聞所未聞潛力十足的新材料

材料工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，尤其新興材料，將會(huì)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(jì)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。

2016年 12月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》

2016年12月，工信部、發(fā)展改革委、科技部、財(cái)政部聯(lián)合印發(fā)《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》

2017年2月，國家制造強(qiáng)國建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組編制發(fā)布《中國制造2025》“1+X”規(guī)劃體系

2017年 9月，工信部發(fā)布《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2017年版）》.

..….

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

突破性：由俄羅斯遠(yuǎn)東聯(lián)邦大學(xué)、俄羅斯科學(xué)院遠(yuǎn)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(tuán)隊(duì)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(shí)，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(dāng)溫度低于零下272℃時(shí)，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(shí)的行為（是否仍然是金屬態(tài)以及是否會(huì)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(gè)維度狀態(tài)的可能性研究。

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

突破性：超固體(Super solid)同時(shí)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(shí)還具有超流動(dòng)性。當(dāng)量子流體，比如He-4冷卻到某特征溫度以下時(shí)，He-4將經(jīng)歷超流轉(zhuǎn)變，進(jìn)入一個(gè)零黏性的態(tài)。這個(gè)轉(zhuǎn)變被認(rèn)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(shí)體，可以在剩下的固體內(nèi)不受阻礙地移動(dòng)，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(dòng)性。

主要研究機(jī)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。

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IV B、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(dá)到1600℃時(shí)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(jī)等飛行器的熱防護(hù)系統(tǒng)如翼前緣、端頭冒以及發(fā)動(dòng)機(jī)的熱端，是難熔金屬的最佳替代者，時(shí)超高溫領(lǐng)域最有前途的材料。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：美國Sandia National Labs、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。

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(dāng)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(shí)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(gè)外部環(huán)路注入過渡金屬硫化物，當(dāng)它們相遇時(shí)就會(huì)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(jī)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(tuán)公司催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等。

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(dòng)和沖擊能量抑制，非常堅(jiān)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(jī)構(gòu)（公司）：Boeing。

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(dá)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(dāng)拓?fù)浣^緣體只有一層原子厚的時(shí)候，它的邊緣導(dǎo)電性就會(huì)達(dá)到完美的100％。遠(yuǎn)勝近年來熱議的石墨烯，可實(shí)現(xiàn)室溫下無能量損耗的電子輸運(yùn)。

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(jī)構(gòu)（公司）：美國能源部SLAC國家加速實(shí)驗(yàn)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)。

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(dòng)能的材料，由于電子強(qiáng)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(jī)觸摸屏、平板顯示器等顯示領(lǐng)域。

主要研究機(jī)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。

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(lán)光LED，OLED，照明、新能源汽車、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：羅姆、三菱電機(jī)、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)。

突破性：4D打印是一種能夠自動(dòng)變形的材料，直接將設(shè)計(jì)內(nèi)置到物料當(dāng)中，不需要連接任何復(fù)雜的機(jī)電設(shè)備，就能按照產(chǎn)品設(shè)計(jì)自動(dòng)折疊成相應(yīng)的形狀。即無需打印機(jī)器就能讓材料快速成型的革命性新技術(shù)。大小形狀可以隨時(shí)間變化。4D打印最關(guān)鍵是記憶合金。

發(fā)展趨勢：家具制造以及最終的宇宙航天和建筑領(lǐng)域。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：斯特塔西有限公司，麻省理工學(xué)院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)。

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(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)能材料，可能為常溫超導(dǎo)體，新火藥，潛在的聚變應(yīng)用價(jià)值。

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

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(dú)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(kuò)散效應(yīng)，保證了合金強(qiáng)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(jī)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(jī)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)。

突破性：硼墨烯是一種不同尋常的材料，因?yàn)樗诩{米尺度表現(xiàn)出很多金屬特性，而三維硼或者散狀硼都只是非金屬半導(dǎo)體。因?yàn)榕鹉┩瑫r(shí)具有金屬性和原子厚度，從電子產(chǎn)品到光伏發(fā)電都具有廣泛的應(yīng)用可能性。導(dǎo)電屬性具有方向性，較高的拉伸強(qiáng)度。

發(fā)展趨勢：航空航天，納米級電子設(shè)備，微型機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)室、西北大學(xué)和紐約州立大學(xué)石溪分校，美國布朗大學(xué)，清華大學(xué)。

突破性：鋰-氧電池或鋰空氣電池能量密度是鋰離子電子的10倍，被業(yè)界譽(yù)為“終極電池”。理論上這樣的能量密度可使電動(dòng)車?yán)m(xù)航能力接近傳統(tǒng)汽油汽車，電動(dòng)汽車只充一次電就能從倫敦駛到愛丁堡，而且鋰空氣電池的成本和重量只有現(xiàn)在市面上銷售的電動(dòng)汽車所使用的鋰離子電池的1/5。

發(fā)展趨勢：航空航天，電子電器，動(dòng)力汽車等領(lǐng)域。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所，日本學(xué)術(shù)振興會(huì)(JSPS)，劍橋大學(xué)，美國IBM。

突破性：特種纖維分別具有不同的特殊性能，如耐強(qiáng)腐蝕、低磨損、耐高溫、耐輻射、抗燃、耐高電壓、高強(qiáng)度高模量、高彈性、反滲透、高效過濾、吸附、離子交換、導(dǎo)光、導(dǎo)電以及多種醫(yī)學(xué)功能。例如，Teflon TFE?，Nomex?，Kermel?，Kevlar?，Torayca?。

發(fā)展趨勢：航空航天，交通，裝備，體育休閑，通信，機(jī)械，化工，國防軍工等領(lǐng)域。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：杜邦，東麗，帝人，東洋紡，東華大學(xué)，天津工業(yè)大學(xué)大學(xué)，北京化學(xué)研究所。

