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1、大力发展形状记忆合金、自修复材料等智 能材料，石墨烯、超材料等纳米功能材料 等高端材料 化工学院 搜集资料 制作PPT 谢雄 刘盛兰 商鲁伟 许丽杰 徐亮 席照磊 冯廷璠 何萌 PPT展示：何萌 加快建设质量强国、制造强国 今年期间，国家发改委公布了“十三五”规划纲 要(草案),公布了未来五年中国计划实施的100个重大 工程及项目 形状记忆合金(SMA) 形状记忆合金(SMA)是一种 具有形状记忆效应(SME)，能 感知温度变化，并能将热能转 换成机械能的功能材料。 包括Cu-Zn,Cu-Zn- Al,Cu-Zn-Sn,Cu-Al-Ni, Cu- Au-Zn, Ni-Ti,Ni-Al等，医学
2、中广泛使用的是镍钛合金。 1 1932 瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到 “记忆”效应； 2 1963 美国海军武器实验室发现钛镍 合金形状记忆效应； 3 1970 美国将钛镍记忆合金丝 材制成宇宙飞船的天线 ； 80年代我国开展相关研 究。 形状记忆合金的发展 形状记忆合金的应用 航空航天 将制好的天线在低温下 压缩成一个小铁球，使它的体 积缩小到原来的千分之一，这 样很容易运上月球，太阳强烈 的辐射就可以使它恢复原来的 形状，按照需求向地球发回宝 贵的宇宙信息。 生物医疗 1）牙齿矫形丝 2）脊柱侧弯矫形 机械电子产品 将形状记忆合金制作成一个可打开和关闭快门 的弹簧，用于保护雾灯免于飞
3、行碎片的击坏。用于制 造精密仪器或精密车床，一旦由于震动、碰撞等原因 变形，只需加热即可排除故障。在机械制造过程中， 各种冲压和机械操作常需将零件从一台机器转移到另 一台机器上，现在利用形状记忆合金开发了一种取代 手动或液压夹具，这种装置叫驱动汽缸，它具有效率 高灵活，装夹力大等特点。 日常生活 (a) 防烫伤阀 如果水龙头流出的水温达到可能 烫伤人的温度(大约 48)时，形状记忆 合金驱动阀门关闭，直到水温降到安全温 度，阀门才重新打开。 (b) 眼镜框架 在眼镜框架的鼻梁和耳部装配 TiNi 合金可使人感到舒适并抗磨损。 (c) 移动电话天线和火灾检查阀门 自自修复材料修复材料 自我修复材
4、料是一种在物体受损时能够进行自我修复 的新型材料。这种材料被注入到塑料聚合物内，当物 体开裂时，注入的材料会释放出来，对受损的物体表 面进行自动修复 新型“自我修复材 料”受到越来越多 关注，而将之运用 于智能手机领域的 前景最受人们期 待。尽管关于“自 我修复材料”的设 想可以追溯到二十 世纪六十年代，然 而其在技术上的突 破与进展在进入21 世纪才得以凸显。 科学家利用简单的化学反应，开发出了一种即使受损也能够自然 修复的凝胶状新材料。这种凝胶状物质能够自由地吸附在一起或 分离，即使切开，也能够自己修复。 二茂铁铁 环环式糊精 数秒 结结合 凝胶状物质质 切开 数小时时到24小时时之内结结
5、合恢复了原状 切断面上涂抹氧化 剂剂 不会再次结结合 涂抹还还原剂剂修复能力还还会得到提高 如果使用改变二茂铁结构的氧化还原反应，还能使凝胶成为液体。研究小组正 在研究，如果将这种液体通过细小的管子注入人体内，是否能够使提供给肿瘤营养 的血管再次成为凝胶状，从而堵塞血管，断绝对肿瘤的营养供应，以治疗癌症。 研究人员表示，这一发现将有助于开发出寿命更长的塑料等新材料，并有望应 用于医疗领域。 美国研制出奇特新型材料美国研制出奇特新型材料 能够自能够自 我修复我修复 这种材料使用“ 形状记忆”高分 子聚合物，当加 热到一定温度后 ，能恢复到最初 的状态。把这种 聚合物嵌入光纤 网络，既可以作 为损
