新材料資訊丨遙望2035，未來8大核心材料發(fā)展方向
2024-11-15
2024 年及以后，工信部出臺了多項重要文件，旨在推動新材料產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。其中，由工信部和國家發(fā)展改革委共同印發(fā)的《新材料中試平臺建設指南（2024—2027 年）》備受矚目，其目標是構建約 300 個地方中試平臺，并著力培育一批高水平平臺，為新材料的研發(fā)和應用提供有力支撐。
同時，《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2024 年版）》也在積極推動新材料的首次應用示范，這將有助于新材料更快地進入市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。在眾多材料方向中，至少有 8 個方向頗具探討價值。
石墨烯材料
石墨烯是一種具有單層碳原子結構的特殊材料。它的導電率極高，可達 10^{6} s/m，是銅的 15 倍，堪稱目前地球上電阻率最小的材料。還有數(shù)據(jù)表明其導電率高達 1515.2 s/cm。在高分子材料領域，石墨烯具有巨大的應用潛力。
在高分子材料中，石墨烯作為高性能添加劑，可顯著提升導電性與耐磨性。添加石墨烯能大幅提高材料電導率，在電子器件、電池等領域性能出色。其高強度特性還可增強高分子結構材料力學性能，應用于航空航天、汽車制造等對強度要求高的領域。
近年來，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模逐年遞增，預計 2024 年將達 441 億元。這既表明石墨烯應用前景廣闊，其衍生體系的材料非常值得關注。
高性能碳纖維復合材料
碳纖維是一種輕如羽毛且強如鋼鐵的材料，在材料體系中地位重要。碳纖維材料憑借其低密度和高強度的特性，在汽車制造和航空航天領域都有著重要應用。
在汽車制造中，可用于車身框架及零部件制造，增強汽車整體強度的同時減輕車身重量，提高燃油效率；在航空航天領域，成為制造飛行器結構部件的理想材料，能夠有效減輕飛行器重量，降低能耗，提高飛行性能。
我國碳纖維產(chǎn)業(yè)需求量以 13% 以上的年均增長率穩(wěn)定增長，2020 年需求量達 4.89 萬噸。這一數(shù)據(jù)充分顯示了碳纖維在我國相關產(chǎn)業(yè)中的重要性和市場潛力。
隨著技術的不斷進步和應用領域的進一步拓展，碳纖維在航空航天和汽車制造等行業(yè)的應用將更加廣泛，對推動這些行業(yè)的發(fā)展將起到至關重要的作用。
先進半導體材料
當今時代，信息技術飛速發(fā)展，引發(fā)各領域技術升級需求強烈，電子設備制造領域?qū)Ω咝阅馨雽w材料需求突出且持續(xù)增長。半導體材料作為現(xiàn)代電子技術的核心基礎，其性能的優(yōu)劣直接決定了電子設備的運行速度、效率以及功能的實現(xiàn)。
從微觀層面來看，半導體材料的電學性能、晶體結構以及雜質(zhì)含量等特性都對電子設備的性能產(chǎn)生著關鍵影響。例如，具有更高載流子遷移率的半導體材料能夠使電子在其中更快速地移動，從而提高電子設備的運算速度；更為純凈的晶體結構可以減少電子散射，進一步提升電子設備的運行效率。
在實際應用中，這些高性能的半導體材料是制造諸如智能手機、計算機處理器、高速通信芯片等各類更快速、更高效電子設備的基石。它們?yōu)殡娮釉O備的小型化、高性能化提供了可能，使得電子設備能夠在有限的空間內(nèi)集成更多的功能模塊，實現(xiàn)更復雜的運算和處理任務，滿足人們對于信息獲取和處理的日益增長的需求。半導體制造相關的樹脂材料值得關注下。
3D打印用材料
從金屬到塑料，3D 打印技術的發(fā)展離不開多樣化的材料支持，而這些材料在高分子材料領域有著廣泛的應用和重要意義。
金屬材料在 3D 打印中可用于制造具有高強度和高精度要求的零部件，如航空航天領域的發(fā)動機部件、醫(yī)療器械中的金屬植入物等。塑料材料則憑借其多樣的性能和易于加工的特點，在 3D 打印中得到了更為廣泛的應用。
