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1、,*,,,,,,,,單擊此處編輯母版標題樣式,,,單擊此處編輯母版文本樣式,,第二級,,第三級,,第四級,,第五級,,,納米材料及其應用前景,,重慶工商大學環境與生物工程學院 傅敏,,,Prof. Dr. FuMin,,,College of environmental and biological engineering Chongqing Technology and Business University,,Tel: 13251332579,,Email: fumin1022@,,,,引 言,,,諾貝爾獎獲得者,Feyneman,在六十年代曾經預言：如果我們對物體微小規模上的排
2、列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會看到材料的性能產生豐富的變化。他所說的材料就是現在的納米材料。,,,,,材料與社會的發展,,材料是人類社會進化和人類文明的里程碑，是人類賴以生產和生活的物質基礎，是社會進步的物質基礎和先導。因為對材料的認識和利用能力，決定著社會的形態和人類生活的質量，所以，歷史學家往往用制造工具的原材料作為歷史分期的標志。,化學與材料,,化學,：,化學是在原子、分子水平上研究物質的組成、結構、件能、反應和應用的學科。,,材料 ：,材料是人們利用化合物的某些功能來制作物件時用的化學物質。,,化學與材料的關系：,化學是材料發展的源泉，而材料又為化學發
3、展開辟了新的空間?；瘜W與材料保持著相互依存、相互促進的關系。,,材料的分類,,世界各國對材料的分類不盡相同，若按照材料的,使用性能來看，可以分為結構材料和功能材料,，從材料的,應用對象,來看有可以分為,信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空材料等多種類別,，但就大的,類別可以分為金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料四大類。,無機非金屬材料,,無機非金屬材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物,(,包括硫化物、硒化物及碲化物,),和硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽為主要組成的無機材料。包括,陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷及天然礦物材料等。,傳統無機非金
4、屬材料,,水泥,,水泥呈粉末狀，當它與水混合后成為可塑性漿體，經一系列物理化學作用凝結硬化變成堅硬石狀體，并能將散粒狀材料膠結成為整體。,水泥漿體不僅能在空氣中硬化，還能在水中硬化、保持并繼續增長其強度，故水泥屬于水硬性膠凝材料。,,通用水泥、專用水泥和特性水泥三大類。通用水泥用于大量土建工程的一般用途；有硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥以及礦渣的、火山灰質的、粉煤灰的、復合的硅酸鹽水泥六個品種。專用水泥則指有專門用途的水泥如油井的、大壩的、砌筑的等。特性水泥是指某種性能較突出的水泥，如快硬的、低熱的、抗硫酸鹽的、膨脹的、自應力的等。按水硬性礦物分類，有硅酸鹽的、鋁酸鹽的、硫酸鹽的、少（無）熟料的等
5、。水泥品種已有,100,多種。,玻璃,,,玻璃是由熔融物冷卻、硬化而得到的非晶態固體。其內能和構形熵高于相應的晶體。其結構為短程有序，長程無序。從熔融態轉變為固體時有一轉變溫度,Tg,。,廣義的玻璃包括無機玻璃、有機玻璃、金屬玻璃等；狹義上僅指無機玻璃，最常見的是硅酸鹽玻璃。這里主要談無機玻璃。,玻璃制品的分類,,無機玻璃的化學組成包括有眾多元素的氧化物或非氧化物。,,（,1,）普通玻璃,,普通玻璃是以硅酸鹽系統為主要基礎的傳統玻璃。包括有,平板玻璃、日用玻璃、光學玻璃、電真空玻璃、點光源玻璃、玻璃纖維等,。,,（,2,）特種玻璃,,隨著社會和科學的發展，在玻璃材料科學領域中，由于某些新品種是
