开发保护环境新材料.docx

文章一师昌绪：我国应加快开发爱护环境新材料两院院士、有中国材料泰斗之称的我国闻名材料科学家师昌绪在贵州安顺指出，为了实现经济社会的可持续发展，我国应加快开发爱护环境新材料。2005年5月21日在贵州省安顺市实行的一场院士、专家巡讲活动上，师昌绪院士说，材料在生产过程中是造成环境污染最重要的因素之一,特殊是量大面广的传统材料，甚至破坏环境。如生产吨钢和吨水泥的二氧化碳排放量分别为2吨和1吨；有色金属冶炼还要产生二氧化硫，造成酸雨；材料生产对水的污染更为严峻。治理环境须要开发新型材料,为了保障社会持续发展，不能没有材料；为了社会的可持续发展，除了尽量少用材料以外，还要开发治理环境的材料。师昌绪介绍说，在上世纪，专家就提出了环境材料的概念。环境材料就是与环境相协调的材料；节约资源和能源，削减污染，能够回收，并提出全寿命环境协调性评估概念。近年来又强调生态设计，即以实现资源的有效利用、产品性能的提高、寿命的延长、废料的回收以与再制造工程的实现等循环经济的实施，依据这一理念以期使资源的利用率提高10倍。近年正在开发的低碳、低合金钢提高强度一倍的工作（超级钢），初步证明这是可行的.师昌绪认为，随着世界人口的增加，资源枯竭与环境破坏的加剧.正在制约着全球经济的增长。人类要想接着生存和发展，就必需变更目前的发展方式.走可持续发展的道路,这就是经济、社会与环境的协调发展。文章二新材料产业发展特点和趋势新材料在发展高技术、改造和提升传统产业、增加综合国力和国防实力方面起着重要的作用，世界各发达国家都特别重视新材料的发展。随着社会和经济的发展、全球化趋势的加快,新材料产业的发展呈现出以下主要特点和趋势。1 .新材料多学科交叉性与多部门参加新材料与信息、能源、医疗卫生、交通、建筑等产业的结合越来越紧密.材料科学工程与其他学科交叉的领域和规模都在不断扩大，如生物学、医学、电子学、光学等U对学科交叉的认知和有力推动将对一个国家材料产业的超前发展起到举足轻重的作用。新材料的发展还跨越多个相关部门.因此各国都致力于把材料发展纳入到产、学、研、官一体化的平台，以满意材料开发对各个部门提出的不同要求。2 .新材料产业上下游进一步融合随着高新技术的发展.新材料与基础材料产业结合日益紧密.产业结构呈现出横向扩散的特点。基础材料产业正向新材料产业拓展，世界上很多闻名的新材料企业以前都是钢铁、化工、有色金属等基础材料企业,利用积累的大规模生产实力、生产技术与足够的资金进入新材料领域。伴随者元器件微型化的趋势，新材料技术与器件的一体化趋势日趋明显.新材料产业与上下游产业相互合作与融合更加紧密，产业结构出现垂宜扩散趋势。这种趋势削减了材料产业化的中间环节,加快了探讨成果的转化,降低了研发与市场风险，有利于提高企业竞争力。3 .新材料发展的驱动力由军事需求向经济需求转变从20世纪来看.国防和斗争的须要、核能的利用和航空航天技术的发展是新材料发展的主要驱动力。而在21世纪，卫生保健、经济持续增长以与信息处理和应用将成为新材料发展的最根本动力,工业和商业的全球化更加注意材料的经济性、学问产权价值和与商业战略的关系，新材料在发展绿色工业方面也会起重要作用。将来新材料的发展将在很大程度上围绕如何提高人类的生活质量绽开。4 .新材料市场需求旺盛，产业规模急剧扩大随着社会科技的进步和新兴产业的快速发展，对新材料需求的种类和数量都大大增加.新材料市场需求前景特别看好。以新材料为支撑的新兴产业.如计算机、通讯、绿色能源、生物医药、纳米产业等的快速发展，对新材料的种类和数量需求也将进一步扩大。例如：2003年全球半导体专用新材料市场规模为200亿美元；磁性材料以159i的年增长率发展，预料到2015年，仅中国市场就须要永逆铁氧体50万吨,软磁铁氧体20万吨，被铁硼磁体5万吨。目前全球生物医用材料的产值超过800亿美元，预料2010年将达到4000亿美元。目前世界纳米技术的年产值为500亿美元，预料2010年纳米技术将成为仅次于芯片制造的世界其次大产业，年产值将达14400亿美元。5 .