《新型材料概述》课件

新型材料概述什么是新型材料新型材料的定义代表性新型材料新型材料是相对于传统材料而言，具有先进结构与优异性能的材料类•功能材料型，能够满足新技术、新产业发展的特殊需求•复合材料•纳米材料材料分类简述无机非金属材料包括陶瓷、玻璃、水泥等无机物质构成的材料金属材料包括铁基、铝基、钛基、镁基等各类金属及其合金高分子材料新型材料发展的重要意义高技术产业支撑新型材料为航空、航天、电子信息等高技术领域提供关键支撑，是技术创新的物质基础战略新兴产业发展作为战略新兴产业的关键组成部分，新型材料推动产业升级和经济结构转型国家安全保障新型材料发展历程120世纪初塑料和高分子材料开始兴起，改变了人类生活方式220世纪50-70年代复合材料、超导材料等功能材料开始涌现，推动多个领域技术革新321世纪纳米材料、智能材料、特种合金等前沿材料蓬勃发展，引领新一轮科技革命世界新材料发展的里程碑事件11954年人造金刚石首次合成成功，开创了人工合成超硬材料的新纪元21970年超导材料首次突破临界温度23K，为超导应用奠定基础32004年石墨烯被首次成功制备，开启了二维材料研究热潮新型材料的核心特征性能与功能适应性与可持续性•高性能强度、韧性、耐热性等力学性能卓越•极端环境适应耐高温、耐腐蚀、抗辐射等•高功能性具备特殊电学、磁学、光学等功能•绿色低碳资源节约、环境友好、可循环利用•可持续发展满足人类长期发展需求主要类型一高性能金属材料超高强度钢高温合金轻质高强合金强度高达2000MPa以上，广泛应用于高铁、汽能在1000℃以上高温环境长期工作，是航空发动密度低、强度高，是航空航天、国防军工、体育车、海洋工程等领域机、燃气轮机等关键材料器材的理想选择应用案例高温合金高温合金的卓越性能航空发动机核心应用•工作温度超过1100℃高温合金是制造航空发动机涡轮叶片的关键材料，直接决定发动机的推重比和燃油效率每提高发动机工作温度50℃，发动机效率可提高5%-•优异的抗氧化和抗热腐蚀性能7%•高温强度和疲劳性能突出•使用寿命提升达10倍主要类型二无机非金属新材料先进陶瓷材料特种玻璃材料新型碳材料具有优异的耐高温、耐腐蚀、绝缘等特性，广泛具有特殊光学、电学、热学等性能，是光电子、包括石墨烯、碳纳米管等，具有优异的力学、电应用于电子、医疗、能源等领域通信、显示等产业的关键材料学和热学性能陶瓷基复合材料卓越性能航天应用•密度低比金属轻30%-40%陶瓷基复合材料是航天飞机热防护系统的核心材料，能够承受大气再入时高达1700℃的极端温度，保障航天器安全返回地球•耐高温可在1600℃以上工作•耐腐蚀对酸碱盐等化学物质稳定中国自主研发的陶瓷基复合材料已在多个航天项目中成功应用•高强韧性克服传统陶瓷脆性缺陷高端光电子玻璃亿美元

5000.2dB/km100Tb/s全球光纤市场规模光损耗传输容量光纤通信已成为现代通信现代光纤的信号传输损耗单根光纤可实现的理论传网络的基础，高纯度光纤极低，实现了远距离高速输容量，远超铜缆传输能预制棒是战略性关键材料通信力高端光电子玻璃是光纤通信、激光器等设备的核心材料，中国已成为全球最大的光纤光缆生产国主要类型三高分子新材料超高分子聚乙烯具有超高强度和优异耐磨性，是制造防弹衣、高强缆绳的理想材料芳纶纤维耐高温、高强度、轻质，广泛用于航空航天、防护装备等领域工程塑料具有优异的机械性能、耐热性和耐化学性，可替代金属用于工程结构件超高分子量聚乙烯纤维惊人性能对比关键应用领域•防弹衣与防护装备材料特性超高分子量聚乙烯钢丝•高强缆绳与绳索密度比较轻85%基准•切割防护手套•海洋工程锚链强度比较高15倍基准•医用人工关节柔韧性极佳较差耐腐蚀性几乎不腐蚀易腐蚀主要类型四复合材料树脂基复合材料金属基复合材料由树脂与增强纤维组成，轻质高强，广泛用于结合金属基体与增强相优点，具有优异的高温航空航天、体育器材等领域性能和耐磨性水泥基复合材料陶瓷基复合材料通过纤维增强提高韧性，应用于建筑结构和基克服传统陶瓷脆性缺点，具有高强度、高韧性础设施工程和耐高温特性碳纤维复合材料倍1/4530%比钢的密度比钢的强度飞机减重碳纤维复合材料密度仅为在重量轻的同时，强度超现代客机大量采用碳纤维钢的四分之一，大幅减轻过钢铁5倍，实现以轻胜重复合材料，减重30%，节油结构重量25%以上碳纤维复合材料已广泛应用于汽车轻量化、航空航天结构件、高端体育器材等领域，是实现节能减排的关键材料新型碳材料概述石墨烯单原子层厚度的二维碳材料，具有极高的强度、导电性和导热性碳纳米管直径纳米级的管状碳结构，强度极高，具有优异的电学和热学性能富勒烯足球状碳分子结构，具有独特的物理化学性质，在医药、光电领域有广阔应用石墨烯材料石墨烯的惊人性能潜在应用领域•强度为钢的200倍•新一代柔性电子设备•电子移动速度是硅的100倍•高性能电池和超级电容器•导热系数高于任何已知材料•高灵敏度传感器•透光率高达

