揭秘未来100大潜力新材料收藏!

现如今,科技革命发展迅猛,新材料产品日新月异,更新换代的步伐明显加快。新材料技术与纳米技术、生物技术、信息技术相互融合,结构功能一体化、功能材料智能化趋势明显,低碳、高性能、绿色、可再生循环等环境友好特性倍受关注。

本着重大性、颠覆性、引领性、基础性四大原则,小编从电子信息功能材料、先进复合材料、特种功能材料、高性能金属材料、关键原材料等几大领域中遴选出100大潜力新材料。究竟哪些材料才是业内人士心目中具有发展潜力的? 今天,带你了解。

在锂电池结构中,隔膜是关键的内层组件之一,也是技术壁垒最高的一种高附加值材料,约占锂电池成本的20-30%。近年来,在新能源汽车、3C产品等市场需求的推动下,锂电池隔膜的市场需求快速增长。

隔膜是直接决定电池安全性能的关键材料,随着锂离子电池容量的不断提高,内部蓄积的能量越来越大,有可能出现温度过高使隔膜被融化而造成短路。如果在隔膜上涂上一层超细超纯氧化铝涂层,就能避免电极之间短路,提高锂电池的使用安全性。

电解铜箔是制造覆铜板(CCL)及印刷电路板(PCB)的重要材料,行业具有投资成本高、生产技术难以复制以及专业人才紧缺等特征,企业进入壁垒较高。目前,对于技术含量和附加值较高的高密度互连板(简称HDI)内层用铜箔和柔性电路板(简称FPC)用铜箔,几乎都是从日本、韩国进口。

动力锂电池作为目前主流的新能源汽车动力技术之一,是新能源汽车的核心零部件。目前电解液是制约动力电池发展的关键因素之一,决定了电池的循环、高低温和安全性能。添加剂是电解液的价值核心,对电解液的浸润性、阻燃性能、成膜性能等均有显著的影响,也是高性能电解液开发的关键。

锂电池用铝塑膜是软包锂电池电芯封装的关键材料,相比硬壳电池具有质量轻、安全系数高、可循环性能好等优势,对电池的诸多性能有着重要的影响,目前市场主要被日韩企业垄断。

质子交换膜是燃料电池的核心部件膜电极的重要组成部分,成本占整个燃料电池堆的12%,其性能对质子交换膜燃料电池(PEMFC)的使用性能、寿命、成本等有决定性的影响,技术壁垒较高。

氢燃料电池催化剂关系到燃料电池电堆的性能和寿命,由于其原材料铂和铂碳颗粒价格高昂,使得催化剂成为氢燃料电池核心部件电堆中成本最高的部件之一。

在质子交换膜燃料电池中,气体扩散层的主要作用是支撑催化剂,以及为参与反应的气体和生成的水提供传输的通道,是膜电极的关键组成材料之一,其国产化突破与量产,对中国燃料电池的成本降低与推广应用具有重要价值。

碳纤维作为一种性能优异的战略性新材料,其密度不到钢的1/4、强度却是钢的5-7倍。与铝合金结构件相比,碳纤维复合材料减重效果可达到20%-40%;与钢类金属件相比,碳纤维复合材料的减重效果可达到60%-80%。

对位芳纶纤维是一种极其重要的战略物质,在相当长的时期内,其技术和市场都被美国、日本等少数国家控制,我国对该产品的需求基本全部依赖进口。近些年来,我国对位芳纶纤维的研究开发卓有成效,技术壁垒被不断攻破。

超高分子量聚乙烯纤维与碳纤维、芳纶纤维并称为世界三大高科技纤维,鉴于其质轻、高强、比能量吸收高等特点,已逐步取代芳纶纤维,成为个体防弹领域的首选纤维。

随着我国水资源问题的日趋严峻及环保政策对工业用水的不断施压,海水淡化行业快速发展,高效的反渗透海水淡化技术逐渐成为解决水资源问题的主要途径。反渗透膜是实现反渗透技术的核心元件,正逐渐成为制膜企业重点布局的产品。

《新材料产业发展指南》在突破重点应用领域急需的新材料中提到,要大力发展医用增材制造技术,突破医用级钛粉与镍钛合金粉等关键原料制约。

3D打印技术正在推动着医疗卫生产业的变革,钛及钛合金作为性能优异的生物医用材料,

传统的含邻苯类增速剂的PVC医用材料,因存在影响人体健康的隐患,被淘汰是必然结局。苯乙烯类热塑性弹性体在排除了对人体各种安全隐患之后,表现出卓越的性能,成为替代传统医用塑料的首选材料。

