新型材料的开发

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1、1新型材料的开发作者：苏辉 班级：电气 092 班 学号：21096626 摘要摘要：材料是一个多品种的产业，它以各种方式在迅速增长。目前，估计世界 时已有 50 多万种材料，8000 多万个化合物，并正在以每年 25 万的速度增加。 材料又是一个很大的产业，新材料在新兴技术中的产值也居首位。据测算， 2000 年全世界 12 项新兴技术（即超导材料、先进半导体器材、数字显示技术、 高密度数字储存、高功能计算技术、光电子、人工智能、柔性技术、传感技术、 生物技术、医疗器械、新材料）的市场总营业额达到 10000 亿美元，其中新材 料约占 40%。我国把对新材料的研究与开发一直放在重要的位置，进

2、入 20 世纪 90 年代后，在“八五”科技攻关、高技术发展计划及基础研究中都给予了高度 重视。在“863”计划中，新材料是七个重点领域之一。国家自然科学基金中， 与材料相关的课题占了 1/4 左右。本论文主要简单介绍了纳米材料、超高强度 钢、形状记忆合金的开发与发展。关键词关键词：纳米材料 超高强度钢 形状记忆合金 开发 发展前景引言引言: 新材料作为高新技术的基础和先导，应用范围极其广泛，它同信息技 术、生物技术一起成为二十一世纪最重要和最具发展潜力的领域。同传统材 料一样，新材料可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度对其进行 分类，不同的分类之间相互交叉和嵌套，目前，一般按应用领域

3、和当今的研 究热点把新材料分为以下的主要领域 ：电子信息材料、新能源材料、纳米 材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料（含高 温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等）、生物医用材料、 高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工新材料等。 一：纳米材料一：纳米材料 纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领 域之一。早在二十世纪 60 年代,英国化学家 Thomas 就使用“胶体”来描述悬浮 液中直径为 1nm-100nm 的颗粒物。1992 年,Nanostructure arterials正式 出版,标志着纳米材料学成为一门独立的科学。纳

4、米材料是指任意一维的尺度小 于 100nm 的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳 米级时,其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子 隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自 1991 年 Ionia 首次 制备了碳纳米管以来,一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景 而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热 性质而受到人们越来越多的重视。美国自 1991 年开始把纳米技术列入“政府关2键技术”,我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术 列为重点研究项目。由于纳米材料的形貌和尺寸对

5、其性能有着重要的影响,因此,纳 米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作为高级纳米结构材料和纳米器 件的基本构成单元,纳米颗粒的合成与组装是纳米科技的重要组成部分和基础。 1 1纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术 （1 1）物理制备方法）物理制备方法 机械法机械法 机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外 部供给热能,通过球磨让物质使材料之间发生界面反应,使大晶粒变为小晶粒,得 到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。Xiao 等利用金 属羰基粉高能球磨法获得纳米级的 Fe18Cr9W 合金粉末。机械粉碎法是利用各种 超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法

6、将原料直接粉碎成超微粉,尤其适用于制备 脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力 加速度上百倍的离心加速度,使相间传质和微观混合得到极大的加强,从而制备 纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料,应用超重力技术制备粒径 20nm 80nm、粒度分布均匀的 ZnO 颗粒。 气相法气相法 气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是 在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电 弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态,然后在气体介 质中冷凝形成高纯度的纳米材料。Takaki 等在惰性气体保护下,利用气相冷凝 法

7、制备了悬浮的纳米银粉。杜芳林等制备出了铜、铬、锰、铁、镍等纳米粉体, 粒径在 30nm50 nm 范围内可控。魏胜用蒸发冷凝法制备了纳米铝粉。溶液蒸 发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发,使组分偏析最小,一般可通过喷雾干燥 法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以处理。深度塑性变形法是在准静态压力的 作用下,材料极大程度地发生塑性变形,而使尺寸细化到纳米量级。有文献报道, 82mm 的 Gee 在 6GPa 准静压力作用后,再经 850热处理,纳米结构开始形成, 材料由粒径 100nm 的等轴晶组成,而温度升至 900时,晶粒尺寸迅速增大至 400nm。 磁控溅射法与等离子体法磁控溅射法与等离子体法 溅

8、射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子,交换能量或动量, 使得靶材料表面的原子或分子从靶材料表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。 在该法中靶材料无相变,化合物的成分不易发生变化。目前,溅射技术已经得到 了较大的发展,常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射 以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体法是利用在惰性气氛或 反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶液化合 蒸发,蒸汽达到周围冷却形成超微粒。等离子体温度高,能制备难熔的金属或化 合物,产物纯度高,在惰性气氛中,等离子法几乎可制备所有的金属纳米材料。 以上介绍了几种常用的纳米材料物理

9、制备方法,这些制备方法基本不涉及复 杂的化学反应,因此,在控制合成不同形貌结构的纳米材料时具有一定的局限性。（2 2）化学制备方法）化学制备方法 溶胶溶胶凝胶法凝胶法 溶胶凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中,然后经过水解反应生3成活性单体,活性单体进行聚合,开始成为溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝 胶。Stephen 等利用高分子加成物(由烷基金属和含 N 聚合物组成)在溶液中与 H2S 反应,生成的 ZnS 粒粒度分布窄,且被均匀包覆于聚合物基体中,粒径范围可 控制在 2nm-5nm 之间。Marcus Jones 等以 CdO 为原料,通过加入 Zn(CH3)2 和 SSi(CH3

