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無機(jī)非金屬材料發(fā)展的新趨勢及其影響

　

中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所 復(fù)旦大學(xué) 干福熹

從近代高技術(shù)的發(fā)展來看，無機(jī)非金屬材料所起的基礎(chǔ)和先導(dǎo)作用卓然。上二十世紀(jì)下半葉興起的高技術(shù)以其產(chǎn)業(yè)為例，化合物半導(dǎo)體材料促使光電子技術(shù)的很大發(fā)展，形成了半導(dǎo)體發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的新興產(chǎn)業(yè)，特別是近十年寬禁帶半導(dǎo)體材料，如GaN材料的突破將推動全固態(tài)光源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。由于七十年代石英玻璃光導(dǎo)纖維的損耗小于20dB/km，才使光纖通信技術(shù)能夠?qū)嵱没＝暧捎趽较⊥岭x子的光纖放大器材料的突破，使多波復(fù)用長距離的光纖通信迅速發(fā)展。由于在La－Ba－Cu－O化合物中觀察到30k以上的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變，開創(chuàng)了高溫超導(dǎo)的新興技術(shù)領(lǐng)域。碳富勒烯球和碳納米管的誕生使納米技術(shù)走向世紀(jì)的前沿。弛豫鐵電和壓電單晶和陶瓷的突破使高性能超聲和水聲換能器、壓電驅(qū)動器等得到發(fā)展，在醫(yī)用等高技術(shù)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。氧化物和超薄膜材料中巨磁電阻效應(yīng)（GMR）和近十年隧道磁電阻效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，使磁存儲密度獲得很大提高，磁記錄產(chǎn)業(yè)得到迅速發(fā)展。人們研究并發(fā)展了晶須增韌、顆粒彌散強(qiáng)化、相變增韌等多種途徑，使一些新型的氮化物（如Si3N4、BN）、硼化物（如LaB6、ZrB2等）、碳化物（TiC、WC、SiC）等材料，其斷裂韌性高達(dá)20MPa·m1/2以上，使陶瓷基復(fù)合材料進(jìn)入實用化，推動了航空、航天和交通制造業(yè)。

21世紀(jì)無機(jī)非金屬材料的發(fā)展具有低維化（在宏觀和微觀上）、復(fù)合化（材料的功能復(fù)合和組成復(fù)合）、智能化和環(huán)境友好等特征。宏觀上的低維化是從體材料向薄膜材料和纖維材料的發(fā)展?，F(xiàn)代信息功能器件（微電子、光電子和光子學(xué)器件）都是集成化的，因此主要應(yīng)用薄膜材料。結(jié)構(gòu)材料也用涂層和薄膜來改性：增強(qiáng)、增韌、耐磨。無機(jī)涂層包括各類熱控涂層、耐高溫防腐蝕涂層、抗氧化涂層、耐損涂層等，應(yīng)用于航天器、核反應(yīng)堆和遠(yuǎn)載工具上。特別在結(jié)構(gòu)材料的功能化上，薄膜具有特殊的作用。因此無機(jī)非金屬材料的薄膜制備、結(jié)構(gòu)和性能、表面態(tài)以及發(fā)展新的薄膜材料的研究就十分重要。在功能器件中纖維也作為集成元件，如光通信中光信號的放大、調(diào)制、選模等功能都通過功能纖維來完成，形成集成纖維光路和光網(wǎng)。纖維作為結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的主體，纖維的表面結(jié)構(gòu)和性能就尤為重要。

