纳米复合材料的结构和性能.ppt

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1、纳米复合材料的结构和性能,纳米复合的发展已经成为纳米材料工程的重要组成部分。世界发达国家发展新材料的战略，都把纳米复合材料的发展摆到重要的位置 美国在1994年11月中旬召开了国际上第一次纳米材料商业性会议，纳米复合材料的发展和缩短其商业化进程是这次会议讨论的重点； 德国在制定21世纪新材料发展的战略时，把发展气凝胶和高效纳米陶瓷作为重要的发展方向； 英国和日本各自也都制定了纳米复合材料的研究计划纳米复合材料研究的热潮已经形成,复合涂层材料 (composite coating materials),纳米涂层材料由于具有高强、高韧、高硬度特性，在材料表面防护和改性上有着广阔的应用前景 近年来纳

2、米涂层材料发展的趋势是由单一纳米涂层材料向纳米复合涂层材料发展,高力学性能材料,所谓高力学性能是指比目前常规材料所具有的强度、硬度、韧性以及其他综合力学性能更好、更优越的性能，除了对传统材料进行改性以外，发展高效力学性能材料已提到材料科学工作者的面前，在这方面纳米复合材料的研究为探索高力学性能材料开辟了一条新的途径,1 高强度合金（high strength alloy）,日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法制备了高强、高延展性的纳米复合合金材料，其中包括纳米Al-过渡族金属-镧化物合金, 纳米Al-Ce-过渡族金属合金复合材料，这类合金具有比常规同类材料好得多的延展性和高的强度(13401

3、560MPa)这类材料结构上的特点是在非晶基体上分布纳米粒子. 大块金属玻璃(bulk metal glass-BMG),Zr基块体非晶合金已做成新一代高尔夫球拍材料倍受青睐。,五、应用探索,动态韧性及自锐性,非晶合金在高速载荷作用下，具有非常高的动态断裂韧性，同时在侵彻时具有自锐性，是一种适于制做穿甲弹芯的特种材料。,2. 在军工方面做为穿甲弹材料已列入美国国防部研究计划。,2 增韧纳米复相陶瓷( reinforced nanocomposite ceramics),纳米尺度合成使人们为之奋斗将近一个世纪的陶瓷增韧问题的突破成为一种可能,3 超塑性 （superplasticity）,自20

4、世纪80年代中期以来，超塑性陶瓷材料相继在实验室问世 Wakai和Nieh等人在加Y2O3稳定化剂的四方二氧化锆中(粒径小于300nm)观察到了超塑性，他们在此材料基础上又加入20%Al2O3，制成的陶瓷材料平均粒径约500nm，超塑性达200至500,仿生材料(bionic materials),仿生材料的研制是当前材料科学中学科交叉的前沿领域. 纳米材料问世以后，仿生材料研究的热点已开始转向纳米复合材料, 这是因为自然界生物的某些器官实际上是一种天然的纳米复合材料. 一些发达国家，如美国，日本，德国、俄罗斯已经开始制定为人类健康服务的仿生材料的研究计划，而纳米仿生材料的位置也越来越重要高.

5、,其它的应用领域,1 高分子基纳米复合材料 2 磁性材料 3 磁致冷材料 4 超软磁材料和硬磁材料 5 巨磁电阻材料 6 光学材料 7 高介电材料,纳米复合材料的重要性,纳米复合材料是属于纳米材料工程的重要组成部分，以实际应用为目标的纳米复合材料的研究在未来的一段时间内将有很强的生命力，也是新材料发展的一个重要部分,因此应该对其研究给予高度的重视,纳米复合材料的发展方向,开展纳米复合人工超结构的研究。 根据纳米结构的特点把异质、异相、不同的有序度的材料在组米尺度下进行合成（synthesis）、组合（assembling）和剪裁（tailoring），设计新型的元件，发现新现象，开展基础和应用

6、基础研究， 在继续开展简单纳米材料研究的同时，注意对纳米复杂体系的探索也是当前纳米材料发展的新动向,纳米结构和纳米材料的应用,在21世纪信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，材料的小型化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等为纳米材料的应用提供了广阔的应用空间世界各国面对着新世纪的严峻挑战都在重新思考如何调整国民经济支柱产业的布局如何发展高科技，增强国际竞争的实力，纳米科技在这方面将发挥重要的作用,量子磁盘与高密度磁存储,一般磁盘存储密度达到106107bit/in2 光盘的存储密度提高到109bit/in2 有人一度把1011bitin2称之

7、为不可愈越的极限 量子磁盘的问世，使磁盘的尺寸比原来的磁盘缩小了10000倍，磁存储密度达到41011bitin2,量子磁盘与高密度磁存储,纳米结构的磁盘，尺寸为l00nml00nm，由直径为l0nm，长度为40nm的Co棒按周期为40nm排列成阵列(如右图所示),高密度记忆存储元件,记忆存储元件的发展趋势是降低元件尺寸，提高存储密度；铁电材料，特别是铁电薄膜是设计制造记忆存储元件的首选材料 纳米结构有序平面阵列体系是设计下一代超小型、高密度记忆元件的重要途径,单电子晶体管的用途,单电子晶体管的用途很多，它可用作超高密度信息存储，超敏电流计，近红外辐射接收器和直流电流标准器 (1)单电子记忆