97.7%•高效过滤膜•优异的柔性与弹性•高强复合材料增强相应用案例石墨烯电池充电时间石墨烯改性电池可在15分钟内完成80%充电，远快于传统锂电池15分钟循环寿命循环寿命是传统锂电池的4倍以上，显著延长使用周期4倍能量密度提升石墨烯改性使电池能量密度提升30%，实现更长续航30%碳纳米管材料结构与特性应用前景碳纳米管是由碳原子以六边形蜂窝状结构卷曲形成的管状结构，直径在1-•新一代柔性显示技术20纳米之间，长度可达毫米级•透明导电薄膜•拉伸强度是钢的100倍•高性能复合材料增强相•导电性能优于铜•纳米级电子器件•导热性能优于金刚石•高效催化剂载体•优异的柔性，可弯曲不断裂•高灵敏度传感器功能新材料类别电子信息功能材料1能源材料2绿色低碳材料3生物医用材料4智能与响应性材料5功能新材料是依靠特殊的物理、化学性质实现特定功能的材料类型，相比结构材料更注重其功能属性而非力学性能它们是现代高技术产业的关键支撑电子信息功能材料半导体材料磁性材料显示材料集成电路用硅片、碳化硅、氮化镓等第三代半导数据存储、传感器和电机用高性能磁性材料，功液晶材料、OLED材料、量子点材料等，推动显体，是信息技术的物质基础率半导体市场年增速超10%示技术不断革新能源材料领域万亿美元

1.560%26%全球新能源市场成本占比光电转换效率2024年全球新能源市场规在新能源设备中，材料成新型光伏材料已将商业化模预计达

1.5万亿美元，其本通常占总成本的60%以光电转换效率提高至26%，中能源材料是核心竞争力上，是降本增效的关键逼近理论极限能源材料包括燃料电池材料、锂电池材料、太阳能光伏材料等，是实现能源革命的关键支撑绿色环保材料可降解塑料生物基复合材料替代传统塑料的环保选择，可在自然环境中完全降解为二氧化碳和水，•以可再生生物质为原料不产生微塑料污染•减少对石油资源依赖2024年全球可降解塑料市场规模已达760亿美元，年增长率超过20%•生产过程能耗低，碳排放少•可用于包装、建筑、汽车内饰等领域•生命周期碳足迹比传统材料低50%以上智能材料与自适应材料智能变色玻璃形状记忆合金根据光照强度自动调节透光率，节约建筑能耗30%以上能够记忆并恢复原始形状，用于医疗支架、精密驱动器自修复材料压电材料受损后能自行修复裂纹，延长使用寿命，降低维护成本机械能与电能相互转换，用于传感器、能量收集装置形状记忆合金工作原理优异性能与应用形状记忆合金能够在温度变化的条件下，从一种形状恢复到预先设定的•可循环形变万次不失效另一种形状，这种特性来源于材料内部晶体结构的可逆相变•驱动力大，单位体积输出功率高典型的形状记忆合金包括镍钛合金（又称记忆金属）、铜基和铁基形状•医疗支架体温激活自动展开记忆合金等•精密驱动器航天器太阳能电池板展开•智能眼镜框受损后加热恢复原形•建筑抗震结构吸收地震能量前沿材料新趋势纳米材料尺寸1-100nm，量子效应显著，性能优异二维材料原子级厚度的二维晶体，电学光学性能独特超导材料零电阻、完全抗磁性，能效革命的关键拓扑绝缘体表面导电、体绝缘，量子计算潜力巨大纳米材料纳米尺度的奇特现象纳米材料的应用领域当材料尺寸降至1-100纳米范围，量子效应开始显著影响材料性能，表现•药物靶向递送与缓释系统出与宏观材料完全不同的物理化学特性•高灵敏度纳米传感器•表面效应比表面积极大•纳米催化剂提高反应效率•小尺寸效应能带结构改变•纳米过滤高效水处理•量子尺寸效应离散能级•抗菌材料医疗与食品安全•宏观量子隧道效应•纳米增强复合材料二维材料二硫化钼具有优异的半导体特性，带隙可调，是新一代电子器件的理想选择六方氮化硼被称为白石墨烯，具有优异的绝缘性和热导率，是理想的衬底材料磷烯由单层黑磷组成，具有方向性的电学和热学性能，适用于异向性电子器件二维材料是除石墨烯外的一系列原子级厚度的晶体材料，具有独特的电学、光学和机械性能，是新一代柔性电子、光电子器件的核心材料超导材料超导现象与特性重要应用领域超导体在临界温度以下表现出两个基本特性•电力输送零损耗电力传输•强磁场技术核磁共振成像•零电阻电流无损耗传输•磁悬浮列车减少摩擦阻力•完全抗磁性排斥磁场•粒子加速器产生强磁场自1911年发现以来，超导材料的临界温度不断被突破，从最初的

