新材料产业的技术发展

　　新材料产业主要包括电子信息材料、生物医用材料、新能源材料、环保材料、新型建材、高性能结构材料、纳米材料、超导材料八大领域。从应用来看,新材料产业的很多领域是针对特定的行业的,如电子信息材料、生物医用材料、新能源材料、环保材料和新型建材,而有些领域则具有广泛的影响力,如高性能结构材料、纳米材料和超导材料。

　　电子信息材料

　　全球经济在信息产业的蓬勃发展中快速前进,这其中主要得益于电子信息材料技术的提高及新材料的应用。由半导体材料及辅料、光电子材料和新型元器件用材料组成的三大系列,涵盖了现代信息新材料领域的主要方面。信息新材料作为现代信息产业的基石,支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术的发展。
　　虽然光电子技术发展非常快,但是以集成电路为主的电子和微电子技术仍然在目前信息技术中占相当大的比重,以硅材料为主体、化合物半导体材料及新一代高温半导体材料共同发展的局面在21世纪仍将成为集成电路产业发展的主流。
　　单晶硅材料工业是现代信息产业的基础,在可以预见的将来仍将主宰微电子产业。硅晶片属于资金密集型和技术密集型行业,在国际市场上产业相对成熟,生产和技术被日美少数几家大公司所垄断。我国初步具备了生产大直径单晶的产业化能力,但在产品质量和加工深度等方面与国际水平有较大差距。
　　砷化镓材料(GaAs)被公认为是新一代的通信用材料。随着高速信息产业的蓬勃发展,以砷化镓为代表的第二代电子材料——化合物半导体在世界范围内以超出预想的速度发展,全球砷化镓晶片市场正以30%的年增长率迅速形成数十亿美元的大市场,预计未来20年砷化镓市场都具有高增长性。
　　发光二极管(LED)是光电子技术最重要的应用之一。目前,日美两国几乎垄断了高亮度LED市场。目前由于成本的原因,LED只在特定应用中使用,要取代白炽灯用于普通照明,还有很长的路要走。
　　平板显示技术在信息产业中占据着十分重要的位置,包括无机发光二极管(LED)、液晶显示(LCD)、阴极射线管技术(CRT)以及近年来发展迅猛的等离子体(PDP)、场致发射(FED)和有机发光二极管(OLED)等新型平板显示技术。平板化已成为显示技术的发展趋势,预测5～10年内,PDP、FED和OLED有可能分别成为40英寸以上、20～40英寸以及20英寸以下显示应用领域的主要产品。

　　生物医用材料

　　医疗器械产业具有高技术特性,近20年来全球每年以10%的速度递增。美国及欧洲有多家生产人体植入物产品的专业厂商,年销售额均在10亿美元以上,其中美国医疗器械的世界市场份额超过40%,相当于美国半导体工业产值,是美国6个重要出口产业之一。
　　目前,国外生物医用材料技术发展特点包括以下两个方面:
　　——发展重点一是改进和提高常规生物材料的性能,并开发其在临床的新用途,研究重点集中在材料设计和制造工艺的改进;二是探索新的换代材料,开发新品种,发展保证产品安全性和可靠性的检测评价系统。
　　——纳米生物材料、生物芯片和组织工程医疗产品研究和开发。自20世纪80年代以来,由于高技术材料科学技术和分子生物学的进展,在分子水平上对材料的相互作用认识的深化,促进了生物技术在生物材料中的应用,是生物材料从无生命的材料扩展到有生命活力的材料。例如组织工程中支架材料的研究,生物芯片中材料的研究。
国外生物医用材料产业发展趋势:
　　——高速发展:预计生物材料及医疗器械将继续以15%的速度增长,成为本世纪经济的一个支柱产业。
　　——企业兼并、优势互补成为潮流:生物材料生产企业规模不大,产值相对较低,缺乏足够的财力和人力开发新产品,抗风险能力差,同时生物材料类医疗器械开发周期长、费用大,因此企业兼并,优势互补成为潮流。
　　——医用高分子材料、新型钛合金以及复合材料的新产品将快速发展,生物芯片和组织工程医疗产品将进入市场。

