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新材料是指在某一領(lǐng)域內(nèi)的新材料,其包括兩方面含義:
1、以前在其他領(lǐng)域使用,現(xiàn)用于本領(lǐng)域(如原用于航天領(lǐng)域,現(xiàn)用于家電行業(yè)),對(duì)于家電行業(yè)來說,就屬于新材料;或者經(jīng)過改性處理等得到新的更好的性能;
2、新型化工合成的材料,物理或化學(xué)性能有突出優(yōu)點(diǎn)的則稱之為新材料。
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形形的隱形衣
現(xiàn)在已經(jīng)和正在開發(fā)研制的隱形衣,歸結(jié)起來大致有如下類型:
反可見光隱形衣此類隱形衣印有與大自然主色調(diào)一致的6種顏色構(gòu)成的變形圖案。這些圖案是經(jīng)過計(jì)算機(jī)對(duì)大量叢林、沙漠、巖石等復(fù)雜環(huán)境進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后模擬出來的。其色彩的種類、色調(diào)、亮度、對(duì)光譜的反射性能以及各種色彩的面積分布比例都經(jīng)過精確計(jì)算,可使著裝者的輪廓產(chǎn)生變形,從近距離上看是明暗反差較大的迷彩;在遠(yuǎn)距離觀察,其細(xì)碎的圖案與周圍環(huán)境完全融合,即使目標(biāo)運(yùn)動(dòng)也不易被發(fā)現(xiàn)。
變色隱形衣變色隱形衣是用由光敏變色物質(zhì)處理過的化纖布制成的,也可用光敏染料染在普通布料上制成。不論是在綠色的叢林、黃色的沙灘、藍(lán)色的海洋還是白雪皚皚的原野,隱形衣都會(huì)根據(jù)周圍環(huán)境的變化而自動(dòng)改變顏色而不易使著裝者暴露自己。
透明隱形衣美國(guó)科學(xué)家研制出一種神奇的隱形衣。將其放在物體外面,該物體將會(huì)從人的眼前完全“消失”。其基本原理是,通過“化解”光線在物體表面產(chǎn)生的反射,使肉眼難以觀察到。這種隱形衣完全不需要依賴任何其他的設(shè)備,比如天線或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等,只要在物體表面涂上這種具有“隱形罩”功能的物質(zhì),無論從哪個(gè)方向和角度觀察這一“隱形”物體,它都不會(huì)露出馬腳。無獨(dú)有偶,日本科學(xué)家也研發(fā)出一種神奇的“透明服”,可以從人前看到人后的一切,從而達(dá)到“視而不見”的隱形效果。其原理是利用透明服后的攝像機(jī)把影像傳送并映射到前面具有反光功能的衣服表面,使人能夠看到著裝者背后的影像,如同著裝人是“透明”的。
激光隱形衣英國(guó)研究人員正在研發(fā)利用激光改變物質(zhì)感光的模式來實(shí)現(xiàn)隱形。在正常情況下,光同物質(zhì)發(fā)生作用時(shí),物質(zhì)原子只吸收一定波長(zhǎng)的光子。然而,當(dāng)所謂的“耦合激光”的光束射向一件物體時(shí),就可以對(duì)原子產(chǎn)生影響,阻止其與這種波長(zhǎng)光的相互作用。這就是著名的“相干虛激發(fā)”,是量子物理學(xué)的一種推論??蒲腥藛T在實(shí)驗(yàn)時(shí),使用的是一個(gè)紅外線激光器和一塊晶體片。當(dāng)激光打到這片晶體上時(shí),直接穿過晶體,沒有任何反射和折射,也沒有被吸收。不過,激光隱形需要大量不同波長(zhǎng)的激光,數(shù)百萬瓦的功率,所需能耗很大。
關(guān)鍵在于新材料
