材料篇|2018超具潜力20大新材料
前言
材料工业是国民经济的基础产业，尤其新兴材料，将会给工业带来革命性的变革。新材料是材料工业发展的先导，是重要的战略性新兴产业。21世纪的今天，科技革命迅猛发展，新材料产业升级、材料更新换代步伐加快。
· 2016年12月，国务院印发《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》
· 2016年12月，工信部、发展改革委、科技部、财政部联合印发《新材料产业发展指南》
· 2017年2月，国家制造强国建设领导小组编制发布《中国制造2025》“1+X”规划体系
· 2017年9月，工信部发布《重点新材料首批次应用示范指导目录（2017年版）》
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今日就来和大家分享下，基于此背景，由新材料在线®综合国内外知名研究机构和公司研究进展、科技媒体评论以及行业热点研究梳理出的20种新材料。
1
量子金属
Quantum metal
突破性：由俄罗斯远东联邦大学、俄罗斯科学院远东分院的科学家与日本东京大学的同行组成的国际研究团队合成了世界上首例量子金属。二维系统在转变为绝缘体或超导体的同时，仍可保持正常的金属态。这种不寻常的状态就被称为量子金属或玻色金属。研究表明，这种新材料具有以多晶硅为衬底的双层铊原子结构，当温度低于零下272℃时，变为超导材料。通过观察这种非正常的物质状态，科学家有望对二维电子系统（二维金属）温度接近绝对零度时的行为（是否仍然是金属态以及是否会传导电流）一探究竟。
发展趋势：超低温导电性、正常金属存在于两个维度状态的可能性研究。
研究机构：俄罗斯远东联邦大学、日本东京大学。
2
超固体
supersolid
突破性：超固体(Super solid)同时具备固体与流体特征，是一种空间有序(比如固体或晶体)的材料，但同时还具有超流动性。当量子流体，比如He-4冷却到某特征温度以下时，He-4将经历超流转变，进入一个零黏性的态。这个转变被认为与发生玻色-爱因斯坦凝聚有关。
发展趋势：在超固态，空位将成为相干的实体，可以在剩下的固体内不受阻碍地移动，就像超流一样。而玻色爱因斯坦凝聚体是一种出现在超冷温度下的奇异物态，在如此低的温度下原子的量子特性变得极其明显，展现出明显的波动性。
主要研究机构（公司）：宾夕法尼亚州立大学、瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH）、美国麻省理工学院（MIT）等。
3
超高温陶瓷
Ultra High Temperature Ceramics
突破性：超高温陶瓷通常是指能在2000℃以上有氧气气氛灯苛刻环境条件下仍然照常使用的最耐热的高级陶瓷，主要是IV B、VB族过渡金属的硼化物、碳化物及其复合材料。目前，超高温陶瓷在温度达到1600℃时仍具有较好的抗氧化性。
发展趋势：航空航天领域、军工武器领域。超高温陶瓷材料主要用于高超音速导弹、航天飞机等飞行器的热防护系统如翼前缘、端头冒以及发动机的热端，是难熔金属的最佳替代者，时超高温领域最有前途的材料。
主要研究机构（公司）：美国Sandia National Labs、英国伦敦帝国理工学院、航天703所、中材山东工陶院、中科院金属所、中科院上硅所、哈工大、西工大等。
4
过渡金属硫化物
Transitional metal dichalcogenides
突破性：过渡金属硫化物（TMDC）低成本、具有简单二维结构，是可比肩石墨烯的超级创新材料。过渡金属硫化物通常由钼或钨形成，例如硒或者碲与硫元素构成。它们具有相当简单的二维结构。由于其相对成本较低，并且更易于制成非常薄而稳定的图层，同时具有半导体特性，因此过渡金属硫化物（TMDC）也成为光电子学领域的理想材料。
发展趋势：数字电子领域。如果电子和真空洞被从一个外部环路注入过渡金属硫化物，当它们相遇时就会再次组合然后释放光子。这种光电相互转化的能力使得过渡金属硫化物有望被用于利用光传输信息、用作微小的低功率光源，甚至激光。
主要研究机构（公司）：中国科学技术大学、北京航空航天大学、中国石油大学、中国石油天然气集团公司催化重点实验室等。
5
微格金属
Micro lattice
突破性：超轻，99.99%部分都是空气，表观密度为0.9g/cm3，是一种合成的多孔极轻3D开放式蜂窝聚合物结构金属材料，具有声学、振动和冲击能量抑制，非常坚硬，压缩50%张力之后能够完全恢复，具有超级高能量吸收能力。
发展趋势：电池电极、催化剂载体，未来航空飞行器制造，微格金属材料可以确保美国宇航局降低深太空探索航天器40%质量，这对于未来旅行至火星和其它星球至关重要。
主要研究机构（公司）：Boeing。
6
锡烯
Stanene
