无机非金属新材料科技与产业概况及发展趋势
无机非金属新材料科技与产业概况及发展趋势
刘波;徐顺建;廖卫兵;钟炜;李水根
【摘 要】无机非金属新材料是发展现代工业、农业、国防和科学技术不可缺少的基础材料,随全球经济复苏及进一步发展,无机非金属新材料进入了一个重要发展规划机遇期.着重阐述与江西省密切相关的无机非金属新材料在国内外的发展现状,同时对发展趋势进行评述,借此为江西省无机非金属新材料科技与产业的发展规划提供参考.
【期刊名称】《新余学院学报》
【年(卷),期】2010(015)005
【总页数】3页(P84-86)
【关键词】无机非金属;产业概括;发展趋势
【作 者】刘波;徐顺建;廖卫兵;钟炜;李水根
【作者单位】新余学院,太阳能科学与工程系,江西,新余,338004;新余学院,太阳能科学与工程系,江西,新余,338004;新余学院,太阳能科学与工程系,江西,新余,338004;新余学院,太阳能科学与工程系,江西,新余,338004;新余学院,太阳能科学与工程系,江西,新余,338004
【正文语种】中 文
【中图分类】TB32
先进陶瓷、纳米材料、生物材料、新型碳功能材料、光子晶体、电学材料、特种纤维以及相应的多功能化复合或杂化材料等无机非金属新材料,因具有耐磨损、高强度、抗腐蚀、耐高温、抗氧化以及特殊的物理性能,被广泛应用于新能源、航天航空、通讯、生物工程、现代化建筑等重要民用及国防领域,受到世界各国普遍的重视[1-3]。从高技术的发展来看,无机非金属新材料起着卓越的基础和先导作用,对其进行研究和开发能直接推动科技进步和经济发展。
多年来江西省在研制无机非金属新材料、发展其产业方面已取得较大成绩,具有一定的基础。随着全球经济复苏及进一步发展,无机非金属新材料进入了一个重要发展规划机遇期。
本文在阐明江西省无机非金属新材料产业现状的基础上,着重概括了与江西省密切相关的无机非金属新材料在国内外的发展现状,同对科技与产业的发展趋势进行评述,借此为江西省无机非金属新材料科技与产业的发展规划提供参考。
江西省发展无机非金属新材料产业已取得较大成绩,具有一定的基础,其中陶瓷材料及纳米材料产业方面形成了一定的优势。
陶瓷材料已经形成景德镇、萍乡、宜春和丰城等几大产业基地,产品涉及生物陶瓷、氧化铝特瓷、压电陶瓷、高压特种陶瓷、环保多功能建筑陶瓷、高档工艺礼品陶瓷、滑石瓷、釉瓷等100多个品种。同时,拥有全国唯一的以陶瓷工科为主体、专业人才集中的多学科陶瓷工业高等学府——景德镇陶瓷学院、国家日用及建筑陶瓷工程技术研究中心及全国陶瓷行业唯一集技术和艺术为一体的部属专业研究所——中国轻工业陶瓷研究所、江西省陶瓷研究所和景德镇市陶瓷材料研究所等研发机构。
纳米材料以纳米碳酸钙为主,同时包括纳米氧化锌、纳米永磁体、纳米改性涂料、纳米除味剂等,已拥有江西辰道纳米科技股份有限公司、江西华明纳米碳酸钙有限公司和江西正友实业有限公司等一批龙头企业。其中,江西辰道纳米科技股份有限公司已成为国内技术领先的
纳米碳酸钙生产企业,拥有 167000平方米的生产基地,正在打造年产纳米碳酸钙粉体 50万吨、纳米碳酸钙功能母粒 20万吨,年总产值近 20亿元人民币的纳米碳酸钙生产基地。同时,拥有南昌大学、江西师范大学及江西理工大学等一批从事纳米材料研发的机构。其中,南昌大学研制成功的新型纳米动力锂离子电池已达到国内领先水平,同时顺利实现由科研成果向现实产品的转化。
3.1 日用陶瓷[4-7]景德镇陶瓷学院是几本