8、依据单电子晶体管“库仑岛”上存在或缺乏一个电子的状态变化，单电子晶体管可用作高密度信息存储的记忆单元,单电子晶体管的用途,(2)超敏感电流计 比通常使用的场效应晶体管对电荷的灵敏度要高6倍所以利用这个性质，可以制成高精度的电流计,单电子晶体管的用途,(3)微波探测 当用微波进行辐照时，辐射能通过导线与器件耦合处于超导态的单电子晶体管器件吸收了频率为约80GHz的辐射后，使原先在能量上被禁止的单电子隧穿过程得以进行，此时，在电流曲线上可观察到一个小的库珀对隧穿产生的电流峰 这种单电子晶体管对微波的敏感度比目前最好的辐射热器件要敏感100倍,单电子晶体管进行大规模集成,一是如何将大量的单电子晶体管

9、集成在一起；在原理上采用化学自组装是能解决这一问题的。 二是如何将单电子晶体管阵列与外界连接a是用杂化的方法，即把单电子晶体管和相关元件与已有的金属氧化物半导体场效应晶体管集成在一起这种方法能够增加集成线路的密度。b是由团簇相连构成的基本单元之间的静电作用形成的电路,单电子晶体管进行大规模集成,在Korotkov的设计中 基本单元为绝缘体连接纳米团簇构成的串(如右图中的上图), 随着外加电场方向的改变，极化导致这种基本单元给出一个“0”态或“1”态 在Lent的设计中基本单元为纳米团簇构成的矩形单元(右图中的下图),高效能量转化纳米结构,(1)高效再生锂电池 具有再生能力的电池广泛用于手机、小

10、型家用电器、电动剃须刀以及微型仪器仪表上随着器件的微型化，要求电池不但具有高能量密度，同时电池的尺寸进一步微型化，这就为纳米材料和纳米结构在电池上的应用提供了机遇,高效能量转化纳米结构,(2)太阳能电池 太阳能的利用是21世纪能源开发的重点，这不仅是因为太阳能取之不尽，用之不绝，更重要的是因为它对环境没有污染，是理想的清洁能源。世界各国都制订了太阳能应用的规划，研制高效太阳能电池是太阳能利用的一个重要方面纳米材料和纳米结构作为太阳能转化材料已引起人们高度的重视,太阳能电池,高效能量转化纳米结构,(3)热电转化 热电转化材料是能源产业重要的材料，在热电厂和仪器仪表方面有着重要的应用，长期以来人们

11、致力于寻找热电转化效率更高的材料，纳米材料和纳米结构的问世为寻找高效热电转化材料提供了机遇,燃料电池,燃料电池类型及其特征,超微型纳米阵列激光器,纳米阵列激光器是21世纪超微型激光器重要的发展方向回顾激光器发展的历史，大致可以分为3个阶段：自从20世纪60年代激光被发现以来，1962年就制成了第一个半导体激光器几十年来，人们主要围绕三方面问题来不断改进激光器一是进一步增加激光强度，二是降低产生激光的电流密度，三是提高热稳定性,光吸收的过滤器和调制器,光过滤是指控制光在一定波长范围之内通过的现象，光过滤现象在光通信等方面有广泛的应用前景 目前，光过滤用的产品有窄带过滤器，截止过滤器纳米材料诞生为

12、设计高效光过滤器提供了新的机遇，除了纳米材料尺寸小，可以把光过滤器尺寸缩小外，更重要的是可以利用纳米材料的尺寸效应，在同一种类材料上实现波段可调的光过滤器,微型传感器,传感器是超微粒子最有前途的应用领域之一一般超微粒(金属)是黑色，具有吸收红外线等特点，而且表面积巨大、表面活性高，对周围环境敏感(温、气氛、光、湿度等)，可望利用超微粒制成敏感度高的超小型、低能耗、多功能传感器,微型传感器,(1)气体传感器 气体传感器是化学传感器的一种它是利用金属氧化物随周围气氛中气体组成的改变，电学性能(如电阻)所发生的变化来对气体进行检测和定量测定的 用作气体传感器的微粒粒径为1至几微米，粒子越小，比表面积

13、越大，则表面与周围接触而发生相互作用的几率越大，从而敏感度越高 目前已实用化的气体传感器有纳米SnO2膜制成的传感器，它可用作可燃性气体泄漏报警器和湿度传感器,微型传感器,微型传感器,(2)红外线传感器 由Au超微粒子沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器 右图为Au超微粒膜的红外传感器的剖面图,微型传感器,(3)湿敏传感器 利用纳米微粒与介孔固体组装成组装体的环境敏感效应，可制成纳米结构的传感器 这种受环境湿度影响透明-不透明可逆转变的现象可以作为设计纳米微型开关的基础.,纳米结构高效电容器阵列,随着集成块尺寸减小，集成度越来越高，元件的尺寸也将进一步地缩小目前的电容器尺度大概为0.5mm0