随着社会的进步和人们生活水平的提高,患者对伤口愈合、舒适度等要求也更加严格。新型医用敷料可以加速创面修复,减少伤口感染,缩短病程,减轻患者痛苦等,相比传统敷料有更大的市场潜力。

碲锌镉晶体是极具工程意义和战略意义的功能材料,相较于闪烁体探测器,它的能量和空间分辨率更高。未来碲锌镉晶体将助力实现安检中的液体检测和精准检测,使得液体可以带上飞机、雨伞和充电宝无需在安检时取出,同时可以实现医疗CT和骨密度仪辐射剂量的降低,让孕妇、老人和孩子也可以做相关的检查,还可以实现肿瘤的早期检测等。

人工晶状体是一种高科技产物,通过植入人工晶状体治疗白内障是目前最有效的手段。但是国内相关产品发展滞后,市场基本被国外产品垄断,尤其是软性人工晶状体,基本依赖进口,价格昂贵。

高频覆铜板是一类应用在高频下具有高速信号、低损耗传输特性的PCB基板材料,处于覆铜板行业金字塔的顶端,行业门槛最高。它是5G高频高速时代通信行业发展的关键材料,印刷电路板的命脉主要取决于它。

碳/碳复合材料是碳纤维及其织物增强的碳基复合材料,具有质量轻、耐烧蚀性好、抗热冲击好、高温强度高、可设计性强等突出特点,被认为是最有发展前途的高温材料之一。

碳/陶复合材料是碳纤维增强碳化硅陶瓷复合材料,是新一代飞机和汽车刹车材料中公认的最理想的高温结构材料和摩擦材料,同时也被誉为目前刹车材料性能的最高水平。

金属基复合材料具有高比强度、比弹性模量、良好的高温性能和耐磨性、热膨胀系数小、良好的断裂韧性和抗疲劳性能等一系列优异性能,是理想的航天器材料。

钕铁硼是第三代稀土永磁材料,因其优异的性能被称为“磁王”。高性能钕铁硼主要应用于高技术壁垒领域的电机、压缩机、传感器等。

稀土储氢材料在较低温度下可吸放氢气,是一种极具发展潜力的功能材料和能源材料,也是21世纪绿色能源领域的战略材料。

用稀土三基色荧光灯代替普通白炽灯,可节电高达80%,不但可以提高照明质量,而且生产过程污染小,是一种“绿色照明”材料。彩色电视也正是由于采用了稀土荧光灯才使得画面色彩纯正,能逼真地再现出五光十色的大千世界。

立方氮化硼具有很高的硬度、热稳定性和化学惰性,并且对铁系金属元素有较大的化学稳定性。立方氮化硼的使用是金属加工领域的一次重大突破,使得磨削技术发生革命性变化,是高档数控机床和机器人应用领域急需的新型材料。

氮化铝由于具有高热传导率、高绝缘电阻系数、优越的机械强度及抗热震性等特性,成为重要的精密陶瓷材料。高性能氮化铝陶瓷更是新一代大规模集成电路、半导体模块电路及大功率器件的理想散热和封装材料。

高温合金是航空发动机必不可少的材料,在世界先进航空发动机研制中,高温合金用量已占到发动机总量的40%-60%,我国高温合金行业长期处于供不应求的状态,年市场缺口近1万吨,军用航空发动机高温合金约有40%依赖进口,进口替代市场前景广阔。

高熵合金突破了传统材料的设计观念,是一种全新的合金设计理念,在机械性能、耐腐蚀、耐磨损、磁学性能、抗辐照等方面都表现优异,或成下一代合金标杆。

铝锂合金是近年来航空航天材料中发展最为迅速的一种先进轻量化结构材料,具有诸多优异的综合性能,是当前各国争相发展的一种重要航空材料。

镁锂合金是目前密度最小的超轻质合金,具有较高的比强度和比刚度,减震性和电磁屏蔽性较好,是宇航、兵器行业中最理想的轻质结构材料之一,被誉为未来最“绿色环保”的革命性材料。

在飞机的制造中,尽管钢的比重在下降,但是由于钢的高强度、高韧性、高耐应力腐蚀开裂以及良好的抗冲击性能,飞机的一些关键承力结构件仍在继续使用高强度不锈钢,它是航空产品达到高性能、长寿命与高可靠性的重要基础。