6、坏传感器， 也可以当做热能 传送系统。 可植入医疗设备，或者可以被压缩到很小，一旦进入太 空就可以自动扩大为复杂结构的太空材料，又或者机器 人刺客。 热影像图表明在运行的形状记忆系统。有红外激光的地方是 给提供的热能，可以使这种材料变坚固，且能恢复到它原先 的形状，加固材料的裂缝和撕裂处。 光纤纤网络络传传送热热能材料受到破坏触发发“形状记忆记忆 ”聚合物 形体记忆记忆 效应应裂缝缝和撕扯处处愈合 恢复到材料原始强度的96% 复合材料 能自我修复的新材料能自我修复的新材料2 2 内含有治愈剂的微胶囊“免疫系统” 受到损伤损伤打开含有治愈剂剂的微胶囊 治愈剂剂泄漏、填补补了裂痕发发生化学反 应应
7、 治愈剂剂固 化 裂痕填充 自愈系统的最困难之处在于测定微胶囊治愈剂壳层的厚度。 如果壳层太厚，当裂痕产生时，不会将壳层挤破；壳层太薄 ，则微胶囊在加工过程中就被破坏了 微胶囊对于卫星、火箭发动机、修复器官以及宇宙 空间站和桥梁中的一些部件有着重要的用途。 产产生微小的裂痕 材料的强度恢复到其原来的75% 法国研制出能自我修复的新型弹性法国研制出能自我修复的新型弹性 材料物质材料物质 这种神奇的新材料是由从植物中提炼出的脂肪酸合成所得 ，是由众多小分子结构混合成超大分子网络结构而成 ，一旦这种超大分子网络结构被打破或出现碎裂，其中 的小分子就会自动重新回复结构并表现出其原始的弹 性。 重复实施
8、多次自我修复重复实施多次自我修复 这种新材料未来的可应用领域将十分广阔。用这种面料做出来的衣服 ，将是真正的“自动修复服装”，衣服上磨损出的洞或孔都会自动 “ 愈合”，达到了“想破也难”的目的；用在鞋业制造上，则会做出“ 永不磨损变形”的鞋底。另外，这种新材料还可用来制造玩具，从而 使孩子们不会再因心爱玩具的损坏而伤心；甚至，这种新材料还能用 来制造发动机的一些零部件，从而增加发动机使用寿命并大幅减少维 修率 新材料未来将使飞机自我修新材料未来将使飞机自我修 复复 此材料填充有环氧树脂 和硬化剂的中空纤维 这种材料未来如果用于 飞机制造业，将可以使 得飞机具备自我修复功 能，即使是在飞行过程
9、中它们也同样具备这种 神奇的功能。另外，这 种材料还可以减轻飞机 的质量，进而大幅度节 省燃油成本。 美国伊利诺伊大学的团队的研究成果最为著名， 该团队将液体修复性材料注入塑料聚合物内，当材料 开裂时，被注入的修复性材料就会释放出来，同时发 生一系列的化学反应，从而使塑料的两个表面重新聚 合这样能保证原材料恢复75%左右的平整度。 美国莱斯大学的研究人员表示，他们正在研究一种 新型聚氨酯纳米材料，该材料不仅能够阻挡子弹的射 击，还能进行自我修复。 在试验中，研究人员朝这种材料射出小型玻璃珠，结果显示 它可有效抵挡玻璃珠的撞击。该研究小组表示：“这将是一个很 好的防弹玻璃材料。” 当遭遇小型物体
10、高速撞击时，这种复杂的聚氨酯纳米材料会 “融化”成液体，从而阻止小型物体前进，并堵住它们的撞击入 口，完成自我修复。“肉眼却看不出这种材料有什么破损。” 可自我修复的材料诞生？摔坏的手机屏有救 了！ “自我修复材料”的应用范围极为广泛，包括军用装备、电子产品、汽车、 飞机、建筑材料等领域，其中以其在智能手机和平板电脑屏幕上的应用最受关 注。该技术的重大意义在于，可避免资源与资金的浪费。在过去，一旦手机屏 幕破损，用户不得不将之丢弃，这样势必会造成浪费，而“自我修复材料”能 有效地解决这方面的问题。 英国布里斯托大学的教授在谈及这项技术时透露，“光”可能将在这项 技术的应用中扮演重要角色，“当你
11、的手机屏幕受到划伤时，你可以将手机放 置在窗口的阳光下，24个小时后手机上的划痕就可能已经自我修复了。 石墨烯 石墨烯的发现 石墨烯过去一直被认为是假设性的结构，无法单独稳 定存在。直到 2004 年，英国曼彻斯特大学物理学家 安德烈盖姆和康斯丁诺沃肖洛夫以简单的胶带机 械剥离的方法获得了石墨烯并在理论方面取得了巨大 成果，二人因此共同获得了 2010 年诺贝尔物理学奖 墨烯的发现 石墨烯是由碳原子以SP2杂 化连接的单原子层构成的“ 其基本结构单元为有机材 料中最稳定的苯六元环“其 理论厚度仅为0.34nm是目 前所发现最薄的二维材料 石墨烯是单原子层的二维晶体材料，也是结构最为简单的碳 材
