材料|材料人必看！全球十大前沿材料匯總及未來發(fā)展趨勢預(yù)測！未來熱門研究方向全在這兒
2024-03-26 14:11:06
作者：新材料智庫 來源：新材料智庫
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新材料是指新近發(fā)展或正在發(fā)展的具有優(yōu)異性能的結(jié)構(gòu)材料和有特殊性質(zhì)的功能材料。隨著前沿技術(shù)的快速發(fā)展，新材料頗受各領(lǐng)域的關(guān)注，而新材料的發(fā)展對材料學(xué)子也影響巨大，極有可能成為未來的熱門研究方向。那么，你知道這些前沿材料嘛？今天，小編整理了全球十大前沿材料及未來發(fā)展趨勢，一起來看看吧。
■ 簡介：
全息膜實(shí)際是一種綜合衍射圖(hologram)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，它是國際上首次實(shí)現(xiàn)在無論光源是否充足的情況下，都能透過正面及背面兩側(cè)同時、多角度(即360°) 直接觀看影像的，具有劃時代專利技術(shù)的投影膜。
全息膜因其可提供空中動態(tài)顯示，清晰顯像的同時，能讓觀眾透過投影膜看見背后景物，又能與互動軟件組合，產(chǎn)生三位立體互動影像，使觀者產(chǎn)生身臨其境，玩轉(zhuǎn)空間的感覺，具有高清晰、耐強(qiáng)光、超輕薄、抗老化等無可比擬的眾多優(yōu)勢，而成為未來最具有發(fā)展前景的材料之一。也就是說，在未來勢必會有更多的科研人，聚焦在全息膜上的研究。
■ 未來發(fā)展趨勢：
結(jié)合當(dāng)下的材料發(fā)展趨勢，預(yù)測未來全息膜的發(fā)展趨勢主要包括以下兩方面：
1）分子級別的納米光學(xué)組件將是發(fā)展趨勢，即由全像彩色濾光板結(jié)晶體 (HCFC) 為核心材料，融合納米技術(shù)，材料光、光學(xué)高分子等多學(xué)科成果生產(chǎn)而成。
2）輕薄內(nèi)部蘊(yùn)含先進(jìn)的精密光學(xué)結(jié)構(gòu)，以達(dá)到高清晰、高亮度的完美顯像。成像效果卓越畫面晶瑩剔透，材料簡約纖薄設(shè)計(jì)深蘊(yùn)，用于電子器件、光學(xué)薄膜。
可以說，全息膜這項(xiàng)技術(shù)很多國家都在研制，毫不夸張地說它包含了未來，誰最先掌握并使用這項(xiàng)技術(shù)，誰就最先走入未來的先進(jìn)技術(shù)行列。
金屬氫是液態(tài)或固態(tài)氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的導(dǎo)電體，導(dǎo)電性類似于金屬，故稱金屬氫。金屬氫是一種高密度、高儲能材料，之前的預(yù)測中表明，金屬氫是一種室溫超導(dǎo)體。金屬氫內(nèi)儲藏著巨大的能量，比普通TNT炸藥大30-40倍，2017年1月26日，Science雜志報道哈佛大學(xué)實(shí)驗(yàn)室成功制造出金屬氫。2017年2月22日，由于操作失誤，這塊地球上唯一的金屬氫樣本消失了，從理論上來看，在超高壓下得到金屬氫是確實(shí)可能的，不過，要得到金屬氫樣品，還有待科學(xué)家們進(jìn)一步研究。已掌握的超導(dǎo)材料大多需在液氨 (-269”C) 或液氮 (-196C) 冷卻下使用，這使超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展受到限制，和化學(xué)家不同，天文學(xué)家將氫和氨以外的一切元素統(tǒng)稱為金屬。在高溫和高壓條件下，氣態(tài)的氫也可以成為電導(dǎo)體的金屬氫，以木星為例：最外層是1000公里厚的氣態(tài)分子氫，再往下是24000公里厚的液態(tài)分子氫，再往下是45000公里厚的液態(tài)金屬氫。1936年美國科學(xué)家維那對氫轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俚膲毫ψ髁耸状斡?jì)算，提出了氫轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘俚?/span>臨界壓力是在100萬到1000萬大氣壓的范圍以內(nèi)。金屬氫的超導(dǎo)臨界溫度（即體現(xiàn)超導(dǎo)性質(zhì)最高溫度）是零下223C零下73°C，可能能夠在固態(tài)二氧化碳（- 78.45C）溫度下使用，這將大大推動超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展。由于金屬氫是高密度材料，用它作燃料，火箭的體積和重量都會大大減小，航天事業(yè)將因此而產(chǎn)生巨大的飛躍。