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耐磨材料發展趨勢
文: 來源:中國防磨網 時間:2010-5-13 點擊:7636
耐磨材料是一大類具有特殊電、磁、光、聲、熱、力、化學以及生物功能的新型材料,是信息技術、生物技術、能源技術等高技術領域和國防建設的重要基礎材料,同時也對改造某些傳統產業,如農業、化工、建材等起著重要作用。耐磨材料種類繁多,用途廣泛,正在形成一個規模宏大的高技術產業群,有著十分廣闊的市場前景和極為重要的戰略意義。耐磨材料按使用性能分,可分為微電子材料、光電子材料、傳感器材料、信息材料、生物醫用材料、生態環境材料、能源材料和機敏(智能)材料。由于我們已把電子信息材料單獨作為一類新材料領域,所以這里所指的新型耐磨材料是除電子信息材料以外的主要耐磨材料。

耐磨材料是新材料領域的核心,對高新技術的發展起著重要的推動和支撐作用,在全球新材料研究領域中,耐磨材料約占 85 % 。隨著信息社會的到來,特種耐磨材料對高新技術的發展起著重要的推動和支撐作用,是二十一世紀信息、生物、能源、環保、空間等高技術領域的關鍵材料,成為世界各國新材料領域研究發展的重點,也是世界各國高技術發展中戰略競爭的熱點。

鑒于耐磨材料的重要地位,世界各國均十分重視耐磨材料技術的研究。 1989年美國200多位科學家撰寫了《90年代的材料科學與材料工程》報告,建議政府支持的6類材料中有5類屬于耐磨材料。從1995年至2001年每兩年更新一次的《美國國家關鍵技術》報告中,特種耐磨材料和制品技術占了很大的 比例 。2001年日本文部省科學技術政策研究所發布的第七次技術預測研究報告中列出了影響未來的100項重要課題,一半以上的課題為新材料或依賴于新材料發展的課題,而其中絕大部分均為耐磨材料。歐盟的第六框架計劃和韓國的國家計劃等在他們的最新科技發展計劃中, 都把耐磨材料技術列為關鍵技術之一加以重點支持。各國都非常強調耐磨材料對發展本國國民經濟、保衛國家安全、增進人民健康和提高人民生活質量等方面的突出作用。

1、新型耐磨材料國外發展現狀

當前國際耐磨材料及其應用技術正面臨新的突破,諸如超導材料、微電子材料、光子材料、信息材料、能源轉換及儲能材料、生態環境材料、生物醫用材料及材料的分子、原子設計等正處于日新月異的發展之中,發展耐磨材料技術正在成為一些發達國家強化其經濟及軍事優勢的重要手段。

超導材料 以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導材料已實現了商品化,在核磁共振人體成像(NMRI)、超導磁體及大型加速器磁體等多個領域獲得了應用;SQUID作為超導體弱電應用的典范已在微弱電磁信號測量方面起到了重要作用,其靈敏度是其它任何非超導的裝置無法達到的。但是,由于常規低溫超導體的臨界溫度太低,必須在昂貴復雜的液氦(4.2K)系統中使用,因而嚴重地限制了低溫超導應用的發展。

高溫氧化物超導體的出現,突破了溫度壁壘,把超導應用溫度從液氦( 4.2K)提高到液氮(77K)溫區。同液氦相比,液氮是一種非常經濟的冷媒,并且具有較高的熱容量,給工程應用帶來了極大的方便。另外,高溫超導體都具有相當高的上臨界場[H c2 (4K)>50T],能夠用來產生20T以上的強磁場,這正好克服了常規低溫超導材料的不足之處。正因為這些由本征特性Tc、Hc2所帶來的在經濟和技術上的巨大潛在能力,吸引了大量的科學工作者采用最先進的技術裝備,對高Tc超導機制、材料的物理特性、化學性質、合成工藝及顯微組織進行了廣泛和深入的研究。高溫氧化物超導體是非常復雜的多元體系,在研究過程中遇到了涉及多種領域的重要問題,這些領域包括凝聚態物理、晶體化學、工藝技術及微結構分析等。一些材料科學研究領域最新的技術和手段,如非晶技術、納米粉技術、磁光技術、隧道顯微技術及場離子顯微技術等都被用來研究高溫超導體,其中許多研究工作都涉及了材料科學的前沿問題。高溫超導材料的研究工作已在單晶、薄膜、體材料、線材和應用等方面取得了重要進展。

