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1、P.,*,/44,新材料,與,納米技術,同濟大學物理系,1,一、新材料技術與人類文明,1.,材料：,科學技術的必要物質基礎，新技術突破的前提保證；而且某些新材料的研制過程本身就是新技術的發展。,光通信,-,光導纖維和激光材料,計算機技術,-,半導體材料和磁性材料,新能源,-,超導材料、光電材料和貯氫材料,生物工程,-,生物功能材料,2.,材料事業,-,科學技術密集型,材料科學,：在固體物理、結晶化學、結構化學、電磁學、光學、力學、熱學等現代科學理論基礎上，運用現代精密測試、分析技術對材料的化學組成、結合鍵、合成方法、結構與性能關系進行深入研究的結果。,新材料的研制,：研究材料的宏觀、微觀和遷移
2、現象，物質的相互作用與結合關系規律，材料的組成結構特征和力學、光學、熱學、電磁、聲學等物理性能的關系，材料的制取生產工藝和應用等。,2,3.,材料的發展史,1),石器材料,-,對自然界天然物質作簡單的打、磨加工,陶器材料,-,人類通過加工技術以一定的工藝制造非天然物質材料的起點,新材料技術與人類文明,2),青銅、鐵器材料,-,加工、冶煉技術和工藝的改進,3)20,世紀末主要的新材料,-,塑料、合成橡膠、化纖等各種高分子材料，特種陶瓷、特種玻璃、特種水泥、光導纖維、碳纖維、硼纖維等硅酸鹽和無機功能新材料，記憶合金、非晶態金屬、晶須、超導材料、超塑性金屬、超彈性合金等型金屬材料，以及纖維增強、彌散
3、粒子、疊層復合等新型復合材料。,4),第四代、第五代材料,-,超微粒子、超晶格膜、超純材料等“極限材料,”,和“分子設計,”,材料等。,3,二、新材料技術,1.,金屬材料,優點,:,高紉性，延展性好，強度高，導電性好。,發展及分類,:,初期,：,鐵和鋼,(,鐵的合金,),20,世紀初,：以硬鋁為首的鋁合金,20,世紀,50,年代,：起又出現只有鋼一半重、耐熱性比鋼好而強度不低于鋼的鈦合金。,現在,：主要仍是鋼、鋁合金、鈦合金，性能提高,發展,：超高純度鐵、超高強度鋼、超高速鋼,(,用作刀具,),、超硬合金、超塑性合金、超耐熱合金、超低溫材料等等。,4,新材料技術,分類,:,黑色金屬：,鐵、鉻、
4、錳等幾種,有色金屬：,除黑色金屬外的多種金屬,(64/103),有色金屬“家族”中的“十大金剛”,銅、鋁、鉛、鋅、錫、鎳、銻、鈦、鎂、汞,有色金屬工業,-,高能耗產業,。近年來，采用富氧閃速熔煉工藝，使銅生產能耗大大降低，比采用傳統工藝生產銅降低能耗達,30%,。此外，在氧化鋁制備工藝上采用串聯法，并開發出智能控制的大型預焙電解槽，可使能耗降低,20%,25%,。,5,新材料技術,石墨變金剛,將石墨放在,1500,到,2000,的高溫和,45,萬個大氣壓的裝置中，在催化劑的作用下，就能把石墨的結構“改造”成金剛石，黑黝黝的石墨搖身一變就成了光燦燦的“人造寶石”了。,6,新材料技術,超塑金屬,某
5、些堅固的金屬進行特定的高溫處理或添加某些元素，就可以使它們變得象“軟糖”或“粘糕”,樣，只用很小的力，就能把它們拉長幾十倍、幾百倍、甚至幾千倍，隨你加工成什么形狀。人們形象地把這類金屬稱為“超塑金屬”。例如，純鎳、鐵鎳鉻合金、鈦合金等。,超塑合金槽筒,7,新材料技術,將金屬鎳和鈦以,9:11,的比例摻合在一起，如果在某一較高溫度下，用這種材料做成一根筆直的金屬絲，冷卻后，把它隨意地盤卷起來，只要用火一燒，就會立即恢復到原來的筆直形狀。,記憶合金,形狀記憶合金是材料家族中的一個后起之秀，由于它的奇特性能，人們已經給它派了一些恃殊用場。如航天器上體積較大的天線、新型發動機,8,新材料技術,2.,非
6、金屬材料,1),陶瓷,優點,:,強度高，收縮小，機械性能好；耐各種酸堿腐蝕，耐高溫，耐輻射，抗氧化。致命缺點是易脆性。,按應用和發展分類,高強高溫結構陶瓷,電工電子特種功能陶瓷,高強高溫結構陶瓷,強度高，機械性能好，是高溫發熱元件、絕熱發動機和燃氣渦輪機葉片、噴嘴等高溫工作器件的重要材料，還可用作高溫坩鍋、高速切削刀具和磨具材料。,電工電子特種功能陶瓷,具有特殊的聲、光、電、磁、熱和機械力的轉換、放大等物理、化學效應，是功能材料中引人注目的新型材料。,9,新材料技術,2),玻璃,鋼化玻璃,(,安全玻璃,),強度是平板玻璃的,3,5,倍，耐急冷急熱性較好,而且破碎后呈小粒狀。常用于汽車、火車等交
