新材料与纳米技术

P.,*,/44,新材料,与,纳米技术,同济大学物理系,1,一、新材料技术与人类文明,1.,材料：,科学技术的必要物质基础，新技术突破的前提保证；而且某些新材料的研制过程本身就是新技术的发展。,光通信,-,光导纤维和激光材料,计算机技术,-,半导体材料和磁性材料,新能源,-,超导材料、光电材料和贮氢材料,生物工程,-,生物功能材料,2.,材料事业,-,科学技术密集型,材料科学,：在固体物理、结晶化学、结构化学、电磁学、光学、力学、热学等现代科学理论基础上，运用现代精密测试、分析技术对材料的化学组成、结合键、合成方法、结构与性能关系进行深入研究的结果。,新材料的研制,：研究材料的宏观、微观和迁移现象，物质的相互作用与结合关系规律，材料的组成结构特征和力学、光学、热学、电磁、声学等物理性能的关系，材料的制取生产工艺和应用等。,2,3.,材料的发展史,1),石器材料,-,对自然界天然物质作简单的打、磨加工,陶器材料,-,人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点,新材料技术与人类文明,2),青铜、铁器材料,-,加工、冶炼技术和工艺的改进,3)20,世纪末主要的新材料,-,塑料、合成橡胶、化纤等各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料，记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、弥散粒子、叠层复合等新型复合材料。,4),第四代、第五代材料,-,超微粒子、超晶格膜、超纯材料等“极限材料,”,和“分子设计,”,材料等。,3,二、新材料技术,1.,金属材料,优点,:,高纫性，延展性好，强度高，导电性好。,发展及分类,:,初期,：,铁和钢,(,铁的合金,),20,世纪初,：以硬铝为首的铝合金,20,世纪,50,年代,：起又出现只有钢一半重、耐热性比钢好而强度不低于钢的钛合金。,现在,：主要仍是钢、铝合金、钛合金，性能提高,发展,：超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢,(,用作刀具,),、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等。,4,新材料技术,分类,:,黑色金属：,铁、铬、锰等几种,有色金属：,除黑色金属外的多种金属,(64/103),有色金属“家族”中的“十大金刚”,铜、铝、铅、锌、锡、镍、锑、钛、镁、汞,有色金属工业,-,高能耗产业,。近年来，采用富氧闪速熔炼工艺，使铜生产能耗大大降低，比采用传统工艺生产铜降低能耗达,30%,。此外，在氧化铝制备工艺上采用串联法，并开发出智能控制的大型预焙电解槽，可使能耗降低,20%,25%,。,5,新材料技术,石墨变金刚,将石墨放在,1500,到,2000,的高温和,45,万个大气压的装置中，在催化剂的作用下，就能把石墨的结构“改造”成金刚石，黑黝黝的石墨摇身一变就成了光灿灿的“人造宝石”了。,6,新材料技术,超塑金属,某些坚固的金属进行特定的高温处理或添加某些元素，就可以使它们变得象“软糖”或“粘糕”,样，只用很小的力，就能把它们拉长几十倍、几百倍、甚至几千倍，随你加工成什么形状。人们形象地把这类金属称为“超塑金属”。例如，纯镍、铁镍铬合金、钛合金等。,超塑合金槽筒,7,新材料技术,将金属镍和钛以,9:11,的比例掺合在一起，如果在某一较高温度下，用这种材料做成一根笔直的金属丝，冷却后，把它随意地盘卷起来，只要用火一烧，就会立即恢复到原来的笔直形状。,记忆合金,形状记忆合金是材料家族中的一个后起之秀，由于它的奇特性能，人们已经给它派了一些恃殊用场。如航天器上体积较大的天线、新型发动机,8,新材料技术,2.,非金属材料,1),陶瓷,优点,:,强度高，收缩小，机械性能好；耐各种酸碱腐蚀，耐高温，耐辐射，抗氧化。致命缺点是易脆性。,按应用和发展分类,高强高温结构陶瓷,电工电子特种功能陶瓷,高强高温结构陶瓷,强度高，机械性能好，是高温发热元件、绝热发动机和燃气涡轮机叶片、喷嘴等高温工作器件的重要材料，还可用作高温坩锅、高速切削刀具和磨具材料。,电工电子特种功能陶瓷,具有特殊的声、光、电、磁、热和机械力的转换、放大等物理、化学效应，是功能材料中引人注目的新型材料。,9,新材料技术,2),玻璃,钢化玻璃,(,安全玻璃,),强度是平板玻璃的,3,5,倍，耐急冷急热性较好,而且破碎后呈小粒状。常用于汽车、火车等交通工具的风挡玻璃、窗玻璃，高级宾馆的玻璃大门及隔断，玻璃桌面及许多玻璃幕墙。,夹层玻璃,(,另一种安全玻璃,),具有良好的隔音效果，有效地降低噪声,(,一般可降低噪声,35,40,分贝,),，被广泛地应用于机场办公室、候机大厅等需要隔音的场合。,中空玻璃,用于超高层建筑物的观光厅等重要部位。此外，列车的空调车箱和地铁车窗玻璃都是钢化中空玻璃，以提高隔热、隔音等性能。,镀膜玻璃,控制阳光的入射，减少空调能耗，而低辐射镀膜玻璃可限制室内热量向外辐射散失，在寒冷地区有显著的节能效果。,10,卫星“避火衣”,外表燃烧形成牢固多孔的碳化层，成为一种良好的隔热层，同时表面燃烧时放出大量气体，一方面把热量带走了，另一方面在回收仓外面形成了一个气膜保护层，也起到隔热作用。,“瞬时耐高温材料”，是由浸有树脂的合成纤维布或玻璃布等高分子复合材料在一定的温度和压力下固化而成的。,新材料技术,11,新材料技术,航天飞机的防热盔甲,一种新型人造耐高温陶瓷材料，以纯度,99.7%,、直径为,11.5,m,的石英纤维加水混合成浆状，倒入模具中脱水加压成型，然后浸胶体石英，干燥后在,1290,的电炉中烧成。再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，最后粘贴到航天飞机的铝合金蒙皮上，把外表严严实实地封盖起来，就象给航天飞机穿上了一身防热盔甲。,12,新材料技术,“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成了可让“热气进入的洞”，在返航途中因超高温空气入侵而彻底解体。