從2017年行業(yè)熱點研究梳理出20大新材料（上）

　　材料工業(yè)是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，尤其新興材料，將會給工業(yè)帶來革命性的變革。新材料是材料工業(yè)發(fā)展的先導(dǎo)，是重要的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。21世紀的今天，科技革命迅猛發(fā)展，新材料產(chǎn)業(yè)升級、材料更新?lián)Q代步伐加快。

　　在此背景下，綜合國內(nèi)外知名研究機構(gòu)和公司研究進展、科技媒體評論以及行業(yè)熱點研究梳理出20大新材料。

　　量子金屬

　　突破性：由俄羅斯遠東聯(lián)邦大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院遠東分院的科學(xué)家與日本東京大學(xué)的同行組成的國際研究團隊合成了世界上首例量子金屬。二維系統(tǒng)在轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體或超導(dǎo)體的同時，仍可保持正常的金屬態(tài)。這種不尋常的狀態(tài)就被稱為量子金屬或玻色金屬。研究表明，這種新材料具有以多晶硅為襯底的雙層鉈原子結(jié)構(gòu)，當溫度低于零下272℃時，變?yōu)槌瑢?dǎo)材料。通過觀察這種非正常的物質(zhì)狀態(tài)，科學(xué)家有望對二維電子系統(tǒng)（二維金屬）溫度接近絕對零度時的行為（是否仍然是金屬態(tài)以及是否會傳導(dǎo)電流）一探究竟。

　　發(fā)展趨勢：超低溫導(dǎo)電性、正常金屬存在于兩個維度狀態(tài)的可能性研究。

　　研究機構(gòu)：俄羅斯遠東聯(lián)邦大學(xué)、日本東京大學(xué)。

　　超固體

　　突破性：超固體(Supersolid)同時具備固體與流體特征，是一種空間有序(比如固體或晶體)的材料，但同時還具有超流動性。當量子流體，比如He-4冷卻到某特征溫度以下時，He-4將經(jīng)歷超流轉(zhuǎn)變，進入一個零黏性的態(tài)。這個轉(zhuǎn)變被認為與發(fā)生玻色-愛因斯坦凝聚有關(guān)。

　　發(fā)展趨勢：在超固態(tài)，空位將成為相干的實體，可以在剩下的固體內(nèi)不受阻礙地移動，就像超流一樣。而玻色愛因斯坦凝聚體是一種出現(xiàn)在超冷溫度下的奇異物態(tài)，在如此低的溫度下原子的量子特性變得極其明顯，展現(xiàn)出明顯的波動性。

　　主要研究機構(gòu)（公司）：賓夕法尼亞州立大學(xué)、瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）、美國麻省理工學(xué)院（MIT）等。

　　超高溫陶瓷

　　突破性：超高溫陶瓷通常是指能在2000℃以上有氧氣氣氛燈苛刻環(huán)境條件下仍然照常使用的最耐熱的高級陶瓷，主要是IVB、VB族過渡金屬的硼化物、碳化物及其復(fù)合材料。目前，超高溫陶瓷在溫度達到1600℃時仍具有較好的抗氧化性。

　　發(fā)展趨勢：航空航天領(lǐng)域、軍工武器領(lǐng)域。超高溫陶瓷材料主要用于高超音速導(dǎo)彈、航天飛機等飛行器的熱防護系統(tǒng)如翼前緣、端頭冒以及發(fā)動機的熱端，是難熔金屬的最佳替代者，時超高溫領(lǐng)域最有前途的材料。

　　主要研究機構(gòu)（公司）：美國SandiaNationalLabs、英國倫敦帝國理工學(xué)院、航天703所、中材山東工陶院、中科院金屬所、中科院上硅所、哈工大、西工大等。

　　過渡金屬硫化物

　　突破性：過渡金屬硫化物（TMDC）低成本、具有簡單二維結(jié)構(gòu)，是可比肩石墨烯的超級創(chuàng)新材料。過渡金屬硫化物通常由鉬或鎢形成，例如硒或者碲與硫元素構(gòu)成。它們具有相當簡單的二維結(jié)構(gòu)。由于其相對成本較低，并且更易于制成非常薄而穩(wěn)定的圖層，同時具有半導(dǎo)體特性，因此過渡金屬硫化物（TMDC）也成為光電子學(xué)領(lǐng)域的理想材料。

　　發(fā)展趨勢：數(shù)字電子領(lǐng)域。如果電子和真空洞被從一個外部環(huán)路注入過渡金屬硫化物，當它們相遇時就會再次組合然后釋放光子。這種光電相互轉(zhuǎn)化的能力使得過渡金屬硫化物有望被用于利用光傳輸信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。

　　主要研究機構(gòu)（公司）：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國石油大學(xué)、中國石油天然氣集團公司催化重點實驗室等。

　　微格金屬

　　突破性：超輕，99.99%部分都是空氣，表觀密度為0.9g/cm3，是一種合成的多孔極輕3D開放式蜂窩聚合物結(jié)構(gòu)金屬材料，具有聲學(xué)、振動和沖擊能量抑制，非常堅硬，壓縮50%張力之后能夠完全恢復(fù)，具有超級高能量吸收能力。