7、通工具的風擋玻璃、窗玻璃，高級賓館的玻璃大門及隔斷，玻璃桌面及許多玻璃幕墻。,夾層玻璃,(,另一種安全玻璃,),具有良好的隔音效果，有效地降低噪聲,(,一般可降低噪聲,35,40,分貝,),，被廣泛地應用于機場辦公室、候機大廳等需要隔音的場合。,中空玻璃,用于超高層建筑物的觀光廳等重要部位。此外，列車的空調車箱和地鐵車窗玻璃都是鋼化中空玻璃，以提高隔熱、隔音等性能。,鍍膜玻璃,控制陽光的入射，減少空調能耗，而低輻射鍍膜玻璃可限制室內熱量向外輻射散失，在寒冷地區有顯著的節能效果。,10,衛星“避火衣”,外表燃燒形成牢固多孔的碳化層，成為一種良好的隔熱層，同時表面燃燒時放出大量氣體，一方面把熱量帶
8、走了，另一方面在回收倉外面形成了一個氣膜保護層，也起到隔熱作用。,“瞬時耐高溫材料”，是由浸有樹脂的合成纖維布或玻璃布等高分子復合材料在一定的溫度和壓力下固化而成的。,新材料技術,11,新材料技術,航天飛機的防熱盔甲,一種新型人造耐高溫陶瓷材料，以純度,99.7%,、直徑為,11.5,m,的石英纖維加水混合成漿狀，倒入模具中脫水加壓成型，然后浸膠體石英，干燥后在,1290,的電爐中燒成。再按要求切成外形不同、大小不等的“磚塊”，最后粘貼到航天飛機的鋁合金蒙皮上，把外表嚴嚴實實地封蓋起來，就象給航天飛機穿上了一身防熱盔甲。,12,新材料技術,“哥倫比亞”號航天飛機爆炸，原因是這架航天飛機左翼在起
9、飛時遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料撞擊，結果造成機體表面隔熱保護層出現了大面積松動和破損，形成了可讓“熱氣進入的洞”，在返航途中因超高溫空氣入侵而徹底解體。,13,新材料技術,3),高分子材料,分為天然的和合成的兩類，都是由大量小分子單元以化學鍵連接起來的，具有很高分子量的聚合物。,合成纖維,合成橡膠,合成樹脂,主要品種有：聚酰胺纖維,(,尼龍、耐綸、錦綸,),、聚丙烯腈纖維,(,腈綸、奧綸,),、聚對苯二甲酸乙二醇酯纖維或簡稱聚酯纖維,(,滌綸、的確良,),、聚丙烯纖維,(,產品名丙綸,),、聚乙烯醇縮甲醛纖維,(,維尼綸,),。它們的出現，使紡織工業大為改觀。,主要品種有：丁苯橡膠、氯丁
10、橡膠、順丁橡膠、異戊橡膠、丁腈橡膠?，F在的總產量已經超過天然橡膠的一倍以上。,除少數品種可作合成纖維以外，大量用作塑料、涂料和粘合劑的基料。,工程塑料,:,有一類具有金屬性能，能承受一定的外力，有良好機械性能的高分子材料,14,1959,年費曼在美國物理學會年會上發表了一篇題為,在末端處有足夠的空間,的講演,人類一旦掌握了對原子逐一實行控制的技術后，能按自己的愿望人工合成物質的那一天也就為期不遠了。,只要按化學家的要求把原子放在指定的位置，所需的物質就制造出來了。,納米技術，包括兩部分：,納米工藝,用以隔離、定位及控制原子,顯微技術,把原子一個接一個按各種穩定的模式組裝起來，從一個小零件直到個
11、整體結構。,三、納米技術,15,費曼不僅提出了問題，而且證明了它是為規律所允許的，他說：,據我所知，物理學并不排除逐個原子地對物質合成實行控制的可能性，這種想法并不違反任何規律，從原則上講它是能夠做到的。,什么是納米技術,1981,年，賓尼西、羅雷爾世界上第一臺掃描隧道顯微鏡,(,簡稱,STM),，,1986,年獲,諾貝爾物理獎。,G.Binnig,H.Rohrer,Omicron,低溫超高真空,STM,16,CSTM9000,型掃描隧道顯微鏡,1.,掃描隧道顯微鏡,(STM),17,掃描隧穿顯微鏡,通過探測物質表面的隧道電流來分辨其表面特征,樣品表面,探針表面,電子云重疊，由于隧道效應逸出電
12、子,U,1),工作原理,對表面間距異常敏感,探針與樣品間加電壓形成隧穿電流,18,掃描隧道顯微鏡的兩種工作模式：,恒高度模式,恒電流模式,STM,特點：,xy,方向,0.2nm,z,方向,0.005nm,在原子尺度探測,具有原子級高分辨率,在大氣壓下或真空中均能工作；,無損探測,可獲取物質表面的三維圖像；,可進行表面結構研究,實現表面納米,(10,-9,m),級加工。,掃描隧穿顯微鏡,19,硅表面硅原子的排列,砷化鎵表面砷原子的排列,碘原子在鉑晶體上的吸附,2),應用實例,掃描隧穿顯微鏡,20,掃描隧穿顯微鏡,1990,年，美國國際商用機器公司（,IBM,）,阿爾馬登研究中心科學家，經,22,
