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无机非金属材料发展的新趋势及其影响

　

中国科学院上海光学精密机械研究所 复旦大学 干福熹

从近代高技术的发展来看，无机非金属材料所起的基础和先导作用卓然。上二十世纪下半叶兴起的高技术以其产业为例，化合物半导体材料促使光电子技术的很大发展，形成了半导体发光二极管和半导体激光器的新兴产业，特别是近十年宽禁带半导体材料，如GaN材料的突破将推动全固态光源技术和产业的发展。由于七十年代石英玻璃光导纤维的损耗小于20dB/km，才使光纤通信技术能够实用化。近十年由于掺稀土离子的光纤放大器材料的突破，使多波复用长距离的光纤通信迅速发展。由于在La－Ba－Cu－O化合物中观察到30k以上的超导转变，开创了高温超导的新兴技术领域。碳富勒烯球和碳纳米管的诞生使纳米技术走向世纪的前沿。弛豫铁电和压电单晶和陶瓷的突破使高性能超声和水声换能器、压电驱动器等得到发展，在医用等高技术领域广泛应用。氧化物和超薄膜材料中巨磁电阻效应（GMR）和近十年隧道磁电阻效应的发现，使磁存储密度获得很大提高，磁记录产业得到迅速发展。人们研究并发展了晶须增韧、颗粒弥散强化、相变增韧等多种途径，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，其断裂韧性高达20MPa·m1/2以上，使陶瓷基复合材料进入实用化，推动了航空、航天和交通制造业。

21世纪无机非金属材料的发展具有低维化（在宏观和微观上）、复合化（材料的功能复合和组成复合）、智能化和环境友好等特征。宏观上的低维化是从体材料向薄膜材料和纤维材料的发展。现代信息功能器件（微电子、光电子和光子学器件）都是集成化的，因此主要应用薄膜材料。结构材料也用涂层和薄膜来改性：增强、增韧、耐磨。无机涂层包括各类热控涂层、耐高温防腐蚀涂层、抗氧化涂层、耐损涂层等，应用于航天器、核反应堆和远载工具上。特别在结构材料的功能化上，薄膜具有特殊的作用。因此无机非金属材料的薄膜制备、结构和性能、表面态以及发展新的薄膜材料的研究就十分重要。在功能器件中纤维也作为集成元件，如光通信中光信号的放大、调制、选模等功能都通过功能纤维来完成，形成集成纤维光路和光网。纤维作为结构复合材料的主体，纤维的表面结构和性能就尤为重要。

从微观上的低维化，即无机非金属材料的织构与结构上的尺寸从毫米、微米趋向纳米。上世纪末出现的光子学晶体，是以一维、二维和三维的以光波长为尺度（微米和亚微米）以介电常数空间周期变化的人工带隙新材料，将在本世纪内有很快的发展，特别是应用于光电子学和光子学材料和器件。纳米尺度上的超晶格薄膜、纳米线、纳米点材料的结构、性能的尺寸效应以及纳米材料的制备在上世纪末已作为公共关心的主题。纳米材料和器件由于其尺度上纳米量级，可表现出许多不同于块体结构的性质，对材料结构和性能关系的认识延伸到介观尺度。进入到21世纪将以纳米器件为中心来研究纳米材料的合成、组装与性能调控。进一步的低维化，涉及到基于原子和分子的纳米材料和技术，低维纳米材料及其复合的量子特性，量子限域体系设计和制造，研究量子点和量子线材料的电子和能带结构、杂质态和缺陷态等与结构与材料的物理性质关系，实现量子调控。

无机非金属材料与金属材料和有机高分子材料的复合化（composite）或杂化(hybrid)是另一发展趋势。以应用为目标，优化三大类材料的各自优点，进行在宏观尺寸上复合化，上个世纪在传统无机非金属材料上已广泛采用，如钢筋混凝土（金属与水泥）、玻璃钢（有机高分子与无机玻璃纤维），这类以结构材料为主的复合材料，今后仍将优化并继续发展。

随着材料的复合的尺寸愈来愈小，以至于达到纳米和分子尺度上的复合或称之为杂化，今后在无机非金属功能材料上将颇为明显，如纳米TiO2和敏化染料杂化以及以CdSe纳米线与噻吩的复合材料的太阳能电池材料，高的非线性光学常数的无机－有机杂化材料，碳纳管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料等。

功能的复合将使结构材料与功能材料的界限逐步消失，例如平板玻璃是作为门、窗、墙的结构材料，但当平板玻璃镀膜后就具有不同的光反射和吸收的阳光控制和低辐射玻璃后，就成为能满足节能、环保、安全和装饰的多功能建筑玻璃。结构陶瓷也逐步功能化，利用陶瓷优良的介电性能和光反射性能，发展了结构、防热、透波（或吸波）等陶瓷材料。利用AIN陶瓷高的导热性、低的电导率和热膨胀以及优良的机械性可作为大功率半导体集成器件的基板。

