新材料领域 | 2016年发展回顾与2017年十大创新关注点

发布日期:2017-7-6 作者:沈应龙 黄善光来源:中国表面处理网

       由于学科的跨度大、范畴广、种类多,材料领域在过去一年里的创新呈现多点开花、热点频出的态势。另一方面,对于某类特定材料的研究往往需要长期持续,难以在一两年中连续出现突破性进展。
 
  2016年十大关注点回顾
 
  1、第三代半导体材料:应用瓶颈有待突破
 
  第三代半导体材料是以宽禁带为特点的一类半导体材料,包括碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石、氮化铝(AlN)等代表性材料。以典型的碳化硅为例,理论上这一材料用于电子、光电器件可以显著提高高压、高频和高温特性。
 
  目前低功耗的碳化硅器件已经有实用器件生产,但整体而言尚未打通大规模应用的瓶颈。晶片微管缺陷密度高、外延工艺效率低、配套材料高温性能不足等工艺问题直接推高了器件成本。而表面挖槽工艺、终端钝化工艺、栅氧层的界面态的长期稳定性影响等问题甚至尚未在业界达成一致结论。这些都大大阻碍了碳化硅半导体器件的市场应用。
 
  2、石墨烯:不断开拓新的应用空间
 
  石墨烯的奇特性能使其在很多领域都被寄予厚望。然而带隙结构的缺乏导致石墨烯用于新一代集成电路的目标仍然漫漫无期;石墨烯柔性显示远不够成熟;在电极中添加石墨烯的电池也尚未实现之前预想中的革命性改进。在这种“青黄不接”、缺乏真正成熟的大规模应用市场的情况下,各厂商都在尝试进一步拓宽石墨烯的用途:石墨烯被首次用于自行车和汽车的结构件;新的红外传感器有望大大降低CMOS传感器的造假;基于石墨烯基结构凝胶,一种具备全新发声原理的新型扬声器也已经问世。这些新的最新万博app官方下载有望为石墨烯探索出更多的发展思路。
 
  3、柔性玻璃:被配套技术拖累
 
  康宁公司早在2013年就发布了可以卷曲的柔性玻璃Willow,但直到目前仍未出现使用了这种玻璃的电子最新万博app官方下载。而2016年康宁公司的主要竞争对手肖特公司也发布了自己的柔性玻璃SCHOTT AS 87 eco,据称70微米厚的这种玻璃可以实现3毫米的弯曲曲率半径。然而肖特的这款最新万博app官方下载只用在了某品牌手机的指纹键部位,并没有体现卷曲特性。究其根本,电子最新万博app官方下载的柔性化并不仅仅靠玻璃就能实现。目前主流的“柔性”显示方案尚停留在同OLED屏幕结合的硬质曲面屏水平。在电子最新万博app官方下载的电池、主板等各种器件真正实现柔性化实现之前,柔性玻璃可能会一直找不到用武之地。
 
  4、有机-无机混合的钙钛矿构形太阳能电池材料:市场化进程获得突破
 
  有机-无机混合的钙钛矿构形太阳能电池材料在短短不到十年间就迅速将转化效率提升到22%以上,已经达到了目前广泛应用的硅太阳能电池的水平,并且还有上升空间。其最新万博app官方下载形态也有利于薄膜型太阳能电池的生产,因此近些年收到了广泛关注。而长期以来阻碍其实用化的问题在于使用的耐久性和生产过程中的毒性等问题。2016年,钙钛矿太阳能电池的稳定性研究取得了重大突破,据称在自然环境中的使用寿命可达25年。这一突破是钙钛矿太阳能电池市场化进程中迈进的一大步。
 
  5、超材料:研究视野不再局限于光学超材料
 
  超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。去年进入榜单的光学超材料能够展现出各种自然界中不存在的介电常数、磁导率、折射率等性能,因此具有广泛的应用潜力,也是超材料领域主要的研究方向。2016年,光学超材料的研究仍在平稳进行,同时还出现了一类新的、强调力学性能的超材料。这种材料可以根据受力情况转换表面质地的软硬程度,能够广泛用于汽车、卫星等用途。这为超材料的发展开创了一个新的方向。
 