14、.5mml.0mm，有人预计21世纪将进一步缩小到纳米尺度，所用的材料必然是纳米材料，这是因为纳米电容材料的高介电性可以在电容总体尺寸缩小的情况下保持高容量,超高灵敏度电探测器和高密度电接线头,痕量电荷如何探测一直是人们关心的问题，纳米结构电极组装体可以把目前电分析探测极限降低3个数量级，即探测灵敏度提高了3个数量级,纳米结构离子分离器,离子分离器在电化学和再生电池等方面有着重要的作用，提高离子分离效率一直是人们追求的目标，纳米结构为解决这个问题提供了新的途径近年来已有报道，利用纳米孔洞阵列模板合成Au纳米管阵列，可以作为高效离子分离器 。,仿生纳米材料,仿生纳米材料,生物体的壳为纳米结构，有

15、机体作为结构导向剂，基本单元为晶态的CaCO3 和非晶态的SiO2 组成。,趋磁性细菌,磁性导航：从富氧水的环境（对其有毒害）迁移到富营养的沉积物中。 北半球北极运动 南半球南极运动,静态自组装合成介观DNA膜,DNA基因序列测定,纳米金粒子与DNA结合后使其在溶液中的光谱发生变化，进而检测到相关的DNA 序列。,DNA基因序列测定,扫描阵列探测系统（左）比常规荧光探测（右）灵敏度高两个量级,半导体纳米晶用于生物标志,碳疽病毒的探测,更灵敏的免疫测定,在生物和医学上的应用,纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红血球小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径，即利用纳米微粒进行细胞分离、细胞

16、染色及利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等 这方面的研究现在处于初级阶段，但却有广泛的应用前景,细胞分离,生物细胞分离是生物细胞学研究中一种十分重要的技术，它关系到研究所需要的细胞标本能不能快速获得的关键问题这种细胞分离技术在医疗临床诊断上有广阔的应用前景,用纳米SiO2微粒实现细胞分离,20世纪80年代初，人们开始利用纳米微粒进行细胞分离，建立了用纳米SiO2微粒实现细胞分离的新技术此方法的优点是： (i)易形成密度梯度一般来说，病毒尺寸为80-100nm，细菌几百纳米，细胞尺寸更大些，而纳米包覆体尺寸约30nm，因而胶体溶液在离心作用下很容易产生密度梯度 (ii)易实现纳米

17、SiO2粒子与细胞的分离这是因为纳米SiO2微粒是属于无机玻璃的范畴，性能稳定，一般不与胶体溶液和生物溶液反应，既不会沾污生物细胞，也容易把它们分开,细胞内部染色,细胞内部的染色对用光学显徽镜和电子显微镜研究细胞内各种组织是十分重要的一种技术它在研究细胞生物学中占有极为重要的作用 随着细胞学研究的发展，要求进一步提高观察细胞内组织的分辨率，这就需要寻找新的染色方法纳米微粒的出现，为建立新的染色技术提供了新的途径,表面包敷磁性纳米粒子在药物上的应用,磁性纳米粒子表面涂覆高分子，在外部再与蛋白相结合可以注入生物体中，这种技术目前尚在实验阶段，已通过了动物临床实验 基本过程：这种载有高分子和蛋白的磁

18、性纳米粒子作为药物的载体，然后静脉注射到动物体内(小鼠、白兔等)，在外加磁场677103(A/m)下通过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的,磁性超微粒子分离癌细胞,光学应用,纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系 研究表明，利用纳米微粒的特殊的光学特性制备成各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用,红外反射材料,纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用由纳米微粒制成的红外膜的种类列于表14-3. 表中各种膜的构造如图14-13所示各种膜的特性

19、见表14-4,照明领域,优异的光吸收材料,纳米微粒与树脂结合用于紫外吸收 。 树脂膜，灯管，化妆品，抗老化涂层等。 纳米粒子添加纤维用于红外屏蔽和保温。 军用服装，保暖内衣。,隐身材料,当前，世界各国为了适应现代化战争的需要，提高在军事对抗中竞争的实力，也将隐身技术作为一个重要的研究对象，其中隐身材料在隐身技术中占有重要的地位 美国F117A型飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力,增进国家安全,高表面积的反应性纳米粒子作为吸附剂可用于清除化学和生物战争中的试剂污染，它们能快速反应而没有遗留问题。 各种毒物的传感器 在许多领域，通过纳米技术在电子学、光学、催化剂和吸附剂方面的进展都可以有利于增强国家安全。,在其他方面的应用,纳米抛光液 纳米静电屏蔽材料 导电浆料 助燃剂和阻燃剂 印刷 橡胶添加剂 固体润滑剂,美国国家纳米制造用户网络,美国国家纳米制造用户网络,