,13,新材料技术,3),高分子材料,分为天然的和合成的两类，都是由大量小分子单元以化学键连接起来的，具有很高分子量的聚合物。,合成纤维,合成橡胶,合成树脂,主要品种有：聚酰胺纤维,(,尼龙、耐纶、锦纶,),、聚丙烯腈纤维,(,腈纶、奥纶,),、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或简称聚酯纤维,(,涤纶、的确良,),、聚丙烯纤维,(,产品名丙纶,),、聚乙烯醇缩甲醛纤维,(,维尼纶,),。它们的出现，使纺织工业大为改观。,主要品种有：丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、丁腈橡胶。现在的总产量已经超过天然橡胶的一倍以上。,除少数品种可作合成纤维以外，大量用作塑料、涂料和粘合剂的基料。,工程塑料,:,有一类具有金属性能，能承受一定的外力，有良好机械性能的高分子材料,14,1959,年费曼在美国物理学会年会上发表了一篇题为,在末端处有足够的空间,的讲演,人类一旦掌握了对原子逐一实行控制的技术后，能按自己的愿望人工合成物质的那一天也就为期不远了。,只要按化学家的要求把原子放在指定的位置，所需的物质就制造出来了。,纳米技术，包括两部分：,纳米工艺,用以隔离、定位及控制原子,显微技术,把原子一个接一个按各种稳定的模式组装起来，从一个小零件直到个整体结构。,三、纳米技术,15,费曼不仅提出了问题，而且证明了它是为规律所允许的，他说：,据我所知，物理学并不排除逐个原子地对物质合成实行控制的可能性，这种想法并不违反任何规律，从原则上讲它是能够做到的。,什么是纳米技术,1981,年，宾尼西、罗雷尔世界上第一台扫描隧道显微镜,(,简称,STM),，,1986,年获,诺贝尔物理奖。,G.Binnig,H.Rohrer,Omicron,低温超高真空,STM,16,CSTM9000,型扫描隧道显微镜,1.,扫描隧道显微镜,(STM),17,扫描隧穿显微镜,通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征,样品表面,探针表面,电子云重叠，由于隧道效应逸出电子,U,1),工作原理,对表面间距异常敏感,探针与样品间加电压形成隧穿电流,18,扫描隧道显微镜的两种工作模式：,恒高度模式,恒电流模式,STM,特点：,xy,方向,0.2nm,z,方向,0.005nm,在原子尺度探测,具有原子级高分辨率,在大气压下或真空中均能工作；,无损探测,可获取物质表面的三维图像；,可进行表面结构研究,实现表面纳米,(10,-9,m),级加工。,扫描隧穿显微镜,19,硅表面硅原子的排列,砷化镓表面砷原子的排列,碘原子在铂晶体上的吸附,2),应用实例,扫描隧穿显微镜,20,扫描隧穿显微镜,1990,年，美国国际商用机器公司（,IBM,）,阿尔马登研究中心科学家，经,22,小时的操作，把,35,个氙原子移动到位，组成,IBM,三个字母，加起来不到,3nm,。,21,通过移走原子构成的图形,扫描隧穿显微镜,22,2.,相关基本概念,纳米,（,nano,meter,，,nm,）,是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。,纳米科学,（,nano,-science,）,研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功能的科,学。,纳米科学技术,（,nano,-technology,）,是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。它以现代科学技术为基础，是现代科学和现代技术结合,的产物。,基本概念,23,纳米,材料,（,nano,material,）,纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。,纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在,1,100,nm,间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。,基本概念,24,3.,纳米材料的奇异特性,球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，,比,表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。直径大于,0.1,微米的颗粒表面效应可忽略不计，当颗粒尺寸小于,0.1,微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至,1,克超微颗粒表面积的总和可高达,100,平方米，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。,利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。,1),表面效应,纳米材料的奇异特性,25,随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。,2),小尺寸效应,纳米材料的奇异特性,(1),特殊的光学性质,当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于,l%,，,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。,26,(2),特殊的热学性质,固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于,10,纳米量级时尤为显著。例如，银的常规熔点为,670,，而超微银颗粒的熔点可低于,100,。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加,0.1%,0.5%,重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从,3000,降低到,1200,1300