4.2K提•量子计算超导量子比特高到现在的130K以上•能量存储超导磁能存储拓扑绝缘体独特物理特性革命性应用前景拓扑绝缘体是一类具有表面导电、体绝缘特殊性质的量子材料，其导电•量子计算拓扑量子比特性质受拓扑量子数保护•自旋电子学低能耗信息存储•表面态自旋锁定效应•新型电子器件无损耗传输•量子自旋霍尔效应•新型磁电器件•对非磁性杂质免疫•高效热电材料•高迁移率电子传输拓扑绝缘体被视为未来电子学的革命性材料，有望突破摩尔定律限制生物医用新材料可降解生物材料生物陶瓷组织工程支架在体内完成功能后能被吸收降解，无需二次手术具有优异的生物相容性和生物活性，广泛用于骨模拟人体组织结构的三维支架，为细胞生长提供取出，减轻患者痛苦修复和牙科植入理想环境，促进组织再生生物医用新材料市场增长迅猛，人工骨骼、心脏瓣膜等高端医疗植入物需求持续增加，是医疗技术创新的物质基础生物医用陶瓷生物医用陶瓷分类突出优势与应用•生物惰性陶瓷氧化铝、氧化锆生物陶瓷具有优异的生物相容性、生物活性和力学性能，在骨科和牙科领域应用广泛•生物活性陶瓷羟基磷灰石、生物玻璃•可降解生物陶瓷磷酸三钙•牙科种植体氧化锆陶瓷•骨修复材料羟基磷灰石•人工关节氧化铝陶瓷•中耳骨替代生物玻璃陶瓷生物可降解高分子材料材料合成通过精确控制聚合反应，设计分子结构可在体内特定时间降解植入体内提供临时支撑功能，促进组织修复和再生逐渐降解材料在体液作用下水解，分解为无害小分子代谢排出降解产物被人体吸收代谢或排出，避免二次手术生物可降解高分子材料主要包括聚乳酸PLA、聚羟基丁酸酯PHB等，广泛用于可吸收手术缝合线、骨固定材料和药物缓释系统新材料在航空航天的应用飞机复合材料占比现代客机如波音787和空客A350的结构中，复合材料占比超过30%，大幅减轻重量30%+发动机工作温度航天火箭发动机使用耐高温合金，能在1100℃以上高温环境下长期稳定工作1100℃燃油效率提升新材料应用使现代飞机燃油效率提升15%以上，减少碳排放15%汽车工业中的新型材料汽车轻量化材料应用产业规模与效益•铝合金车身、引擎盖、车门2024年全球车用新材料市场规模达800亿美元，年增长率约15%•碳纤维复合材料车顶、保险杠新材料应用带来的主要效益•高强度钢安全笼结构•整车减重20%-30%•镁合金仪表板支架、方向盘•燃油效率提升10%-15%•工程塑料内饰件、油箱•二氧化碳排放减少12%-18%•安全性能提升25%以上新材料在电子产品领域柔性OLED采用特殊有机材料和柔性基板，实现可弯曲、可折叠的显示效果超薄玻璃厚度仅

