当前材料研究热点.pptx

Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所新型半导体材料与大规模三维集成电路新型半导体材料与大规模三维集成电路元素半导体和化合物半导体：元素半导体和化合物半导体：Si，Ge，金刚石，金刚石,IIIV、IIVI族化族化 合物单晶硅合物单晶硅Si材料，直径，材料，直径，1970年年50mm；1985年年150mm；2000 年年225mm集成电路集成度：集成电路集成度：1987年年 100万晶体管万晶体管/平方厘米平方厘米,2000 年年1000万万(1024K)IBM预测预测,2007年年,设计线宽将达到设计线宽将达到0.01 微米微米,芯芯 片上可集成片上可集成10亿晶体管亿晶体管 GaAs为第二代半导体为第二代半导体,可在可在300-500 使用使用,运算频率可达运算频率可达2000 Mhz而而 Si 仅可工作在仅可工作在250以下以下,频率仅为频率仅为300 MHz GaN为第三代化合物半导体为第三代化合物半导体,工作放热有可能使电路失效工作放热有可能使电路失效,发展高热导的发展高热导的II型金刚石是个方向型金刚石是个方向 CVD法金刚石薄膜和法金刚石薄膜和AlN薄膜薄膜,将有效的提高了集成度将有效的提高了集成度 三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发三维电路要求高性能衬底材料和高热导封装材料的研发 铁电铁电-Si微集成系统微集成系统,具有良好系统功能具有良好系统功能,成为当前的研制热点成为当前的研制热点 Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所信息传输光纤材料信息传输光纤材料 多模光纤、新型色散补偿光纤与色散多模光纤、新型色散补偿光纤与色散管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光管理光纤、稀土掺杂光纤和高聚合物光纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤；纤和其他特种微气孔光纤或微结构光纤；特别是特别是光纤预制棒制造技术是光纤制造光纤预制棒制造技术是光纤制造技术的核心技术的核心，也一直是我国光纤产业发，也一直是我国光纤产业发展的最薄弱环节展的最薄弱环节Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所新型能源材料新型能源材料 目前地球上的主要能源化石燃料（煤、石油、天然气等）存在的主要问题是：利用效率低 应用技术落后，对环境造成污染（烟尘、有害气体等）未开采的储量已经不多，终将消耗 因而，开发新能源和节能技术是当前始终如一的研究课题，涉及种类繁多的新材料：核能技术材料（陶瓷核燃料，核反应堆容器材料）储氢材料（SmCo5，NbTi合金）燃料电池材料（电解质、阴极、阳极、连接材料、密封材料)风力发电设备材料（高强度轻质复合材料）太阳电池材料（Si，aSi，CdSe，GaAs）超导输电线材料镍氢电池、锂离子电池相关材料Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所 固体氧化物燃料电池是一种新型绿色能源装置，比质子交换膜燃料电池有更高的转换效率和节能效果，可减少二氧化碳排放 50%，不产生NOx，已成为发达国家重点研究开发的新能源技术。但目前研究的固体氧化物燃料电池的工作温度达800900，其关键部件的材料制备总是成为制约固体氧化物燃料电池发展的瓶颈。应突破的关键技术主要有：a）高性能电极材料及其制备技术；b）新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜的制备技术；c）电池结构优化设计及其制备技术；d）电池的结构、性能与表征的研究。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前研究的热点。固体氧化物燃料电池材料固体氧化物燃料电池材料 Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所固体氧化物燃料电池（固体氧化物燃料电池（SOFC）工作原理）工作原理阳极氧离子固体电解质阴极内重整CH4H2OCOCO2H2H2OO2电子Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所固体氧化物燃料电池的结构（固体氧化物燃料电池的结构（1）管状管状管状管状SOFCSOFC电池结构示意图电池结构示意图电池结构示意图电池结构示意图 多孔支撑管多孔支撑管空气空气燃燃料料气气Ni接触杆接触杆阴极阴极LSMNi-YSZ阳极阳极YSZ电解质膜电解质膜Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所固体氧化物燃料电池的结构（固体氧化物燃料电池的结构（2）自支撑型平板式自支撑型平板式自支撑型平板式自支撑型平板式SOFCSOFCLab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所 单晶硅，多晶硅，非晶硅太阳电池材料；IIVI族化合物半导体太阳电池材料：ZnSe，CdTe。要求：研制出光电转换效率大于 18%的低成本、大面积、可商业化的硅基太阳能电池及其组件。IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。