突破性：单层锡原子构成的厚度小于0.4纳米的二维晶体——锡烯，可在常温下达到100％导电率的超级材料，其导电性只存在于材料的边缘或表面，而不是内部。当拓扑绝缘体只有一层原子厚的时候，它的边缘导电性就会达到完美的100％。远胜近年来热议的石墨烯，可实现室温下无能量损耗的电子输运。
发展趋势：更高集成度的电子学器件应用方面具有重要的意义。
主要研究机构（公司）：美国能源部SLAC国家加速实验室、斯坦福大学，德国维尔茨堡大学，上海交通大学，清华大学。
7
新型透明导电材料
New transparent conductive material
突破性：美国宾州州立大学研究人员选择了一种电子间相互作用大于其动能的材料，由于电子强关联作用，电子能“感觉”到彼此，从而使其性质类似于“液体”，而不是没有相互作用的“气体”。这种电子“液体”仍然非常导电，但是可见光波段的反射却大大降低，从而提高了透明度。
发展趋势：在光学透明性、导电性和易于制造上有望替代传统的透明导电材料——铟锡氧化物ITO，将被广泛应用于智能手机触摸屏、平板显示器等显示领域。
主要研究机构（公司）：美国宾州州立大学、无锡力合光电传感技术有限公司等。
8
第三代半导体
Third generation semiconductor
突破性：碳化硅、氮化镓、氧化锌、氮化铝等宽紧带半导体材料。具有宽的禁带宽度，高的击穿电场，高的热导率，高的发光效率，高的电子饱和速率及高的抗辐射能力。更适用于制作高温高频、抗辐射及大功率器件。
发展趋势：更高集成度的电子器件，光电子器件、电力电子器件，蓝光LED，OLED，照明、新能源汽车、导弹、卫星等。
主要研究机构（公司）：罗姆、三菱电机、松下电器，Cree、Bandgap、DowDcorning、II-VI、Instrinsic，日本的Nippon、Sixon，芬兰的Okmetic，德国的SiCrystal，TDI、Kyma、ATMI、Cree，日亚(Nichia)、Matsushita、索尼(Sony)、东芝(Toshiba)。
9
4D打印材料
4D printing technology
突破性：4D打印是一种能够自动变形的材料，直接将设计内置到物料当中，不需要连接任何复杂的机电设备，就能按照产品设计自动折叠成相应的形状。即无需打印机器就能让材料快速成型的革命性新技术。大小形状可以随时间变化。4D打印最关键是记忆合金。
发展趋势：家具制造以及最终的宇宙航天和建筑领域。
主要研究机构（公司）：斯特塔西有限公司，麻省理工学院，哈尔滨工业大学。
10
金属氢
merallic hydrogen
突破性：金属氢是液态或固态氢在上百万大气压的高压下变成的导电体。导电性类似于金属，故称金属氢。金属氢是一种高密度、高储能材料，之前的预测中表明，金属氢是一种室温超导体。金属氢内储藏着巨大的能量，比普通TNT炸药大30─40倍。
发展趋势：能量密度最高的化学燃料料（如：火箭燃料），航天级新概念武器，发电储能材料，可能为常温超导体，新火药，潜在的聚变应用价值。
主要研究机构（公司）：哈佛大学，爱丁堡大学。
11
高熵合金
high-entropy alloy
突破性：高熵合金由多种含量相近的主元混合而成，由于主元数增多，混合熵增加，混产生独特的高熵效应，并抑制金属间化合物和其他有序相的生成。元素间不同的尺寸和结合力，导致了合金具有晶格畸变和缓慢扩散效应，保证了合金强硬；凝固过程中保留的大量缺陷和能量，使得铸态的合金即保留了很大的残余能量，有利于孪晶等的发生，变现出一系列优异的和特殊的力学行为；多种主元，保证了合金的钝化层复杂，耐腐蚀性能优越，等等。高熵合金在机械性能、耐腐蚀、耐磨损、磁学性能、抗辐照、低温性能等方面都很优异。
发展趋势：工业制造，航空航天，电子电器等领域。
主要研究机构（公司）：北卡罗莱纳州立大学，卡塔尔大学，浙江大学，北京科技大学。
12
硼墨稀
borophene
突破性：硼墨烯是一种不同寻常的材料，因为它在纳米尺度表现出很多金属特性，而三维硼或者散状硼都只是非金属半导体。因为硼墨烯同时具有金属性和原子厚度，从电子产品到光伏发电都具有广泛的应用可能性。导电属性具有方向性，较高的拉伸强度。
发展趋势：航空航天，纳米级电子设备，微型机械设备等领域。
主要研究机构（公司）：美国能源部阿贡国家实验室、西北大学和纽约州立大学石溪分校，美国布朗大学，清华大学。
13
锂空气电池
Lithium-air-battery
突破性：锂-氧电池或锂空气电池能量密度是锂离子电子的10倍，被业界誉为“终极电池”。理论上这样的能量密度可使电动车续航能力接近传统汽油汽车，电动汽车只充一次电就能从伦敦驶到爱丁堡，而且锂空气电池的成本和重量只有现在市面上销售的电动汽车所使用的锂离子电池的1/5。
发展趋势：航空航天，电子电器，动力汽车等领域。