人之所以能夠看到物體,是因?yàn)槲矬w阻擋了光波通過。如果有一種覆蓋在物體表面的材料,能夠引導(dǎo)被物體阻擋的光線“繞道行走”,那么在觀察者看來,物體就變得“不存在”了,從而實(shí)現(xiàn)視覺隱形。由此看來,隱形技術(shù)的原理就是改變電磁波在各種材料中的折射率,使它們不再反射光波。完美的隱形,既不反射電磁波,也不吸收電磁波,而是讓電磁波繞著物體走。
然而,電磁波是多種頻率波動(dòng)的集合體。目前,隱形技術(shù)還只能實(shí)現(xiàn)在某一個(gè)頻段上隱形,而躲不過多頻段電磁波的探測(cè)。例如,人的眼睛見不到的隱形部分,雖然在光波頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了隱形,但用其他頻段的電磁波仍然可以探測(cè)到。同樣道理,能逃過雷達(dá)監(jiān)測(cè)的隱形飛機(jī)卻用肉眼可見,在光頻下并沒有隱形。
足夠?qū)嵗砻?,物質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以影響它的外觀形狀和顏色。例如,產(chǎn)于南美洲的大閃蝶,鮮艷的藍(lán)翅膀上并不含有任何色素,恰恰是來自于光線的反射作用,給它帶來了令人喜愛的顏色。早在20世紀(jì)70年代,一些科學(xué)家便開始運(yùn)用這種原理來制造可以躲過雷達(dá)跟蹤的隱形飛機(jī)。他們將飛機(jī)外殼的反射層分開幾厘米,那么從一層上反射的雷達(dá)電波就將被另一層上反射來的電波所抵消。然而,這種效果只對(duì)一種波長(zhǎng)起作用,所以實(shí)用意義并不高。隨后,研究人員又合成出具有負(fù)折射率的材料,試圖利用材料特殊的光學(xué)特性使光彎曲,但結(jié)果也不理想。這些材料均存在一定的局限性,比如,有的只能使微波(波長(zhǎng)大約在1毫米至1米之間)光線彎曲,而這個(gè)波長(zhǎng)對(duì)人眼來說原本就不可見。還有的則只能使光線實(shí)現(xiàn)二維彎曲,而不是完全隱形,實(shí)用意義也不大。
2006年,美國(guó)一個(gè)研究小組在《科學(xué)》雜志上,宣稱一個(gè)好的隱形辦法將是轉(zhuǎn)移一個(gè)物體周圍的雷達(dá)波和光波,從而隱去它存在的任何跡象,這正是超級(jí)材料所發(fā)揮的作用。科學(xué)家還舉例說明現(xiàn)代隱形飛機(jī)之所以能躲過雷達(dá)的跟蹤,是因?yàn)槭褂昧艘环N特殊的含有金屬粒子的涂層,以吸收雷達(dá)發(fā)射出的能量。因此,只要制造出性能合適的材料,實(shí)用的“隱形衣”便可以問世了。
不斷推出新成果
2007年6月,美國(guó)杜克大學(xué)科學(xué)家宣布,他們研制的“隱形衣”可以成功地讓一個(gè)面積為5平方英寸的物體避過微波探測(cè)。這種“隱形衣”的外形如同一條黃色浴巾,由數(shù)以千計(jì)的類似人造玻璃纖維的“超級(jí)材料”組成。這些材料可以“抓住”微波并改變其方向,當(dāng)微波射到披有隱身材料的物體時(shí),微波就會(huì)繞過去,整個(gè)過程就像水流經(jīng)過一塊圓滑的巖石而發(fā)生分流一樣。
美國(guó)加利福尼亞大學(xué)伯克利分??蒲行〗M開發(fā)出的新型材料,在納米尺度上可以使三維空間內(nèi)的可見光彎曲。也就是說,照射在這種材料上的可見光不會(huì)像正常情況下那樣偏折,人眼也就無法“看到”它。研究人員表示,雖然目前他們只是在納米尺度上實(shí)現(xiàn)了“隱形”,但從理論上講,同樣的原理在正常尺度下也應(yīng)該能夠?qū)崿F(xiàn)。到那時(shí),科幻世界中的“隱形衣”就會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。