日用陶瓷在一些发达国家,因受到经济效益及先进陶瓷的冲击,生产规模普遍缩小,但产品档次和自动化程度却不断地提高。高度自动化使生产工人数减少,提高了劳动生产率。如 1992年日本日用陶瓷企业的人均劳动生产率就高达 11.71万美元。同时,亚洲的一些资源丰富、劳动力低廉的国家 (如泰国、菲律宾、印尼等),由于发达国家资金的投入和技术的输入,合办的日用陶瓷企业规模普遍较大。越来越多的国家相继报道了企业实现全自动化生产的消息,从而使日用陶瓷产业进一步朝优质、高产、低消耗、环境协调的现代化轨道发展。
近几年,我国日用陶瓷的技术和产品档次得到较大提升,高技术新产品不断涌现,如聚晶微粉抛光瓷、金属瓷、仿纹瓷、抛釉瓷、半抛饰釉瓷、磁化瓷、自洁抗菌瓷和防滑按摩瓷等。
大规格超薄砖的研制,多种布料技术的发展成熟等推动了日用陶瓷技术进步和发展。
3.2 先进陶瓷[8-12]
先进陶瓷在微电子技术、自动化装置、发动机、敏感传感器、新能源等方面被广泛采用。耐高温结构陶瓷是美国先进陶瓷发展的重点,已进入大范围使用阶段。以碳化硅、氮化硅、氧化锆陶瓷为主的精细陶瓷产量占世界总量的 60%以上。早在 2000年,美国先进陶瓷协会和美国国家能源部联合资助并实施了面向先进陶瓷工业界,为期 20年的美国先进陶瓷发展计划,旨在将基础研究、应用开发和产品使用几个环节有机地结合在一起,共同推动先进结构陶瓷的应用发展。目标是到 2020年,使先进陶瓷成为一种经济适用的首选材料。在日本,近年来一直将先进陶瓷看作是决定未来竞争力前途的高科技产业,不断加大投资力度。其生产的先进功能陶瓷已在国际市场占据主要分额,其中包括热敏、压敏、光敏等在内的多种功能陶瓷具有垄断地位。此外,日本在开发陶瓷发动机方面也走在世界前列。欧盟各国在功能陶瓷与高温结构陶瓷两方面不断加大投资力度,研究的重点为发电设备中应用的先进特种陶瓷,如陶瓷活塞盖、排气管里衬、增压转子及燃气轮转子等。目前,先进陶瓷的年产值接近千亿美元,并以每年超过 10%的速度增长,潜力巨大。
先进陶瓷在我国的发展前景也十分乐观,从事开发研制的高校、科研院所和生产企业已超过 300家,其中从事功能陶瓷的单位接近 2/3,从事结构陶瓷的单位超过 1/3。在铁电陶瓷、压电陶瓷、热电陶瓷、电致伸缩陶瓷、透明陶瓷、电解质陶瓷、超导陶瓷、微波介质陶瓷、PTC热敏陶瓷和化学功能陶瓷等先进陶瓷方面的研究均具有一定的水平。
3.3 纳米材料[13-15]
纳米材料的概念形成于上世纪 80年代,由于纳米材料会表现出特异的磁、热、光、电、力学等性能,迅速渗透到材料的各个领域,成为当前世界科学研究的热点。按纳米材料在空间存在的维度,大致可分为零维纳米粉末、一维纳米纤维、二维纳米薄膜和三维纳米块体等四类。中国工程院徐滨士院士指出,纳米技术的研究对人类的发展、世界的进步起着至关重要的作用,谁掌握了纳米技术,谁就站在了世界的前列。Lux研究公司预测,到 2015年全球纳米技术与产品的销售额将达到 2.5万亿美元。目前,美国和欧洲占所有纳米材料销售额的 2/3以上,但到 2015年这两个地区所占的市场份额均将下降 2%～3%。纳米材料在环境领域的应用预计将大幅度增长。BCC公司预测 2008～2014年纳米技术应用于环境领域的市场规模年增长率将为 61.8%,销售额将从 2008年的 11亿美元增长到 2014年的 218亿美元。
我国在纳米科技领域的研究起步较早,基本上与国际同步发展,并在一些基础研究领域取得了国际领先的成果。目前全国约有 80多家单位从事纳米材料的基础研究,著名的单位包括中科院上海硅酸盐研究所、中科院固体物理所、中科院沈阳金属所、中科院物理所、中科院化学所、中国科技大学、清华大学和天津大学等位。2009年,我国纳米新材料市场总体规模约 60亿元,其中纳米粉体材料市场达到 55亿元,纳米复合材料市场 5亿元。未来 5年纳米新材料市场总体规模预计超过 100亿元。
3.4 新型无机建材[16-19]