6、根據特殊用途專門研制的，其成分、性能、制造工藝均與一般工業和日用玻璃有所差別，它們往往被歸入專門的一類，叫做特種玻璃。這些特種玻璃逐漸脫離了傳統玻璃的基礎系統范圍。常見的特種玻璃有,光子學玻璃、微晶玻璃、生化玻璃、溶膠－凝膠玻璃等。,中空玻璃結構示意圖,圖,6,－中空玻璃結構示意圖,,空心玻璃磚用于建筑隔斷,熱反射玻璃在建筑物上大量使用,陶瓷,,,陶瓷是指以天然或人工合成的無機非金屬物質為原料，經過成形和高溫燒結而制成的固體材料和制品。,陶鷹鼎,——,仰韶文化廟底溝類型 高,36cm,三彩,——,我國古代陶器中一顆璀燦的明珠,,日用陶瓷－盤子,,建筑陶瓷－墻面磚,化工陶瓷,,結構陶瓷－陶瓷刀
7、,功能陶瓷－電子陶瓷,飾面瓦－魚鱗瓦,圖,6-,電瓷絕緣子,氧化鋅避雷器,新型無機非金屬材料,,傳統的無機非金屬材料具有抗腐蝕、耐高溫等許多優點，但也有質脆、經不起熱沖擊等弱點。新型無機非金屬材料繼承了傳統材料的許多優點，并克服某些弱點，使材料具有更加優異的特性，用途更加廣泛。,新型無機非金屬材料的特性有：,1,．能承受高溫，強度高。,2,．具有電學特性。,3,．具有光學特性。,4,．具有生物功能。,,氧化鋁陶瓷具有機械強度高、硬度大、高頻介電損耗小、高溫絕緣電阻高、耐化學腐蝕性和導熱性良好等優良綜合技術性能，以及原料來源廣、價格相對便宜、加工制造技術較為成熟等優勢，已被廣泛應用于電子、電器、
8、機械、化工、紡織、汽車、冶金和航空航天等行業，成為目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。,紡織瓷件,氧化鋁陶瓷電阻,氧化鋁髖關節,高純氧化鋁透明陶瓷管,高壓鈉燈,氮化硅陶瓷,,氮化硅陶瓷的性能：作為一種理想的高溫結構材料，最主要的應具備如下性能：（,1,）強度好、韌性好；（,2,）抗氧化性好；（,3,）抗熱震性好；（,4,）抗蠕變性好；（,5,）結構穩定性好；（,6,）抗機械振動。,,,,氮化硅除抗機械振動性能和韌性相對比較差外，其余幾種性能都優于一般陶瓷，曾被譽為,“,像鋼一樣強，像金鋼石一樣硬，像鋁一樣輕,”,。由于制備工藝不同和所獲得顯微結構的差別，,Si3N4,陶瓷的綜合性能有很大的變化
9、。各中資料所提供的數據繁多，下面僅介紹一般參考值。,,,氮化硅陶瓷刀具,氮化硅軸承球,氮化硅陶瓷渦輪轉子,氮化硅陶瓷吸管,光導纖維,,光導纖維是現代科學創造的奇跡之一，是使,光,像,電流,一樣沿著,導線,傳輸。不過，這種導線不是一般的金屬導線，而是一種特殊的玻璃絲，人們稱它為光導纖維，又叫光學纖維，簡稱光纖 。,光纖通信的特點,,（,1,）傳輸頻帶極寬，通信容量很大。,,（,2,）傳輸衰減小，可用于遠距離無中斷傳輸。,,（,3,）信號串擾少，傳輸質量高。,,（,4,）抗電磁干擾，保密性好。,,（,5,）光纖尺寸小，質量輕，便于運輸和鋪設。,,（,6,）耐化學侵蝕，適用于特殊環境。,,（,7,）
10、原料資源豐富。,,（,8,）節約有色金屬。,,光纖導管胃鏡,利用光纖作手術,光纖式傳感器,光纖式傳感器,金屬材料,,,金屬是指具有良好的導電性和導熱性，有一定的強度和塑性的并具有光澤的物質，如銅、鋅和鐵等。而金屬材料則是指由金屬元素或以金屬元素為主組成的具有金屬特性的工程材料，它包括純金屬和合金兩類。,,合金材料,是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的材料，如黃銅是由銅和鋅兩種金屬組成的合金。與組成合金的純金屬相比，合金具有更好的力學性能，還可通過調整組成元素之間的比例得到一系列性能不同的合金，從而滿足工業生產上不同性能的要求。,,,金屬材料,，尤其是鋼鐵材料在國民經濟建設的各個方面都