一個(gè)德國(guó)和英國(guó)研究人員組成的小組,制造出一種可彎曲光波的新材料,覆蓋在黃金表面的微小凸起上,可制造出讓凸起消失的視覺假象。不過,這片隱形斗篷很小,僅高約0.000102厘米,寬約0.000127厘米。之前的隱形斗篷只發(fā)展到2D階段,換個(gè)角度看,看似隱形的物體就會(huì)露出馬腳。而這片極其微小的3D隱形斗篷,可讓物體從各種角度看起來都彷佛消失不見。研究人員樂觀估計(jì),較大尺寸的隱形斗篷,很可能在10年內(nèi)就能成真。
“等離子體”新技術(shù)
俄羅斯科學(xué)家開發(fā)出性能優(yōu)異的等離子體隱形技術(shù)。物體被等離子體發(fā)生器遮蔽后,雷達(dá)便很難發(fā)現(xiàn)它們。從飛機(jī)到汽車等任何移動(dòng)的物體,都可以大幅降低自身的“可見度”。
自然界中的物質(zhì)除了可以呈現(xiàn)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之外,還可以呈現(xiàn)等離子態(tài)。這是氣體經(jīng)過電離后呈現(xiàn)的第四種物態(tài),而呈現(xiàn)這種狀態(tài)的物質(zhì)則被稱為等離子體。等離子體在宇宙空間存在很多,遠(yuǎn)比人們熟悉的固體、液體、氣體更為普遍。等離子體一般可分為高溫和低溫兩大類。高溫等離子體是用極高的溫度使氣體迅速離解而生成的等離子體,溫度可以達(dá)到攝氏幾千度到上億度;低溫等離子體是氣體在電場(chǎng)力的作用下獲得能量而被電離,溫度可以是常溫,也可以達(dá)到攝氏幾千度。
它是全能王
石墨烯有多???它的厚度僅為普通紙張的十萬分之一。石墨烯的發(fā)現(xiàn)者、2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者安德烈?海姆這樣描述石墨烯:可以被無限拉伸,彎曲到很大角度不嗔眩可以抵抗很高的壓力,同時(shí)還有著非同尋常的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。
“石墨烯電阻率極低,電子能在其中極為高效地移動(dòng),這使得石墨烯有非常好的導(dǎo)電性?!敝袊?guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究員成會(huì)明說,如果將石墨烯與電子元件、電子設(shè)備進(jìn)一步結(jié)合使用,可以增強(qiáng)儲(chǔ)電設(shè)備的儲(chǔ)電率,提高儲(chǔ)電性能。
雖然只有一個(gè)原子的厚度,但石墨烯卻是非常強(qiáng)韌的材料。通俗地講,它強(qiáng)過鉆石,“秒殺”鋼鐵。同時(shí)它又有很好的彈性,拉伸幅度能達(dá)到自身尺寸的20%。如果用一個(gè)平方米的石墨烯做成吊床,本身重量不足1毫克,可以承受1公斤的重物。
石墨烯還具有“針插不進(jìn)、水潑不進(jìn)”的零滲透特性。如果給船體涂上石墨烯涂層,就好像穿上防腐“鎧甲”;如果發(fā)生化學(xué)品火災(zāi),一張石墨烯薄膜可以把火滅掉。
石墨烯的驚奇之處還遠(yuǎn)不止此。1克重的石墨烯展開后面積為2630平方米!這么大的比表面積(1克固體擁有的總表面積),如果讓它擁有超強(qiáng)的吸附性便可以用于海水淡化、污水處理等領(lǐng)域。
為了研究石墨烯,科學(xué)家們歷經(jīng)艱辛。當(dāng)初在實(shí)驗(yàn)室獲得的石墨烯片價(jià)值超過最珍貴的鉆石。曾經(jīng)100平方納米的石墨烯,就要幾千歐元,肉眼都看不見。不過經(jīng)過不斷探索,制備石墨烯的新方法層出不窮,工業(yè)化生產(chǎn)石墨烯已經(jīng)成功。
接軌生活,希望無限
隨著科研發(fā)展,目前,石墨烯系列產(chǎn)品開始走入百姓生活。石墨烯理療、保暖產(chǎn)品、led用高導(dǎo)熱石墨烯復(fù)合材料、石墨烯防彈材料等20余種石墨烯產(chǎn)品都已面世。
據(jù)了解利用石墨烯特性研發(fā)的新型防彈衣,防彈插板只需17毫米就能達(dá)到甚至超過傳統(tǒng)產(chǎn)品的防彈效果,重量還可減輕20%。