12、料。常见的石墨材料可以看作由石墨烯层层堆叠而成，因 此石墨烯也被视作 “单层石墨”。被誉为“21 世纪神奇材 料”的石墨烯是目前已知的世上最薄、最坚硬、室温下导电 性最好而且拥有强大灵活性的纳米材料：它可以薄到只有一 个碳原子的厚度，1 毫米厚的石墨薄片中能剥离出300万层 石墨烯 石墨烯的制备技术 机械剥离法 机械剥离法是最早制备石墨烯的一种方法首先将石 墨片剥离出石墨，继而将石墨片的两面粘在一种特 殊的胶带上，在撕开胶带的同时将石墨片分开，不 断进行这样的机械力剥离操作，得到的石墨片越来 越薄，最终得到的就是仅由一层碳原子构成的石 墨烯 外延生长法 通过高温加热大面积的单晶SiC使石墨烯生
13、 长于其上，在超真空或常压下脱除 Si 留 下C，继而得到与原 SiC差不多面积的石墨 烯薄层 金属催化法 是指固态或气态碳源在一定的温度“压强及催化 剂的作用下在基底上直接生成石墨烯的方法 淬火法 制备石墨烯的原理是通过在快速冷却过 程中造成内外温度差产生的应力，使得 物体出现表面脱落或裂痕，继而使得石 墨烯从石墨上剥落下来 石墨烯的应用 石墨烯是一种技术含量非常高、应用潜力非常广泛的碳材料 ，具有高导电性、高韧度、高强度、超大比表面积等特点， 在半导体产业、光伏产业、锂离子电池、航天、军工、新一 代显示器等传统领域和新能源、新材料等新兴领域都将带来 革命性的技术进步。 石墨烯在超级电容器中
14、的应用 超级电容器分为双层电容器“赝电容器和非对称电容器，它是一种新 型储能装置。石墨烯材料一般应用于双层电容器中，比表面积“导电 性和孔径大小及分布是作为双电层电容器存储电量材料的几个至关重 要的因素。 石墨烯在电池材料中的应用 石墨烯还可作为锂电池负极材料运用于电动自行车“电动汽车“电 动工具等便携式电子设备和动力电源中。在锂电池负极材料中， 石墨烯与金属或氧化物粒子组成复合材料要比单独使用石墨烯作 为锂离子负极材料的优势更明显。 中外发展 中国是目前石墨烯研究和应用开发最为活跃的国家之一。数据显 示，在所有国家中，中国申请的石墨烯专利数量最多，已超过 2200 项，占全世界的 1/3。
15、中国目前已经走在了石墨烯产业化的前列，涌现出了一大批石墨 烯相关企业，产业方向集中在石墨烯的制备以及储能、触摸屏和 涂层等几个应用领域 英国：投入巨资，确保英国能做出名堂 美国：实力雄厚，科研与产业并驾齐驱 欧盟：联合研发，积极抢占战略制高点 ，计划 10 年内提供 10亿欧元资 助，将石墨烯研究提升至战略高度，旨在把石墨烯和其他二维材料从实验 室推向社会，促进产业革命和经济增长，创造就业机会。该项目由瑞典查 尔姆斯理工大学牵头、欧盟 15 个成员国的 100多个研发团队组成，其中 包括 4 名诺贝尔奖得主。 韩国：重视专利，政府与企业合力发展 ，包括韩国科学技术院在内的 41 家研究机构将与
16、 6 家企业形成石墨烯联盟，合作攻关，政府将在未 来6年投入4230万美元，希望打造每年 153 亿美元的市场，形成 25家 全球领先企业。韩国注重保护和申请石墨烯专利，专利量居全球第三， 仅次于美国和中国，远高于欧洲其他国家。 作为一种独特的先进碳材料，石墨烯正在掀起一场席卷全球的 颠覆性产业革命。但总的来讲，目前石墨烯产业仍处在发展初 期，特别是石墨烯整个产业链未实现疏通和整合。 超材料（METAMATERIAL） 指的是一类具有特殊性质的 人造材料，这些材料是自然 界没有的。它们拥有一些特 别的性质，比如让光、电磁 波改变它们的通常性质，而 这样的效果是传统材料无法 实现的曾被美国科学杂 志评为2003年的“年度十大 科学突破“之一。 结构性质 超材料的成分上没有什么特别之处，它们的奇特性质 源于其精密的几何结构以及尺寸大小。其中的微结构 ，大小尺度小于它作用的
