Los materiales de silicato tradicionales son diferentes de los materiales funcionales.
Los materiales funcionales se refieren a excelentes funciones eléctricas, magnéticas, ópticas, térmicas, acústicas, mecánicas, químicas y biomédicas, así como a efectos físicos, químicos y biológicos especiales, que pueden completar la conversión mutua de funciones. se utilizan principalmente materiales de alta tecnología utilizados en la fabricación de diversos componentes funcionales y ampliamente utilizados en diversos campos de alta tecnología.
Los materiales funcionales son el núcleo del campo de los nuevos materiales y la base y precursor de la economía nacional, el desarrollo social y la construcción de la defensa nacional. Se trata de la alta tecnología moderna y sus industrias, como la tecnología de la información, la tecnología de bioingeniería, la tecnología energética, la nanotecnología, la tecnología de protección ambiental, la tecnología espacial, la tecnología informática y la tecnología de ingeniería oceánica. Los materiales funcionales no solo desempeñan un papel importante en la promoción y apoyo del desarrollo de alta tecnología, sino que también desempeñan un papel importante en la promoción de la transformación y mejora de las industrias tradicionales relacionadas de mi país y en el logro de un desarrollo de gran avance.
Hay muchos tipos de materiales funcionales con una amplia gama de usos que están formando un clúster industrial de alta tecnología a gran escala, que tiene perspectivas de mercado muy amplias y una importancia estratégica extremadamente importante. Los países de todo el mundo otorgan gran importancia a la investigación, el desarrollo y la aplicación de materiales funcionales. Esto se ha convertido en el foco y el foco de la investigación y el desarrollo de nuevos materiales en varios países del mundo, y también es el foco de la competencia estratégica por la alta tecnología. desarrollo en varios países del mundo. En el campo de la investigación mundial de nuevos materiales, los materiales funcionales representan alrededor del 85%. Muchos proyectos de tecnología de materiales funcionales (que representan alrededor del 70% en el campo de nuevos materiales) se han organizado en el Programa de Alta Tecnología (863), el Programa Nacional Principal de Investigación Básica [973] y los proyectos de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de mi país, y un gran número de los resultados de la investigación se han logrado.
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 elevado 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 campos magnéticos fuertes 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, ha atraído a un gran número de trabajadores científicos a 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 los 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; el enfoque de la investigación de los biomateriales compuestos médicos es 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.
3. Análisis de la demanda de materiales funcionales debido al desarrollo social y económico nacional e internacional.
1) Análisis de la demanda extranjera de materiales funcionales
Se prevé que en 2001, las ventas de la industria de nueva tecnología de materiales en el mercado mundial superarán los 400 mil millones de dólares estadounidenses, de cuyos materiales funcionales representarán aproximadamente el 75 ~ 80%. En cuanto a algunos materiales funcionales especiales, el mercado también es enorme. En 1995, las ventas en el mercado mundial de materiales cerámicos funcionales de información y sus productos alcanzaron los 21 mil millones de dólares y se espera que alcancen los 80 mil millones de dólares en 2010. Las ventas de materiales superconductores alcanzaron los 8.000 millones de dólares en 2000 y se espera que alcancen los 60.000 millones de dólares en 2010, de los cuales las ventas mundiales de equipos de energía superconductores de alta temperatura alcanzarán entre 5.000 y 6.000 millones de dólares. Para 2020, el valor de la producción mundial de las industrias relacionadas con los superconductores (estimado a precios de 1995) puede alcanzar los 15 mil millones en el año 2000. En 2010, la demanda del mercado mundial de materiales magnéticos permanentes de NdFeB alcanzará los 1,46 millones de toneladas, con un valor de producción de 8 mil millones de dólares, lo que elevará el valor de producción de las industrias relacionadas a 70 mil millones de dólares. Los materiales biomédicos son un campo de alta tecnología en rápido desarrollo. En la actualidad, el valor de producción global de materiales y productos biomédicos supera los 70 mil millones de dólares, y en Estados Unidos es de unos 40 mil millones de dólares, el equivalente a la industria de semiconductores. Es una de las seis industrias más activas y productoras de exportaciones de la economía estadounidense. En los últimos años ha mantenido un crecimiento sostenido superior al 20% cada año. Se estima que en la primera década de este siglo la industria de materiales biomédicos alcanzará una cuota del mercado farmacéutico. A medida que los gobiernos de todo el mundo adopten ampliamente políticas de desarrollo sostenible, la demanda del mercado de materiales ecológicos y respetuosos con el medio ambiente también crecerá rápidamente, y se espera que la demanda social supere los 50 mil millones de dólares en 2010.
