新型功能材料的产业化发展趋势
郭新立，王增梅，陈坚，刘建双，郝威，张灵敏，王蔚妮，张艳娟
（东南大学 材料科学与工程学院, 江苏南京 211189）
摘 要：新型功能材料产业作为新材料产业的一个重要分支，涵盖了功能材料本身形成的产业、技术及其装备制造业等。其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济和社会发展、国防实力和科技水平的重要标志，世界各国特别是发达国家都十分重视新型功能材料产业的发展。本文对新型功能材料基本概念、作用和内涵、主要特征、重要地位和当前产业化发展态势作一介绍。
关键词：新型功能材料；产业化；发展趋势
1 基本概念、作用和内涵
功能材料是指具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学、生物医学功能，特殊的物理、化学、生物学效应，能完成功能相互转化，并被用于非结构用途的高技术材料。它是新材料领域的核心，是国民经济、社会发展及国防建设的基础和先导。它涉及信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业。它在元器件、整机或系统中，可实现对信息与能源的感知、采集、计测、传输、屏蔽、绝缘、吸收、储存、记忆、处理、控制、发射和转换等目的。
新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能，对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。主要包括电子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物医用材料、生态环境材料、超导材料、智能材料、功能高分子材料、先进复合材料、梯度材料等。
2 重要地位、当前发展态势和主要特征
功能材料种类繁多，用途广泛，正在形成一个规模宏大的高技术产业群，有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。它是信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业的先导、基石与支撑。
功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料集群。在未来的5～10年，我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求。目前，功能材料已成为我国材料科学和工程中最具活力与创新性的热点；有关功能材料的项目已占整个新材料研究项目的70%以上。
功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术和加强国防建设的重要基础材料；而且对我国基础工业与传统产业的改造和升级，实现跨越式发展起着重要的促进作用；同时还直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。
目前光电信息材料、功能陶瓷材料、生物医用材料、超导材料、功能高分子材料、先进复合材料、智能材料以及生态环境材料等功能材料是世界各国战略高技术竞争的热点和重点，也是我国“十二五”国家科技计划材料领域的重点。
当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破，诸如微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中，发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。下面重点介绍几类重要的新型功能材料：
智能材料是具有感知温度、力、电、磁等外界环境并产生驱动(位移等)效应的一类重要功能材料，主要包括形状记忆、压电和磁致伸缩三大类材料。智能材料在国民经济与国防领域关键部件和核心系统中有着重要应用，其研究水平在很大程度上影响着一个国家的总体科技水平和现代国防实力，是现代高技术新材料发展的重要方向之一，将支撑未来高技术的发展，使传统意义下的功能材料和结构材料之间的界线逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。因此，智能材料已列入国家中长期科学和技术发展规划纲要。它是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，科学家预言，智能材料的研制和大规模应用将导致材料科学发展的重大革命。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司在导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况；英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时，反应时间仅为10分钟；在压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动组件材料在航空上的应用取得大量创新成果。随着产业技术和国防技术的高度智能化以及这些关键领域的国际竞争日益加剧，对智能材料的性能（灵敏度、控制精度以及环保性能等）提出了越来越高的要求。因此，开发高性能的形状记忆、磁制伸缩和无铅压电材料已成为目前智能材料领域的研究热点，也是我国973项目的支持重点之一。
2.2 新能源材料
寻找清洁的能源和可再生能源是当今世界共同关心的问题。太阳能是一种用之不竭的绿色环保能源，太阳能电池材料是新能源材料研究开发的热点，自从1954年单晶硅太阳能电池在贝尔实验室问世以来，硅电池因其较高的光电转换效率（约20%）而在各类光伏电池中占据主导地位。但由于其制造工艺复杂、硅原材料的短缺而限制了硅电池的广泛应用。寻找与传统能源材料价格相当的新材料和制备工艺是太阳能电池能够得到普及的关键。IBM公司研制的多层复合太阳能电池，转换率高达40%。美国能源部在全部氢能研究经费中，大约有50%用于储氢技术。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等，都是目前产业关注的热点。另外，薄膜太阳能电池由于大大地减少了半导体材料的消耗，也容易批量生产，从而大幅度地降低了太阳能电池的成本，但是效率相对较低，目前商用薄膜电池的光电转换效率只有6～8%。