　　能源材料

　　充电电池技术是重点发展领域之一。充电电池属于储能器件,主要包括锂离子电池和镍氢电池,另外还有镍锌电池、金属空气电池等。同时,燃料电池作为新型清洁能源,也倍受关注。燃料电池包括质子交换膜燃料电池、直接甲醇燃料电池、氧化物燃料电池。燃料电池在内燃机和微型涡轮中具有重要应用前景,其中质子膜交换燃料电池(PEMFC)目前最为瞩目。
　　锂离子电池是目前综合性能最好的电池体系,将是未来二次高能电池的主要发展方向。正极主要是含锂的过渡金属氧化物,负极主要是碳素材料(如石墨),电解质是含锂盐的有机溶液。由于它不含任何贵重金属,原材料都很便宜,降价空间很大。锂离子电池作为新一代的充电电池,近10年来迅速发展,以其高性能价格比优势在笔记本电脑、手机等移动电子终端设备领域占主导地位。
　　燃料电池是20世纪末兴起的,被认为是21世纪最有希望替代石油的新能源技术,将成为未来环保汽车的主要动力。燃料电池包括燃料电极(氢气或甲醇、天然气等)和氧化电极(氧气或空气)。燃料电池是一种理想的、高效的能量转换系统,同时也是一种清洁能源,可应用于工业及生活的各个方面,如燃料电池电站、电动汽车及民用电器等场合。燃料电池及PEMFC电动汽车的市场空间非常广阔,预计2010年北美市场每年销售60万辆低污染电动车,PEMFC电动汽车占50%,总销售额150亿美元/年。世界发达国家及各主要汽车公司都投入大量的人力物力进行氢燃料电池汽车的研究,以PEMFC为动力的各种型号的“零排放”汽车已在发达国家商业示范运行,预计3～4年后,将批量生产并投放市场。

　　环保材料

　　环保材料也可称为生态环境材料,是指既具有满意的使用性能又具有优良的环境协调性,或者是能够改善环境或有利于人类健康的材料。环保技术作为一门新兴的交叉学科,在保持资源平衡、能量平衡和环境平衡,实现社会和经济的可持续发展具有重要的战略意义,是21世纪材料科学发展的主导方向之一。
　　世界各国都非常关注材料与地球环境协调性的问题,国际著名的大公司也都很关注环保和产品,如丰田公司的混合燃料汽车、YOKOGAWA公司的便携式示波器、DAIKIN公司的房间空调器、EBARA公司的无水泵、松下公司的银合金、MISAWA HOME公司的100%可再生房屋等,都获得了良好的效益。
　　由于人们环保意识的不断增强,对环保材料的市场需求也在迅速扩大。环保材料涉及各个领域,其本身也在不断发展,环保材料已经发展成了一个巨大的产业。

　　纳米技术

　　纳米技术的发展并不会取代每个分立学科,而将在各个相关产业的发展中体现出来,尤其是交叉性边缘学科与高集成度的电子信息产业的发展,更是要依赖纳米技术来突破其自身的发展瓶颈。因此,如何引导纳米技术产业向集成化与协作化的方向发展,这将会对整体产业的进步起到重要推动作用。
　　纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础,纳米材料是构建两维和三维复杂功能纳米体系的单元,在此基础上可产生许多纳米新器件和功能器件。许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米技术支撑,传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。纳米材料和技术对许多领域都将产生极大的冲击和影响。从文献计量学的角度来看,纳米技术涉及的研究领域达87个之多。其未来发展方向还将涉及多个方面。
　　纳米材料与技术作为应用领域广泛的综合性尖端技术,未来将加快与各相关领域的融合。在进一步探索纳米材料特性的基础上,应用研究的发展开始加速,目前已经出现了许多接近工业化应用的研究成果。在影响广泛的电子信息领域和生物医药领域,全球已有不少投资开始进入,相关的国际大型企业正在蓄势待发。未来5～10年是纳米应用技术发展的关键时期,部分应用领域有望在近几年取得突破。总之,纳米技术将向着与信息技术、现代生命科学和认知科学融合的方向发展,它们的融合将促进所有科技经济领域的创新。

　　超导技术

　　超导技术在需要强电流的相关应用领域(强电应用)潜力巨大,尤其是在电力系统方面的应用具有得天独厚的优势,并有可能引发电力系统的新的革命。高温超导电力技术被各国公认为是21世纪电力工业最重要的高技术储备,是在全球竞争中保持尖端优势的关键所在,美、日、德等世界各发达国家政府都对超导电力相关技术高度重视,并纷纷制定了相关的超导电力国家计划给予支持。
　　目前,在电力应用方面,小型的超导磁储能装置、超导磁体、超导电流引线已经实用化或达到了商业应用水平,高温超导电缆、限流器和变压器已经进入示范试验运行阶段;高温超导电动机、磁悬浮系统(包括磁悬浮车和磁悬浮飞轮储能系统)以及磁储能系统也有相应的试验模型问世。

　　李 强