利用石墨烯良好的導(dǎo)電性、散熱性和材質(zhì)堅(jiān)固性,國(guó)內(nèi)已經(jīng)研發(fā)了石墨烯導(dǎo)靜電輪胎,可用于特種車輛和裝有易燃易爆等危險(xiǎn)品的車輛。導(dǎo)靜電輪胎可以避免普通輪胎與地面摩擦產(chǎn)生的靜電,從而避免裝有易爆品等危險(xiǎn)品的車輛發(fā)生爆炸。
在石墨烯的諸多應(yīng)用中,最受普通大眾關(guān)注和期待的,是它改變手機(jī)等電子設(shè)備產(chǎn)品功能的可能性。
智能手機(jī)剛出現(xiàn)的時(shí)候,長(zhǎng)時(shí)間通話、玩游戲,手機(jī)就會(huì)發(fā)燙。如今這一問題基本解決――因?yàn)槭┎牧蠘O好的導(dǎo)熱性得到了應(yīng)用。近年來生產(chǎn)出石墨烯導(dǎo)熱材料的迅速被應(yīng)用在智能手機(jī)上,成為小米等手機(jī)的大客戶。
值得一提的是,中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院已成功制備出國(guó)內(nèi)首片15英寸單層石墨烯觸摸屏,并正在開發(fā)系列基于石墨烯的柔性傳感器件。今后手機(jī)、電腦的顯示屏將超薄、超輕,可彎曲。
5月18日從工信部獲悉,從去年開始編制的《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》,可能于今年8月份實(shí)施。
根據(jù)規(guī)劃,新材料產(chǎn)業(yè)將重點(diǎn)發(fā)展特種金屬功能材料、高端金屬結(jié)構(gòu)材料、先進(jìn)高分子材料、新型無機(jī)非金屬材料、高性能復(fù)合材料和前沿新材料。同時(shí),組織實(shí)施一批重大工程和重點(diǎn)項(xiàng)目,促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研用一體化,推動(dòng)材料升級(jí)換代。力爭(zhēng)到2015年,建立起具備一定自主創(chuàng)新能力、規(guī)模較大、產(chǎn)業(yè)配套齊全的新材料產(chǎn)業(yè)體。
注重內(nèi)在價(jià)值
《新材料產(chǎn)業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》有望今年8月份,這一消息將給整個(gè)行業(yè)帶來利好?!笆濉币?guī)劃綱要中提及的光伏玻璃、超薄基板玻璃、特種玻纖、特種陶瓷、石墨烯、特種合金等,都屬于新材料。隨著新材料的應(yīng)用未來將越來越廣泛,投資價(jià)值必然還是體現(xiàn)在擁有新材料制造資源或者是新材料制作工藝的企業(yè),應(yīng)注意公司的內(nèi)在價(jià)值和含金量。
布局新材料首看技術(shù)成熟度
新材料產(chǎn)業(yè)作為新興行業(yè),其特點(diǎn)是分布廣,缺乏同質(zhì)性??蓮囊韵滤膫€(gè)方面進(jìn)行分析。首先是技術(shù)方面。主要判斷技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)化能力等。新材料通常作為創(chuàng)新產(chǎn)品,從研發(fā)到市場(chǎng)認(rèn)同存在一個(gè)過程,其中技術(shù)決定了創(chuàng)新最終能否成功,這是新材料產(chǎn)品存在的前提條件;其次是政策方面。政策支持是新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的催化劑,政府可以通過政策指導(dǎo)、價(jià)格補(bǔ)貼等多種手段推動(dòng)新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,并擴(kuò)大市場(chǎng)影響力;再次是潛在市場(chǎng)空間方面。