11、有重要的作用，它們的發現和應用，開創了人類物質文明的新紀元，加速了人類社會發展的歷史進程?？梢院敛豢鋸埖卣f，離開了金屬材料的,“,鋼筋鐵骨,”,，世界將變得面目全非。,,金屬材料通?？梢苑譃閮纱箢悾汉谏饘俸陀猩饘佟：谏饘偈侵歌F、鉻、錳，而有色金屬指指除鐵、鉻、錳（黑色金屬）之外的其他金屬，如銅、鋅、鋁等 。,,,,有色金屬大體上可以分為重有色金屬、輕有色金屬、貴金屬、稀有金屬和半金屬等（見圖,6-,）。其中重金屬的密度較大，一般在,6600kg,·,cm2,以上，輕金屬的密度都在,4g,·,cm2,以下，且化學性質活潑，而貴金屬的共同特點則是化學性質穩定，密度大（,10,～,22g,·,
12、cm2,），熔點較高。,天然高分子材料,,纖維素,(cellulose),,1839,年：法國的科學家佩因（,a,．,payen,）在研究從植物中提取某種化合物的過程中分離出了一種物質并把它稱為纖維素。纖維素是世界上最豐富的天然有機物，占植物界碳含量的,50,％以上。棉花的纖維素含量接近,100,％,,,為天然的最純纖維素來源。一般木材中,,,纖維素占,40,～,50,％,,,還有,10,～,30,％的半纖維素和,20,～,30,％的木質素。此外，麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等，都是纖維素的豐富來源。,,纖維素的分子式是,(C6H10O5)n,，由,D-,葡萄糖以,β-1,，,4,糖苷鍵組成的大分子
13、多糖，分子量,50000,～,2500000,,相當于,300,～,15000,個葡萄糖基。 不溶于水及一般有機溶劑。是植物細胞壁的主要成分。具有,(C6H10O5)n,的組成。是維管束植物、地衣植物以及一部分藻類細胞壁的主要成分。醋酸菌（,Acetobaeter,）的莢膜，以及尾索類動物的被囊中也發現有纖維素的存在，棉的種子毛是高純度,98%,的纖維素。,木質素,(lignin),,,木質素是一種復雜的、非結晶性的、三維網狀酚類高分子聚合物，它廣泛存在于高等植物細胞中，是針葉樹類、闊葉樹類和草類植物的基本化學組成之一。,,,甲殼素,(chitin),和殼聚糖,(chitosan),,,甲殼素
14、,(Chitin),又名甲殼質，殼多糖，殼蛋白，是法國科學家布拉克諾,(Braconno)1811,年首先從蘑菇中提取到一種類似于植物纖維的六碳糖聚合體，把它命名為,Fungine,（蕈素）。,1823,年，法國科學家歐吉爾,(Odier),在甲殼動物外殼中也提取了這種物質，并命名為,chitoin,（幾丁質），,chitoin,希臘語原意為,",外殼,",、,",信封,",的意思。,1894,年,F.Hoppe-Seiler,把經過化學修飾過的,chitin,叫做殼聚糖,(chitosan),。,,,,合成高分子材料,,說起高分子材料，普通人也許會覺得莫測高深，其實我們身邊到處都是它們的身影
15、。,,無論是作為食物的蛋白質還是作為織物的棉、毛和蠶絲都是天然高分子材料，就連人體本身，基本上也是由各種生物高分子構成的。我國在開發天然高分子材料方面曾走在世界領先水平。利用竹、棉、麻等纖維等高分子材料造紙是我國古代的四大發明之一。另外，利用桐油與大漆等高分子材料作為油漆、涂料制作漆制品也是我國古代的傳統技術。,,高分子是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的高分子化合物的簡稱。高分子的分子量從幾千到幾十萬甚至幾百萬，所含原子數目一般在幾萬以上，而且這些原子是通過共價鍵連接起來的。,,高分子化合物由于分子量很大，分子間作用力的情況與小分子大不相同，具有特有的高強度、高韌性、高彈性等，從而可以作為材料
16、使用。,,功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料及化學功能高分子材料。前者如導電高分子、高分子半導體、光導電高分子、壓電及熱電高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等；后者如反應性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、高分子催化劑、高分子試劑及人工臟器等，此外還有生物功能和醫用高分子材料，如生物高分子、模擬器、高分子藥物及人工骨材料等。,,高分子特性：,同樣由于高聚物的分子量很大，所以其力學性質、熱性質、溶解性等與小分子化合物大為不同。,,,力學性質：,低分子一般沒有強度，是結晶性的硬固體。而高分子的性質變化范圍很大，從軟的橡膠狀到硬的金屬狀。有很好的強度、斷裂伸長率、彈