高分子材料是 3D 打印材料的重要組成部分，為 3D 打印技術帶來更多可能。特殊高分子材料有良好生物相容性，可打印生物組織工程支架；部分高分子材料具特殊光學或電學性能，滿足特定應用需求。熱塑性塑料加熱熔化后可逐層堆積成型，能快速制造復雜形狀產(chǎn)品，廣泛用于產(chǎn)品原型制作和個性化定制等領域。
這些多樣化的材料支持使得 3D 打印技術能夠根據(jù)不同的需求選擇合適的材料進行制造，從而使得按需制造成為現(xiàn)實。無論是工業(yè)生產(chǎn)中的零部件定制，還是醫(yī)療領域中的個性化醫(yī)療器械制造，3D 打印技術都能夠借助豐富的材料資源實現(xiàn)高效、精準的制造，為各個領域帶來了革命性的變化。
超導材料
超導材料作為一種具有特殊物理性質(zhì)的材料，在材料科學領域尤其是在涉及到電流傳輸和電磁應用方面具有極其重要的地位。超導材料最顯著的特性是在特定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)沒有電阻的電流傳輸。這種特性使得超導材料在電力輸送領域的應用具有巨大的潛力。
在傳統(tǒng)的電力輸送過程中，由于導線存在電阻，會導致大量的電能以熱能的形式損耗掉。而超導材料的應用將徹底改變這一現(xiàn)狀。當超導材料用于電力輸送線路時，電流可以毫無阻礙地通過，幾乎不會產(chǎn)生任何電能損耗，這將極大地提高電力輸送的效率，降低能源損耗，同時也能夠減少對環(huán)境的影響。
在磁懸浮交通領域，超導材料同樣發(fā)揮著關鍵作用。磁懸浮列車利用超導材料產(chǎn)生的強大磁場與軌道上的磁場相互作用，實現(xiàn)列車的懸浮和高速運行。超導材料所具備的無電阻特性能夠確保磁場的穩(wěn)定產(chǎn)生和維持，從而為磁懸浮列車提供穩(wěn)定的懸浮力和驅(qū)動力，使得列車能夠以更高的速度、更平穩(wěn)的運行狀態(tài)行駛，徹底改變了傳統(tǒng)交通方式的面貌。
超導材料的應用前景十分廣闊，不僅在電力輸送和磁懸浮交通領域有著重大影響，在其他領域如醫(yī)療設備中的磁共振成像（MRI）技術、高能物理研究中的粒子加速器等方面也有著潛在的應用價值。
智能仿生材料
在材料科學的廣闊領域中，存在一類特殊的材料，它們模仿自然界的生物結構，展現(xiàn)出令人驚嘆的性能。這類材料在高分子材料領域也占據(jù)著重要的地位。它們能夠響應環(huán)境變化，自我修復，甚至進行自我清潔。
高分子材料中的一些智能材料具有模仿生物結構的特性。例如，某些高分子水凝膠材料，其結構設計靈感來源于生物組織中的細胞外基質(zhì)。這種水凝膠材料能夠感知環(huán)境中的濕度變化，當環(huán)境濕度降低時，它會收縮以減少水分流失；當環(huán)境濕度增加時，它又會膨脹吸收水分，從而實現(xiàn)對環(huán)境濕度的響應。
在自我修復方面，一些含有特殊化學鍵或微結構的高分子材料能夠在受到損傷后自動修復。例如，具有動態(tài)共價鍵的高分子材料，當材料表面出現(xiàn)裂紋時，這些動態(tài)共價鍵會在一定條件下重新組合，使裂紋愈合，恢復材料的完整性和性能。
對于自我清潔功能，部分高分子材料通過表面的特殊結構或化學修飾實現(xiàn)。比如，一些高分子涂層材料的表面具有類似于荷葉表面的微觀結構，這種微觀結構使得水滴能夠在材料表面形成水珠并迅速滾落，同時帶走表面的灰塵和污垢，從而達到自我清潔的效果。
生物可降解材料
當今社會，環(huán)境問題嚴峻，持久性污染危害生態(tài)系統(tǒng)。材料領域中，生物可降解材料作為可持續(xù)發(fā)展方案備受關注，在高分子材料范疇更展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢和重要應用價值。
在醫(yī)療領域，生物可降解材料發(fā)揮著至關重要的作用。例如，一些用于傷口縫合的縫合線采用了生物可降解高分子材料。這種材料在傷口愈合過程中能夠逐漸降解，無需拆線，減少了患者的痛苦和感染風險。
同時，在組織工程和藥物緩釋系統(tǒng)中，生物可降解高分子材料也被廣泛應用。它們可以作為細胞支架，為細胞的生長和組織的修復提供支撐，并且隨著時間的推移逐漸降解，不會在體內(nèi)殘留，避免了對身體的潛在危害。