一旦金屬氫問世，就如同當(dāng)年蒸汽機(jī)的誕生一樣，將會引起整個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域一場劃時代的革命。金屬氫是一種亞穩(wěn)態(tài)物質(zhì)，可以用它來做成約束等離子體的”磁籠”，把熾熱的電離氣體”盛裝”起來，這樣，受控核聚變反應(yīng)使原子核能轉(zhuǎn)變成了電能，而這種電能將是廉價的又是干凈的，在地球上就會方便地建造起一座座”模仿太陽的工廠”，人類將最終解決能源問題。超固體其實(shí)對應(yīng)的是超流體，指的是一種具備超流特性的固體，也就是集”超流體+固體“特性于一身的物質(zhì)。簡單來說就是超固體既有晶體態(tài)中原子規(guī)則排布的特征又可以像超流體一樣無摩擦流動。在極低溫下超固體晶體中的空隙能夠集中在一起到處流動，如果在超固體一側(cè)的空隙中放上固體，那么固體會隨著這些空隙在超固體中隨意穿梭，甚至直接穿梭就如穿墻術(shù)那樣自由穿梭。這種新物質(zhì)態(tài)只能存在于極低溫且超高真空條件下，這意味著至少目前我們還無法將其應(yīng)用普遍化。不過更深入地理解這種明顯矛盾的物質(zhì)狀態(tài)可以幫助我們更好地理解超流和超導(dǎo)的性質(zhì)，從而極大促進(jìn)超導(dǎo)磁體，超導(dǎo)傳感器以及能量傳輸?shù)刃袠I(yè)的發(fā)展。而在未來，在超固態(tài)、空位將成為相干的實(shí)體，可以在剩下的固體內(nèi)不受阻礙地移動，就像超流一樣。而玻色愛因斯坦凝聚體是一種出現(xiàn)在超冷溫度下的奇異物態(tài)，在如此低的溫度下原子的量子特性變得極其明顯，展現(xiàn)出明顯的波動性。
冷沸材料，是與熱沸材料截然相反的物質(zhì)，是一類隨著溫度的下降依次呈現(xiàn)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)的物質(zhì)。聚集態(tài)冷沸材料在高溫、常溫條件下為固態(tài)，溫度越高其強(qiáng)度越高，最高可耐受1萬攝氏度以上的溫度；在零下121°C變?yōu)橐簯B(tài)；在零下270°C變?yōu)闅鈶B(tài)。冷沸材料是一種超級材料，與目前研制的性能最優(yōu)的耐高溫材料、超導(dǎo)材料相比，冷沸材料的耐高溫性、超導(dǎo)性等優(yōu)點(diǎn)更為突出。在冷沸材料中摻雜惰性熱沸材料，可提升冷沸材料的低溫、超低溫強(qiáng)度，使其在更廣闊溫度范圍內(nèi)具有超高強(qiáng)度特點(diǎn)。冷沸金屬材料在常溫條件下?lián)碛谐瑢?dǎo)特性，無需維持高成本的低溫環(huán)境。因此冷沸材料具有極高研究及應(yīng)用價值。
行業(yè)分析人士表示，冷沸材料可以廣泛應(yīng)用在航空航天、機(jī)械電子設(shè)備等領(lǐng)域。
以航空航天為例，冷沸材料可以制造性能更優(yōu)的航空發(fā)動機(jī)、飛行器外殼等部件，應(yīng)用于第三宇宙速度及以上速度的太空飛行器中。在其超高速度飛行產(chǎn)生超高溫度的情況下，部件材料仍能夠保持超高硬度，同時還可以滿足太空飛行器在宇宙低溫、超低溫環(huán)境中仍能夠良好運(yùn)行的要求。
冷沸材料可推動航空航天產(chǎn)業(yè)科技革命，但其無論是人工制備還是從月球中開采均具有極大難度實(shí)現(xiàn)應(yīng)用還有較長道路要走。
磁流體材料又稱磁性液體、鐵磁流體或磁液，是一種新型的功能材料，它既具有液體的流動性又具有體磁性材料的磁性，是由直徑為納米量級 (10納米以下)的磁性體顆粒、基載液以及界面活性劑三者混合而成的一種穩(wěn)定的膠狀液體。該流體在靜態(tài)時無磁性吸引力，當(dāng)外加磁場作用時，才表現(xiàn)出磁性，正因如此，它才在實(shí)際中有著廣泛的應(yīng)用，在理論上具有很高的學(xué)術(shù)價值。用納米金屬及合金粉末生產(chǎn)的磁流體性能優(yōu)異，可廣泛應(yīng)用于各種苛刻條件的磁性流體密封、減震、醫(yī)療器械、聲音調(diào)節(jié)、光顯示、磁流體選礦等領(lǐng)域。近年來，磁流體材料在航空航天、國防、醫(yī)療、交通等新領(lǐng)域中的應(yīng)用取得了頗多新的科研成果，磁流體的應(yīng)用隨著科技發(fā)展被應(yīng)用到越來越多的領(lǐng)域，相應(yīng)地，對磁流體相關(guān)科學(xué)技術(shù)的要求也在逐漸提高。作為未來極具發(fā)展?jié)摿Φ男虏牧现唬帕黧w材料吸引了各國的關(guān)注。我國在磁流體研究方面雖然起步較晚，但也大有后來居上的勢頭。隨著磁流體高端應(yīng)用技術(shù)由英美等發(fā)達(dá)國家獨(dú)家掌握的局面逐漸被打破，可以預(yù)見的是，未來關(guān)于磁流體材料研究的角力將會越來越激烈。