石墨烯是目前世界上最薄且最坚硬的纳米材料,它几乎完全透明,只吸收2.3%的光,导热系数高达5300 W/m·K(高于碳纳米管),常温下电子迁移率超过15000cm2/V·s(高于碳纳米管和硅晶体),电阻率只有10-6 Ω·cm,为目前世界上电阻率最小的材料,未来将在超多领域引发颠覆性的技术产业革命。

富勒烯具有完美的三维拓扑对称结构、在纳米尺度范围内特殊的稳定性,以及奇异的电子结构,使其在许多高新技术领域的应用潜力巨大,其代表成员C60更被誉为“纳米王子”。

形状记忆合金,顾名思义,是拥有“记忆”效应的合金材料,能够记忆其初始形状,且同时具有传感和驱动的功能,是一种智能材料。

3D打印又称增材制造,被誉为“第三次工业革命”的技术核心。3D打印材料是3D打印技术的物质基础,也是当前制约3D打印产业发展的重要因素,决定着3D打印技术是否能有更广泛的应用。

手机屏幕里,每平方毫米要用一百个微球,间隔物微球撑起了两块玻璃面板,相当于骨架。

芯片电路常用焊锡连接,但现在的芯片太小,引脚小到看不清,导电金球就替代了焊锡。仅微电子领域,中国每年就要进口价值几百亿元的微球,它是中国制造的一条短腿,国产化替代需求强烈。

气凝胶的热导率极低,与传统保温隔热材料相比,在同等隔热效果下,气凝胶材料厚度只有传统保温隔热材料的1/2-1/5,可以为服役场所节省更多空间。

超导材料不仅在临界温度下具有零电阻特性,而且在一定条件下还具有常规导体完全不具备的电磁特性,因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值。曾有10人因超导材料的研究成果而获得诺贝尔物理学奖。

离子液体是低温或室温熔融盐,可作为绿色催化剂和溶剂,实际应用时可根据使用条件设计合成出具备特殊功能的离子液体新材料,因此被称为“未来的溶剂”。

液态金属是一种具有非晶态原子结构的金属合金,它的出现被认为是继铜、铁和钢,以及塑料之后的第三次材料革命,或将成为未来轻合金材料的颠覆者。

生物可降解材料作为一种可自然降解的材料,在环保方面起到了独特的作用,其研究和开发已得到迅速发展,被认为是“白色污染”的有效解决途径。

碳纳米管作为锂电池的导电剂,较其它类型的导电剂,可以提高电池的容量、循环稳定性和循环寿命等。目前,添加碳纳米管作为锂电池导电剂,提高电池性能的产业化应用,是锂电池领域的重要研究方向。

突破性:全息膜是具有划时代专利技术的投影膜,具有独特的高清晰透明显像特性。它可以提供空中动态显示,同时能让观众透过投影膜看见背后的景物,并且可以与互动软件组合,产生三位立体互动影像,使观者产生身临其境、玩转空间的感觉。

发展趋势:分子级别的纳米光学组件将是其发展趋势,其次是轻薄内部蕴含先进精密光学结构,可用于电子器件、光学薄膜等。

突破性:金属氢是液态或固态氢在上百万大气压的高压下变成的导电体,它的导电性类似于金属,故称金属氢,是一种高密度、高储能的材料。据预测,金属氢是一种室温超导体,且储藏着巨大的能量,其能量比普通大30-40倍。

潜在应用:能量密度很高的化学燃料(如:火箭燃料)、航天级新概念武器、发电储能材料、新火药等。

突破性:超固体是一种具备超流体特性的固体,是集“超流体+固体”特性于一身的物质,即既有晶体中原子规则排列的特征,又可以像超流体一样无摩擦地流动。这种新物质形态只能存在于极低温且超高真空的条件下,这意味着目前我们还无法将其应用普遍化。

研究机构:宾夕法尼亚州立大学、瑞士苏黎世联邦理工学院(ETH)、美国麻省理工学院(MIT)等。

突破性:木材海绵是通过化学处理有序剥离出木材细胞壁中木质素和半纤维素,保留纤维素骨架,然后经冷冻干燥而成。木材海绵吸油性非常好,吸收量是其自身重量的16-46倍,且可重复使用多达10次。这种新型海绵在容量、质量和可重复使用性方面超越了我们今天使用的所有其它海绵或吸收剂。

潜在应用:石油和化学品泄漏对世界各地的水体造成了严重的污染,木材海绵能够有效解决这个问题,成为清理海洋石油和化学品污染的有效途径。

突破性:时间晶体也叫四维晶体,不同于一般晶体由规则原子结构在空间中重复排列,时间晶体的原子结构是在特定条件下沿着时间轴呈现周期性变化,它在基态时也会维持振荡的状态,所以是一种非平衡态的物质。时间晶体是一种全新的物质形态,将为物理学研究打开一个新大门,回答与物质本性有关的各种基本问题。