13、小時的操作，把,35,個氙原子移動到位，組成,IBM,三個字母，加起來不到,3nm,。,21,通過移走原子構成的圖形,掃描隧穿顯微鏡,22,2.,相關基本概念,納米,（,nano,meter,，,nm,）,是一種長度單位，一納米等于十億分之一米，千分之一微米。大約是三、四個原子的寬度。,納米科學,（,nano,-science,）,研究納米尺度范圍內的物質所具有的特異現象和特異功能的科,學。,納米科學技術,（,nano,-technology,）,是指用數千個分子或原子制造新型材料或微型器件的科學技術。它以現代科學技術為基礎，是現代科學和現代技術結合,的產物。,基本概念,23,納米,材料,（,
14、nano,material,）,納米技術涉及的范圍很廣，納米材料只是其中的一部分，但它卻是納米技術發展的基礎。,納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在,1,100,nm,間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域，從通常的關于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統，是一種典型的介觀系統，它具有表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。當人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質和大塊固體時相比將會有顯著的不同。,基本概念,24,3.,納米材料的奇
15、異特性,球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表面積（表面積體積）與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小，,比,表面積將會顯著增大，說明表面原子所占的百分數將會顯著地增加。直徑大于,0.1,微米的顆粒表面效應可忽略不計，當顆粒尺寸小于,0.1,微米時，其表面原子百分數激劇增長，甚至,1,克超微顆粒表面積的總和可高達,100,平方米，這時的表面效應將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的。,利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點材料。,1),表面效應,納米材料的奇異特性,25,隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質
16、變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性質。,2),小尺寸效應,納米材料的奇異特性,(1),特殊的光學性質,當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于,l%,，,大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉換材料，可以高效率地將太陽能轉變為熱能、電能。此外又有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等。,26,(2),特殊的熱學性質,固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后卻發現其熔點將顯著降低，當顆粒小于,10,納米量級時尤為顯著。例如，銀的常規熔點為,670,，而超微銀顆粒的熔點可低于,100,。超微顆粒熔點下降的性質對粉末冶金工業具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加,0.1%,0.5%,重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結溫度從,3000,降低到,1200,1300
新材料與納米技術