17、性、硬度、耐磨性等力學性質。高分子的相對密度小,(0.91-2.3),，因而其比強度可與金屬匹敵。,,,熱性質：,低分子有明確的沸點和熔點，可成為固相、液相和氣相。,,高分子分熱塑性和熱固性兩類，熱塑性高分子加熱時在某個溫度下軟化,(,或融解,),、流動，冷卻后成形；而熱固性高分子加熱時固化成網狀結構而成形。,,溶解性：低分子溶解很快，但高分子都很慢，通常要過夜，甚至數天才能觀察到溶解。高分子溶解的第一步是溶脹，由于高分子難以擺脫分子間相互作用而在溶劑中擴散，所以第一步總是體積較小的溶劑分子先擴散入高分子中使之脹大。如果是線形高分子，由溶脹會逐漸變為溶解；如果是交聯高分子，只能達到溶脹平衡而不
18、溶解。因此一般來說，高分子有較好的抗化學性，即抗酸、抗堿和抗有機溶劑的侵蝕。,,高分子的溶解性受化學結構、分子量、結晶性、支化或交聯結構等的影響。總的來說有如下關系。分子量越高，溶解越難；結晶度越高，溶解越難；支化或交聯程度越高，溶解越難。,塑料（,plastics,）,,,塑料,,,又稱合成樹脂,,,是指以樹脂（或在加工過程中用單體直接聚合）為主要成分，以增塑劑、填充劑、潤滑劑，著色劑等添加劑為輔助成分，在加工過程中能流動成型的材料。,,塑料主要有以下特性：①大多數塑料質輕，化學穩定性好，不會銹蝕；②耐沖擊性好；③具有較好的透明性和耐磨耗性；④絕緣性好，導熱性低；⑤一般成型性、著色性好，加工
19、成本低；⑥大部分塑料耐熱性差，熱膨脹率大，易燃燒；⑦尺寸穩定性差，容易變形；⑧多數塑料耐低溫性差，低溫下變脆；⑨容易老化；⑩某些塑料易溶于溶劑。,各類塑料制品,合成橡膠,(synthetic rubber),,,合成橡膠是人工合成的高彈性聚合物，以煤、石油、天然氣為原料，便宜易得，而且品種很多，并可按工業、公交運輸的需要合成各種具有特殊性能,(,如耐熱、耐寒、耐磨、耐油、耐腐蝕等,),的橡膠，因此目前世界上合成橡膠的總產量已遠遠超過了天然橡膠。,順丁橡膠原料,氯丁橡膠制成的扁平電纜,氟橡膠密封墊圈,合成纖維（,synthetic fibre,）,,合成纖維是化學纖維的一種。以小分子的有機化合物
20、為原料，經加聚反應或縮聚反應合成的線型有機高分子化合物，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。從纖維的分類可以看出它屬于化學纖維的一個類別。,涂料與膠粘劑,輪胎簾子線（合成纖維）編制的子午線輪胎,滌綸面料,航天器用降落傘,,納米材料是指晶粒尺寸為納米級,(10,-9,米,),的超細材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為,10,0,~10,2,nm,。它包括體積分數近似相等的兩個部分：一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子二是粒子間的界面。前者具有長程序的晶狀結構，后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結構。,,,,納米材料,,1984,年德國薩爾蘭大學的,Gleiter,以及美國阿貢試驗室的,Si
21、egel,相繼成功地制得了純物質的納米細粉。,Gleiter,在高真空的條件下將粒徑為,6nm,的,Fe,粒子原位加壓成形，燒結得到納米微晶塊體，從而使納米材料進入了一個新的階段。,1990,年,7,月在美國召開的第一屆國際納米科學技術會議，,正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。,,從材料的結構單元層次來說，它介于宏觀物質和微觀原子、分子的中間領域。在納米材料中，界面原子占極大比例，而且原子排列互不相同，界面周圍的晶格結構互不相關，從而構成與晶態、非晶態均不同的一種新的結構狀態。,,,,在納米材料中，納米晶粒和由此而產生的高濃度晶界是它的兩個重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無