Se puede ver que en la economía global, tanto la escala como la tasa de crecimiento de la demanda de materiales funcionales especiales son bastante sorprendentes.
2) Análisis de la demanda interna de materiales funcionales
Como país grande con una población de 65.438+02 mil millones, China está implementando una gran estrategia de desarrollo de tercer paso. Esta situación nacional básica y el importante papel y estatus de los materiales funcionales especiales en el desarrollo económico y social determinan que la demanda de materiales funcionales de mi país será enorme.
Los materiales funcionales no solo son materiales básicos importantes para el desarrollo de campos de alta tecnología como la tecnología de la información, la biotecnología y la tecnología energética en mi país, sino también la base para transformar y mejorar los sistemas básicos y tradicionales de mi país. Están directamente relacionados con los recursos de mi país, el medio ambiente y el desarrollo sostenible de la sociedad.
La modernización de la defensa nacional de China ha sido bloqueada y embargada por los países occidentales liderados por Estados Unidos. Los materiales funcionales especiales clave de China para la defensa nacional no pueden resolverse mediante importaciones. China debe seguir el camino de la independencia y la autosuficiencia. . Como comunicaciones militares, aviación, aeroespacial, misiles, fusión termonuclear, armas láser, lidar, nuevos aviones de combate, principales tanques de batalla y componentes militares de alta densidad de energía, etc. , son inseparables del soporte de materiales funcionales especiales.
El rápido crecimiento económico y el desarrollo social sostenible de China requieren urgentemente el desarrollo de nuevas energías y materiales energéticos. Los materiales energéticos son factores clave en el desarrollo de la tecnología energética y la mejora de la producción y utilización de la energía. Actualmente, China es el país con el consumo de energía de más rápido crecimiento en el mundo y también es un país con escasez de energía. Medidas políticas como el desarrollo de vehículos eléctricos, el uso de energía limpia y la conservación de los recursos petroleros han aumentado la demanda de nuevos materiales de conversión y almacenamiento de energía. En los últimos años, con el rápido desarrollo de la tecnología de la información electrónica, el número de usuarios de aparatos portátiles como teléfonos móviles y computadoras portátiles en mi país ha aumentado más del 20% cada año, creando una enorme demanda social de dispositivos pequeños y de alta energía. -baterías de densidad.
Con el rápido aumento de las tecnologías de la información electrónica de nueva generación, como las comunicaciones móviles, la cerámica funcional de la información, como núcleo de una gran cantidad de componentes electrónicos básicos, se ha convertido cada vez más en el foco de la alta tecnología relacionada de mi país. necesidades de desarrollo. Calculadas sobre la base de una cuota de mercado mundial del 5%, las ventas anuales de materiales y productos cerámicos funcionales de la información de China alcanzarán los 30 mil millones de yuanes en 2010, desempeñando un papel importante en el desarrollo de la industria de la información y las comunicaciones.