從微觀上的低維化，即無機(jī)非金屬材料的織構(gòu)與結(jié)構(gòu)上的尺寸從毫米、微米趨向納米。上世紀(jì)末出現(xiàn)的光子學(xué)晶體，是以一維、二維和三維的以光波長為尺度（微米和亞微米）以介電常數(shù)空間周期變化的人工帶隙新材料，將在本世紀(jì)內(nèi)有很快的發(fā)展，特別是應(yīng)用于光電子學(xué)和光子學(xué)材料和器件。納米尺度上的超晶格薄膜、納米線、納米點材料的結(jié)構(gòu)、性能的尺寸效應(yīng)以及納米材料的制備在上世紀(jì)末已作為公共關(guān)心的主題。納米材料和器件由于其尺度上納米量級，可表現(xiàn)出許多不同于塊體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)，對材料結(jié)構(gòu)和性能關(guān)系的認(rèn)識延伸到介觀尺度。進(jìn)入到21世紀(jì)將以納米器件為中心來研究納米材料的合成、組裝與性能調(diào)控。進(jìn)一步的低維化，涉及到基于原子和分子的納米材料和技術(shù)，低維納米材料及其復(fù)合的量子特性，量子限域體系設(shè)計和制造，研究量子點和量子線材料的電子和能帶結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)態(tài)和缺陷態(tài)等與結(jié)構(gòu)與材料的物理性質(zhì)關(guān)系，實現(xiàn)量子調(diào)控。

無機(jī)非金屬材料與金屬材料和有機(jī)高分子材料的復(fù)合化（composite）或雜化(hybrid)是另一發(fā)展趨勢。以應(yīng)用為目標(biāo)，優(yōu)化三大類材料的各自優(yōu)點，進(jìn)行在宏觀尺寸上復(fù)合化，上個世紀(jì)在傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料上已廣泛采用，如鋼筋混凝土（金屬與水泥）、玻璃鋼（有機(jī)高分子與無機(jī)玻璃纖維），這類以結(jié)構(gòu)材料為主的復(fù)合材料，今后仍將優(yōu)化并繼續(xù)發(fā)展。

隨著材料的復(fù)合的尺寸愈來愈小，以至于達(dá)到納米和分子尺度上的復(fù)合或稱之為雜化，今后在無機(jī)非金屬功能材料上將頗為明顯，如納米TiO2和敏化染料雜化以及以CdSe納米線與噻吩的復(fù)合材料的太陽能電池材料，高的非線性光學(xué)常數(shù)的無機(jī)－有機(jī)雜化材料，碳納管與有機(jī)熔鹽制成高度導(dǎo)電的聚合物納米管復(fù)合材料等。

功能的復(fù)合將使結(jié)構(gòu)材料與功能材料的界限逐步消失，例如平板玻璃是作為門、窗、墻的結(jié)構(gòu)材料，但當(dāng)平板玻璃鍍膜后就具有不同的光反射和吸收的陽光控制和低輻射玻璃后，就成為能滿足節(jié)能、環(huán)保、安全和裝飾的多功能建筑玻璃。結(jié)構(gòu)陶瓷也逐步功能化，利用陶瓷優(yōu)良的介電性能和光反射性能，發(fā)展了結(jié)構(gòu)、防熱、透波（或吸波）等陶瓷材料。利用AIN陶瓷高的導(dǎo)熱性、低的電導(dǎo)率和熱膨脹以及優(yōu)良的機(jī)械性可作為大功率半導(dǎo)體集成器件的基板。

材料的智能化，即材料性能的多元化，能接受外部環(huán)境變化的信息，并能實時反饋。智能（smart）無機(jī)非金屬材料日益受到關(guān)注。最早的智能化材料為被動式（passive smart），如光色（光致變色）材料受陽光輻射，自動改變透光度，但透光度的深淺是不同控的。但電致變色材料不僅光照后變色，并且變色程度由外加電壓可控，是智能自動式（active smart）。智能化功能材料大都分為多片壓電和鐵電陶瓷的復(fù)式結(jié)構(gòu)，外場信號的感知和反饋操作是分開的，目前趨向薄膜化和集成化。納米復(fù)合材料的出現(xiàn)，可以把不同功能的材料從微觀上復(fù)合在一起，形成緊湊的單體智能材料，這也是多功能無機(jī)非金屬材料的主要發(fā)展方向。

本世紀(jì)的經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展是以人為本，與環(huán)境和諧的。所以節(jié)能降耗、環(huán)境友好、資源綜合和循環(huán)利用、廢棄物資循環(huán)利用和處理、有害氣體液體的低排放和無害處理、有毒有害元素的替代必將是我國無機(jī)非金屬材料的創(chuàng)新研究和生產(chǎn)中必須遵循的，應(yīng)該全方位、多學(xué)科地研究綠色生產(chǎn)工藝、環(huán)境協(xié)調(diào)材料制備技術(shù)及其理論基礎(chǔ)。

傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料產(chǎn)業(yè)是著名的資源、能源高消耗和對環(huán)境的高污染。21世紀(jì)要按照“全面、協(xié)調(diào)、可持續(xù)發(fā)展”的科學(xué)發(fā)展觀，首先解決傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)的生產(chǎn)技術(shù)，成為生態(tài)環(huán)境材料（ecomaterials）。加強(qiáng)理論基礎(chǔ)研究，探索出低能耗少污染的新的合成和制造工藝；提高產(chǎn)品性能和節(jié)耗的技術(shù)途徑；廢氣廢料的合理科學(xué)處理技術(shù)；礦物資源的合理利用和結(jié)構(gòu)調(diào)整。以傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料為例，建立材料環(huán)境負(fù)荷評價的方法。

發(fā)揮無機(jī)非金屬材料的制備特點，加強(qiáng)對改善環(huán)境的關(guān)鍵材料的研究，諸如核廢物固化材料以解決核廢物的永久處理；汽車和柴油機(jī)尾氣三效催化劑（稀土復(fù)合氧化物）及載體材料（多孔陶瓷和陶瓷纖維）以解決汽車和柴油機(jī)的尾氣污染；光催化的建筑材料以解決建筑材料的自潔以及無機(jī)膜分離材料對藥物、食物和污水處理。

21世紀(jì)無機(jī)非金屬材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域為信息、能源、交通、生物醫(yī)學(xué)、生態(tài)環(huán)境和國防。新材料的發(fā)展將會對上述各領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

信息功能材料和器件作為21世紀(jì)信息社會產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，涉及到信息的發(fā)射、傳輸、接受、處理、運算、存儲和顯示等各方面，主要的技術(shù)和手段為微電子技術(shù)、光電子技術(shù)和光子學(xué)技術(shù)。雖然信息的載體將逐漸由電子轉(zhuǎn)向光子，但信息的發(fā)射、處理和運算仍以微電子技術(shù)為主，并仍依賴于以半導(dǎo)體硅為基礎(chǔ)的材料，予計到本世紀(jì)中葉都不會改變。硅基的新材料如絕緣體上半導(dǎo)體（SO1），GeSi/Si應(yīng)變超晶格材料，硅基異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料（如硅基Ⅲ－Ⅴ族材料、硅基發(fā)光與激光材料等）將以更快的速度發(fā)展。

信息功能陶瓷材料將繼續(xù)在電子元器件、超聲和微波器件為主的電子學(xué)和微電子學(xué)技術(shù)上發(fā)揮作用。

Ⅲ－Ⅴ族半導(dǎo)體材料仍然為光電子技術(shù)（光源和接收器）的主要材料。GaAs，InP基超晶格、量子阱作為人工微結(jié)構(gòu)材料，是新一代固體量子器件的基礎(chǔ)，將會向高性能和實用化發(fā)展。Ⅲ－Ⅴ族半導(dǎo)體材料也是高頻高功率微波器件的主要材料。以GaN和ZnO為代表的寬帶隙半導(dǎo)體材料將成為短波長發(fā)光和激光材料，在半導(dǎo)體固體照明和光信息存儲上發(fā)揮重大作用。

半導(dǎo)體存儲器、磁存儲器和光存儲器為信息存儲技術(shù)的三大手段。通過技術(shù)革新和巨磁組材料的應(yīng)用，磁性材料的存儲密度仍有大幅度提高的空間。到2010年磁疇的尺寸可達(dá)到20～30nm的物理極限，存儲密度趨向Tb/in2。在這段時間自旋電子學(xué)材料和器件將會很大發(fā)展。在鐵磁層/非鐵磁中介層/鐵磁層結(jié)構(gòu)的分層膜中外加磁場可以改變相鄰磁性層的相對磁化方向，從而得到電阻隨外磁場變化的磁電阻效應(yīng)。隨著中介層材料的不同，可產(chǎn)生巨磁阻效應(yīng)（GMR）和隧道效應(yīng)磁電阻（TMR）。由此可以制成自旋閥磁頭（CPP）和磁性隨機(jī)存儲器（MRAM）。各種新型氧化物，如過渡金屬氧化物和稀土－過渡金屬氧化物鐵磁材料、鐵磁金屬半導(dǎo)體異質(zhì)材料，磁性半導(dǎo)體材料是必須研究和開發(fā)的。