太阳能的综合利用(光电、热电、热交换)及其与风力发电的耦合技术；建立总体利用效率达15%的追尾聚集光式太阳能光电、热电、热交换系统并实用化，建立太阳能综合利用与风力发电耦合的实用型分布式地面电站，并可并网供电。太阳能利用技术太阳能利用技术Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所 以以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成为代表的实用超导材料已实现了商品化，在核磁共振人体成像（像（NMRI）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；但是，由）、超导磁体及大型加速器磁体等多个领域获得了应用；但是，由于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦于常规低温超导体的临界温度太低，必须在昂贵复杂的液氦(4.2K)系统中使用，系统中使用，因而严重地限制了低温超导应用的发展。因而严重地限制了低温超导应用的发展。高温氧化物超导体，把超导应用温度从液氦（高温氧化物超导体，把超导应用温度从液氦（4.2K）提高到液氮（）提高到液氮（77K）温区。能够用来产生温区。能够用来产生20T以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不以上的强磁场，这正好克服了常规低温超导材料的不足之处。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，一些材料科学研究领域最足之处。高温氧化物超导体是非常复杂的多元体系，一些材料科学研究领域最新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离新的技术和手段，如非晶技术、纳米粉技术、磁光技术、隧道显微技术及场离子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学子显微技术等都被用来研究高温超导体，其中许多研究工作都涉及了材料科学的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用的前沿问题。高温超导材料的研究工作已在单晶、薄膜、体材料、线材和应用等方面取得了重要进展。等方面取得了重要进展。超导材料超导材料Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所 作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发作为高技术重要组成部分的生物医用材料已进入一个快速发展的新阶段，其市场销售额正以每年展的新阶段，其市场销售额正以每年16%的速度递增，预计的速度递增，预计20年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支年内，生物医用材料所占的份额将赶上药物市场，成为一个支柱产业。研究发展十分活跃：柱产业。研究发展十分活跃：生物活性陶瓷生物活性陶瓷已成为医用生物陶瓷的主要方向；已成为医用生物陶瓷的主要方向；生物降解高分子材料生物降解高分子材料是医用高分子材料的重要方向；是医用高分子材料的重要方向；医用复合生物材料医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料的研究重点是强韧化生物复合材料 功能性生物复合材料功能性生物复合材料，带有治疗功能的生物复合材料带有治疗功能的生物复合材料。生物医用材料生物医用材料Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所 定义定义：指对能源和资源消耗最少，对生态环境影响最小，：指对能源和资源消耗最少，对生态环境影响最小，再生循环利用率最高，使用性能优异的新型材料。特点：性再生循环利用率最高，使用性能优异的新型材料。特点：性能先进性；环境协调性；应用舒适性。能先进性；环境协调性；应用舒适性。生态环境材料是生态环境材料是20世纪世纪90年代在国际高技术新材料研究年代在国际高技术新材料研究中形成的一个新领域，主要研究方向是：中形成的一个新领域，主要研究方向是：直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解直接面临的与环境问题相关的材料技术，例如，生物可降解材料技术，材料技术，CO 2 气体的固化技术，气体的固化技术，SOx、NOx催化转化技催化转化技术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加术、废物的再资源化技术，环境污染修复技术，材料制备加工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；工中的洁净技术以及节省资源、节省能源的技术；开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、开发能使经济可持续发展的环境协调性材料，如仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色环境保护材料、氟里昂、石棉等有害物质的替代材料、绿色新材料等；新材料等；材料的环境协调性评价。材料的环境协调性评价。