0.1mm左右，兼具轻薄和高强度，是现代智能手机的关键材料半导体新材料氮化镓等宽禁带半导体，提供更高效率和更小体积的电子元器件新材料的应用使电子产品更轻更薄、性能更优、功能更丰富，推动消费电子不断革新能源领域材料创新光伏材料突破电池材料革命固态锂电池晶硅光伏技术不断进步，转化效率已突破26%，接近理论极限同时，钙钛矿太阳能电池在实验室中效率超过25%，具有低成本、柔性、半透明等•采用固态电解质替代液态电解质优势•能量密度提升50%以上材料类型效率成本•安全性显著提高，消除起火风险•充放电循环次数增加3倍单晶硅26%中等•快充性能提升，10分钟充至80%钙钛矿25%低叠层电池29%高绿色建材与节能材料气凝胶隔热材料导热系数极低，厚度仅传统材料1/10，保温效果提升3倍透明混凝土融合光导纤维与混凝土，兼具结构强度与透光性，节约照明能源相变储能材料可吸收、存储和释放热量，调节室内温度，减少空调能耗30%中国绿色建材年产值已超过2万亿元，在建筑节能减排中发挥关键作用，是实现双碳目标的重要支撑军事与国防领域应用隐身材料防护材料•雷达吸波材料碳纤维复合材料、磁性吸波材料•新型防弹衣采用高强芳纶纤维•降低雷达反射截面积达95%以上•重量减轻30%，防护能力提升40%•结构隐身与材料隐身相结合•电磁防护材料保护关键电子设备•多频段、宽频带隐身效果•耐辐射材料核设施安全保障•特种耐高温材料高超音速飞行器热防护新材料产业化现状（全球）万亿美元12%

3.520%论文增长率发达国家产值研发投入占比材料科学论文全球每年增美国、日本、德国等发达发达国家材料企业研发投长12%，是科研热点领域国家新材料产业总产值达入占销售额比例高达15%-

3.5万亿美元20%美国、日本、德国等国家凭借长期积累的技术优势和完善的产业链，在高端新材料领域占据主导地位，形成了一批具有全球影响力的材料科技企业中国新材料发展现状产业规模与增长发展特点中国新材料产业产值2024年接近10万亿元，年增长率保持在15%以上•中低端产能过剩，高端依赖进口•部分领域实现突破，如石墨烯、稀土功能材料十四五期间，国家持续加大对新材料领域的投入，实施一批重大专项，推动关键材料突破和产业化•产学研协同创新体系日益完善•新材料企业数量快速增长•区域创新集群效应显现关键技术与人才需求精准制备技术原子尺度精确控制，实现材料性能最优化批量生产工艺从实验室样品到工业化生产的规模放大技术绿色制造工艺低能耗、低污染、资源循环利用的可持续制造技术高端人才培养材料科学与工程高级人才紧缺，是产业发展瓶颈新材料的行业痛点与挑战研发周期长、投入大新材料从实验室研发到工业化生产通常需要10-15年，投资回报周期长，风险高标准体系不完善新材料的标准、检测和认证体系不健全，影响市场应用和推广产业链协同差材料、设备、应用等产业链各环节衔接不畅，缺乏系统性协同创新高端装备依赖进口高端研发和制造装备大多依赖进口，制约自主创新能力技术创新驱动与政策支持创新体系建设政策支持措施•2025年新材料国家重点实验室数量增加20%•各地引导资金专项支持新材料研发•建设一批新材料技术创新中心•税收优惠研发费用加计扣除•加强产学研用深度融合•成果转化平台促进技术产业化•组建新材料创新联盟•人才政策特殊津贴、住房补贴等•知识产权保护强化创新成果保护未来展望与发展趋势绿色低碳环保型、可降解、可循环利用材料成为主流智能化具有感知、响应、自修复等功能的智能材料快速发展数字化材料基因组学、人工智能辅助设计加速材料创新自主可控中高端材料自主创新能力显著提升，打破国际垄断新材料与制造强国战略材料基础1技术创新2产业应用3制造强国4新材料是制造强国战略的基础支撑，对高端装备、新能源、芯片等战略性产业具有决定性作用材料的自主创新能力直接影响国家制造业的整体竞争力和产业安全代表性企业与科研机构领军企业科研机构•宝钢集团高端钢材研发与生产•中国科学院材料科学与工程多个研究所•比亚迪动力电池材料创新•清华大学材料学院和多个研究中心•华为材料研究院通信材料研发•北京科技大学新材料技术研究院•中国建材集团新型建筑材料•中国工程院材料与工程领域院士群体•中科三环稀土永磁材料•国家材料科学实验室学习新材料的意义拓宽科技视野了解新材料前沿进展，把握科技发展脉搏，培养跨学科思维和创新能力服务国家战略新材料是国家战略性新兴产业的重要组成部分，掌握材料科学知识有助于参与国家重大战略实施支撑未来产业新材料将支撑未来产业变革，了解材料科技有助于把握未来职业发展方向培养创新思维材料学科融合物理、化学、生物等多学科知识，有助于培养综合思维和创新能力总结与思考新材料是科技创新重要支柱机遇与挑战并存材料的突破往往引领技术革命，推动产业变革从石器时代到信息时•加强产学研协同，促进成果转化代，材料的进步与人类文明发展紧密相连•构建完整创新链，突破卡脖子材料未来，新材料将继续引领科技创新，支撑人类社会可持续发展•培养高素质人才，提升自主创新能力•积极参与创新实践，共创材料未来。