纳米复合材料的结构和性能

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1、 纳米复合材料的结构和性能 纳米复合的发展已经成为纳米材料工程的重要 组成部分。世界发达国家发展新材料的战略， 都把纳米复合材料的发展摆到重要的位置 美国在1994年11月中旬召开了国际上第一次纳 米材料商业性会议，纳米复合材料的发展和缩 短其商业化进程是这次会议讨论的重点； 德国在制定21世纪新材料发展的战略时，把发 展气凝胶和高效纳米陶瓷作为重要的发展方向 ； 英国和日本各自也都制定了纳米复合材料的研 究计划纳米复合材料研究的热潮已经形成复合涂层材料 (composite coating materials) 纳米涂层材料由于具有高强、高韧、高 硬度特性，在材料表面防护和改性上有 着广阔的

2、应用前景 近年来纳米涂层材料发展的趋势是由单 一纳米涂层材料向纳米复合涂层材料发 展 高力学性能材料 所谓高力学性能是指比目前常规材料所 具有的强度、硬度、韧性以及其他综合 力学性能更好、更优越的性能，除了对 传统材料进行改性以外，发展高效力学 性能材料已提到材料科学工作者的面前 ，在这方面纳米复合材料的研究为探索 高力学性能材料开辟了一条新的途径1 高强度合金（high strength alloy） 日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法制 备了高强、高延展性的纳米复合合金材料，其 中包括纳米Al-过渡族金属-镧化物合金, 纳米Al- Ce-过渡族金属合金复合材料，这类合金具有 比常规同类

3、材料好得多的延展性和高的强度 (13401560MPa)这类材料结构上的特点是 在非晶基体上分布纳米粒子. 大块金属玻璃(bulk metal glass-BMG)1. Zr基块体非晶合金已做成新一代高尔夫球拍材料倍受青睐。五、应用探索动态韧性及自锐性非晶合金在高速载荷作用下，具有非常高的动态断裂韧性，同时在侵彻时具有自锐性，是一种适于制 做穿甲弹芯的特种材料。 2. 在军工方面做为穿甲弹材料已列入美国国防部研究计划。2 增韧纳米复相陶瓷( reinforced nanocomposite ceramics) 纳米尺度合成使人们为之奋斗将近一个 世纪的陶瓷增韧问题的突破成为一种可 能3 超塑性

4、 （superplasticity） 自20世纪80年代中期以来，超塑性陶瓷 材料相继在实验室问世 Wakai和Nieh等人在加Y2O3稳定化剂的 四方二氧化锆中(粒径小于300nm)观察到 了超塑性，他们在此材料基础上又加入 20%Al2O3，制成的陶瓷材料平均粒径约 500nm，超塑性达200至500 仿生材料(bionic materials) 仿生材料的研制是当前材料科学中学科交叉的 前沿领域. 纳米材料问世以后，仿生材料研究 的热点已开始转向纳米复合材料, 这是因为自 然界生物的某些器官实际上是一种天然的纳米 复合材料. 一些发达国家，如美国，日本，德国、俄罗斯 已经开始制定为人类健

5、康服务的仿生材料的研 究计划，而纳米仿生材料的位置也越来越重要 高. 其它的应用领域 1 高分子基纳米复合材料 2 磁性材料 3 磁致冷材料 4 超软磁材料和硬磁材料 5 巨磁电阻材料 6 光学材料 7 高介电材料 纳米复合材料的重要性 纳米复合材料是属于纳米材料工程的重 要组成部分，以实际应用为目标的纳米 复合材料的研究在未来的一段时间内将 有很强的生命力，也是新材料发展的一 个重要部分,因此应该对其研究给予高度 的重视纳米复合材料的发展方向 开展纳米复合人工超结构的研究。 根据纳米结构的特点把异质、异相、不同 的有序度的材料在组米尺度下进行合成（ synthesis）、组合（assembl