生物醫用材料 作為高技術重要組成部分的生物醫用材料已進入一個快速發展的新階段,其市場銷售額正以每年16%的速度遞增,預計20年內,生物醫用材料所占的份額將趕上藥物市場,成為一個支柱產業。生物活性陶瓷已成為醫用生物陶瓷的主要方向;生物降解高分子材料是醫用高分子材料的重要方向;醫用復合生物材料的研究重點是強韌化生物復合材料和功能性生物復合材料,帶有治療功能的HA生物復合材料的研究也十分活躍。

能源材料 太陽能電池材料是新能源材料研究開發的熱點,IBM公司研制的多層復合太陽能電池,轉換率高達40%。美國能源部在全部氫能研究經費中,大約有50%用于儲氫技術。固體氧化物燃料電池的研究十分活躍,關鍵是電池材料,如固體電解質薄膜和電池陰極材料,還有質子交換膜型燃料電池用的有機質子交換膜等,都是目前研究的熱點。

生態環境材料 生態環境材料是20世紀90年代在國際高技術新材料研究中形成的一個新領域,其研究開發在日、美、德等發達國家十分活躍,主要研究方向是:①直接面臨的與環境問題相關的材料技術,例如,生物可降解材料技術,CO 2 氣體的固化技術,SOx、NOx催化轉化技術、廢物的再資源化技術,環境污染修復技術,材料制備加工中的潔凈技術以及節省資源、節省能源的技術;②開發能使經濟可持續發展的環境協調性材料,如仿生材料、環境保護材料、氟里昂、石棉等有害物質的替代材料、綠色新材料等;③材料的環境協調性評價。

智能材料 智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之后的第四代材料,是現代高技術新材料發展的重要方向之一,將支撐未來高技術的發展,使傳統意義下的耐磨材料和結構材料之間的界線逐漸消失,實現結構功能化、功能多樣化?茖W家預言,智能材料的研制和大規模應用將導致材料科學發展的重大革命。國外在智能材料的研發方面取得很多技術突破,如英國宇航公司在導線傳感器,用于測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況;英國開發出一種快速反應形狀記憶合金,壽命期具有百萬次循環,且輸出功率高,以它作制動器時、反應時間,僅為10分鐘;在壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅動組件材料在航空上的應用取得大量創新成果。

2、國內耐磨材料發展的現狀和差距

我國非常重視耐磨材料的發展,在國家攻關、“ 863”、“973”、國家自然科學基金等計劃中,耐磨材料都占有很大比例。在“九五”“十五”國防計劃中還將特種耐磨材料列為“國防尖端”材料。這些科技行動的實施,使我國在耐磨材料領域取得了豐碩的成果。在“863”計劃支持下,開辟了超導材料、平板顯示材料、稀土耐磨材料、生物醫用材料、儲氫等新能源材料,金剛石薄膜,高性能固體推進劑材料,紅外隱身材料,材料設計與性能預測等耐磨材料新領域,取得了一批接近或達到國際先進水平的研究成果,在國際上占有了一席之地。鎳氫電池、鋰離子電池的主要性能指標和生產工藝技術均達到了國外的先進水平,推動了鎳氫電池的產業化;功能陶瓷材料的研究開發取得了顯著進展,以片式電子組件為目標,我國在高性能瓷料的研究上取得了突破,并在低燒瓷料和賤金屬電極上形成了自己的特色并實現了產業化,使片式電容材料及其組件進入了世界先進行列; 高檔釹鐵硼產品的研究開發和產業化取得顯著進展,在某些成分配方和相關技術上取得了自主知識產權; 耐磨材料還在“兩彈一星”、“四大裝備四顆星”等國防工程中作出了舉足輕重的貢獻。

目前世界各國耐磨材料的研究極為活躍,充滿了機遇和挑戰,新技術、新專利層出不窮。發達國家企圖通過知識產權的形式在特種耐磨材料領域形成技術壟斷,并試圖占領中國廣闊的市場,這種態勢已引起我國的高度重視。近年來,我國在新型稀土永磁、生物醫用、生態環境材料、催化材料與技術等領域加強了專利保護。但是,我們應該看到,我國目前耐磨材料的創新性研究不夠,申報的專利數,尤其是具有原創性的國際專利數與我國的地位遠不相稱。我國耐磨材料在系統集成方面也存在不足,有待改進和發展。