潜在应用:时间晶体未来将在量子计算机、超高灵敏度传感器等领域有重要应用,甚至可以通过时间晶体开发出复杂的时空晶体,将人脑的意识上传到时空晶体,把人的记忆保存起来。

研究机构:哈佛大学、马里兰大学、麻省理工大学、Cornell University、加利福尼亚大学伯克利分校等。

突破性:冷沸材料随着温度的下降依次呈现出固态、液态和气态。聚集态的冷沸材料愈热强度愈高,冷沸金属材料最高耐受温度可达10200 ℃,在常温及高温时均可保持电超导和磁超导特性;冷沸非金属材料可耐7400℃ 的高温,是优秀的耐磨和阻磁材料。

突破性:微格金属是波音公司展示的世界上最轻的金属材料,99.99%中空结构,它由微型空心管连接而成,空心管直径约100μm,壁厚只有100nm,它们互相连接,构成了开放的蜂窝状聚合物结构。这种创新材料比泡沫塑料还要轻100倍,同时又坚硬且牢固。

潜在应用:电池电极、催化剂载体、未来航空飞行器的制造等,微格金属材料可以确保美国宇航局降低深太空探索航天器40%的质量,从而能够更深入更广泛地探索宇宙世界。

突破性:量子金属是一种独特的二维材料,具有绝缘和超导特性,同时能够保持普通金属的特性。这种新材料在温度低于零下272℃时转变为超导状态,在强磁场作用下将成为绝缘体,而在中等强度磁场中则变成量子金属。

突破性:这种合金由10%的金和90%的铂制成,所得材料的耐磨性比高强度钢还高100倍,与大自然中的钻石、蓝宝石等材料处于同一级别。

突破性:光子晶体是由周期性排列的不同折射率的介质所制造的规则光学结构,具有光子带隙因而能够阻断特定频率的光子。光子晶体具有的速度快、静止质量为零、彼此间不存在相互作用等优势,此外还有电子所不具备的频率和偏振等特征。光子晶体的出现,使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。

应用趋势:目前光子晶体最成功的应用是光子晶体光纤,近些年来基于光子晶体的全新光子学器件(如反光镜、放大器、弯曲光路、超棱镜、激光器、非线性开关、光子纤维和发光二极管等)相继被提出,未来在新的纳米技术、光计算机、激光器、光子器件、芯片、光通讯、生物等前沿领域光子晶体将有广泛的应用前景。

研究机构:Alnair Labs、Yenista、CILAS, Newport、上海瞬渺光电技术有限公司、北京凌云光子有限公司、江苏法尔胜光子有限公司、上海光机所、马德里理工大学等。

突破性:4D打印材料是一种能够自动变形的材料,直接将设计内置到物料当中,不需要连接任何复杂的机电设备,就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。这是一种无需打印机器就能让材料快速成型的革命性新技术,其大小形状可以随时间变化,记忆合金材料是关键。

突破性:“量子隐形”材料完全可以在不借助其它技术的情况下实现隐形,甚至可以逃过红外望远镜和热力学设备的追踪。“量子隐形”材料制成的衣服,通过反射穿衣者身边的光波,使得穿着这种衣服的人达到“隐形”的效果。

突破性:磁流体是一种新型的功能材料,既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性,是由直径为纳米量级(10 nm以下)的磁性固体颗粒、基载液(也叫媒体)以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体。

研究机构:美国ATA应用技术公司、日本松下、湖南维格磁流体股份有限公司、北京市神然磁性流体技术有限公司等。

突破性:锡烯是单层锡原子构成的厚度小于0.4纳米的二维晶体,可在常温下达到100%导电率的超级材料,其导电性只存在于材料的边缘或表面,而不是内部。锡烯的拓扑超导性和室温下无耗散导电,可实现室温下无能量损耗的电子输运。

研究机构:美国能源部SLAC国家加速实验室、斯坦福大学、德国维尔茨堡大学、上海交通大学、清华大学等。

突破性:硼墨烯是具有单层平面原子结构的二维硼,其结构是36个硼原子形成三个相互连接的准平面环,在中间留下一个六边形的空洞。硼墨烯在纳米尺度表现出很多金属特性,且其导电属性具有方向性。