  6、气凝胶:即将到来的市场拐点
 
  近十年来,气凝胶最新万博app官方下载主要是作为隔热材料小批量投入市场,一直存在价格昂贵等问题,市场份额仅占整个绝热材料市场的几个百分点,但是据Allied市场研究公司报导,目前气凝胶市场的复合增长率已经达到了36.4%,并且预计在“十三五”和“十四五”期间,我国将迎来工业和建筑保温材料的全面替换,市场空间可达数百亿人民币。此外气凝胶在吸附催化、吸音隔音、绝缘、储能、海水淡化、药物缓释、体育器材等领域的应用都具有广阔空间值得挖掘。产业界开始有声音认为气凝胶快速发展的拐点已经到来,一些技术领先的企业将迎来爆发式的发展。
 
  7、二维半导体材料:新的研究方向
 
  2016年初,我们的榜单中关注了一种新型半导体二维材料黑磷。在随后的一年中,又有氧化锡(SnO)、硒化铟(InSe)等多种二维半导体材料被发现。这些材料均拥有二维构形,因此具有极高的电荷迁移率,同时还克服了石墨烯缺乏带隙的不足,为新一代的集成电路提供了新的选择。受石墨烯的启发而发明的二维半导体材料已经成为半导体材料研究的一个重要新方向。
 
  8、液态金属、热电材料、压电材料:潜心研究
 
  2015年中科院理化所和清华大学的联合团队发明的液态自驱动金属以其酷似“液态终结者”的形态而受到了广泛关注,也标志着我国在液态金属研究领域达到了世界的先进水平。这一新生事物或许还要数年甚至数十年的时间才能够走向成熟应用。类似的,热电材料填充方钴矿、纳米压电材料等研究在2016年也一直在有条不紊地进行,其未来发展也值得我们耐心等待。
 
  新材料领域整体趋势
 
  2016年材料领域的发展,整体显现以下几个特点:
 
  1、新型半导体材料的研究始终是关注焦点。随着光刻技术逐渐逼近硅材料的物理性能极限,新一代的半导体材料越来越成为高端材料和信息产业的研究重点之一。从石墨烯中首次发现了二维结构材料的优异导电性后,二维锡、黑磷等“二维半导体材料”沿袭石墨烯的发展思路,开创了一种全新的半导体材料研发思路。2016年,又诞生了氧化锡、硒化铟两种二维材料。此外还出现了具备柔性的半导体纤维材料SnIP。这都为未来半导体的发展提供了新的方向。
 
  2、新应用引领下的新材料新理念及新最新万博app官方下载不断出现。一般而言,材料处于应用最新万博app官方下载的产业上游,材料研究的进步带动下游应用的发展。然而一些迅速崛起的新兴应用也直接催生了新兴的材料市场。如3D打印技术的高速扩张就直接带动了市场空间极为可观的3D打印材料;柔性显示在长远上的需求也是柔性玻璃快速发展的动力。
 
  3、国内企业大有可为。整体而言我国在新材料领域的起步较晚,市场影响力较低。然而随着多年积累,情况正在逐渐改观。例如,近年来我国企业已经在高端碳纤维等领域实现了突破,在气凝胶的开发上也不落下风。无论在成熟市场的进口替代还是新兴市场的开放方面,国内企业都拥有巨大的发展前景。
 
  2017年材料领域十大创新关注点
 
  在过去的2016年,新材料的科研和产业发展都发生了一系列变化。一些新的研究方向受到追捧,一些产业应用取得突破,还有一些既往热点仍在默默发展。这些动态都值得我们在2017年保持高度关注。
 
  新型半导体材料多样化发展
 
  随着以传统硅基半导体材料为基础的超大规模集成电路的性能逐渐逼近物理极限,摩尔定律逐渐显露出失效的趋势。为了打破即将到来的瓶颈、推动电子信息产业的持续进步,近年来新的半导体材料始终是材料领域的研发热点之一。以往的第三代半导体材料,以及石墨烯开创的二维半导体材料都曾被广泛关注。
 