随着纳米技术的发展和成熟，纳米结构材料成为新颖的太阳能电池材料，在太阳能电池中使用纳米结构材料将能够提高太阳能电池的光电转换效率，降低电池的生产成本，对于实现太阳能电池的大规模应用将起着重要的作用，例如燃料敏化纳米晶膜太阳能电池的光电转换效率已达到11.04%，而其成本只有传统硅光电池的十分之一，已成为目前应用前景看好的光电转换器件。
2.3电子信息材料
电子信息材料是指在微电子、光电子技术和新型元器件基础产品领域中所用的材料，主要包括单晶硅为代表的半导体微电子材料；激光晶体为代表的光电子材料；介质陶瓷和热敏陶瓷为代表的电子陶瓷材料；钕铁硼（NdFeB）永磁材料为代表的磁性材料；光纤通信材料；磁存储和光盘存储为主的数据存储材料；压电晶体与薄膜材料；贮氢材料和锂离子嵌入材料为代表的绿色电池材料等。这些基础材料及其产品支撑着通信、计算机、信息家电与网络技术等现代信息产业的发展。电子信息材料的总体发展趋势是向着大尺寸、高均匀性、高完整性、以及薄膜化、多功能化和集成化方向发展。当前的研究热点和技术前沿包括柔性晶体管、光子晶体、SiC、GaN、ZnSe等宽禁带半导体材料为代表的第三代半导体材料、有机显示材料以及各种纳米电子材料等。电子信息材料及产品支撑着现代通信、计算机、信息网络技术、微机械智能系统、工业自动化和家电等现代高技术产业。电子信息材料产业的发展规模和技术水平，已经成为衡量一个国家经济发展、科技进步和国防实力的重要标志，在国民经济中具有重要战略地位，是科技创新和国际竞争最为激烈的材料领域。据悉，到“十二五”末期，电子信息材料行业总产值将达到2500亿元，较“十一五”基础上增长50%以上。高端电子材料将占全行业产品的40～50%，国产材料配套能力提高到40～50%。
2.4 纳米材料
纳米材料是指三维空间中至少有一维处于1～100nm或由它们作为基体单元构成的材料，其命名出现在20世纪80年代。纳米技术、信息技术及生物技术将成为世纪社会经济发展的三大支柱。纳米科技的兴起，对我国提出了严峻的挑战，同时也为我国实现跨越式发展提供了难得的机遇。1991年美国将纳米技术列入“政府关键技术”。1993年德国提出今后10年重点发展的9个关键技术中有4个涉及纳米技术。日本、欧盟也都斥巨资用于纳米材料与技术的开发。我国将其列入“863”、“973”计划和“十五”、“十一五”规划，在2001年7月下发了《国家纳米科技发展纲要》，指出我国纳米科技在今后5～10年的主要目标：在纳米科学前沿取得重大进展，奠定发展基础；在纳米技术开发和应用方面取得重大突破；逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳米科技骨干队伍；建立全国性的纳米科技研发中心和以企业为主体的产业化基地，促进基础研究、应用研究和产业化的协调发展。
纳米材料是纳米科技的基础，功能纳米材料是纳米材料科学中最富有活力的领域，它对信息、生物、能源、环境、宇航等高科技领域，将产生深远的影响并具有广阔的应用前景。2006年国务院制定的《2006-2020年国家中长期科学和技术发展规划》中将纳米科学列为这段时期内基础科学研究的四个主要方向之一，将纳米材料和纳米器件作为发展先进材料的重点目标。纳米材料的应用已经渗透到军事、生物、高分子材料、电子、医疗、环境、生活日用品等几乎所有的生产和研究领域。1999年，纳米技术走向市场，全年纳米产品营业额达到500亿美元。随着纳米科技的发展和创新，新的纳米材料也不断出现，如由石墨烯，它是由碳原子通过sp2杂化构成的单原子层蜂窝状二维网格结构，厚度只有一个原子直径(~0.335nm)，具有优异的电学、热学和力学性能，是目前世界上已知强度和硬度最高的材料，传输电流的速度比电脑芯片里的硅元素快100倍，可望在高性能电子器件、复合材料、场发射材料、气体传感器及能量存储等领域获得广泛应用。2004年曼彻斯特大学的Geim和Philip Kim首先发现了该材料并于2010年获物理学诺贝尔奖。石墨烯的出现打破了二维晶体无法真实存在的理论预言，带来了众多出乎人们意料的新奇特性，使它成为继富勒烯和碳纳米管后又一个里程碑式的新材料。目前，该材料的研究和产业孕育开发正在全世界范围内轰轰烈烈地展开，都在力争抢占石墨烯产业创新的制高点。
3 总 结
目前新型功能材料是世界各国研究的热点，充满了机遇和挑战，新技术、新专利层出不穷，新型功能材料在整个新材料产业中的市场份额越来越大，我国目前在功能材料的创新性研究和产业化方面与发达国家相比仍有较大差距。但近年来，在国家“863”、“973”、国家自然科学基金等计划的支持下在功能材料领域取得了丰硕的成果，取得了一批接近或达到国际先进水平的研究成果，在国际上占有了一席之地，培养了一批优秀的功能材料研发人才和队伍，随着我国在功能材料系统集成和产学研相结合等方面的完善，我国新型功能材料产业化的能力将得到大幅的提升和快速的发展。
参考文献
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3. 殷景华，等.“功能材料概论”，哈尔滨工业大学出版社，ISBN978-7-5603-1384-9，2009年7月。
4. 张立德，牟季美.“纳米材料和纳米技术”，科学出版社，ISBN978-7-03-008459-0，2008年1月。
作者简介：
郭新立，男，1965年6月生，教授，中国仪器仪表学会仪表功能材料分会理事。1994年东南大学获工学博士学位（中国-法国联合培养）；1994年至1996年：南京大学固体微结构国家重点实验室博士后；1996年至1997年：南京航空航天大学材料系副教授；1997年至1998年：韩国首尔大学物理系博士后；1998年至2009年先后在日本产业技术综合研究所、大阪大学、东北大学、日本国家材料研究所从事复合材料、薄膜、纳米材料和表面科学的研究工作；2010年归国被聘为东南大学材料学院教授、江苏省双创人才。
郭新立教授在Nanotechnology，physical review letters，Applied physics letters，Physical review B等杂志上发表论文60多篇，英文专著一章，国家发明专利申请两项。论文被SCI收录有48篇；SCI引用有666篇次，其中他人引用超过600篇次；EI收录有51篇，其中被EI PageOne 收录有4篇，单篇论文最高他引率为~165次，国际会议发表40多次。
正在开展的主要研究项目：铁电材料的高性能化、极化调控及其物理机制研究（资金支持：973国家重点研究发展计划，国家自然科学基金重点项目）；基于贵金属纳米粒子表面等离激元效应的可控光学特性研究（资金支持：国家自然科学基金面上项目，江苏省双创人才基金（100万元））；高质量石墨烯的制备与应用（资金支持：东南大学人才引进基金，江苏省微纳生物医疗器械设计与制造重点实验室开放课题基金，等）。