6、ing）和剪裁 （tailoring），设计新型的元件，发现新现 象，开展基础和应用基础研究， 在继续开展简单纳米材料研究的同时，注 意对纳米复杂体系的探索也是当前纳米材 料发展的新动向 纳米结构和纳米材料的应用 在21世纪信息、生物技术、能源、环境、先进 制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新 的需求，材料的小型化、智能化、元件的高集 成、高密度存储和超快传输等为纳米材料的应 用提供了广阔的应用空间世界各国面对着新 世纪的严峻挑战都在重新思考如何调整国民经 济支柱产业的布局如何发展高科技，增强国 际竞争的实力，纳米科技在这方面将发挥重要 的作用 量子磁盘与高密度磁存储 一般磁盘存储密度达到

7、106107bit/in2 光盘的存储密度提高到109bit/in2 有人一度把1011bitin2称之为不可愈越 的极限 量子磁盘的问世，使磁盘的尺寸比原来 的磁盘缩小了10000倍，磁存储密度达到 41011bitin2 量子磁盘与高密度磁存储 纳米结构的磁盘，尺 寸为l00nml00nm， 由直径为l0nm，长度 为40nm的Co棒按周 期为40nm排列成阵 列(如右图所示) 高密度记忆存储元件 记忆存储元件的发展趋势是降低元件尺 寸，提高存储密度；铁电材料，特别是 铁电薄膜是设计制造记忆存储元件的首 选材料 纳米结构有序平面阵列体系是设计下一 代超小型、高密度记忆元件的重要途径 单电子

8、晶体管的用途 单电子晶体管的用途很多，它可用作超 高密度信息存储，超敏电流计，近红外 辐射接收器和直流电流标准器 (1)单电子记忆 依据单电子晶体管“库仑 岛”上存在或缺乏一个电子的状态变化， 单电子晶体管可用作高密度信息存储的 记忆单元 单电子晶体管的用途 (2)超敏感电流计 比通常使用的场效应 晶体管对电荷的灵敏 度要高6倍所以利 用这个性质，可以制 成高精度的电流计 单电子晶体管的用途 (3)微波探测 当用微波进行辐照时，辐射能通过导线与器件 耦合处于超导态的单电子晶体管器件吸收了 频率为约80GHz的辐射后，使原先在能量上被 禁止的单电子隧穿过程得以进行，此时，在电 流曲线上可观察到一

9、个小的库珀对隧穿产生的 电流峰 这种单电子晶体管对微波的敏感度比目前最好 的辐射热器件要敏感100倍 单电子晶体管进行大规模集成 一是如何将大量的单电子晶体管集成在一起； 在原理上采用化学自组装是能解决这一问题的 。 二是如何将单电子晶体管阵列与外界连接a 是用杂化的方法，即把单电子晶体管和相关元 件与已有的金属氧化物半导体场效应晶体管集 成在一起这种方法能够增加集成线路的密度 。b是由团簇相连构成的基本单元之间的静电 作用形成的电路 单电子晶体管进行大规模集成 在Korotkov的设计中 基本单元为绝缘体连接 纳米团簇构成的串(如右 图中的上图), 随着外加 电场方向的改变，极化 导致这种基

10、本单元给出 一个“0”态或“1”态 在Lent的设计中基本单 元为纳米团簇构成的矩 形单元(右图中的下图) 高效能量转化纳米结构 (1)高效再生锂电池 具有再生能力的电池 广泛用于手机、小型家用电器、电动剃 须刀以及微型仪器仪表上随着器件的 微型化，要求电池不但具有高能量密度 ，同时电池的尺寸进一步微型化，这就 为纳米材料和纳米结构在电池上的应用 提供了机遇 高效能量转化纳米结构 (2)太阳能电池 太阳能的利用是21世纪能 源开发的重点，这不仅是因为太阳能取 之不尽，用之不绝，更重要的是因为它 对环境没有污染，是理想的清洁能源。 世界各国都制订了太阳能应用的规划， 研制高效太阳能电池是太阳能利

11、用的一 个重要方面纳米材料和纳米结构作为 太阳能转化材料已引起人们高度的重视 太阳能电池高效能量转化纳米结构 (3)热电转化 热电转化材料是能源产业重 要的材料，在热电厂和仪器仪表方面有 着重要的应用，长期以来人们致力于寻 找热电转化效率更高的材料，纳米材料 和纳米结构的问世为寻找高效热电转化 材料提供了机遇 燃料电池燃料电池类型及其特征超微型纳米阵列激光器 纳米阵列激光器是21世纪超微型激光器 重要的发展方向回顾激光器发展的历 史，大致可以分为3个阶段：自从20世纪 60年代激光被发现以来，1962年就制成 了第一个半导体激光器几十年来，人 们主要围绕三方面问题来不断改进激光 器一是进一步增