  2016年,来自不同机构的科研人员又贡献了数种全新的、具有应用潜力的新型半导体材料。美国犹他州大学的科研人员发现的二维氧化锡(SnO)是有史以来第一种稳定的P型(带正电荷的“空穴”运动)二维半导体材料。“石墨烯之父”安德烈·海姆(AndreGeim)发现的超薄硒化铟(InSe)则具有相当大的带隙,室温下的电子迁移率达到 2,000 cm2/Vs,远远超过了硅,在更低温度下,这项指标还会成倍増长。德国慕尼黑工业大学的科研人员则发现了一种柔性的无机半导体材料SnIP,具有类似于DNA分子的双螺旋形,体现出了极强的柔韧性,可以反复折弯而不断裂。这种材料能够体现出类似于砷化镓(GaAs)的电子性能,而且热稳定性更高、原料价格低廉、几乎没有毒性。

  钙钛矿型太阳能电池材料稳定性获突破
  有机-无机杂化钙钛矿结构的太阳能电池在2009年被首次报道,在2013年被Science被评为十大科技进展之一。这种新型的太阳能电池材料可以以薄膜形态工作,并且具有高光电效率,因此自诞生之日起就被业界重点关注。经过近6年的发展,这类太阳能电池的光电效率就从3.8%稳定提高到了22%以上,同传统硅太阳能电池串联后甚至可以达到30%,并且仍有进步空间。2016年,对一直困扰着相关最新万博app官方下载实用化的稳定性问题的研究取得了里程碑式的重大突破,新最新万博app官方下载被认为“可以在室外放置25年”。这一突破是钙钛矿太阳能电池实用化进程中的一大步。
 
  此外,有机-无机混合钙钛矿材料具有的高色纯度、低非辐射复合率和可调带隙等特点还使其还有望用于LED照明领域。
 
  国内企业进军高等级碳纤维市场
 
  碳纤维具有非常优异的物理性质和化学性质,被广泛用于航空航天、交通工具、新能源装备、工程建设、体育休闲等领域。长期以来,我国碳纤维产业规模较小,同国外先进企业差距明显,进口最新万博app官方下载占整个市场销量的80%以上。尤其是航空航天、工业应用等高端最新万博app官方下载市场,进口最新万博app官方下载占有率甚至达到95%,且长期处于被禁运的窘境。
 
  目前,国内T300级和T700级碳纤维最新万博app官方下载质量已达到国外同类最新万博app官方下载水平。2016年,哈尔滨天顺化工科技开发公司宣布继去年成功实现低成本T700碳纤维量产后,又利用自产千吨线生产的原丝,再次突破低成本T800级碳纤维生产技术,最新万博app官方下载的拉伸强度、拉伸模量等各项指标均达到日本T800级碳纤维技术水平。中复神鹰碳纤维公司的千吨级T800原丝生产线也投入生产。这些成果打破了国外禁运的限制,加速了国产碳纤维的进口替代步伐。
 
  石墨烯最新万博app官方下载的应用场景进一步丰富
 
  石墨烯问世以来,其神奇性能被多个产业领域所关注,大量的潜在应用不断出现。除了传统的电池电极改性、柔性触控屏外,石墨烯的新应用方向还在不断出现,潜在市场空间不断拓宽:利用其超高强度,全球第一辆在车身中添加了石墨烯材料的汽车和自行车分别在英国问世;应用了石墨烯的超薄、高灵敏度的红外传感器有望将原本价值20,000欧元的CMOS传感器的价格降至10欧元;一种新型扬声器摒弃了传统的电磁激励振动的原理,利用超多孔石墨烯基结构凝胶的快速冷热变化带动空气振动发出声音,能够产生更高的声压。相信石墨烯会在许多其他意想不到的领域得到应用。
 
  智能纤维带动传统行业转型
 
  在我国,纺织行业一向被视为典型的传统产业,早年更一度是压缩落后产能的标杆性行业。“智能纤维”的发展则给这一行业带来了新的升级路径和市场空间。智能纤维是指能够感知外界环境或内部状态所发生的变化,并能做出响应的纤维。不同智能纤维的性能可能差距极大,例如相变纤维能够通过吸/放热量来实现对温度的调节;记忆纤维能够在特定环境下恢复原始形状;凝胶纤维能够对温度、pH值、光照、压力等条件做出体积或形态方面的响应;电子纤维能够导电以及消除静电等。各种各样的智能纤维能够赋予织物各种奇特的性能,甚至使衣服也实现功能化、信息化,例如能够将人体运动能量转化为电能并给手机充电的裤子、具有显示功能的衣服等。这将为整个纺织行业带来一次革命性的发展机遇。
 