3、國內外耐磨材料社會經濟發展需求分析

1) 耐磨材料的國外需求分析

根據預測, 2001年新材料技術產業在世界市場的銷售額將超過4000億美元,,其中耐磨材料約占75~80%。某些特種耐磨材料就其單項而言,其市場也是巨大的。1995年信息功能陶瓷材料及其制品的世界市場銷售額已達210億美元,預期到2010年將達到800億美元;2000年超導材料銷售額已達80億美元,預測2010年的年銷售額預計將達到600億美元,其中高溫超導電力設備的全球銷售額可達50-60億美元,到2020年,全球與超導相關的產業的產值(按1995年的價格估算)可能達到1500億到2000億美元,其中高溫超導占60%;2010年全球釹鐵硼永磁材料的市場需求量將達14.6萬噸,產值達80億美元,帶動相關產業產值700億美元;生物醫用材料是一個正在迅速發展的高技術領域,目前全球生物醫用材料及制品的產值超過700億美元,美國約為400億美元,與半導體產業相當,是美國經濟中最活躍、出口量最大的6個產業之一,近年來一直保持每年20%以上的速率持續增長,預計到本世紀前十年左右,生物醫用材料產業將達到藥物市場的份額;隨著可持續發展政策被各國政府的廣泛采納,生態環境材料的市場需求也將迅速增加,估計2010年的社會需求將高于500億美元?梢,在全球經濟中,特種耐磨材料無論是需求的規模,還是需求的增長速度,都是相當驚人的。

2) 耐磨材料的國內需求分析

中國作為一個 12億人口的大國,正在實施宏偉的第三步發展戰略,這一根本國情加之特種耐磨材料在經濟社會發展中的重要作用和地位,決定了我國對耐磨材料的需求將是巨大的。

耐磨材料不僅是發展我國信息技術、生物技術、能源技術等高技術領域和國防建設的重要基礎材料,而且是改造與提升我國基礎工業和傳統產業的基礎 ,直接關系到我國資源、環境及社會的可持續發展。

我國國防現代化建設一直受到以美國為首的西方國家的封鎖和禁運,所以我國國防用關鍵特種耐磨材料是不可能依靠進口來解決的,必須要走獨立自主、自力更生的道路。如軍事通信、航空、航天、導彈、熱核聚變、激光武器、激光雷達、新型戰斗機、主戰坦克以及軍用高能量密度組件等,都離不開特種耐磨材料的支撐。

我國經濟的快速增長和社會可持續發展,對發展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是發展能源技術、提高能源生產和利用效率的關鍵因素,我國目前是世界上能源消費增長最快的國家,同時也是能源緊缺的國家。發展電動汽車、使用清潔能源、節約石油資源等政策措施使得新型能源轉換及儲能材料的需求不斷增加。近年來,隨著電子信息技術的迅猛發展,我國便攜式電器如手提電話、筆記本計算機用戶每年均以超過 20%的速度增加,形成了一個對小型高能量密度電池的巨大社會需求。

隨著移動通信等新一代電子信息技術的迅速崛起,作為一大批基礎電子元器件技術核心的信息功能陶瓷日益成為我國發展相關高技術的需求重點。按照 5%的世界市場占有率計,2010 年我國信息功能陶瓷材料及制品的年銷售額將達 300億元人民幣,對信息通訊產業發展具有舉足輕重的作用。

我國是一個稀土大國,其工業儲量占世界總儲量的 70%以上,發展稀土耐磨材料我國有著獨特的資源優勢。例如,稀土永磁材料全世界的年平均增長率為23%,而我國高達60%,1995年全球的釹鐵硼永磁材料的生產總量為6000噸,其中我國為2000噸,占總量的1/3,預測2010年全球釹鐵硼永磁材料的產量將達14.6萬噸,產值達80億美元,其中我國的產量將達5.4萬噸,產值達20多億美元,相關器件產值達100~150億美元。稀土在發光、催化等領域的應用也具有廣闊的市場需求。

我國西部還擁有一些儲量豐富的資源,如稀土、鎢、鈦、鉬、鉭、鈮、釩、鋰等,有的工業儲量甚至占世界總儲量的一半以上,這些資源均是特種耐磨材料的重要原材料。研究開發與上述元素相關的特種耐磨材料,拓寬其應用領域,取得自主知識產權,將大幅度地提高我國相關特種耐磨材料及制品的國際市場競爭力,這對實現西部資源的高附加值利用,將西部的資源優勢轉化為技術優勢和經濟優勢具有重要意義,將有力地支持國家的西部大開發。