新型无机建筑材料是在传统建筑材料基础上产生的新一代建筑材料,其发展主流是突出生态环保功能。日本在生态建材方面的重视程度和研究成果一直走在世界前列,日本结合本国的环境气候、住宅结构等特点,不断推出各种生态环保健康型建材产品,如生态墙板、隔热保温建材、调湿功能建材、抗菌空气净化及产生负离子建材、声降噪建材等。日本在传统建材市场需求低迷的情况下,生态环保健康型建材产品,如天然材料矿物棉、隔热性能良好的多层玻璃的市场需求却呈增长趋势。
我国新型建材是随着改革开放的不断深入而发展起来的。1979年到 2009年是我国新型建
材发展的重要历史时期。经过 30年的发展,我国新型建材工业基本完成了从无到有、从小到大的发展过程,在全国范围内形成了一个新兴的行业。就总量平均而言,我国主要建材产品单位能耗高于世界水平150%。在目前能源以及原材料的紧张已成为制约行业发展的突出问题的前提下,如何最大限度地提高能源和资源利用效率,同时减排降污,保护环境,使建材产业成为节能、节水、节材、节地的可持续发展的现代化产业,已成为需要认真研究和解决的一个重要课题。
3.5 生物材料[20-23]
生物材料是保障人类健康的必需品,目前主要用于生物器官和组织的修复和替代。如生物陶瓷、玻璃和无机复合材料等生物医用无机非金属材料在人的器官、骨修复、药物控制系统方面起重要作用。生物材料发展经历的三个阶段：第一代的“生物惰性”发展到第二代的“生物活性”,随后进入第三代的“细胞 /基因活化”的生物材料,即经过组织诱导重建或再生人体组织和器官,或增进其生理功能,实现永久修复。不久的将来可以设计和制造有生命的人体“部件”进而替代整个人体器官。中科院院士师昌绪认为,为了满足时代的要求和推动时代的发展,在新材料中,生物材料最有发展前途。
近几年,我国生物材料产业发展迅速,产品产出持续扩张,国家产业政策鼓励生物材料产业向高技术产品方向发展,国内企业新增投资项目投资逐渐增多。投资者对生物材料产业的关注越来越密切。2009年全国生物材料全行业总产值达到 2500亿元,实现利润超过 250亿元。但是,目前我国生物材料产业还存在高端产品以进口为主、缺少创新产品、主要原材料依靠进口、研究成果转化慢、具有国际影响力的大企业太少等问题。
4.1 科技发展趋势
随着材料研究工作的不断深入,无机非金属新材料的科技发展大致展现出以下五个方面的趋势[24-25]：
(1)低维化。未来的发展将以纳米器件为中心来研究纳米材料的合成与性能调控。
(2)复合化或杂化。功能的复合将使结构材料与功能材料的界限逐步消失。纳米复合材料的出现,可以把不同功能的材料从微观上复合在一起,形成紧凑的智能材料。
(3)智能化。材料在接受外部环境变化的信息时,能实时反馈,并自动做相应的功能调整。如智能湿度控制材料,指不需要借助任何人工能源和机械设备,依靠自身的吸放湿性能,感应所
调空间空气温、湿度的变化,自动调节相对湿度的材料,是智能自动式。
(4)环境友好化。发挥无机非金属新材料的特点,加强起改善环境的关键材料的研究,如能解决建筑自洁的光催化建筑材料,对药物、食物和污水处理的无机膜分离材料,永久处理核废物的固化材料等。
(5)组织性能的可剪裁化。基于无机非金属新材料科学的发展,材料组织形态变化规律的认识,制备技术的完善,合成工艺专家系统的建立等,使材料科技工作者有可能应用计算机技术,模糊逻辑、数学图像等近代技术对材料进行剪裁与设计,制造出预定性能的材料。
4.2 产业发展趋势
随着社会和经济的发展、全球化趋势的加快,国内非金属新材料产业呈现出以下主要的发展趋势[26-28]：
(1)发展体现出多学科交叉;
(2)产业上下游进一步融合;
(3)产业规模急剧扩大;
(4)开发与应用联系更加紧密;

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