　　發(fā)展趨勢：電池電極、催化劑載體，未來航空飛行器制造，微格金屬材料可以確保美國宇航局降低深太空探索航天器40%質(zhì)量，這對于未來旅行至火星和其它星球至關(guān)重要。

　　主要研究機構(gòu)（公司）：Boeing

　　錫烯

　　突破性：單層錫原子構(gòu)成的厚度小于0.4納米的二維晶體——錫烯，可在常溫下達到100％導(dǎo)電率的超級材料，其導(dǎo)電性只存在于材料的邊緣或表面，而不是內(nèi)部。當拓撲絕緣體只有一層原子厚的時候，它的邊緣導(dǎo)電性就會達到完美的100％。遠勝近年來熱議的石墨烯，可實現(xiàn)室溫下無能量損耗的電子輸運。

　　發(fā)展趨勢：更高集成度的電子學(xué)器件應(yīng)用方面具有重要的意義。

　　主要研究機構(gòu)（公司）：美國能源部SLAC國家加速實驗室、斯坦福大學(xué)，德國維爾茨堡大學(xué)，上海交通大學(xué)，清華大學(xué)。

　　新型透明導(dǎo)電材料

　　突破性：美國賓州州立大學(xué)研究人員選擇了一種電子間相互作用大于其動能的材料，由于電子強關(guān)聯(lián)作用，電子能“感覺”到彼此，從而使其性質(zhì)類似于“液體”，而不是沒有相互作用的“氣體”。這種電子“液體”仍然非常導(dǎo)電，但是可見光波段的反射卻大大降低，從而提高了透明度。

　　發(fā)展趨勢：在光學(xué)透明性、導(dǎo)電性和易于制造上有望替代傳統(tǒng)的透明導(dǎo)電材料——銦錫氧化物ITO，將被廣泛應(yīng)用于智能手機觸摸屏、平板顯示器等顯示領(lǐng)域。

　　主要研究機構(gòu)（公司）：美國賓州州立大學(xué)、無錫力合光電傳感技術(shù)有限公司等。

　　第三代半導(dǎo)體

　　突破性：碳化硅、氮化鎵、氧化鋅、氮化鋁等寬緊帶半導(dǎo)體材料。具有寬的禁帶寬度，高的擊穿電場，高的熱導(dǎo)率，高的發(fā)光效率，高的電子飽和速率及高的抗輻射能力。更適用于制作高溫高頻、抗輻射及大功率器件。

　　發(fā)展趨勢：更高集成度的電子器件，光電子器件、電力電子器件，藍光LED，OLED，照明、新能源汽車、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等。

　　主要研究機構(gòu)（公司）：羅姆、三菱電機、松下電器，Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的Nippon、Sixon，芬蘭的Okmetic，德國的SiCrystal，TDI、Kyma、ATMI、Cree，日亞(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、東芝(Toshiba)。

　　金屬氫

　　突破性：金屬氫是液態(tài)或固態(tài)氫在上百萬大氣壓的高壓下變成的導(dǎo)電體。導(dǎo)電性類似于金屬，故稱金屬氫。金屬氫是一種高密度、高儲能材料，之前的預(yù)測中表明，金屬氫是一種室溫超導(dǎo)體。金屬氫內(nèi)儲藏著巨大的能量，比普通TNT炸藥大30─40倍。

　　發(fā)展趨勢：能量密度最高的化學(xué)燃料料（如：火箭燃料），航天級新概念武器，發(fā)電儲能材料，可能為常溫超導(dǎo)體，新火藥，潛在的聚變應(yīng)用價值。

　　主要研究機構(gòu)（公司）：哈佛大學(xué)，愛丁堡大學(xué)。

　　高熵合金

　　突破性：高熵合金由多種含量相近的主元混合而成，由于主元數(shù)增多，混合熵增加，混產(chǎn)生獨特的高熵效應(yīng)，并抑制金屬間化合物和其他有序相的生成。元素間不同的尺寸和結(jié)合力，導(dǎo)致了合金具有晶格畸變和緩慢擴散效應(yīng)，保證了合金強硬；凝固過程中保留的大量缺陷和能量，使得鑄態(tài)的合金即保留了很大的殘余能量，有利于孿晶等的發(fā)生，變現(xiàn)出一系列優(yōu)異的和特殊的力學(xué)行為；多種主元，保證了合金的鈍化層復(fù)雜，耐腐蝕性能優(yōu)越，等等。高熵合金在機械性能、耐腐蝕、耐磨損、磁學(xué)性能、抗輻照、低溫性能等方面都很優(yōu)異。

　　發(fā)展趨勢：工業(yè)制造，航空航天，電子電器等領(lǐng)域。

　　主要研究機構(gòu)（公司）：北卡羅萊納州立大學(xué)，卡塔爾大學(xué)，浙江大學(xué)，北京科技大學(xué)。

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