材料的智能化，即材料性能的多元化，能接受外部环境变化的信息，并能实时反馈。智能（smart）无机非金属材料日益受到关注。最早的智能化材料为被动式（passive smart），如光色（光致变色）材料受阳光辐射，自动改变透光度，但透光度的深浅是不同控的。但电致变色材料不仅光照后变色，并且变色程度由外加电压可控，是智能自动式（active smart）。智能化功能材料大都分为多片压电和铁电陶瓷的复式结构，外场信号的感知和反馈操作是分开的，目前趋向薄膜化和集成化。纳米复合材料的出现，可以把不同功能的材料从微观上复合在一起，形成紧凑的单体智能材料，这也是多功能无机非金属材料的主要发展方向。

本世纪的经济和社会发展是以人为本，与环境和谐的。所以节能降耗、环境友好、资源综合和循环利用、废弃物资循环利用和处理、有害气体液体的低排放和无害处理、有毒有害元素的替代必将是我国无机非金属材料的创新研究和生产中必须遵循的，应该全方位、多学科地研究绿色生产工艺、环境协调材料制备技术及其理论基础。

传统无机非金属材料产业是著名的资源、能源高消耗和对环境的高污染。21世纪要按照“全面、协调、可持续发展”的科学发展观，首先解决传统无机非金属材料与生态环境协调的生产技术，成为生态环境材料（ecomaterials）。加强理论基础研究，探索出低能耗少污染的新的合成和制造工艺；提高产品性能和节耗的技术途径；废气废料的合理科学处理技术；矿物资源的合理利用和结构调整。以传统的无机非金属材料为例，建立材料环境负荷评价的方法。

发挥无机非金属材料的制备特点，加强对改善环境的关键材料的研究，诸如核废物固化材料以解决核废物的永久处理；汽车和柴油机尾气三效催化剂（稀土复合氧化物）及载体材料（多孔陶瓷和陶瓷纤维）以解决汽车和柴油机的尾气污染；光催化的建筑材料以解决建筑材料的自洁以及无机膜分离材料对药物、食物和污水处理。

21世纪无机非金属材料的主要应用领域为信息、能源、交通、生物医学、生态环境和国防。新材料的发展将会对上述各领域产生深远的影响。

信息功能材料和器件作为21世纪信息社会产业发展的基础，涉及到信息的发射、传输、接受、处理、运算、存储和显示等各方面，主要的技术和手段为微电子技术、光电子技术和光子学技术。虽然信息的载体将逐渐由电子转向光子，但信息的发射、处理和运算仍以微电子技术为主，并仍依赖于以半导体硅为基础的材料，予计到本世纪中叶都不会改变。硅基的新材料如绝缘体上半导体（SO1），GeSi/Si应变超晶格材料，硅基异质结构材料（如硅基Ⅲ－Ⅴ族材料、硅基发光与激光材料等）将以更快的速度发展。

信息功能陶瓷材料将继续在电子元器件、超声和微波器件为主的电子学和微电子学技术上发挥作用。

Ⅲ－Ⅴ族半导体材料仍然为光电子技术（光源和接收器）的主要材料。GaAs，InP基超晶格、量子阱作为人工微结构材料，是新一代固体量子器件的基础，将会向高性能和实用化发展。Ⅲ－Ⅴ族半导体材料也是高频高功率微波器件的主要材料。以GaN和ZnO为代表的宽带隙半导体材料将成为短波长发光和激光材料，在半导体固体照明和光信息存储上发挥重大作用。

半导体存储器、磁存储器和光存储器为信息存储技术的三大手段。通过技术革新和巨磁组材料的应用，磁性材料的存储密度仍有大幅度提高的空间。到2010年磁畴的尺寸可达到20～30nm的物理极限，存储密度趋向Tb/in2。在这段时间自旋电子学材料和器件将会很大发展。在铁磁层/非铁磁中介层/铁磁层结构的分层膜中外加磁场可以改变相邻磁性层的相对磁化方向，从而得到电阻随外磁场变化的磁电阻效应。随着中介层材料的不同，可产生巨磁阻效应（GMR）和隧道效应磁电阻（TMR）。由此可以制成自旋阀磁头（CPP）和磁性随机存储器（MRAM）。各种新型氧化物，如过渡金属氧化物和稀土－过渡金属氧化物铁磁材料、铁磁金属半导体异质材料，磁性半导体材料是必须研究和开发的。

高密度光存储材料是以研究和开发对短波长（蓝、紫和紫外激光）敏感的纳米材料，以及克服光衍射极限的近场光存储有关的光学超分辨率和掩膜的快速响应的非线性光学材料。通过三维和多维存储方式，达到Tb/in2的存储密度。通过光－磁、光－电混合存储方式达到可实用化的超高密度信息存储是有前景的，相关的存储介质材料是其中的关键。

在信息传输中移动通信和远距离无线通信技术将快速发展，高功率微波发生器、微波谐振器、微波滤波器、微波电容器等元器的应用，为微波陶瓷和半导体材料开辟了广阔的前景。有线通信中光纤通信依然占主要地位，高密度波分复用（DWDM）为主要扩展容量的手段，传输速度将达Tb/s。为发展快速开关、调制、窄带滤波，除了进一步改进光学功能材料的性能外，光子晶体和负折射率材料将会实现在光频波段的新的光学功能。

