y establecer una práctica central eléctrica terrestre distribuida que utilice de manera integral la energía solar y combine la generación de energía eólica, que se puede conectar a la red para el suministro de energía.
Materiales de tierras raras
①Materiales catalíticos de tierras raras
②Materiales de imanes permanentes de tierras raras
Avance en alto rendimiento (N50), alta uniformidad , Tecnologías clave para la industrialización de materiales magnéticos permanentes de tierras raras sinterizados de alta temperatura de funcionamiento y bajo coeficiente de temperatura y materiales magnéticos permanentes de tierras raras adheridos de alto rendimiento (producto de energía magnética 20MGOe).
③Sistema de iluminación LED de color blanco de bajo consumo, alto brillo y larga duración.
El sistema de iluminación LED de bajo costo, alto brillo y larga vida útil se ha industrializado y ha llegado a los hogares de la gente corriente.
Materiales biomédicos
①Biochip;
②Materiales de reemplazo de tejidos duros y blandos humanos biocompatibles, degradables o renovables;
③ Materiales de purificación de sangre y Dispositivos con reconocimiento molecular y funciones inmunes específicas.
Materiales ecológicos y medioambientales
① Tecnología de separación por membranas orgánicas: aplicación e industrialización de membranas orgánicas con una eficiencia de desalinización del 50% en agua de mar (o agua salina).
②Materiales y tecnologías para la vegetación fijadora de arena;
③Materiales de construcción que ahorran energía y son respetuosos con el medio ambiente y sus tecnologías clave:
Superando la producción diaria de 2000 toneladas de tecnología de sinterización de cemento fluidizado, su consumo unitario de energía y emisiones de polvo son menores que el nuevo proceso seco actual para lograr la industrialización de la producción de vidrio arquitectónico flotado por combustión de oxígeno puro;
Materiales funcionales especiales
① Membrana catalítica de separación inorgánica: rompa la tecnología de preparación clave de la membrana catalítica de separación inorgánica (membrana permeable al oxígeno, membrana de tamiz molecular, membrana permeable al hidrógeno) y establezca una membrana natural Conversión y síntesis catalítica de gas Unidades de producción de demostración para combustibles gaseosos y líquidos, conversión directa de gas natural en etileno, etanol a partir de materias primas de biomasa y producción de hidrógeno a partir de gas natural.
②Película de diamante óptico de gran tamaño;
③Materiales magnéticos orgánicos: la tecnología clave para romper los materiales magnéticos orgánicos intrínsecos.
④ Materiales sensibles y sensores.