高密度光存儲材料是以研究和開發(fā)對短波長（藍(lán)、紫和紫外激光）敏感的納米材料，以及克服光衍射極限的近場光存儲有關(guān)的光學(xué)超分辨率和掩膜的快速響應(yīng)的非線性光學(xué)材料。通過三維和多維存儲方式，達(dá)到Tb/in2的存儲密度。通過光－磁、光－電混合存儲方式達(dá)到可實用化的超高密度信息存儲是有前景的，相關(guān)的存儲介質(zhì)材料是其中的關(guān)鍵。

在信息傳輸中移動通信和遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)將快速發(fā)展，高功率微波發(fā)生器、微波諧振器、微波濾波器、微波電容器等元器的應(yīng)用，為微波陶瓷和半導(dǎo)體材料開辟了廣闊的前景。有線通信中光纖通信依然占主要地位，高密度波分復(fù)用（DWDM）為主要擴(kuò)展容量的手段，傳輸速度將達(dá)Tb/s。為發(fā)展快速開關(guān)、調(diào)制、窄帶濾波，除了進(jìn)一步改進(jìn)光學(xué)功能材料的性能外，光子晶體和負(fù)折射率材料將會實現(xiàn)在光頻波段的新的光學(xué)功能。

能源是制約經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的瓶頸。我國常規(guī)能源資源不豐富，能源緊缺，開發(fā)二次能源就十分重要。無機(jī)非金屬材料將作為二次能源的新能源材料。光－電轉(zhuǎn)換的太陽能電池是重要的綠色能源，硅基材料是主體。單晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率高（16～25％），但價格高。目前急待提高和生產(chǎn)的為多晶硅和非晶硅薄膜太陽能電池，效率也分別可達(dá)到20％和13％。低價格和性能穩(wěn)定的多晶和非晶硅薄膜材料無疑為發(fā)展的重要方向。多元化合物半導(dǎo)體材料如GaAs, CdTe, CuInSe2等薄膜材料的光電轉(zhuǎn)換效率高（～20％），要解決有害元素的替代和生產(chǎn)價格的降低。用納米TiO2和染料敏化的復(fù)合材料的太陽能電池的優(yōu)點為廉價和工藝簡單，光效 >10%，是目前能和硅基太陽能電池的唯一競爭者。

在發(fā)達(dá)國家汽車消耗了40％的能源，因此汽車動力電池十分重要。上世紀(jì)已進(jìn)行了不少開發(fā)研究的鎳氫電池和鋰離子電池在本世紀(jì)要實用化，走上批量生產(chǎn)。當(dāng)中仍需解決不少材料相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，主要在鎳氫和儲氫電池的高效和穩(wěn)定的電極材料、儲氫合金。發(fā)展新型鋰離子電池的正負(fù)極和隔膜材料，將采用包敷的新材料和納米尺度的復(fù)合材料。

氫氧燃料電池是大功率的綠色電池?；衔锓绞絻涫艿綇V泛重視，選擇合適的化合物作為氫的載體，是材料科學(xué)研究的主要工作。提高儲氫重量密度和體積密度為主要研究方向。固體氧化物燃料電池是要大力發(fā)展的另一類燃料電池，作為在500～1000℃工作的固體電解質(zhì)膜材料也是關(guān)鍵。

生物應(yīng)用材料是保障人類健康的必需品。生物醫(yī)用材料目前主要用于生物器官和組織的修恢和替代。人的生物體是有機(jī)生物體和無機(jī)非金屬材料的復(fù)合體。特別在人的器官、骨修復(fù)、藥物控制系統(tǒng)方面生物醫(yī)用無機(jī)非金屬材料起重要作用，諸如生物陶瓷、玻璃和無機(jī)復(fù)合材料等。生物材料從上世紀(jì)第一代的“生物惰性”發(fā)展到第二代的“生物活性”，而本世紀(jì)進(jìn)入第三代的“細(xì)胞/基因活化”的生物材料，即經(jīng)過組織誘導(dǎo)重建或再生人體組織和器官，或增進(jìn)其生理功能，實現(xiàn)永久修復(fù)。不久的將來可以設(shè)計和制造有生命的人體“部件”進(jìn)而整個人體器官。