能源是制约经济快速发展的瓶颈。我国常规能源资源不丰富，能源紧缺，开发二次能源就十分重要。无机非金属材料将作为二次能源的新能源材料。光－电转换的太阳能电池是重要的绿色能源，硅基材料是主体。单晶硅太阳能电池的光电转换效率高（16～25％），但价格高。目前急待提高和生产的为多晶硅和非晶硅薄膜太阳能电池，效率也分别可达到20％和13％。低价格和性能稳定的多晶和非晶硅薄膜材料无疑为发展的重要方向。多元化合物半导体材料如GaAs, CdTe, CuInSe2等薄膜材料的光电转换效率高（～20％），要解决有害元素的替代和生产价格的降低。用纳米TiO2和染料敏化的复合材料的太阳能电池的优点为廉价和工艺简单，光效 >10%，是目前能和硅基太阳能电池的唯一竞争者。

在发达国家汽车消耗了40％的能源，因此汽车动力电池十分重要。上世纪已进行了不少开发研究的镍氢电池和锂离子电池在本世纪要实用化，走上批量生产。当中仍需解决不少材料相关的关键技术，主要在镍氢和储氢电池的高效和稳定的电极材料、储氢合金。发展新型锂离子电池的正负极和隔膜材料，将采用包敷的新材料和纳米尺度的复合材料。

氢氧燃料电池是大功率的绿色电池。化合物方式储氢受到广泛重视，选择合适的化合物作为氢的载体，是材料科学研究的主要工作。提高储氢重量密度和体积密度为主要研究方向。固体氧化物燃料电池是要大力发展的另一类燃料电池，作为在500～1000℃工作的固体电解质膜材料也是关键。

生物应用材料是保障人类健康的必需品。生物医用材料目前主要用于生物器官和组织的修恢和替代。人的生物体是有机生物体和无机非金属材料的复合体。特别在人的器官、骨修复、药物控制系统方面生物医用无机非金属材料起重要作用，诸如生物陶瓷、玻璃和无机复合材料等。生物材料从上世纪第一代的“生物惰性”发展到第二代的“生物活性”，而本世纪进入第三代的“细胞/基因活化”的生物材料，即经过组织诱导重建或再生人体组织和器官，或增进其生理功能，实现永久修复。不久的将来可以设计和制造有生命的人体“部件”进而整个人体器官。

近年来发展的药物和基因等生物活性物质的控制释放技术，使药物、蛋白、细胞和基因等可被输送到指定部位控制释放。既可应用于难治愈疾病的治疗，又可用于诱导再生组织或器官。其关键材料为与生物活性物质相容，保持其活性，并能靶向传输的载体材料。无机非金属纳米材料今后将作为重要的生物材料应用。利用无机非金属材料可以作纳米微粒标记，纳米荧光探针、纳米靶基因、纳米生物传感器等，可促进癌和其他疾病的早期发现及早期诊治。

在两弹和武器装备的发展中无机非金属材料发挥了显著作用。高温结构陶瓷与复合材料一直极大地推动了航空、航天、兵器与运载工具的技术向高速度、高搭载和长寿命方向发展。根据预测今后陶瓷基复合材料的性能最有潜力获得大幅度提升，列为优先发展的国防需求的材料。例如，碳化物陶瓷基复合材料作为高温热结构材料、高温抗冲刷结构材料和高温防热材料已在航空发动机、液体和固体火箭、超高声速航天飞行器、太空望远镜等领域应用；氮化物陶瓷基复合材料作为高温防热透波材料，可满足高马赫数飞行器天线罩需求；高强度、高模量和低密度的碳纤维复合材料在军工上有广泛应用和前景。

在电子信息战的时代，光电跟踪、制导、对抗、寻的、预警是十分重要的手段，需要有不同波长和不同工作方式的固体激光器。近年来发展起来的用半导体激光进行光泵的全固态激光器是高效、紧凑和方便的，固体激光材料为其核心，主要是以无机非金属材料的单晶、玻璃和透明陶瓷作为基质。激光武器一直是作为先进战略防预的一种重要手段，全固态激光器的出现，又一次推动激光武器的发展。输出功率为100kW的激光武器已作为世界各大国的目标，而大尺寸、高质量的固体激光工作物质是其核心。用于惯性压缩核聚变反应的高功率激光装置的输出瞬态功率将达PW（1015W），不仅为探索核聚变能源，近期主要用于武器的核爆模拟。解决新型大尺寸、高质量的激光玻璃和非线性光学晶体以及高抗激光破坏和低光损耗的光学材料和薄膜为其关键。

军用的数字化移动通讯、卫星通讯和雷达技术是以高稳定性、高频化和小型化方向发展，在微波和毫米波的波段范围内，功能陶瓷和Ⅲ－Ⅴ族半导体基础的材料对电子和微电子器件起重要作用。材料的薄膜化和集成化是关键。

以无机非金属材料为基础的国防隐身材料是以涂敷性涂层为主，吸收各种波段的雷达波和激光，目前向复合结构与纳米高分子复合结构发展，制作隐身材料已成为国防科技关注的热点。