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1、我国应加快开发保护环境新材料两院院士、有中国材料泰斗之称的我国著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，我国应加快开发保护环境新材料。20XX 年 5 月 21 日在贵州省安顺市举行的一场院士、 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，特别是量大 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 更为严重。治理环境需要开发新型材料， 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

2、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，减少污染，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、 废料的回收以及再制造工程的实现等循环经济的实施。 根 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，资源枯竭及环境破坏的加剧，正在制约 着全球经济的增长。 人类要想继续生存和发展， 就必须改变目前的发展方式， 走 可持续发展的

3、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、 增强综合国力和国防实力方面起着 重要的作用，世界各发达国家都非常重视新材料的发展。 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及多部门参与 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。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

4、力于把材料发 展纳入到产、学、研、官一体化的平台，以满足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， 世界上很多著名的新材料企 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能力、 生产技术及充足的资金进入新材料领域。伴随着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， 产业结构出现垂直扩散趋势。 这种 趋势减少了材料产业化的中间环节， 加快了研究成果的转化， 降

5、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，国防和战争的需要、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、经济持续增长以及信息处理和 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重材料的经济 性、知识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。未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展开。 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十分

6、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 15% 的年增长率发展，预计到 2015 年，仅中国市场就需要永 磁铁氧体 50 万吨，软磁铁氧体 20 万吨，钕铁硼磁体 5 万吨。目前全球生物医 用材料的产值超过 800 亿美元， 预计 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，预计 2010 年纳米技术将成为仅次于芯片制造的 世界第二大产业，年产值将达 14400 亿美元。 5新

7、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、长寿命及按用户进行订制。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、 服务业及人们生活方式带来 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， 提高材料的使用性能， 便于新材料迅速走向实际应用， 并且可以减 少材料的“性能浪费”，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

8、跨国公司及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、 研发能 力强、产业链完善，它们通过战略联盟、大量的研发投入、产业技术及市场标准 制定并控制知识产权， 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 家企业硅片销售占国际销售额的 79.1% 。有机硅材料则 是Dow Corning 公司、GE公司、Wacker公司和Rhone-Poulenc 公司及日本 一些公司基本控制了全球市场。有机氟材料则是 Du Pont 、 Daikin

9、 、 DN-Hoechst 、 3M 、 Ausimont 、 ATO 和 ICI 等 7 大公司占据全球 90% 的生产 能力，在全球居于统治地位。7新材料发展和生态环境及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及其相关领 域的研究与开发的力度，并从政策、资金等方面都给予更大支持。材料的生态环境化是材料及其产业在资源和环境问题制约下满足经济可承受性、 实现可持续发展的必然选择。 开发新材料将更加重视从生产到使用的全过程对环 境的影响， 资源保护、 生产制备过程的污染和能耗、 使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省资源、

10、 减少污染和再生利用。 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用相同的标 准是至关重要的。 各国材料及其产品数据标准不一致将会引起混乱、 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非常重要的， 对于新兴市场上的新材料， 这种要求尤其 强烈。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，微电子材料在未来1015年仍是

11、最基本的信 息材料，集成电路及半导体材料将以硅材料为主体， 化合物半导体材料及新一代 高温半导体材料共同发展。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”计划的推动下，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 LED 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 LED 发光效率超过 30lm/W ，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

12、国 LED 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 DPL 晶 体材料研究方面取得重要成果。 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，镀膜的直接检测技术等。2新能源材料 新能源材料是发展新能源的核心和基。⒄狗较蚴强⒙躺次电池、氢能、 燃料电池、太阳能电池和核能的关键材料。 当前的研究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，特别是锂电池动力

13、电池的发展创造了有利条件， 打破了日本一统天下的局 面，成为世界第二生产大国。 我国自主开发的钴镍锰酸锂成本仅为钴酸锂的一半， 高温稳定性也大幅度改善，改性天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研究取得了重要进展， 其成本估算 0.5-1$/pW 。如果效率达到 5% ，性能价格比将超过非晶硅， 有很强 的市场竞争能力，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。药物控制释放材料、 组织工程材料、纳米生物材料、生

14、物活性材料、介入诊断和治疗材料、可降解和 吸收生物材料、新型人造器官、人造血液等代表了新的发展趋势和方向。 在国家科技政策和计划资助下，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 程材料以骨材料研究为主，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及留学归国人员的创 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 25 30 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

15、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、 纳米医疗以及机器 人等未来能形成新兴主导产业领域的基础研究； 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、 纳米改性的纺织品及医疗保健等领域。 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。荒擅淄苛鲜谐》荻罱徊嚼┐。 在最新的纳米技术研究领域， 我国也取得了重要突破，

16、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 GaAsSb/InGaAs 非对称双量子阱结构， 并在实验上获得室温 1.3 微米发光纳米材料在国内首次成 功研制出性能良好的 1.21-1.28 微米室温工作边发射激光器。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，在继续改善 BSCCO 带材（也称为第一代带材）的同时，各 国正在