  拓扑新万博客户端下载材料奠定量子计算基础
 
  新万博客户端下载材料的研究已经持续了数十年,期间经历过多次高潮和沉寂。拓扑新万博客户端下载在2006年被发现以来,迅速成为凝聚态物理界新的研究热点。近日,我国科学家又首次发现了铁基高温新万博客户端下载材料中的一种新型一维拓扑边界态。拓扑新万博客户端下载体体内是有能隙的新万博客户端下载体,表面能够产生一种被称为Majorana费米子的无能隙态。据理论预测,Majorana费米子可以用于量子计算,因此对拓扑新万博客户端下载材料的研究将直接关系到未来计算机的发展。
 
  气凝胶逐步走向应用
 
  气凝胶是密度最低的固体材料,曾长期出现在各类科技最新万博app官方下载榜单中。主要作为隔热材料的气凝胶商业化最新万博app官方下载已经出现十多年,但价格始终居高不下,因此主要应用于航天、军工、核能等尖端领域,市场份额十分有限,仅占整个隔热材料市场的几个百分点。
 
  随着技术进步,气凝胶最新万博app官方下载的性价比逐渐上升,冶金、石化、建材、热力管网等工业市场正在逐渐打开,近年来气凝胶市场的复合增长率已经达到了36.4%。业内预计在未来十年左右我国将迎来工业和建筑保温材料的一次全面替换,而气凝胶作为一种革命性的隔热材料会因此形成数百亿元规模的潜在国内市场。此外气凝胶在吸附催化、吸音隔音、绝缘、储能、海水淡化、药物缓释、体育器材等消费品领域的应用也值得期待。
 
  金属氢后续发展值得关注
 
  近日,美国科学家成功将氢气压缩制成固态、可导电的“金属氢”,率先达成了全球多个团队多年以来的研究目标,摘得了这一高压物理学的“圣杯”。此前,金属氢被认为在木星等大天体的内核中存在,地球内是不存在的。金属氢的能量密度高达218kJ/g,是TNT炸药(4.65kJ/g)的约50倍,有望用于火箭燃料等用途,同时在290k(16.85℃)的高温下还能显示出了新万博客户端下载现象。实验室中利用特殊处理的金刚石材料制造出了495GPa的极端的高压环境才制造出这一物质。尽管后来“金属氢消失”的新闻又引起了广泛的争议,但金属氢的研究本身仍然是值得长期关注的。
 
  力学超材料应用前景广阔
 
  “超材料(metamaterial)”指的是一些具有人工设计的结构并呈现出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。这些超常性能主要是由其精细的微观结构,而非组成成分导致的。光子超材料是以往超材料领域最主要的研究方向,能够通过微观结构的设计而体现出负折射率等自然界不存在的特性。密歇根大学的研究则实现了一种具有特殊力学性能的超材料,即材料表面软硬质地可以根据受力情况转换。施加轻微的压力可以在不损坏或削弱材料本身的情况下,改变表面刚度几个数量级。
 
  这种材料制造的火箭可以在发射时保持刚性、降落时变软以实现重复利用;自行车轮胎可以在骑行时自动变换硬度,以适合任何路况;汽车在发生事故时方向盘可以及时软化保护乘客,不再需要额外的安全气囊。力学超材料的发明也为超材料的发展提供了新的方向。
 
  仿生材料创意无穷
 
  仿生材料涵盖的材料种类千差万别,但模仿、超越生物体材料的性能始终是仿生材料研究的核心思想,并且多年以来产生了大量成果。近期又有多种新型仿生材料出现:模仿蝉翼表面纳米锥结构研发出了具有优秀抗雾能力的纳米织构材料;首次合成了强度及韧性超过生物软骨、皮肤的合成水凝胶;受到植物种子的启发,通过操作微结构来控制热处理中的各向异性收缩而实现自成形的陶瓷材料。可以预见在各类材料领域,都有可能产生许多具有奇特性能的新型仿生材料。
 

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