近年來發(fā)展的藥物和基因等生物活性物質(zhì)的控制釋放技術(shù)，使藥物、蛋白、細(xì)胞和基因等可被輸送到指定部位控制釋放。既可應(yīng)用于難治愈疾病的治療，又可用于誘導(dǎo)再生組織或器官。其關(guān)鍵材料為與生物活性物質(zhì)相容，保持其活性，并能靶向傳輸?shù)妮d體材料。無機(jī)非金屬納米材料今后將作為重要的生物材料應(yīng)用。利用無機(jī)非金屬材料可以作納米微粒標(biāo)記，納米熒光探針、納米靶基因、納米生物傳感器等，可促進(jìn)癌和其他疾病的早期發(fā)現(xiàn)及早期診治。

在兩彈和武器裝備的發(fā)展中無機(jī)非金屬材料發(fā)揮了顯著作用。高溫結(jié)構(gòu)陶瓷與復(fù)合材料一直極大地推動了航空、航天、兵器與運載工具的技術(shù)向高速度、高搭載和長壽命方向發(fā)展。根據(jù)預(yù)測今后陶瓷基復(fù)合材料的性能最有潛力獲得大幅度提升，列為優(yōu)先發(fā)展的國防需求的材料。例如，碳化物陶瓷基復(fù)合材料作為高溫?zé)峤Y(jié)構(gòu)材料、高溫抗沖刷結(jié)構(gòu)材料和高溫防熱材料已在航空發(fā)動機(jī)、液體和固體火箭、超高聲速航天飛行器、太空望遠(yuǎn)鏡等領(lǐng)域應(yīng)用；氮化物陶瓷基復(fù)合材料作為高溫防熱透波材料，可滿足高馬赫數(shù)飛行器天線罩需求；高強(qiáng)度、高模量和低密度的碳纖維復(fù)合材料在軍工上有廣泛應(yīng)用和前景。

在電子信息戰(zhàn)的時代，光電跟蹤、制導(dǎo)、對抗、尋的、預(yù)警是十分重要的手段，需要有不同波長和不同工作方式的固體激光器。近年來發(fā)展起來的用半導(dǎo)體激光進(jìn)行光泵的全固態(tài)激光器是高效、緊湊和方便的，固體激光材料為其核心，主要是以無機(jī)非金屬材料的單晶、玻璃和透明陶瓷作為基質(zhì)。激光武器一直是作為先進(jìn)戰(zhàn)略防預(yù)的一種重要手段，全固態(tài)激光器的出現(xiàn)，又一次推動激光武器的發(fā)展。輸出功率為100kW的激光武器已作為世界各大國的目標(biāo)，而大尺寸、高質(zhì)量的固體激光工作物質(zhì)是其核心。用于慣性壓縮核聚變反應(yīng)的高功率激光裝置的輸出瞬態(tài)功率將達(dá)PW（1015W），不僅為探索核聚變能源，近期主要用于武器的核爆模擬。解決新型大尺寸、高質(zhì)量的激光玻璃和非線性光學(xué)晶體以及高抗激光破壞和低光損耗的光學(xué)材料和薄膜為其關(guān)鍵。

軍用的數(shù)字化移動通訊、衛(wèi)星通訊和雷達(dá)技術(shù)是以高穩(wěn)定性、高頻化和小型化方向發(fā)展，在微波和毫米波的波段范圍內(nèi)，功能陶瓷和Ⅲ－Ⅴ族半導(dǎo)體基礎(chǔ)的材料對電子和微電子器件起重要作用。材料的薄膜化和集成化是關(guān)鍵。

以無機(jī)非金屬材料為基礎(chǔ)的國防隱身材料是以涂敷性涂層為主，吸收各種波段的雷達(dá)波和激光，目前向復(fù)合結(jié)構(gòu)與納米高分子復(fù)合結(jié)構(gòu)發(fā)展，制作隱身材料已成為國防科技關(guān)注的熱點。