隨著我國人民生活質量的進一步改善和提高 ,我國潛在的生物醫用材料市場將很快轉化為充滿勃勃生機的現實市場,從而創造出巨大的社會經濟效益,成為國民經濟的一個支柱產業。

我國已確定“在發展中解決保護,在保護環境的基礎上實現持續發展”的原則,簽署了有關國際公約,并通過了國家有關環境保護的法律、法規,這些都為生態環境材料需求發展創造了有利條件。發展生態環境材料,除了在社會和經濟方面具有巨大的需求之外,在政治上還對我國加入 WTO,融入國際社會,提升國際地位具有重要作用。此外,生態環境材料還對我國的“科技、人文、綠色”奧運工程起著特殊的作用。

總之,在未來的五到十年,我國經濟、社會及國家安全對耐磨材料有著巨大的需求,耐磨材料是關系到我國能否順利實現第三步戰略目標的關鍵新材料。

4、發展重點與關鍵技術選擇

1) 發展重點

高溫超導材料制備與應用技術

稀土耐磨材料

新型能量轉換材料與技術(能源材料)

生物醫用材料

綠色奧運工程材料與技術

分辨離膜材料與技術(海水、氯堿膜)

印刷(制版、感光)、顯示( OLED)材料

高新技術改造傳統產業技術

2) 關鍵技術選擇

能源材料

①固體氧化物燃料電池:

固體氧化物燃料電池是一種新型綠色能源裝置,比質子交換膜燃料電池有更高的轉換效率和節能效果,可減少二氧化碳排放 50%,不產生NOx,已成為發達國家重點研究開發的新能源技術。但目前研究的固體氧化物燃料電池的工作溫度達800~900℃,其關鍵部件的材料制備總是成為制約固體氧化物燃料電池發展的瓶頸。應突破的關鍵技術主要有:a)高性能電極材料及其制備技術;b)新型電解質材料及電極支撐電解質隔膜的制備技術;c)電池結構優化設計及其制備技術;d)電池的結構、性能與表征的研究。

②光電轉換效率大于 18%的硅基太陽能電池商品化;

研制出光電轉換效率大于 18%的低成本、大面積、可商業化的硅基太陽能電池及其組件。

③太陽能的綜合利用 (光電、熱電、熱交換)及其與風力發電的耦合技術;建立總體利用效率達15%的追尾聚集光式太陽能光電、熱電、熱交換系統并實用化,建立太陽能綜合利用與風力發電耦合的實用型分布式地面電站,并可并網供電。

稀土材料

①稀土催化材料

②稀土永磁材料

突破高性能 (N50)、高均勻性、高工作溫度、低溫度系數的燒結稀土永磁材料和高性能(磁能積20MGOe)粘結稀土永磁材料的產業化關鍵技術。

③高亮度、長壽命白光 LED節能照明系統

低成本、高亮度、長壽命白光 LED節能照明系統產業化并進入普通百姓家庭。

生物醫用材料

①生物芯片;

②生物兼容性好、可降解或可誘導再生的人體軟、硬組織替換材料;

③具有分子識別和特異免疫功能的血液凈化材料和裝置。

生態環境材料

①有機膜分離技術:海水(或鹽堿水)淡化效率達 50%的有機膜實用化和產業化。

②固沙植被材料與技術;

③節能、環保的建筑材料及其關鍵工藝技術:

突破日產 2000噸的流態化水泥燒成技術,其單位能耗與粉塵排放低于目前的新型干法工藝;實現純氧燃燒生產浮法建筑玻璃的產業化。

特種耐磨材料

①無機分離催化膜:突破無機分離催化膜(透氧膜、分子篩膜、透氫膜)的關鍵制備技術,建立無機分離催化膜用于天然氣催化轉化制備合成氣和液體燃料、天然氣直接轉化制備乙烯、生物質原料制備乙醇、天然氣制氫等方面的示范性生產裝置。

②大尺寸光學金剛石膜;

③有機磁性材料 :突破本征有機磁性材料的關鍵技術。

④敏感材料與傳感器。

超導材料

高溫超導材料的制備與應用技術
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