在包裝領域，生物可降解材料應用潛力巨大。傳統(tǒng)塑料包裝難降解，長期存在造成白色污染。生物可降解高分子材料制成的包裝產(chǎn)品，如塑料袋、包裝盒等，使用后能在自然環(huán)境中經(jīng)微生物作用逐漸分解為無害物質(zhì)，減少持久性污染。例如聚乳酸（PLA）包裝材料，機械性能和加工性能良好，能滿足包裝基本需求，又具生物可降解性，是理想的包裝材料替代品。
納米材料
在材料科學不斷發(fā)展的進程中，納米材料以其獨特的性質(zhì)和在微觀尺度上操控物質(zhì)的能力，成為了研究和應用的熱點。納米材料在高分子材料領域也占據(jù)著重要的一席之地。在納米尺度上操控物質(zhì)，這些材料展現(xiàn)出了獨特的性質(zhì)，將在醫(yī)療、能源和電子領域大放異彩。
在醫(yī)療領域，納米材料的獨特性質(zhì)為疾病的診斷和治療帶來了新的機遇。例如，一些納米高分子材料可以被設計成具有靶向性的藥物載體。這些載體能夠精準地將藥物輸送到病變細胞，提高藥物的治療效果，同時減少對正常細胞的損害。此外，納米材料還可以用于醫(yī)學成像，如納米造影劑能夠增強成像的清晰度和準確性，幫助醫(yī)生更好地診斷疾病。
在能源領域，納米材料同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。以高分子納米復合材料為例，它們可以應用于電池領域。納米材料的加入能夠提高電池的能量密度和充放電效率，改善電池的性能。在太陽能電池方面，一些納米材料可以增強光的吸收和轉換效率，提高太陽能電池的發(fā)電效率。
在電子領域，納米材料的應用也日益廣泛。納米尺度下的高分子材料可以用于制造更小尺寸、更高性能的電子元件。例如，納米晶體管的研制使得電子產(chǎn)品的集成度更高、運行速度更快。同時，納米材料還可以用于制造柔性電子器件，滿足人們對電子設備便攜性和柔韌性的需求。
預計到 2024 年，中國納米材料市場規(guī)模將達 2490 億元。這一數(shù)據(jù)充分顯示了納米材料在各個領域的應用前景廣闊，也體現(xiàn)了其在經(jīng)濟發(fā)展中的重要性。
總結
這些材料的發(fā)展，不僅將推動技術創(chuàng)新，還將為解決全球面臨的能源、環(huán)境和健康挑戰(zhàn)提供新的可能性。
（文章來源于先進高分子材料信息）
同時，《重點新材料首批次應用示范指導目錄（2024 年版）》也在積極推動新材料的首次應用示范，這將有助于新材料更快地進入市場，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。在眾多材料方向中，至少有 8 個方向頗具探討價值。
石墨烯材料
石墨烯是一種具有單層碳原子結構的特殊材料。它的導電率極高，可達 10^{6} s/m，是銅的 15 倍，堪稱目前地球上電阻率最小的材料。還有數(shù)據(jù)表明其導電率高達 1515.2 s/cm。在高分子材料領域，石墨烯具有巨大的應用潛力。
在高分子材料中，石墨烯作為高性能添加劑，可顯著提升導電性與耐磨性。添加石墨烯能大幅提高材料電導率，在電子器件、電池等領域性能出色。其高強度特性還可增強高分子結構材料力學性能，應用于航空航天、汽車制造等對強度要求高的領域。
近年來，中國石墨烯產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模逐年遞增，預計 2024 年將達 441 億元。這既表明石墨烯應用前景廣闊，其衍生體系的材料非常值得關注。
高性能碳纖維復合材料
碳纖維是一種輕如羽毛且強如鋼鐵的材料，在材料體系中地位重要。碳纖維材料憑借其低密度和高強度的特性，在汽車制造和航空航天領域都有著重要應用。
在汽車制造中，可用于車身框架及零部件制造，增強汽車整體強度的同時減輕車身重量，提高燃油效率；在航空航天領域，成為制造飛行器結構部件的理想材料，能夠有效減輕飛行器重量，降低能耗，提高飛行性能。
我國碳纖維產(chǎn)業(yè)需求量以 13% 以上的年均增長率穩(wěn)定增長，2020 年需求量達 4.89 萬噸。這一數(shù)據(jù)充分顯示了碳纖維在我國相關產(chǎn)業(yè)中的重要性和市場潛力。