可編程水泥，通過控制水泥微粒的微觀形狀，將水泥微粒”編程”形成高密度、低孔隙的特種混凝土，使其堅(jiān)固性提高，防水性與耐腐蝕性提升。可編程水泥是一種技術(shù)含量較高的新型水泥，除了其綜合性能得到提升以外，其在生產(chǎn)與應(yīng)用過程中對環(huán)境的危害也大幅降低據(jù)行業(yè)分析人士表示，目前來看，我國在可編程水泥研究方面與美國相比關(guān)注度較低，但為實(shí)現(xiàn)從制造大國向制造強(qiáng)國轉(zhuǎn)變，以及實(shí)現(xiàn)碳中和、可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)，我國政府正在大力推動高性能、高環(huán)保新材料的研究工作，未來，我國新型建筑材料相關(guān)研究投入將不斷加大，可編程水泥相關(guān)研究成果有望不斷增多。
鉑合金是指鉑與其他金屬混合而成的合金，其他金屬有鈀、銠、釔、釕、鈷、鋨、銅等。鉑合金作為功能材料被用作測溫材料、催化劑、電接觸材料、電極材料、彈性材料、水磁材料等。鉑合金測溫材料高溫?zé)犭娦苑€(wěn)定、精度高，主要是鉑銠、鉑鉬和鉑鈷系合金：鉑銠合金有良好高溫抗氧化性和化學(xué)穩(wěn)定性。鉑鉬合金熱電偶是在真空或惰性氣氛及核場測量中使用的高溫?zé)犭娕肌ｃK鈷合金作電阻溫度計(jì)，在20K以上工作有很高的精度和靈敏度。鉑合金催化劑是氨氧化法制取硝酸的唯一材料。催化劑主要是鉑銠或鉑銠鈀合金網(wǎng)。鉑合金在高溫應(yīng)變材料、精密電位器繞組材料、醫(yī)用材料、首飾、貨幣等方面都有廣泛應(yīng)用，未來發(fā)展?jié)摿熬薮蟆?/span>
■ 簡介：
自修復(fù)材料，顧名思義，就是在含有某種材料的物品出現(xiàn)損傷時，不需或者只需很少的干預(yù)，破損處就會自動修復(fù)。這樣，在延長物品壽命、確保其使用安全性和完整性的同時，也降低了維護(hù)成本。對自修復(fù)材料的研究，始于上世紀(jì)90年代的建筑混凝土領(lǐng)域。但直到2001年，世界電化學(xué)家、美國人懷特等人在Nature雜志發(fā)文，將填充修復(fù)劑的微膠囊埋到含催化劑的環(huán)氧樹脂中，才開發(fā)出了聚合物自修復(fù)材料，相關(guān)研究逐步引起國際上的廣泛關(guān)注。隨著自修復(fù)技術(shù)的快速發(fā)展，各種各樣的自修復(fù)材料必將在建筑、汽車、航天、航空、電子等行業(yè)領(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)用，對節(jié)約資源、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展意義重大。
■ 簡介：
仿生材料是指模仿生物的各種特點(diǎn)或特性而研制開發(fā)的材料。通常把仿照生命系統(tǒng)的運(yùn)行模式和生物材料的結(jié)構(gòu)規(guī)律而設(shè)計(jì)制造的人工材料稱為仿生材料。
仿生塑料既具有遠(yuǎn)高于工程塑料的強(qiáng)度，又有很強(qiáng)的韌性和抗裂紋擴(kuò)展性能。在零下130攝氏度至零上150攝氏度范圍內(nèi)，其尺寸變化非常小，在室溫下，它的熱膨脹系數(shù)僅為普通塑料的約十分之一。
■ 未來發(fā)展趨勢：
隨著我國城市化進(jìn)程的加快，社會穩(wěn)定和城市安全等問題逐漸浮出水面，仿生塑料技術(shù)是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。
因此隨著社會經(jīng)濟(jì)和信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，仿生塑料的應(yīng)用將成為未來的新趨勢。
■ 簡介：
耐燒蝕陶瓷材料是一種很有發(fā)展前途的高溫結(jié)構(gòu)材料，熔點(diǎn)高，可用作優(yōu)質(zhì)耐火材料，如熔爐、高溫爐管等。
在耐燒蝕陶瓷材料中，有一種稱為結(jié)構(gòu)材料的材料，主要由強(qiáng)度、硬度、韌性等力學(xué)性能組成。
金屬已廣泛用作結(jié)構(gòu)材料，但由于金屬易腐蝕，在高溫下會氧化，因此不適合在高溫下使用。
高溫結(jié)構(gòu)材料的出現(xiàn)彌補(bǔ)了弱金屬材料的不足。這種材料耐高溫，不怕氧化，耐酸堿腐蝕。
■ 未來發(fā)展趨勢：
耐燒蝕高溫陶瓷具有絕緣、耐高溫，抗腐蝕，機(jī)械性能好等特點(diǎn)，耐高溫陶瓷絕緣涂料具有綠色環(huán)保、高效、多功能性等性能，在特種涂料領(lǐng)域占據(jù)著重要的位置。
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