10、)32 制得了 ZnS 包裹的 CdSe 量子点,颗粒平均粒径为 3.3nm,量子产率 (quantum yield,QY)为 13.8%。 离子液法离子液法 离子液作为一种特殊的有机溶剂,具有独特的物理化学性质,如粘度较大、 离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围 等。即使在较高的温度下,离子液仍具有低挥发性,不易造成环境污染,是一类绿 色溶剂。因此,离子液是合成不同形貌纳米结构的一种良好介质。Jiang 等以 BiCl3 和硫代乙酰胺为原料,在室温下于离子液介质中合成出了大小均匀的、尺 寸为 3m5m 的 Bi2S3 纳米花。他们认为溶液的 pH 值、反应温度

11、、反应时 间等条件对纳米花的形貌和晶相结构有很重要的影响。他们证实,这些纳米花由 直径 60nm80 nm 的纳米线构成,随老化时间的增加,这些纳米线会从母花上坍 塌,最终形成单根的纳米线。赵荣祥等采用硝酸铋和硫脲为先驱原料,以离子液 为反应介质,合成了单晶 Bi2S3 纳米棒。 溶剂热法溶剂热法 溶剂热法是指在密闭反应器(如高压釜)中,通过对各种溶剂组成相应的反应 体系加热,使反应体系形成一个高温高压的环境,从而进行实现纳米材料的可控 合成与制备的一种有效方法。Lou 等采用单源前驱体 BiS2P(OC8H17)23 作反 应物,用溶剂热法制得了高度均匀的正交晶系 Bi2S3 纳米棒,且该方

12、法适于大规 模生产。Liu 等用 Bi(NO3)3?5H2O、NaOH 及硫的化合物为原料,甘油和水为溶剂,采 用溶剂热法在高压釜中 160反应 24-72 h 制得了长达数毫米的 Bi2S3 纳米带。微乳法微乳法 微乳液制备纳米粒子是近年发展起来的新兴的研究领域,具有制得的粒子粒 径小、粒径接近于单分散体系等优点。1943 年 Hoar 等人首次报道了将水、油、 表面活性剂、助表面活性剂混合,可自发地形成一种热力学稳定体系,体系中的 分散相由 80nm- 800nm 的球形或圆柱形颗粒组成,并将这种体系定名微乳液。自 那以后,微乳理论的应用研究得到了迅速发展。1982 年,Boutonnet

13、 等人应用微 乳法,制备出 Pt、Pd 等金属纳米粒子。微乳法制备纳米材料,由于它独特的工艺 性能和较为简单的实验装置,在实际应用中受到了国内外研究者的广泛关注。 纳米材料由于具有特异的光、电、磁、催化等性能,可广泛应用于国防军事 和民用工业的各个领域。它不仅在高科技领域有不可替代的作用,也为传统的产 业带来生机和活力。随着纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展,工业 化生产纳米材料必将对传统的化学工业和其它产业产生重大影响。但到目前为 止,开发出来的产品较难实现工业化、商品化规模。主要问题是:对控制纳米粒 子的形状、粒度及其分布、性能等的研究很不充分;纳米材料的收集、存放,尤 其是纳米材

14、料与纳米科技的生物安全性更是急待解决的问题。这些问题的研究 和解决将不仅加速纳米材料和纳米科技的应用和开发,而且将极大地丰富和发展 材料科学领域的基础理论 2 2纳米材料的发展前景与应用纳米材料的发展前景与应用 纳米材料的用途很广，主要用途有：医药使用纳米技术能使药品生产过程4越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定 功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒 子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用 纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和 DNA 诊 断出各种疾病。家电用纳米材料制成的纳

15、米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、 防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑 料。 电子计算机和电子工业 可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千 倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可 以缩小成为“掌上电脑” 。环境保护 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。 这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤， 从而消除污染。纺织工业 在合成纤维树脂中添加纳米 SiO2、纳米 ZnO、纳米 SiO2 复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射 的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制

16、得满足国防工业要求的抗紫 外线辐射的功能纤维。机械工业采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属 表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。 科技水平的不断进步，尤其是在电子行业这一朝阳产业，纳米技术得到了 很大的发展，主要是集中在电子复合薄膜，利用超微粒子来改善膜材的电性、 磁性和磁光特性，此外还有磁记录、纳米敏感材料等。随着人们生活水平的日 益提高，及人们对环保的重视程度不断加强。空气质量与工业废水处理已成为 城市的一个生活生存质量标志。纳米材料由于其特有的表面吸附特性, 使其在 净化空气与工业废水处理方面有着很大的发展前景。 二二: :超高强度钢超高强度钢 随着洁净化、微合金和控轧控冷等先进冶金技术在钢铁企业的逐步推广和 应用，钢材的品质得到了大幅度提高，发达国家正在研制相当于目前常用钢材 抗拉强度数倍的超高强度钢。这种钢具有超细化、超洁净、超均质的组织和成 分的特征，以及超高强度和超高韧性的特点。超高强度钢与普通结构钢的强度 的界限目前尚无统一规定，习惯上是将室温抗拉强度超过