隨著技術的不斷進步和應用領域的進一步拓展，碳纖維在航空航天和汽車制造等行業(yè)的應用將更加廣泛，對推動這些行業(yè)的發(fā)展將起到至關重要的作用。
先進半導體材料
當今時代，信息技術飛速發(fā)展，引發(fā)各領域技術升級需求強烈，電子設備制造領域?qū)Ω咝阅馨雽w材料需求突出且持續(xù)增長。半導體材料作為現(xiàn)代電子技術的核心基礎，其性能的優(yōu)劣直接決定了電子設備的運行速度、效率以及功能的實現(xiàn)。
從微觀層面來看，半導體材料的電學性能、晶體結構以及雜質(zhì)含量等特性都對電子設備的性能產(chǎn)生著關鍵影響。例如，具有更高載流子遷移率的半導體材料能夠使電子在其中更快速地移動，從而提高電子設備的運算速度；更為純凈的晶體結構可以減少電子散射，進一步提升電子設備的運行效率。
在實際應用中，這些高性能的半導體材料是制造諸如智能手機、計算機處理器、高速通信芯片等各類更快速、更高效電子設備的基石。它們?yōu)殡娮釉O備的小型化、高性能化提供了可能，使得電子設備能夠在有限的空間內(nèi)集成更多的功能模塊，實現(xiàn)更復雜的運算和處理任務，滿足人們對于信息獲取和處理的日益增長的需求。半導體制造相關的樹脂材料值得關注下。
3D打印用材料
從金屬到塑料，3D 打印技術的發(fā)展離不開多樣化的材料支持，而這些材料在高分子材料領域有著廣泛的應用和重要意義。
金屬材料在 3D 打印中可用于制造具有高強度和高精度要求的零部件，如航空航天領域的發(fā)動機部件、醫(yī)療器械中的金屬植入物等。塑料材料則憑借其多樣的性能和易于加工的特點，在 3D 打印中得到了更為廣泛的應用。
高分子材料是 3D 打印材料的重要組成部分，為 3D 打印技術帶來更多可能。特殊高分子材料有良好生物相容性，可打印生物組織工程支架；部分高分子材料具特殊光學或電學性能，滿足特定應用需求。熱塑性塑料加熱熔化后可逐層堆積成型，能快速制造復雜形狀產(chǎn)品，廣泛用于產(chǎn)品原型制作和個性化定制等領域。
這些多樣化的材料支持使得 3D 打印技術能夠根據(jù)不同的需求選擇合適的材料進行制造，從而使得按需制造成為現(xiàn)實。無論是工業(yè)生產(chǎn)中的零部件定制，還是醫(yī)療領域中的個性化醫(yī)療器械制造，3D 打印技術都能夠借助豐富的材料資源實現(xiàn)高效、精準的制造，為各個領域帶來了革命性的變化。
超導材料
超導材料作為一種具有特殊物理性質(zhì)的材料，在材料科學領域尤其是在涉及到電流傳輸和電磁應用方面具有極其重要的地位。超導材料最顯著的特性是在特定條件下能夠?qū)崿F(xiàn)沒有電阻的電流傳輸。這種特性使得超導材料在電力輸送領域的應用具有巨大的潛力。
在傳統(tǒng)的電力輸送過程中，由于導線存在電阻，會導致大量的電能以熱能的形式損耗掉。而超導材料的應用將徹底改變這一現(xiàn)狀。當超導材料用于電力輸送線路時，電流可以毫無阻礙地通過，幾乎不會產(chǎn)生任何電能損耗，這將極大地提高電力輸送的效率，降低能源損耗，同時也能夠減少對環(huán)境的影響。
在磁懸浮交通領域，超導材料同樣發(fā)揮著關鍵作用。磁懸浮列車利用超導材料產(chǎn)生的強大磁場與軌道上的磁場相互作用，實現(xiàn)列車的懸浮和高速運行。超導材料所具備的無電阻特性能夠確保磁場的穩(wěn)定產(chǎn)生和維持，從而為磁懸浮列車提供穩(wěn)定的懸浮力和驅(qū)動力，使得列車能夠以更高的速度、更平穩(wěn)的運行狀態(tài)行駛，徹底改變了傳統(tǒng)交通方式的面貌。
超導材料的應用前景十分廣闊，不僅在電力輸送和磁懸浮交通領域有著重大影響，在其他領域如醫(yī)療設備中的磁共振成像（MRI）技術、高能物理研究中的粒子加速器等方面也有著潛在的應用價值。
智能仿生材料
在材料科學的廣闊領域中，存在一類特殊的材料，它們模仿自然界的生物結構，展現(xiàn)出令人驚嘆的性能。這類材料在高分子材料領域也占據(jù)著重要的地位。它們能夠響應環(huán)境變化，自我修復，甚至進行自我清潔。