22、限長程有序，通常大晶體的連續能帶分裂成接近分子軌道的能級，高濃度晶界及晶界原子的特殊結構導致材料的力學性能、磁性、介電性、超導性、光學乃至熱力學性能的改變。,,,納米相材料跟普通的金屬、陶瓷，和其他固體材料都是由同樣的原子組成，只不過這些,原子排列成了納米級的原子團，成為組成這些新材料的結構粒子或結構單元。,其常規納米材料中的基本顆粒直徑不到,100 nm,，包含的原子不到幾萬個。一個直徑為,3 nm,的原子團包含大約,900,個原子，幾乎是英文里一個句點的百萬分之一，這個比例相當于一條,300,多米長的帆船跟整個地球的比例。,納米材料研究是目前材料科學研究的一個熱點，其相應發展起來的納米技術
23、被公認為是,21,世紀最具有前途的科研領域。,,納米材料的特性,,,納米材料的表面效應,,納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。,,粒徑在,10nm,以下，將迅速增加表面原子的比例。當粒徑降到,1nm,時，表面原子數比例達到約,90%,以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數增多，表面原子配位數不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結合而穩定下來，故具有很高的化學活性。,,納米材料的體積效應,,,由于納米粒子體積極小，所包含的原子數很少，相應的質量極小。因此，許多現象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質的性
24、質加以說明，這種特殊的現象通常稱之為體積效應。其中有名的久保理論就是體積效應的典型例子。久保理論是針對金屬納米粒子費米面附近電子能級狀態分布而提出的,。,納米材料的量子尺寸效應,,,,當納米粒子的尺寸下降到某一值時，金屬粒子費米面附近電子能級由準連續變為離散能級；并且納米半導體微粒存在不連續的最高被占據的分子軌道能級和最低未被占據的分子軌道能級，使得能隙變寬的現象，被稱為納米材料的量子尺寸效應。,納米材料的應用,,力學性質：,納米結構的材料強度與粒徑成反比。應用納米技術制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領域占據了主導地位。使用納米技術制成的陶瓷、纖維
25、廣泛地應用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環境下使用。,,磁學性質,：,利用納米粒子的隧道量子效應和庫侖堵塞效應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，有可能在不久的將來全面取代目前的常規半導體器件。,,,熱學性質：,納米材料的比熱和熱膨脹系數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混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。,,,,光學性質,：由于量子尺寸效應，納米半導體微粒的吸收光譜一般存在藍移現象，其光吸收率很大，所以可應用于紅外線感測器材料。,,,生物醫藥材料應用,：納米粒子比紅血細胞（,6,～,9nm,）小得多，可以在血液中自由運動，如果利用納米粒子研制成機器人，注入人體血管內，就可以對人體進行全身健康檢查和治療， 疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物等，還可吞噬病毒，殺死癌細胞。在醫藥方面，可在納米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能 的藥品納米材料粒子將使藥物在人體內的輸運更加方便。,
納米材料及其應用前景