新材料由于用途不同,其對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)空間也存在差異,而市場(chǎng)空間的大小決定了新材料的最終發(fā)展目標(biāo)。通常應(yīng)用領(lǐng)域廣,替代效應(yīng)明顯的新材料,其市場(chǎng)需求潛力巨大;最后是產(chǎn)業(yè)鏈方面。對(duì)于部分新材料品種,技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠創(chuàng)造進(jìn)入壁壘,企業(yè)能夠享受超額收益;但對(duì)于技術(shù)壁壘不強(qiáng)的新材料品種,所處產(chǎn)業(yè)鏈的位置也能夠?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)造超額收益。
化工新材料―產(chǎn)業(yè)重要分支
化工新材料是新材料產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要分支,也是目前基礎(chǔ)化學(xué)工業(yè)最具活力和發(fā)展?jié)摿Φ念I(lǐng)域。根據(jù)《石油和化工產(chǎn)業(yè)振興支撐技術(shù)指導(dǎo)意見》和《國(guó)務(wù)院關(guān)于加快培育和發(fā)展戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的決定》,他把我國(guó)目前重點(diǎn)發(fā)展的化工新材料分為有機(jī)氟材料、有機(jī)硅深加工、中間體制備、高性能工程塑料、高性能纖維及復(fù)合材料、高性能聚氨酯、特種橡膠等七大領(lǐng)域。
此外,在高性能纖維方面,中國(guó)高性能纖維復(fù)合材料需求將日漸強(qiáng)勁,尤其是航天航空、汽車、風(fēng)電等領(lǐng)域。高性能纖維復(fù)合材料作為一種先進(jìn)的輕質(zhì)高強(qiáng)材料,符合風(fēng)力發(fā)電機(jī)組大容量發(fā)展趨勢(shì),迎合汽車安全、輕型化發(fā)展方向。由于高性能纖維復(fù)合材料性能要求高、生產(chǎn)工藝復(fù)雜、技術(shù)壁壘高,是未來產(chǎn)業(yè)升級(jí)的關(guān)鍵要素。
新能源材料―重點(diǎn)關(guān)注稀土材料
新能源材料方面,可關(guān)注稀土材料,稀土材料產(chǎn)業(yè)鏈主要包括資源、分離及磁性材料加工等,由于我國(guó)稀土永磁材料屬于進(jìn)口替代策略,因此技術(shù)優(yōu)勢(shì)是決定企業(yè)能否贏得未來競(jìng)爭(zhēng)的核心,另外我國(guó)具有稀土資源優(yōu)勢(shì),在市場(chǎng)繁榮時(shí)期,資源能夠享受超額溢價(jià)。
碳纖維最早是由英國(guó)人斯旺為制作燈泡而提出的發(fā)明設(shè)想,后來愛迪生利用焦油、棉紗和竹絲成功試制出能夠持續(xù)照明45小時(shí)的碳絲,而現(xiàn)在人們所說的碳纖維則是在上世紀(jì)60年代初由日本人近藤昭南所發(fā)明的能夠工程化批量生產(chǎn)的高強(qiáng)型碳纖維。
碳纖維的應(yīng)用范圍很廣,由于其擁有優(yōu)異力學(xué)性能、可設(shè)計(jì)性和可加工性能,碳纖維在各領(lǐng)域中逐漸受到人們的重視,國(guó)防軍工和民用工業(yè)的使用量都在逐年增加。
