先进材料是什么？有机先进材料、智能材料和先进材料应用

由 David Carmichael，解决方案工程师（2024年3月）审查

从陶瓷和金属合金到当前的聚合物，工程师们不断地改进和寻找新的制造业先进材料。无论是轻量化、更坚韧、耐用还是特别弹性，先进材料之所以被定义为先进，是因为它们具有超越传统制造材料的特殊特性。例如，轻量材料在通过减轻汽车、飞机和其他交通工具的重量来推动经济脱碳方面发挥着至关重要的作用。

其他材料在弯曲后能记住其原始形状，而另一些材料在受到机械应力时产生电能。此外，还有一系列基于有机材料开发的新型制造材料，如生物塑料。

本指南探讨了先进材料在制造业中的应用，并介绍了市场上一些具创新性的材料。

制造业的先进材料有许多不同形式，从金属合金到当前的先进技术陶瓷。先进材料可能比其传统对应物更坚韧，并且在制造商进行维护时能够降低成本。它们被用于航空航天、国防、能源、医疗保健和汽车等各个领域的广泛应用。

先进材料的特性意味着它们可以满足特殊的工程需求。例如，复合材料因其高强度和轻量化而被广泛用于航空航天制造。轻量化的先进材料有助于降低能源消耗，并因此减少温室气体排放。与此同时，在医疗领域，某些先进材料的生物相容性意味着它们不会被人体排斥。

让我们来看一些常见类型的先进材料。

先进金属合金的开发正在提供具有高热阻、导热性或机械强度等特征的材料。据说，一种由铬、钴和镍合金组成的合金是迄今为止比较坚韧的合金，预计将被用于航空航天和航天工业。这些先进金属中的一些已经在汽车工业中使用，以高强度、轻量化的合金取代钢材。先进金属合金的其他应用包括：

• 工程师希望减轻重量的交通系统
• 核工业
• 骨科和医学
• 燃气轮机设计
• 喷气发动机制造
• 使用增材制造修复组件

用于制造的先进塑料表现出优越的强度，并且在负载下不太可能变形。它们还在高温下保持形状，具有良好的电绝缘性，重量轻。这些特性的结合使它们在需要坚韧、耐用但轻量化材料的行业中非常有用，例如汽车发动机部件。先进塑料也常用于电子应用，因为它们具有良好的电绝缘性。它们还被用于医疗保健领域的精密手术器械，以及在工业中用于齿轮、轴承和密封件，因为它们具有低摩擦和耐磨性。

先进陶瓷包括氧化铝、氧化锆、碳化硅和氮化硅等材料。先进陶瓷在受压时非常坚固，并且能够在非常高的温度下工作，这使它们适用于像喷气发动机和熔炉等极端环境中使用。它们还相对轻（比如比一些金属如不锈钢和钛更轻）。碳化硅是重要的现代先进陶瓷之一。它因其能够承受高电压而被用于电力行业。先进陶瓷也被用于电子和电气工程，并具有光学和磁学应用。

复合材料是通过结合两种材料来创建一个整体，这个整体的强度超过了各个部分的总和。复合材料的例子包括碳纤维复合材料，它是由碳纤维和树脂组合而成的。这些材料具有高强度、良好的强度重量比、优异的耐热性和低热膨胀性。由于它们的轻量化和高强度，它们在航空航天领域得到了广泛应用（例如波音787的80%是复合材料），同样的原因也在赛车运动中，特别是一级方程式赛车中得到了应用。与玻璃纤维或塑料纤维基复合材料相比，它们的缺点是相对昂贵。

什么是智能材料？它们是对外部刺激做出反应的先进材料。智能材料的例子包括太阳能电池中的光伏材料，它们将太阳辐射转化为电能。它们还包括色变材料，它们会根据光、温度或压力的变化而改变颜色，以及磁流变材料，它们在暴露于磁场时会发生变化。

智能材料有时也被称为响应材料，因为它们能够根据外部元素改变其特性。超轻、具有高热和电导性的石墨烯是一种被广泛认可的智能超级材料，可应用于从建筑物和电池到太阳能电池和更快的个人计算机等所有领域。

压电材料是在施加机械应力时产生电压的智能材料，从喷墨打印机、显微镜到电吉他拾音器，压电材料被广泛应用于各种领域。压电材料还具有反向效应。施加到材料上的电压会使其产生应力。这意味着这些智能材料可以用来制制造在电压作用下能弯曲、膨胀和收缩的结构。

形状记忆合金是另一种智能材料，它是一种可以弯曲但在加热时恢复其原始形状的合金。这种现象被称为“形状记忆效应”。最早的形状记忆合金之一是镍-钛合金（称为Nitinol），它具有良好的耐腐蚀性和出色的电气和机械性能。形状记忆合金常见的应用是执行器的开发。它们也广泛应用于医学中，用于植入患者体内以扩大动脉的支架，因为它们可以根据体温改变形状。

今天，先进材料具有超越钢、铝和钛等日常材料的性能，达到新的性能水平，为以前未曾想到的应用提供了可能性。复合材料已经彻底改变了交通运输行业，而先进金属合金对现代医学、燃气涡轮机和石油天然气行业都至关重要。对于工程师来说，先进材料提供了新的功能，并为节约资源、提高可持续性和减少制造对环境影响提供了潜在手段。

先进材料和合金现在不仅包括金属、复合材料、塑料和陶瓷，还包括在细胞水平上操纵它们的有机材料和工艺。例如，纳米技术已经成为一种以特殊特性操控材料的手段，这些特性可以在一到一百纳米的尺度范围内影响生物、化学和物理行为。在这个微小的水平上使用先进材料必将影响医学创新，但也将推动新的消费品、能源系统类型以及先进制造技术形式的诞生。

未来，先进材料有望在用于存储间歇性可再生能源的新型超级电容器技术的发展中发挥作用，以及改变其形状以将数据存储在计算机内存中的微小材料。先进金属、陶瓷和复合材料还在新型和改进的增材制造（3D打印）技术的发展中发挥关键作用，而人工智能正在被用于改进和开发新型耐腐蚀合金。

在涉及先进材料和工业时，似乎它们的使用唯一的限制就是我们的想象力（或我们的计算机的想象力）。

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