12、加激光强度，二是降 低产生激光的电流密度，三是提高热稳 定性 光吸收的过滤器和调制器 光过滤是指控制光在一定波长范围之内通过的 现象，光过滤现象在光通信等方面有广泛的应 用前景 目前，光过滤用的产品有窄带过滤器，截止过 滤器纳米材料诞生为设计高效光过滤器提供 了新的机遇，除了纳米材料尺寸小，可以把光 过滤器尺寸缩小外，更重要的是可以利用纳米 材料的尺寸效应，在同一种类材料上实现波段 可调的光过滤器 微型传感器 传感器是超微粒子最有前途的应用领域 之一一般超微粒(金属)是黑色，具有吸 收红外线等特点，而且表面积巨大、表 面活性高，对周围环境敏感(温、气氛、 光、湿度等)，可望利用超微粒制成敏感

13、度高的超小型、低能耗、多功能传感器 微型传感器 (1)气体传感器 气体传感器是化学传感器的一 种它是利用金属氧化物随周围气氛中气体组 成的改变，电学性能(如电阻)所发生的变化来 对气体进行检测和定量测定的 用作气体传感器的微粒粒径为1至几微米，粒 子越小，比表面积越大，则表面与周围接触而 发生相互作用的几率越大，从而敏感度越高 目前已实用化的气体传感器有纳米SnO2膜制 成的传感器，它可用作可燃性气体泄漏报警器 和湿度传感器 微型传感器微型传感器 (2)红外线传 感器 由 Au超微粒子 沉积在基板 上形成的膜 可用作红外 线传感器 右图为Au超 微粒膜的红 外传感器的 剖面图 微型传感器 (3

14、)湿敏传感器 利用纳米微粒与介孔固体 组装成组装体的环境敏感效应，可制成 纳米结构的传感器 这种受环境湿度影响透明-不透明可逆转 变的现象可以作为设计纳米微型开关的 基础. 纳米结构高效电容器阵列 随着集成块尺寸减小，集成度越来越高 ，元件的尺寸也将进一步地缩小目前 的电容器尺度大概为 0.5mm0.5mml.0mm，有人预计21世纪 将进一步缩小到纳米尺度，所用的材料 必然是纳米材料，这是因为纳米电容材 料的高介电性可以在电容总体尺寸缩小 的情况下保持高容量 超高灵敏度电探测器和高密度电接线头 痕量电荷如何探测一直是人们关心的问 题，纳米结构电极组装体可以把目前电 分析探测极限降低3个数量级

15、，即探测灵 敏度提高了3个数量级 纳米结构离子分离器 离子分离器在电化学和再生电池等方面 有着重要的作用，提高离子分离效率一 直是人们追求的目标，纳米结构为解决 这个问题提供了新的途径近年来已有 报道，利用纳米孔洞阵列模板合成Au纳 米管阵列，可以作为高效离子分离器 。仿生纳米材料仿生纳米材料 生物体的壳为纳 米结构，有机体 作为结构导向剂 ，基本单元为晶 态的CaCO3 和 非晶态的SiO2 组成。趋磁性细菌 磁性导航：从富氧水 的环境（对其有毒害 ）迁移到富营养的沉 积物中。 北半球北极运动 南半球南极运动静态自组装合成介观DNA膜DNA基因序列测定 纳米金粒子与DNA结 合后使其在溶液中的 光谱发生变化，进而 检测到相关的DNA 序列。DNA基因序列测定扫描阵列探测系统（左）比常规荧光探测（右）灵敏度高两个量级半导体纳米晶用于生物标志碳疽病毒的探测更灵敏的免疫测定在生物和医学上的应用 纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞 、红血球小得多，这就为生物学研究提 供了一个新的研究途径，即利用纳米微 粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米 微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部 定向治疗等 这方面的研究现在处于初级阶段，但却 有广泛的应用前景细胞分离 生物细胞分离是生物细胞学研究中一种 十分重要的技术，它关系到研究所需要 的细胞标本能不能快速