納米材料及應(yīng)用課件

1、納米材料及其應(yīng)用前景 納米材料與技術(shù)是20世紀(jì)80年代末才逐步發(fā)展起來的前沿性的，交叉性的學(xué)科領(lǐng)域，為21世紀(jì)三大前沿高新科技之一。而如今，納米技術(shù)給各行各業(yè)帶來了嶄新的活力甚至變革性的發(fā)展，高性能的納米產(chǎn)品也已經(jīng)走進(jìn)我們的日常生活，成為公眾視線中的焦點(diǎn)。什么是納米材料納米材料的特性納米材料的應(yīng)用 納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。因此，顆粒尺寸在納米的微粒稱為超微粒材料，就是納米材料。力學(xué)性質(zhì)高韌、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典主題。具有納米結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng) 度與粒徑成反比。納

2、米材料的位錯(cuò)密度很低，位錯(cuò)滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納米材料中位錯(cuò)滑移和增殖不會(huì)發(fā)生，這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。金屬陶瓷作為刀具材料已有50多年歷史，由于金屬陶瓷的混合燒結(jié)和晶粒粗大的原因其力學(xué)強(qiáng)度一直難以有大的提高。應(yīng)用納米技術(shù)制成超細(xì)或納米晶粒材料時(shí)，其韌性、強(qiáng)度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。使用納米技術(shù)制成的陶瓷、纖維廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。熱學(xué)性質(zhì) 納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為

3、混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲(chǔ)熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對(duì)太陽光有強(qiáng)烈的吸收作用，從而有效地將太陽光能轉(zhuǎn)換為熱能。電學(xué)性質(zhì) 由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬絕緣體轉(zhuǎn)變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點(diǎn)，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管，表現(xiàn)出很好的晶體三極管放大特性。并根據(jù)低溫下碳納米管的三極管放大特性，成功研制出了室溫下的單電子晶

4、體管。隨著單電子晶體管研究的深入進(jìn)展，已經(jīng)成功研制出由碳納米管組成的邏輯電路磁學(xué)性質(zhì) 當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬盤系統(tǒng)的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應(yīng)法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%，可以用于信息存儲(chǔ)的磁電阻讀出磁頭，具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時(shí)納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場(chǎng)間存在近似線性的關(guān)系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復(fù)合納米材料對(duì)可見光具有良好的透射率，對(duì)可見光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多，而且對(duì)紅外波段的吸收

5、系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低3個(gè)數(shù)量級(jí)，磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個(gè)數(shù)量級(jí)，從而在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有著廣泛的應(yīng)用。納米陶瓷材料傳統(tǒng)陶瓷材料：晶粒不易滑動(dòng)，材料質(zhì)脆。納米陶瓷材料：極高的強(qiáng)度和高韌性以及良好的延展性。 這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進(jìn)行冷加工。然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。納米纖維： 指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料?？梢杂米髦寡噹?。納米纖維應(yīng)用 使用納米纖維做的衣服，已經(jīng)可以防水和防污染或防皺。使用納米技術(shù)的紡織品，可以使洗的頻率更低。納米技術(shù)已經(jīng)用于集

6、成微小的碳顆粒，對(duì)于穿戴者，保證整個(gè)表面靜電防護(hù)。生物醫(yī)學(xué)中的納米技術(shù)應(yīng)用研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息。例如：制作納米機(jī)器人。 研究人員已經(jīng)研發(fā)出一些納米粒子。它們能通過相互引導(dǎo)，到達(dá)目標(biāo)地，從而大幅提高對(duì)腫瘤的攻擊效率。納米粒子能迅速穿過人體，將藥物直接運(yùn)送到腫瘤上，同時(shí)緩解化療的副作用，因此可能對(duì)癌癥治療有益。納米技術(shù)在建筑行業(yè)的應(yīng)用納米透明隔熱涂料的應(yīng)用 在玻璃表面涂覆納米透明隔熱涂料，形成均勻的透明涂膜，在涂膜中的納米導(dǎo)電粒子中，含有一定濃度的電子空穴，而引起自由載流子的吸收，由于太陽入射光的頻率高于涂膜中納米導(dǎo)

7、電粒子的振動(dòng)頻率，引起了其離子的高反射，納米透明隔熱涂料對(duì)太陽光譜具有選擇性，表現(xiàn)出吸收紫外線，透過可見光。催化活性增強(qiáng) 以粒徑小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超細(xì)微粒為主要成分制成的催化劑，可使有機(jī)物氫化的效率提高到傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍。納米技術(shù)在軍事上的運(yùn)用技術(shù)原理：納米固體在較寬的頻譜范圍內(nèi)，對(duì)電磁波有均勻的吸收性能。納米材料對(duì)雷達(dá)波的吸收效果與普通材料相差甚遠(yuǎn)，美國(guó)研制的納米隱身涂料，對(duì)雷達(dá)波的吸收率達(dá)99%。隱形飛機(jī)納米粒子對(duì)紅外和電磁波屏蔽的機(jī)理主要有兩方面：（1）由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于雷達(dá)波波長(zhǎng)，因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多。這就大大減少波的反射率，使

8、得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用。（2）納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉體大很多，對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo)，起到屏蔽作用。 目前國(guó)內(nèi)外研究的納米雷達(dá)波吸收劑有幾種類型，其中主要的一種類型是用納米氧化物吸收劑，包括Fe3O4、ZnO、NiO、MoO2等單一氧化物和LaFeO3等復(fù)合氧化物納米微粉，它們不僅吸波性能優(yōu)異，而且還建有抑制紅外輻射等數(shù)種功能。另外Al2O3、Fe2O3、SiO2和TiO2的復(fù)合粉體與高分子纖維結(jié)合對(duì)中紅外波段有很強(qiáng)的吸收性能 。發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術(shù)，減少污染和恢復(fù)被破壞的環(huán)境；制備孔徑lnm的納孔材料，作為催化劑的載體，納米孔材料和納米膜材料用來消除水和空氣中的污染；成倍的提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率。環(huán)境和能源結(jié)束語納米科技由于其無