高分子材料中的一些智能材料具有模仿生物結構的特性。例如，某些高分子水凝膠材料，其結構設計靈感來源于生物組織中的細胞外基質(zhì)。這種水凝膠材料能夠感知環(huán)境中的濕度變化，當環(huán)境濕度降低時，它會收縮以減少水分流失；當環(huán)境濕度增加時，它又會膨脹吸收水分，從而實現(xiàn)對環(huán)境濕度的響應。
在自我修復方面，一些含有特殊化學鍵或微結構的高分子材料能夠在受到損傷后自動修復。例如，具有動態(tài)共價鍵的高分子材料，當材料表面出現(xiàn)裂紋時，這些動態(tài)共價鍵會在一定條件下重新組合，使裂紋愈合，恢復材料的完整性和性能。
對于自我清潔功能，部分高分子材料通過表面的特殊結構或化學修飾實現(xiàn)。比如，一些高分子涂層材料的表面具有類似于荷葉表面的微觀結構，這種微觀結構使得水滴能夠在材料表面形成水珠并迅速滾落，同時帶走表面的灰塵和污垢，從而達到自我清潔的效果。
生物可降解材料
當今社會，環(huán)境問題嚴峻，持久性污染危害生態(tài)系統(tǒng)。材料領域中，生物可降解材料作為可持續(xù)發(fā)展方案備受關注，在高分子材料范疇更展現(xiàn)出獨特優(yōu)勢和重要應用價值。
在醫(yī)療領域，生物可降解材料發(fā)揮著至關重要的作用。例如，一些用于傷口縫合的縫合線采用了生物可降解高分子材料。這種材料在傷口愈合過程中能夠逐漸降解，無需拆線，減少了患者的痛苦和感染風險。
同時，在組織工程和藥物緩釋系統(tǒng)中，生物可降解高分子材料也被廣泛應用。它們可以作為細胞支架，為細胞的生長和組織的修復提供支撐，并且隨著時間的推移逐漸降解，不會在體內(nèi)殘留，避免了對身體的潛在危害。
在包裝領域，生物可降解材料應用潛力巨大。傳統(tǒng)塑料包裝難降解，長期存在造成白色污染。生物可降解高分子材料制成的包裝產(chǎn)品，如塑料袋、包裝盒等，使用后能在自然環(huán)境中經(jīng)微生物作用逐漸分解為無害物質(zhì)，減少持久性污染。例如聚乳酸（PLA）包裝材料，機械性能和加工性能良好，能滿足包裝基本需求，又具生物可降解性，是理想的包裝材料替代品。
納米材料
在材料科學不斷發(fā)展的進程中，納米材料以其獨特的性質(zhì)和在微觀尺度上操控物質(zhì)的能力，成為了研究和應用的熱點。納米材料在高分子材料領域也占據(jù)著重要的一席之地。在納米尺度上操控物質(zhì)，這些材料展現(xiàn)出了獨特的性質(zhì)，將在醫(yī)療、能源和電子領域大放異彩。
在醫(yī)療領域，納米材料的獨特性質(zhì)為疾病的診斷和治療帶來了新的機遇。例如，一些納米高分子材料可以被設計成具有靶向性的藥物載體。這些載體能夠精準地將藥物輸送到病變細胞，提高藥物的治療效果，同時減少對正常細胞的損害。此外，納米材料還可以用于醫(yī)學成像，如納米造影劑能夠增強成像的清晰度和準確性，幫助醫(yī)生更好地診斷疾病。
在能源領域，納米材料同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。以高分子納米復合材料為例，它們可以應用于電池領域。納米材料的加入能夠提高電池的能量密度和充放電效率，改善電池的性能。在太陽能電池方面，一些納米材料可以增強光的吸收和轉換效率，提高太陽能電池的發(fā)電效率。
在電子領域，納米材料的應用也日益廣泛。納米尺度下的高分子材料可以用于制造更小尺寸、更高性能的電子元件。例如，納米晶體管的研制使得電子產(chǎn)品的集成度更高、運行速度更快。同時，納米材料還可以用于制造柔性電子器件，滿足人們對電子設備便攜性和柔韌性的需求。
預計到 2024 年，中國納米材料市場規(guī)模將達 2490 億元。這一數(shù)據(jù)充分顯示了納米材料在各個領域的應用前景廣闊，也體現(xiàn)了其在經(jīng)濟發(fā)展中的重要性。
總結
這些材料的發(fā)展，不僅將推動技術創(chuàng)新，還將為解決全球面臨的能源、環(huán)境和健康挑戰(zhàn)提供新的可能性。
（文章來源于先進高分子材料信息）
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