新材料向多功能、智能化方向发展，开发与应用联系更加紧密21世纪，新材料材料技术的突破将在很大程度上使材料产品实现智能化、多功能化、环保、复合化、低成本化、长寿命与按用户进行订制。这些产品会加快信息产业和生物技术的革命性进展，也能够给制造业、服务业与人们生活方式带来重要影响。总体来说，新材料的发展正从革新走向革命,开发周期正在缩短，创新性已经成为新材料发展的灵魂。同时新材料的开发与应用联系更加紧密，针对特定的应用目的开发新材料可以加快研制速度，提高材料的运用性能,便于新材料快速走向实际应用.并且可以削减材料的性能奢侈”，从而节约了资源.6 .跨国公司对新材料产业发展影响力加强跨国公司与其分支公司在新材料产业的发展作用显著，这些企业规模大、研发实力强、产业链完善，它们通过战略联盟、大量的研发投入、产业技术与市场标准制定并限制学问产权，寻求在竞争中处于优势甚至垄断地位，一些新材料产业出现了被大型跨国公司垄断的现象或趋势。半导体硅材料市场和生产已经形成垄断。2001年，信越、瓦克、住友、MEMC公司、三菱材料公司5家企业硅片错售占国际销售额的79.1院有机硅材料则是DOWComing公司、GE公司、WaCker公司和Rhone-Pou1.enc公司与日本一些公司基本限制了全球市场。有机氨材料则是DuPont.DaikinxDN-Hoechstx3M、AusimontxATo和IC1.等7大公司占据全球90的生产实力,在全球居于统治地位。7 .新材料发展和生态环境与资源的协调性倍受重视面对资源、环境和人口的巨大压力.各国都在不断加大生态环境材料与其相关领域的探讨与开发的力度，并从政策、资金等方面都赐予更大支持。材料的生态环境化是材料与其产业在资源和环境问题制约下满意经济可承受性、实现可持续发展的必定选择。开发新材料将更加重视从生产到运用的全过程对环境的影响,资源爱护、生产制备过程的污染和能耗、运用性能和回收再利用的问题。生态环境材料的三个特征是优异性能并节约资源、削液污染和再生利用。目的是实现资源、材料的有机统一和优化配置.达到资源的高度综合利用以获得最大的资源效益和环境效益，为形成循环型社会的材料生产体系奠定基础。8 .新材料产品标准化出现全球化趋势在经济全球化日益加强的背景下,能否在世界不同地方对同一材料采纳相同的标准是至关重要的。各国材料与其产品数据标准不一样将会引起混乱、低效并增加成本,不利于市场应用的国际化。因此对材料供应商和用户来说，不同的国家以相同方式测试材料特性是特别重要的，对于新兴市场上的新材料，这种要求尤其剧烈。新材料产业发展热点1 .信息材料信息材料是最活跃的新材料领域，微电子材料在将来1015年仍是最基本的信息材料，集成电路与半导体材料将以硅材料为主体，化合物半导体材料与新一代高温半导体材料共同发展。光电子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料，主要集中在激光材料、高亮度发光二极管材料、红外探测器材料、液晶显示材料、光纤材料等领域。2004年，在“国家半导体照明工程"安排的推动下，我国半导体照明产业发展加速，关键技术取得突破，蓝光功率型1.ED芯片发光效率达到90mW.处于国际先进水平；封装的功率型白光1.ED发光效率超过301.mW,达到国际先进水平。建立了上海、大连、厦门、南昌4个国家半导体照明产业化基地,民营资本投资近37亿元人民币,我国1.ED产业迎来了快速发展的时期。2004年我国推出了激光电视样机，技术水平达到国际先进。在激光显示DP1.晶体材料探讨方面取得重要成果。例如，全固态激光材料的生长、后加工和镀膜技术,高功率光学元件的镀膜技术，镀膜的干脆检测技术等。2 .新能源材料新能源材料是发展新能源的核心和基础，发展方向是开发绿色二次电池、氢能、燃料电池、太阳能电池和核能的关键材料。当前的探讨热点和技术前沿包括高能储氢材料、聚合物锂离子电池材料、质子交换膜燃料电池材料、多晶薄膜太阳能电池材料等。2004年，我国在高性能锂电池材料方面取得重大进展.为我国锂电池产业更大发展，特殊是锂电池动力电池的发展创建了有利条件，打破了日本一统天下的局面，成为世界其次生产大国。