突破性：目前萬物智能的發(fā)展方向來說，穿戴式設(shè)備將會(huì)越來越普及，開發(fā)一種導(dǎo)電性和拉伸性極佳的高分子材料，可用于可拉伸塑料電極。這種柔性電極也可作為可穿戴電子器件。也就是說，如果成功，以后，我們帶有「智能」的衣服或者體內(nèi)的供電設(shè)備就不會(huì)再被僵硬的電路掣肘了。

發(fā)展趨勢：觸摸屏、顯示器、薄膜太陽能電池。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：斯坦福大學(xué)，東華大學(xué)，華南先進(jìn)光電子研究院先進(jìn)材料研究所，大連化物所。

突破性：“量子隱形”材料制作成衣服，透過反射穿衣者身邊的光波，可以使得穿著這種衣服的人達(dá)到“隱形”的效果。通過折射周圍光線來實(shí)現(xiàn)“完全隱形”。“量子隱形”材料完全可以在不借助其他技術(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)隱形，甚至可逃過紅外望遠(yuǎn)鏡和熱力學(xué)設(shè)備的追蹤。

發(fā)展趨勢：觸摸屏、顯示器、薄膜太陽能電池。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：Hyperstealth Biotechnology，中國科技大學(xué)，清華大學(xué)。

突破性：可提供空中動(dòng)態(tài)顯示，清晰顯像的同時(shí)，能讓觀眾透過投影膜看見背后景物，又能與互動(dòng)軟件組合，產(chǎn)生三位立體互動(dòng)影像，是觀者產(chǎn)生身臨其境，玩轉(zhuǎn)空間的感覺，具有高清晰、耐強(qiáng)光、超輕薄、抗老化等無可比擬的眾多優(yōu)勢。

發(fā)展趨勢：由分子級別的納米光學(xué)組件：全像彩色濾光板結(jié)晶體（HCFC）為核心材料，融合納米技術(shù)，材料光、光學(xué)、高分子等多學(xué)科成果生產(chǎn)而成。輕薄內(nèi)部蘊(yùn)含先進(jìn)的精密光學(xué)結(jié)構(gòu)，以達(dá)致高清晰、高亮度的完美顯像。成像效果卓越畫面晶瑩剔透，材料簡約纖薄傳播設(shè)計(jì)深蘊(yùn)。 用于電子器件、光學(xué)薄膜。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：Excelite, Multiway，Mindiamart, ACF Technology, 上海奧德思智能科技有限公司。

突破性：隨著溫度的下降而依次呈現(xiàn)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。聚集態(tài)的冷沸材料愈熱強(qiáng)度愈高，冷沸金屬材料最高耐受溫度可達(dá)10200 ℃，在常溫及高溫時(shí)均可保持電超導(dǎo)和磁超導(dǎo)特性；冷沸非金屬材料可耐7400 ℃ 的高溫，是優(yōu)秀的耐磨和阻磁材料。

發(fā)展趨勢：冷沸材料的優(yōu)異性能可以用于研制一系列前未有的航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)和飛行器、超級機(jī)械和電子設(shè)備，引發(fā)新一輪的工業(yè)科技革命。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：北京航空航天大學(xué)。

突破性：不同一般晶體由規(guī)則原子結(jié)構(gòu)在空間中重復(fù)排列，時(shí)間晶體的原子結(jié)構(gòu)是在特定條件下沿著時(shí)間軸呈現(xiàn)周期性變化，它在基態(tài)時(shí)也會(huì)維持振蕩的狀態(tài)。

發(fā)展趨勢：時(shí)間晶體”是一種全新的物質(zhì)形態(tài)，將為物理學(xué)研究打開一個(gè)全新世界，回答與物質(zhì)本性有關(guān)的各種基本問題。將在量子計(jì)算機(jī)，超高靈敏度傳感器等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。甚至未來科學(xué)家可以通過時(shí)間晶體開發(fā)出復(fù)雜的時(shí)空晶體，通過復(fù)雜的周期運(yùn)動(dòng)回路代表不同比特和比特間的運(yùn)算，將人腦意識上傳到時(shí)空晶體，把人的記憶保存在其中。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：哈佛大學(xué)，馬里蘭大學(xué)，麻省理工大學(xué)，Cornell University，加利福尼亞大學(xué)伯克利分校。

突破性：光子晶體是由周期性排列的不同折射率的介質(zhì)制造的規(guī)則光學(xué)結(jié)構(gòu)。具有速度快、靜止質(zhì)量為零、彼此間不存在相互作用、具有電子所不具備的頻率和偏振等特征；建立了光子的能帶理論，打開了控制光的傳播及光與物質(zhì)相互作用的新領(lǐng)域—凝聚態(tài)物理和光學(xué)的新交叉領(lǐng)域；創(chuàng)造了一種人工設(shè)計(jì)的新材料---光子半導(dǎo)體；為發(fā)展新型光子器件奠定了物理基礎(chǔ)。

發(fā)展趨勢：反光鏡、放大器、彎曲光路、超棱鏡、激光器、非線性開關(guān)、光子纖維和發(fā)光二極管等基于光子晶體的全新光子學(xué)器件相繼被提出。在新的納米技術(shù)、光計(jì)算機(jī)、激光器、光子器件、芯片、光通訊、生物等前沿和較差領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

主要研究機(jī)構(gòu)（公司）：Alnair Labs, Yenista, CILAS, Newport，上海瞬渺光電技術(shù)有限公司，北京凌云光子有限公司，江蘇法爾勝光子有限公司，上海光機(jī)所，馬德里理工大學(xué)。