研究机构:美国能源部阿贡国家实验室、西北大学、纽约州立大学石溪分校、美国布朗大学、清华大学等。

突破性:自修复材料是一种可以感受外界环境的变化,集感知、驱动和信息处理于一体,通过模拟生物体损伤自修复的机理,在材料受损时能够进行自我修复的智能材料。

研究机构:麻省理工学院、美国伊利诺伊大学、米其林、日本国家材料科学研究所(NIMS)、横滨国立大学、东京大学等。

突破性:超高温陶瓷是指具有3000℃以上的高熔点,并具有优良的高温抗氧化性、耐烧蚀性和抗热震性的一类陶瓷材料,主要是IV B、VB族过渡金属的硼化物、碳化物及其复合材料。目前,超高温陶瓷在温度达到1600℃时仍具有较好的抗氧化性。

潜在应用:超高温陶瓷材料主要用于高超音速导弹、航天飞机等飞行器的热防护系统如翼前缘、端头帽以及发动机的热端,是难熔金属的替代者、超高温领域最有前景的材料之一。

研究机构:中南大学、美国Sandia National Labs、英国伦敦帝国理工学院、航天703所、中材山东工陶院、中科院金属所、中科院上硅所、哈尔滨工业大学、西北工业大学等。

突破性:将这种细腻而柔滑的硅基拟肤聚合物涂在皮肤上,能够瞬间拉紧皮肤、消除下垂,在不知不觉间让皱纹消失,帮助人们保持肌肤的年轻状态。

突破性:这类涂层材料是专门为工业钻头和钻孔工具专门设计的铁基玻璃状合金涂层,它在重载下更能抵抗断裂。该涂层的成本远远低于普通材料,如碳化钨钴硬质合金,并且其较长的使用寿命也提高了隧道掘进过程的效率。

突破性:从化脓链球菌侵入细胞后释放出的蛋白获得灵感,这种蛋白能够分为两部分,但当它们再相遇时,会像胶一样结合在一起。由这两部分蛋白组成的胶,称为分子强力胶。这种胶的粘结强度高、耐高低温性能好,能同时承受酸和其它恶劣环境。

② 分子强力胶可粘结金属,塑料及其它种类物质,解决了原有各种漆都与金属粘附不强的问题。

突破性:通过控制水化硅酸钙(C-S-H)结晶、粒子特殊微观形状,从而将水泥颗粒“编程”成特定的形状,这样可编程的微粒可以使得材料密度更高,孔隙更少,具备防水和牢固的微观结构。

突破性:是一种新型涂料,可以自行调节玻璃的透明度,对于67ºC以上的温度,这种透明涂层将变成反射金属般的光洁度来反射阳光。

突破性:Hydroceramics由水凝胶气泡组成,它在水中可以扩大到原先体积的400倍。基于这种属性,其吸收的液体会在炎热的天气蒸发到周围空气,从而起到降温的作用。并且一个下雨天就足以让气泡充满并重新准备好启动过程,从而节省能源消耗并确保可持续使用。

突破性:过渡金属硫化物(TMDC)具有简单的二维结构,是可比肩石墨烯的超级创新材料。它通常由过渡金属元素M(如:钼、钨、铌、铼、钛等)与硫族元素X(如:硫、硒、碲等)组成,化学式为MX2。由于相对成本较低,并且更易于制成非常薄且稳定的图层,同时具有半导体特性, TMDC成为光电子学领域的理想材料。

① 如果电子和真空洞被注入TMDC,当它们相遇时就会再次组合然后释放光子,这种光电相互转化的能力使得TMDC有望被用于光传输信息领域,用作微小的低功率光源或激光;

② TMDC可以和各种二维材料结合制备异质结,并且很少出现晶格失配的问题,这种异质结光电器件有望在更广泛的光谱范围内表现出良好的器件性能。

研究机构:中国科学技术大学、北京航空航天大学、中国石油大学、中国石油天然气集团公司催化重点实验室等。

突破性:纳米点钙钛矿具有巨磁阻、高离子导电性、对氧析出和还原起催化作用等特性。

发展趋势:改变传统根据材料的性质进行加工的理念,可根据需要来设计材料的特性。

研究机构:桑迪亚国家实验室、波音公司、Kymeta、深圳光启研究院、国民技术等。

突破性:超薄铂是一种快速、廉价地沉积铂超薄层的新方法,可减少用于燃料电池催化剂的金属用量,从而大大降低其成本。

突破性:该材料是从丢弃的虾壳中提取的壳质和来源于蚕丝的丝素蛋白组成,复制了昆虫表皮的强度、耐久性和多功能性。

② 作为一种特别坚固的生物相容性材料,它也可用于缝合承受高负荷的伤口,例如疝修补或作为组织再生的支架。

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