我国自主开发的钻银镒酸锂成本仅为钻酸锂的一半，高温稳定性也大幅度改善，改性自然石墨球负极材料已研制开发并投入批量生产。近年来，我国太阳能电池发展很快，纳晶太阳能电池材料探讨取得了重要进展,其成本估算0.5-1.$/pW。假如效率达到5%,性能价格比将超过非晶硅，有很强的市场竞争实力，成为值得关注的新型太阳能电池。3 .生物医用材料随着生物技术、医药技术、信息技术、制造技术、纳米技术和材料科学技术的迅猛发展与交互融合.新型和新概念生物医用材料层出不穷。药物限制释放材料、组织工程材料、纳米生物材料、生物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和汲取生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的发展趋势和方向。在国家科技政策和安排资助下.我国生物医用材料已取得了长足进步,主要集中在骨科修复材料、药物控释材料、介入材料、组织工程支架材料等。我国组织工程材料以骨材料探讨为主,形成了以四川、上海、武汉、北京等多家单位为代表的格局。随着安泰科技股份、法尔胜等一些上市公司的介入与留学归国人员的创业活动，我国介入诊疗材料与器械产业化取得了较大进展。国内年产值达到2530亿人民币，国内市场占有率也有了较大提升，其中非血管和心血管介入治疗产品国内市场分别达到70%和50%以上。4 .纳米材料与技术纳米材料与技术发展趋势一方面是开展纳米加工、纳米电子、纳米医疗以与机器人等将来能形成新兴主导产业领域的基础探讨；一方面是对现在的信息高科技产业和传统产业进行改造和提升。目前，国内规模较大的纳米产业主要包括特种纳米碳材料、纳米粉体材料、纳米复合材料、纳米改性的纺织品与医疗保健等领域.纳米材料的应用尚处于初级阶段，主要是利用纳米粉体材料的功能特性，对传统产品进行升级。在纺织行业，纳米材料改性的功能纤维产品相继问世；抗菌抑菌、红外保温、负离子释放、自清洁、阻燃和防水防静电产品已进入市场；纳米涂料市场份额进一步扩大。在最新的纳米技术探讨领域，我国也取得了重要突破,如我国研制出高稳定、可擦写的有机分子纳米存储材料，存储点尺寸为2个纳米，存储密度在1013比特/厘米2.是传统存储密度的105倍；在国际上首次创新提出GaAsSbZ1.nGaAs非对称双量子阱结构，并在试验上获得室温1.3微米发光纳米材料在国内首次胜利研制出性能良好的1.21-1.28微米室温工作边放射激光器。5 .超导材料与技术超导材料与技术的发展趋势是不断探求更高温度超导体，实现高温超导材料产业化技术在能源、电力、移动通讯、国防领域的应用。从目前国际上高温超导产业化应用的趋势来看，在接着改善BSCCo带材（也称为第一代带材）的同时，各国正在努力探讨开发一种在柔性金属基带上涂以YBCo厚膜的涂层导体（其次代高温超导带材）。锌系高温超导线材目前已实现商品化.主要产业化核心技术被美国、日本、中国、德国等少数国家所驾驭。我国锡系高温超导线材已实现了产业化，在超导材料的应用方面如超导电缆、超导滤波器等方面取得了突破性进展。2004年7月，北京云电英纳超导电缆有限公司的三相沟通33.5米35kV2kA高温超导电缆系统在云南昆明普吉变电站挂网运行胜利，标记者我国已经驾驭了超导电缆好用化的关键技术。这是全球第三组并网运行的超导电缆系统,综合性能优于前两组，多方面拥有自主关键技术。2004年3月，清华高校研制的超导滋波器系统在中国联通CDMA移动通信基站上现场试验获得圆满胜利。这是我国高温超导技术在移动通信中的首次实际应用，各关键技术指标达到国际先进水平，成为继美国之后、其次个拥有此类好用核心技术的国家。6 .化工新材料化工新材料向高性能化、多功能化、精细化、低成本化、生产全球化、工艺无害化、装置大型化、应用普与化、创新持续化、竞争激烈化方向发展。随着催化剂技术、生物技术、纳米技术、组合化学技术的发展，增加了技术人员对于微观化学合成领域的限制实力，使得化工新材料新产品的合成更为敏捷，速度不断加快.效率也大为提高。