China es un importante país de tierras raras, con reservas industriales que representan más del 70% de las reservas totales del mundo. China tiene ventajas de recursos únicas en el desarrollo de materiales funcionales de tierras raras. Por ejemplo, la tasa de crecimiento anual promedio de los materiales magnéticos permanentes de tierras raras en el mundo es del 23%, mientras que en China llega al 60%. En 1995, la producción mundial de materiales magnéticos permanentes de NdFeB fue de 6.000 toneladas, de las cuales China produjo 2.000 toneladas, lo que representa 1/3 del total. Se prevé que la producción mundial de materiales magnéticos permanentes de NdFeB alcanzará las 146.000 toneladas en 2010. La aplicación de tierras raras en campos como la luminiscencia y la catálisis también tiene una amplia demanda en el mercado.
El oeste de China también es rico en recursos, como tierras raras, tungsteno, titanio, molibdeno, tantalio, niobio, vanadio y litio. Algunas reservas industriales representan incluso más de la mitad de las reservas totales del mundo. Estos recursos son materias primas importantes para materiales funcionales especiales. La investigación y el desarrollo de materiales funcionales especiales relacionados con los elementos anteriores, la ampliación de sus campos de aplicación y la obtención de derechos de propiedad intelectual independientes mejorarán en gran medida la competitividad de los materiales y productos funcionales especiales relevantes de mi país en el mercado internacional para la realización de alto valor agregado. Utilización de los recursos occidentales, el oeste Es de gran importancia transformar las ventajas de los recursos en ventajas tecnológicas y ventajas económicas, y apoyará firmemente el desarrollo occidental del país.
Con la mejora adicional de la calidad de vida del pueblo chino, el mercado potencial de materiales biomédicos de China pronto se transformará en un mercado real dinámico, creando así enormes beneficios sociales y económicos y convirtiéndose en la columna vertebral del sistema nacional. economía.
China ha establecido el principio de "resolver la protección durante el desarrollo y lograr un desarrollo sostenible sobre la base de la protección del medio ambiente", ha firmado convenios internacionales pertinentes y ha adoptado leyes y reglamentos nacionales de protección del medio ambiente para satisfacer la demanda de protección ecológica y Materiales respetuosos con el medio ambiente. El desarrollo ha creado condiciones favorables. El desarrollo de materiales ecológicos y ambientales no sólo tiene enormes necesidades sociales y económicas, sino que también juega un papel importante en la adhesión de mi país a la OMC, su integración a la comunidad internacional y la mejora de su estatus internacional. Además, los materiales ecológicos y respetuosos con el medio ambiente también desempeñan un papel especial en los proyectos olímpicos "tecnológicos, humanistas y ecológicos" de China.
En resumen, en los próximos cinco a diez años, la economía, la sociedad y la seguridad nacional de mi país tendrán una gran demanda de materiales funcionales. Los materiales funcionales son nuevos materiales clave relacionados con si nuestro país puede lograr con éxito el tercero. paso de objetivos estratégicos.
4. Enfoque de desarrollo y selección de tecnología clave
1) 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 tecnologías de ingeniería olímpica verde
Materiales y tecnologías de membranas de separación (agua de mar, membrana cloro-álcali)
Materiales de impresión (fabricación de placas, fotosensibilidad) y visualización (diodos emisores de luz orgánicos)
Transformación de alta tecnología de los tradicionales tecnologías industriales
2) Selección de tecnologías clave
Materiales energéticos
①Pila de combustible de óxido sólido:
Pila de combustible de óxido sólido (SOFC) es un nuevo tipo de dispositivos de energía verde que tienen mayor eficiencia de conversión y efectos de ahorro de energía que las celdas de combustible de membrana de intercambio de protones. Pueden reducir las emisiones de dióxido de carbono en un 50% y no producen óxidos de nitrógeno. Se han convertido en una nueva tecnología energética enfocada en el 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%.
③Utilización 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 una utilización general. eficiencia 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:
Rompiendo las 2000 toneladas diarias producción de tecnología de sinterización de cemento fluidizado, su consumo de energía unitario 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 membranas naturales 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.
Materiales superconductores
Tecnología de preparación y aplicación de materiales superconductores de alta temperatura