航空航天方面:隨著世界航空航天技術(shù)的不斷發(fā)展,各種飛機(jī)和航天器都在不斷升級(jí),追求的是更輕、更快、更強(qiáng)。碳纖維因其輕量化和優(yōu)異的力學(xué)性能被作為首選替代材料,使用量所占比重正在逐步提高。有數(shù)據(jù)顯示,民用航空中波音787所用復(fù)合材料重量占結(jié)構(gòu)總重量的50%,美軍的F - 2 2戰(zhàn)斗機(jī)和B 2轟炸機(jī)的復(fù)合材料用量均超過35%,除此之外還能夠賦予戰(zhàn)機(jī)隱身特性。近年來,隨著國(guó)產(chǎn)碳纖維的快速發(fā)展,我國(guó)已有10多個(gè)型號(hào)的戰(zhàn)機(jī)完全實(shí)現(xiàn)了國(guó)產(chǎn)碳纖維材料替代進(jìn)口。另外在“天宮” “神州”“”等型號(hào)的航天飛行器上也采用了國(guó)產(chǎn)高性能碳纖維。
無人機(jī)方面:無人機(jī)自誕生以來,減輕質(zhì)量即成為世界各國(guó)無人機(jī)科技工作者們共同關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一,只有將機(jī)體結(jié)構(gòu)質(zhì)量降下來,才能節(jié)約出更多的質(zhì)量空間來增加燃油和有效載荷,延長(zhǎng)飛行距離和續(xù)航時(shí)間。軍用方面,世界各國(guó)都在大力發(fā)展碳纖維材料機(jī)體,目前碳纖維復(fù)合材料用量占結(jié)構(gòu)總質(zhì)量已達(dá)到60%―80%,有的小型偵察無人機(jī)甚至采用全碳纖維結(jié)構(gòu);在民用方面,無人機(jī)追求的更多是小巧并搭載更多的儀器設(shè)備。
艦船岸基方面:碳纖維復(fù)合材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性,能夠耐受自然界中的水和多種介質(zhì)的腐蝕。目前世界各軍事強(qiáng)國(guó)都在加快以碳纖維復(fù)合材料為主體的艦艇建造,碳纖維替代金屬材料已經(jīng)成為發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)在東海和南海的島礁上建有很多的海防哨所,基礎(chǔ)設(shè)施的防腐問題非常嚴(yán)峻。目前國(guó)內(nèi)已有公司開發(fā)出碳纖維肋筋來代替鋼筋作為島礁建筑混凝土中的支撐材料。
風(fēng)電葉片方面:?jiǎn)螜C(jī)發(fā)電功率的提升關(guān)鍵在于葉片長(zhǎng)度的增加,葉片長(zhǎng)度的增加會(huì)增加低風(fēng)速時(shí)的捕風(fēng)能力。目前世界上長(zhǎng)度超過60m的風(fēng)電葉片幾乎都會(huì)選擇用碳纖維復(fù)合材料制作主承力梁,以保證葉片在發(fā)電運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)發(fā)生斷裂,這就是因?yàn)樘祭w維具有極高的“鋼性”(抗壓模量)。
汽車輕量化方面:目前已成功開發(fā)出包括車身、底盤、車頂在內(nèi)的30余種碳纖維復(fù)合材料零部件。碳纖維材料汽車較普通鋼材汽車重量可減少60%,據(jù)資料介紹,汽車自重減輕100公斤,行駛1 0 0公里可節(jié)約燃油0 . 3公斤,自重減少10%,燃油經(jīng)濟(jì)性可提高1 0 % 。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料減輕車身重量達(dá)50%時(shí),續(xù)駛里程可增加75%以上。
軌道交通方面:列車高速運(yùn)行時(shí),動(dòng)力學(xué)前端所受阻力很大,約占列車運(yùn)行總阻力的50%。以列車常用電氣接線箱為例,不銹鋼重量為37Kg,鋁為17Kg,碳纖維復(fù)合材料為1 2 . 5 K g 。碳纖維對(duì)高速列車的減重是非常明顯的,而高速列車的減重也意味著節(jié)約能耗和提升運(yùn)行速度的可能。