专用性、功能性产品日益成为化工新材料领域中发展最快、探讨最活跃的领域。化工新材料由于涉与面广,与下游应用结合紧密.因而成为边缘学科活跃的领域。如纳米技术与材料技术的结合，生物技术、医疗技术与材料技术的结合，膜材料技术与过程限制的结合等等为新学科的不断涌现供应了机会C7 .高性能结构材料从世界上新材料的发展趋势看，钢铁材料和有色金属材料的生产始终在向短流程、高效率、节能降耗、干净化、高性能化、多功能化的方向发展；高性能结构陶瓷在保持原有耐高温、高强度的前提下向强韧化、易成形加工方向发展；高分子材料向材料的微观设计、多层次结构调控、集成化、智能化、多功能化方向发展；复合材料以高性能、低成本制造技术为发展重点,向材料设计-制造-评价一体化、功能化、智能化的方向发展。文章三将来汽车：烧铁不烧油纳米金属燃料有望成为新型清洁能源人类在享受汽车带来的便利的同时，也不得不忍受汽车尾气造成的空气污染，而全球变温煦油价高起更让找寻替代能源成了迫切的要求。太阳能汽车、氢燃料电池汽车、油电混合动力汽车应运而生C尽管它们正在获得越来越多的认可，却依旧不尽如人意.比如售价不低或运用成本过高，再比如性能上仍无法和汽油或柴油动力车媲美。有没有其他解决方案呢？美国田纳西州橡树岭国家试验室的科学家也在探讨这个课题，他们想到一种特别新颖的解决方法：以金属作为发动机的燃料。试验室的戴夫比奇博士认为，铁、铝、硼都可以用作新的替代能源。依据比奇的计算，运用特制的发动机和同等体积的金属燃料,一辆轿车的行驶距离是一般汽油动力汽车的3倍。而且由于燃烧的是金属燃料，它几乎没有污染，也就是说没有二氧化碳、氮氧化物，也没有灰尘和煤烟。这种金属燃料甚至还可以被循环运用。只要将用过的纳米颗粒放到氢气环境下进行加热，他们就会再次成为可用的燃料。沉甸甸、冷冰冰的铁块中尽然隐藏者能量，而且还能被点燃？这简直不行思议,这样一来发动机的外壳要用什么物质来制造呢？不过，既然汽车可以用各种各样的燃料比如甲烷、煤粉以与火药作为来源，那么它为何就不能以金属作为燃料呢。事实上，正常状态下的铁是不能被用做燃料的.但是当铁块被加工成纳米级的微粒时，它就具有了很高的反应活性，将其点燃会释放出大量能量。奇妙的纳米材料其实在燃料中运用金属并不是异想天开。由于纳米粉末具有极强的储能特性，将其作为添加剂加入到燃料中可大大提高燃烧效率。火箭已经在运用金属粉末作为燃料添加剂了,将一些纳米粉末添加到火箭的固体燃料推动剂中，可大幅度提高燃料的燃烧热和燃烧效率，以与改善燃烧稳定性。探讨表明，向火箭固体燃料中加入05%纳米铝粉或银粉，可使燃烧效率提高109125机燃烧速度加快数十倍。此外，火箭动力的鱼雷也运用了金属粉末。当然，火箭发动机运用金属的方法与这里探讨的汽车发动机有很大差异。当金属颗粒比如铁和铝与空气接触时，它的表面会生成一层氧化物,只有将其除去才可能点燃金属。这一股须要一个温度高于20度的热源.氧化层将在这个温度下被汽化从而暴露出金属原子。这个要求对于火箭而言虽然简单,但对汽车发动机而言就成了一个难题。而对于内燃机来说.另一个难题则是一旦汽化的金属氧化物冷却就会凝固成为灰烬。橡树岭试验室的另一个科学家所罗门拉比诺夫对这两个问题特别熟识。早在20世纪80年头，当他还在乌克兰基辅的一个工学院做助教时，拉比诺夫的探讨小组就尝试在内燃机中燃烧微米级的铁颗粒。他们对发动机进行了改进使它能够耐受高温，然而氧化物灰烬会积累在活塞、汽缸壁和阀门上从而堵塞发动机。他们当时因没能找到解决方法只好放弃。后来拉比诺夫去了美国，起先在橡树岭工作。2003年，他建议比奇和理论家博比桑普特重新起先探讨这个问题.这次他们运用的是纳米级的颗粒.比单个原子大不了多少。纳米材料包含了若干个原子、分子，使得人们可以在原子层面上进行材料和器件的设计和制备。几十个原子、分子或成千个原子、分子“组合”在一起时，表现出既不同于单个原子、分子的性质，也不同于大块物体的性质，这种“组合”被称为超分子”或“人工分子”。“超分子”的性质，如它的熔点、磁性、电容性、导电性、发光性和颜色与水溶性都有重大变更。