生态环境材料生态环境材料 Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所 智能材料是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑智能材料是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应命。如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间仅为间仅为10分钟；压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、分钟；压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果取得大量创新成果。智能材料智能材料 Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所先进材料先进材料的历史性发展与的历史性发展与“材料科学与工程材料科学与工程”学科学科年代年代事件事件1940Shottky等发明了等发明了Ge 半导体三极管，人类进入了半导体时代半导体三极管，人类进入了半导体时代1954发现了发现了Si 材料，材料，取之不尽、用之不竭的取之不尽、用之不竭的IC基础材料基础材料1960红宝石的问世，出现了激光技术红宝石的问世，出现了激光技术1957-1960美国第一批（美国第一批（5所）高校组建了所）高校组建了“材料科学与工程材料科学与工程”系系多学科人才联合攻关的多学科人才联合攻关的“国家实验室国家实验室”：Argonne Lab（芝加哥），（芝加哥），Lorenz Lab（加州），（加州），Bell Telephone Lab.Oak-Ridge Lab，对综合性学科知识人才的需求对综合性学科知识人才的需求-新学科的诞生新学科的诞生:”“材料科学与工程材料科学与工程”学科学科:综合性、交叉性、边缘性、应用性综合性、交叉性、边缘性、应用性定义定义：关于材料的合成、制备、组成、结构（包括缺欠）、性能和应用及其：关于材料的合成、制备、组成、结构（包括缺欠）、性能和应用及其 相互关系的学科，相互关系的学科，其基本宗旨是其基本宗旨是研发、利用新材料研发、利用新材料 19571960年年 美国第一批（美国第一批（5所）高校组建了所）高校组建了“材料科学与工程材料科学与工程”系系Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所材料工程(工艺)与制备技术：材料工程(工艺)这一主题,常常构成材料科学与工程中一个颇为突出的矛盾体。一方面材料工艺被认为是材料科学赖以发展的基础；因为材料的性能对工艺过程有明显的依赖性，工艺是确定材料 能否推向预期市场的决定因素，陶瓷材料尤其如此。另一方面，与工艺的重要性这一普遍认识相反，要找找到有关这一主题的系统文献，或者说非常准确的工程参数，并不容易，尽管近些年来有所发展和改进。Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所 这主要是因为：人们往往根据实用准则来评判（陶瓷）材料工艺，一个产品的成功往往由最后质量衡量，而很少通过形成过程构思的“精巧”或论证的“严谨”来体现。如果性能不好，往往原来构思就被否定，过程中的“变化”常常被忽略。实际上在制备过程中，涉及许多制备技术、工艺手段和“Know How”。如此，阻碍了工艺的发展。专利制度：追求目标不太成功，就可能像所述那样否定原来构思，或大谈自己的经验，而缺乏把各种变量结合而纵观分析提升；一旦达到追求目标，又专成专利，为了保密而保持沉默。Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所工艺过程复杂，工艺过程是多变量，结果也可能取决于局部因素，甚至非可控因素，造成结果的离散性，难于短期内总结、提高。工艺技能常常是由技术“诀窍”表示，而不是用建立成熟、系统的学科理论表示，也就是常说的“熟能生巧”。总之，工艺过程非常重要，但由于种种原因，在教科书、文献中常常一笔代过，所有这些，都给材料工程的系统发展带来困难。Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所 制造 结构 物性通过结构控制,达到所需物性；通过对物性得要求,设计合理结构,选择制造方法,从而制造出新材料。结构控制选择制造方法规定物性结构设计Lab for Solid State Chemistry&Inorganic Membranes,USTC固体化学与无机膜研究所课程主要章节内容：主要参考书：1M.N.Rahaman,Ceramic Processing and Sintering(2003年第二版年第二版)2Alain C.Pierre,Introduction to Sol-Gel Processing(1998年年)3Jame S.Reed,Principles of Ceramics Processing(1995年第二版年第二版)4Burtrand I.Lee,Edward J.A.Pope,Chemical processing of ceramics.(1994)5R.A.Terpstra,P.P.A.Pex,A.H.de Vries,Ceramic Processing(1991)6David W.Richerson,Modern Ceramic Engineering(1982)7山口乔山口乔,柳田博明编柳田博明编,丸善株式会社丸善株式会社,19828.硅酸盐物理化学硅酸盐物理化学 陆佩文等，陆佩文等，1991 9.教材教材:现代陶瓷工程学材料工艺基础之一现代陶瓷工程学材料工艺基础之一 (刘杏芹编刘杏芹编)