主要研究机构（公司）：日本产业技术综合研究所，日本学术振兴会(JSPS)，剑桥大学，美国IBM。
14
特种纤维
Functional fiber
突破性：特种纤维分别具有不同的特殊性能，如耐强腐蚀、低磨损、耐高温、耐辐射、抗燃、耐高电压、高强度高模量、高弹性、反渗透、高效过滤、吸附、离子交换、导光、导电以及多种医学功能。例如，Teflon TFE®，Nomex®，Kermel®，Kevlar®，Torayca®。
发展趋势：航空航天，交通，装备，体育休闲，通信，机械，化工，国防军工等领域。
主要研究机构（公司）：杜邦，东丽，帝人，东洋纺，东华大学，天津工业大学大学，北京化学研究所。
15
柔性电极材料
Flexible electrode
突破性：目前万物智能的发展方向来说，穿戴式设备将会越来越普及，开发一种导电性和拉伸性极佳的高分子材料，可用于可拉伸塑料电极。这种柔性电极也可作为可穿戴电子器件。也就是说，如果成功，以后，我们带有「智能」的衣服或者体内的供电设备就不会再被僵硬的电路掣肘了。
发展趋势：触摸屏、显示器、薄膜太阳能电池。
主要研究机构（公司）：斯坦福大学，东华大学，华南先进光电子研究院先进材料研究所，大连化物所。
16
量子隐形材料
Quantum Stealth camouflage
突破性：“量子隐形”材料制作成衣服，透过反射穿衣者身边的光波，可以使得穿着这种衣服的人达到“隐形”的效果。通过折射周围光线来实现“完全隐形”。“量子隐形”材料完全可以在不借助其他技术的情况下实现隐形，甚至可逃过红外望远镜和热力学设备的追踪。
发展趋势：触摸屏、显示器、薄膜太阳能电池。
主要研究机构（公司）：Hyperstealth Biotechnology，中国科技大学，清华大学。
17
全息膜
Holographic Film
突破性：可提供空中动态显示，清晰显像的同时，能让观众透过投影膜看见背后景物，又能与互动软件组合，产生三位立体互动影像，是观者产生身临其境，玩转空间的感觉，具有高清晰、耐强光、超轻薄、抗老化等无可比拟的众多优势。
发展趋势：由分子级别的纳米光学组件：全像彩色滤光板结晶体（HCFC）为核心材料，融合纳米技术，材料光、光学、高分子等多学科成果生产而成。轻薄内部蕴含先进的精密光学结构，以达致高清晰、高亮度的完美显像。成像效果卓越画面晶莹剔透，材料简约纤薄传播设计深蕴。 用于电子器件、光学薄膜。
主要研究机构（公司）：Excelite, Multiway，Mindiamart, ACF Technology, 上海奥德思智能科技有限公司。
18
冷沸材料
Cold Material
突破性：随着温度的下降而依次呈现固态、液态和气态。聚集态的冷沸材料愈热强度愈高，冷沸金属材料最高耐受温度可达10200 ℃，在常温及高温时均可保持电超导和磁超导特性；冷沸非金属材料可耐7400 ℃ 的高温，是优秀的耐磨和阻磁材料。
发展趋势：冷沸材料的优异性能可以用于研制一系列前未有的航空航天发动机和飞行器、超级机械和电子设备，引发新一轮的工业科技革命。
主要研究机构（公司）：北京航空航天大学。
19
时间晶体
Time Crystals
突破性：不同一般晶体由规则原子结构在空间中重复排列，时间晶体的原子结构是在特定条件下沿着时间轴呈现周期性变化，它在基态时也会维持振荡的状态。
发展趋势：时间晶体”是一种全新的物质形态，将为物理学研究打开一个全新世界，回答与物质本性有关的各种基本问题。将在量子计算机，超高灵敏度传感器等领域具有重要应用。甚至未来科学家可以通过时间晶体开发出复杂的时空晶体，通过复杂的周期运动回路代表不同比特和比特间的运算，将人脑意识上传到时空晶体，把人的记忆保存在其中。
主要研究机构（公司）：哈佛大学，马里兰大学，麻省理工大学，Cornell University，加利福尼亚大学伯克利分校。
20
光子晶体
Photonic Crystals
突破性：光子晶体是由周期性排列的不同折射率的介质制造的规则光学结构。具有速度快、静止质量为零、彼此间不存在相互作用、具有电子所不具备的频率和偏振等特征；建立了光子的能带理论，打开了控制光的传播及光与物质相互作用的新领域—凝聚态物理和光学的新交叉领域；创造了一种人工设计的新材料---光子半导体；为发展新型光子器件奠定了物理基础。
发展趋势：反光镜、放大器、弯曲光路、超棱镜、激光器、非线性开关、光子纤维和发光二极管等基于光子晶体的全新光子学器件相继被提出。在新的纳米技术、光计算机、激光器、光子器件、芯片、光通讯、生物等前沿和较差领域具有广泛的应用前景。
主要研究机构（公司）：Alnair Labs, Yenista, CILAS, Newport，上海瞬渺光电技术有限公司，北京凌云光子有限公司，江苏法尔胜光子有限公司，上海光机所，马德里理工大学。