当“超分子”接着长大或以通常的方式聚集成大块材料时，奇妙的性质又会失去。通俗来说,纳米材料一方面可以被当作一种1超分子”.充分地呈现出量子效应；而另一方面它也可以被当作一种特别小的宏观物质”,以至于表现出前所未有的特性。在试验中，探讨人员发觉直径50纳米的铁颗粒比拉布诺夫原来探讨的微米级铁颗粒更简单燃烧：加热到250度，或者仅仅是一个火花就可以点燃。随着探讨的深化，他们发觉纳米金属颗粒有越来越多的奇妙特性。纳米颗粒的单位体积表面积（比表面积）很大，因而简单燃烧。铁特别简单与氧气反应，所以假如很多铁原子同时暴露在空气中，氧化过程将产生大量热量从而点燃金属。为了避开这种反应，在制造纳米颗粒时一般要给它包覆一层氧化层。但即使有氧化层，极大的比表面积也使金属纳米颗粒只要少量热量就能在氧气分子中点燃。一旦点燃，纳米颗粒会很快燃烧，最高温度可以达到800度，在不会熔化合金发动机的同时也能有足够的能量供运用。更为重要的是，纳米颗粒与微米级颗粒不同，它燃烧的温度不会高到使自己汽化或熔化，只会产生氧化物颗粒,所以不会粘在汽缸壁上以至堵塞发动机。燃烧留下的氧化铁粉末使比奇想到了金属燃料的另一个优势：氧化铁很简单再转换成燃料。他在氢气流中将氧化铁加热到425度，氧化铁又变回了铁原子，氢则和氧结合生成了水。新燃料和新发动机接下来的问题就是如何才能把金属当作燃料运用，纳米颗粒燃烧很快，在或许1亳秒中就释放了全部热量。但要用作发动机的燃料，这么快的发热速度使热母无法被高效利用。在常规的内燃机中，每个燃烧的爆发时间能够持续5-20亳秒。为了限制燃烧速度，探讨小组把纳米颗粒压缩成更大的簇，在减缓纳米颗粒与氧气反应的同时减缓了散热的速度，探讨人员通过限制簇的大小、形态和密度制造出了重1-200毫克的纳米颗粒簇.虽然单个颗粒的燃烧时间只有1亳秒，最大的簇却能燃烧0.5-2秒。接下来，他们起先研制可以运用金属燃料的发动机。比奇认为将喷气飞机、车辆甚至发电站的燃气轮机改装成以金属为燃料并不困难.关键工作在于找寻收集燃烧废物的方法。另一种方案是采纳斯特灵发动机，这种外燃机通过将汽缸中的气体和液体交替加热冷却来推动活塞。不过目前汽车运用的都是内燃机，斯特灵发动机只是一种可能的方案。美国航空航天局和包括福特在内的汽车厂商都尝试过用斯特灵发动机作为汽车动力。比奇更希望设计出访用金属燃料的内燃机。他认为,或许柴油机经过改造就能满意要求，因为常规的柴油发动机工作中要用到柴油薄雾。比奇设想将空气注射到金属粉末中，用火花塞将其点燃，而源源不断的气体可以将燃烧的灰烬带离汽缸u燃烧物可以用过滋器进行收集，并且由于氧化物具有磁性，也可以用电磁铁进行收集。装满了金属灰烬的燃料罐可以被卸下交给金属加油站，由特地的公司负责将其转换回燃料以备再次运用。金属燃料优点多多虽然这样设计出的发动机与常规汽车很像，但他不会产生二氧化碳、氮氧化物或有害微粒。这些复合物通常在高温燃烧中产生，而比奇等人通过限制簇的大小，已经可以将金属的燃烧温度降到525度。他们接下来的工作是找寻燃烧的速度、温度和效率三者间的平衡。尽管相对于氢燃料而言，金属是一种紧凑的燃料，但它却有一个明显的缺点一重量。一个行驶距离等效于50升油箱的铁燃料箱重约100公斤，比一般油箱重两倍多。并且由于金属燃料燃烧后废物不会被排放到空气中.在整个行驶过程中车重都不会减轻，这也增加了运输的成本。不过金属燃料的优势还是很明显的。除了环保外，金属燃料还具有携带便利、储存平安、体积小的优点。在减轻重量方面，也有可提升的空间。假如运用铝纳米颗粒来替代铁的话，同样重量的燃料可以得到4倍的能量，假如运用硼的话，可以得到6倍的能醺。虽然这两种材料都比铁贵一铝的价格是铁的15倍，但从另一个角度来考虑，由于金属燃料不会被消耗，可以循环运用的，真正的运用成本在于将金属氧化物还原为燃料的过程，而这一过程中各种金属燃料的转化成本差异不大，所以金属燃料本身的价格并不会影响运用成本。面对这么多的优点，我们有什么理由不用金属燃料呢？随着探讨的深化，一旦技术成熟，金属燃料的应用将不仅局限于汽车领域.各种发动机都可以改造成以金属作为燃料，那时，我们将迎来一个新的铁器时代。