17、努力研究开发一种在柔性金属基带上涂以 YBCO 厚膜的涂层导体（第二 代高温超导带材） 。铋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、德国等少数国家所掌握。我国铋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交流 33.5米35kV/2kA 高温超导电缆系统在云南昆明普吉变电站挂网运行成功， 标志着我国已经掌握了 超导电缆实用化的关键技术。 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，清华大学研

18、制的超导滤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成功。 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、 第二个拥有此类实用 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、应用普及化、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，增强了技术人员对于微观化 学合成领域的控制能力， 使得化工新材料新产品的合成更为灵活， 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、 研

19、 究最活跃的领域。化工新材料由于涉及面广， 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 技术与过程控制的结合等等为新学科的不断涌现提供了机会。7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一直在向短流 程、高效率、节能降耗、洁净化、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 -

20、 制造- 评价一 体化、功能化、智能化的方向发展。文章三 未来汽车：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 全球变暖和油价高起更让寻找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。 尽管它们正在获得越来越多的认可， 却依 然不尽如人意。 比如售价不低或使用成本过高， 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实验室的科学家也在研究这个课题， 他们想到一种非常 新奇的解决方法：以金属作为发动机的燃料。实验室的戴夫比奇博士认为，铁、

21、 铝、硼都可以用作新的替代能源。根据比奇的计算，使用特制的发动机和同等体积的金属燃料，一辆轿车的行 驶距离是普通汽油动力汽车的 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 还可以被循环使用。 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、冷冰冰的铁块中居然蕴藏着能量，而且还能被点燃？这简直不可思 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、 煤粉以及火药作为来源， 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

22、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。神奇的纳米材料 其实在燃料中使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。 火箭已经在使用金属粉末作 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进剂中， 可大幅度提 高燃料的燃烧热和燃烧效率， 以及改善燃烧稳定性。 研究表明， 向火箭固体燃料 中加入 0.5%纳米铝粉或镍粉， 可使燃烧效率提高 10% 25% ，燃烧速度加快数 十倍。此外，火箭动力的鱼雷也使用了金属粉末。当然，火箭发动机使用金属的 方法与这里讨论的汽车发动

23、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。 这一般需要一 个温度高于 2000 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容易， 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。橡树岭实验室的另一个科学家所罗门拉比诺夫对这两个问题非常熟悉。早在20 世纪 80 年代，当他还在乌克兰基辅的一个工学院做助教时， 拉比诺夫的研究 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，然而氧化物灰烬会堆积在

24、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，开始在橡树岭工作。 2003 年，他建议比奇和理论家博 比桑普特重新开始研究这个问题，这次他们使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、发光性和颜色及水溶性都有重大变化。当“超分子”继续长

25、大或 以通常的方式聚集成大块材料时， 奇特的性质又会失去。 通俗来说， 纳米材料一 方面可以被当作一种“超分子”，充分地展现出量子效应；而另一方面它也可以 被当作一种非常小的“宏观物质”，以至于表现出前所未有的特性。在试验中，研究人员发现直径 50 纳米的铁颗粒比拉布诺夫原来研究的微米级 铁颗粒更容易燃烧：加热到 250 度，或者仅仅是一个火花就可以点燃。随着研 究的深入，他们发现纳米金属颗粒有越来越多的神奇特性。纳米颗粒的单位体积表面积（比表面积）很大，因而容易燃烧。铁非常容易 与氧气反应， 所以如果许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。为了避免这种反应， 在制

26、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使用。 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： 氧化铁很容易再转 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

27、当作燃料使用。 纳米颗粒燃烧很快，在大概 1 毫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量无法被高效利用。 在常规的内燃机中， 每个燃烧 的爆发时间能够持续 5 20 毫秒。为了限制燃烧速度，研究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。 研究人员通过控制簇的大小、 形状和密度 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 毫秒， 最大的簇却能燃烧 0.5 2 秒。接下来， 他们开始研制可以使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

28、寻找收集燃 烧废物的方法。另一种方案是采用斯特灵发动机，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。 不过目前汽车使用的都是内燃机， 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。比奇更希望设计出使用金属燃料的内燃机。他认为，也许柴油机经过改造就 能满足要求， 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。燃烧物可以用过滤器进行收集， 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

29、下交给金属加油站， 由专门的公 司负责将其转换回燃料以备再次使用。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， 而比奇等人通过控制簇的大 。丫梢越鹗舻娜忌瘴露冉档 525 度。他们接下来的工作是寻找燃烧的 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，比普通油箱重两 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

30、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方便、 储存安全、体积小的优点。在减轻重量方面，也有可提升的空间。如果使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，如果使用硼的话，可以得到 6 倍的能量。 虽然这两种材料都比铁贵铝的价格是铁的 15 倍，但从另一个角度来考虑，由 于金属燃料不会被消耗， 可以循环使用的， 真正的使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使用成本。面对这么多的优点，我们有什么理由不用金属燃料呢？随着研究的深入，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。