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1、P.,*,/44,新材料,與,納米技術(shù),同濟(jì)大學(xué)物理系,1,一、新材料技術(shù)與人類文明,1.,材料：,科學(xué)技術(shù)的必要物質(zhì)基礎(chǔ)，新技術(shù)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(shù)的發(fā)展。,光通信,-,光導(dǎo)纖維和激光材料,計(jì)算機(jī)技術(shù),-,半導(dǎo)體材料和磁性材料,新能源,-,超導(dǎo)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(yè),-,科學(xué)技術(shù)密集型,材料科學(xué),：在固體物理、結(jié)晶化學(xué)、結(jié)構(gòu)化學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、熱學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)理論基礎(chǔ)上，運(yùn)用現(xiàn)代精密測試、分析技術(shù)對材料的化學(xué)組成、結(jié)合鍵、合成方法、結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系進(jìn)行深入研究的結(jié)果。,新材料的研制,：研究材料的宏觀、微觀和遷移

2、現(xiàn)象，物質(zhì)的相互作用與結(jié)合關(guān)系規(guī)律，材料的組成結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)、電磁、聲學(xué)等物理性能的關(guān)系，材料的制取生產(chǎn)工藝和應(yīng)用等。,2,3.,材料的發(fā)展史,1),石器材料,-,對自然界天然物質(zhì)作簡單的打、磨加工,陶器材料,-,人類通過加工技術(shù)以一定的工藝制造非天然物質(zhì)材料的起點(diǎn),新材料技術(shù)與人類文明,2),青銅、鐵器材料,-,加工、冶煉技術(shù)和工藝的改進(jìn),3)20,世紀(jì)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(dǎo)纖維、碳纖維、硼纖維等硅酸鹽和無機(jī)功能新材料，記憶合金、非晶態(tài)金屬、晶須、超導(dǎo)材料、超塑性金屬、超彈性合金等型金屬材料，以及纖維增強(qiáng)、彌散

3、粒子、疊層復(fù)合等新型復(fù)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(shè)計(jì),”,材料等。,3,二、新材料技術(shù),1.,金屬材料,優(yōu)點(diǎn),:,高紉性，延展性好，強(qiáng)度高，導(dǎo)電性好。,發(fā)展及分類,:,初期,：,鐵和鋼,(,鐵的合金,),20,世紀(jì)初,：以硬鋁為首的鋁合金,20,世紀(jì),50,年代,：起又出現(xiàn)只有鋼一半重、耐熱性比鋼好而強(qiáng)度不低于鋼的鈦合金。,現(xiàn)在,：主要仍是鋼、鋁合金、鈦合金，性能提高,發(fā)展,：超高純度鐵、超高強(qiáng)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(shù),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(yè),-,高能耗產(chǎn)業(yè),。近年來，采用富氧閃速熔煉工藝，使銅生產(chǎn)能耗大大降低，比采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)銅降低能耗達(dá),30%,。此外，在氧化鋁制備工藝上采用串聯(lián)法，并開發(fā)出智能控制的大型預(yù)焙電解槽，可使能耗降低,20%,25%,。,5,新材料技術(shù),石墨變金剛,將石墨放在,1500,到,2000,的高溫和,45,萬個(gè)大氣壓的裝置中，在催化劑的作用下，就能把石墨的結(jié)構(gòu)“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(shù),超塑金屬,某

5、些堅(jiān)固的金屬進(jìn)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(shù),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(huì)立即恢復(fù)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(gè)后起之秀，由于它的奇特性能，人們已經(jīng)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(fā)動(dòng)機(jī),8,新材料技術(shù),2.,非

6、金屬材料,1),陶瓷,優(yōu)點(diǎn),:,強(qiáng)度高，收縮小，機(jī)械性能好；耐各種酸堿腐蝕，耐高溫，耐輻射，抗氧化。致命缺點(diǎn)是易脆性。,按應(yīng)用和發(fā)展分類,高強(qiáng)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,電工電子特種功能陶瓷,高強(qiáng)高溫結(jié)構(gòu)陶瓷,強(qiáng)度高，機(jī)械性能好，是高溫發(fā)熱元件、絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)和燃?xì)鉁u輪機(jī)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(jī)械力的轉(zhuǎn)換、放大等物理、化學(xué)效應(yīng)，是功能材料中引人注目的新型材料。,9,新材料技術(shù),2),玻璃,鋼化玻璃,(,安全玻璃,),強(qiáng)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(fēng)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(yīng)用于機(jī)場辦公室、候機(jī)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(diào)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(diào)能耗，而低輻射鍍膜玻璃可限制室內(nèi)熱量向外輻射散失，在寒冷地區(qū)有顯著的節(jié)能效果。,10,衛(wèi)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(shí)表面燃燒時(shí)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(gè)氣膜保護(hù)層，也起到隔熱作用。,“瞬時(shí)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(fù)合材料在一定的溫度和壓力下固化而成的。,新材料技術(shù),11,新材料技術(shù),航天飛機(jī)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(jī)的鋁合金蒙皮上，把外表嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)地封蓋起來，就象給航天飛機(jī)穿上了一身防熱盔甲。,12,新材料技術(shù),“哥倫比亞”號(hào)航天飛機(jī)爆炸，原因是這架航天飛機(jī)左翼在起

9、飛時(shí)遭到從燃料箱上脫落的泡沫絕緣材料撞擊，結(jié)果造成機(jī)體表面隔熱保護(hù)層出現(xiàn)了大面積松動(dòng)和破損，形成了可讓“熱氣進(jìn)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(shù),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(xué)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(chǎn)品名丙綸,),、聚乙烯醇縮甲醛纖維,(,維尼綸,),。它們的出現(xiàn)，使紡織工業(yè)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(xiàn)在的總產(chǎn)量已經(jīng)超過天然橡膠的一倍以上。,除少數(shù)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(jī)械性能的高分子材料,14,1959,年費(fèi)曼在美國物理學(xué)會(huì)年會(huì)上發(fā)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(shí)行控制的技術(shù)后，能按自己的愿望人工合成物質(zhì)的那一天也就為期不遠(yuǎn)了。,只要按化學(xué)家的要求把原子放在指定的位置，所需的物質(zhì)就制造出來了。,納米技術(shù)，包括兩部分：,納米工藝,用以隔離、定位及控制原子,顯微技術(shù),把原子一個(gè)接一個(gè)按各種穩(wěn)定的模式組裝起來，從一個(gè)小零件直到個(gè)

11、整體結(jié)構(gòu)。,三、納米技術(shù),15,費(fèi)曼不僅提出了問題，而且證明了它是為規(guī)律所允許的，他說：,據(jù)我所知，物理學(xué)并不排除逐個(gè)原子地對物質(zhì)合成實(shí)行控制的可能性，這種想法并不違反任何規(guī)律，從原則上講它是能夠做到的。,什么是納米技術(shù),1981,年，賓尼西、羅雷爾世界上第一臺(tái)掃描隧道顯微鏡,(,簡稱,STM),，,1986,年獲,諾貝爾物理獎(jiǎng)。,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(zhì)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(yīng)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(diǎn)：,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(zhì)表面的三維圖像；,可進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)研究,實(shí)現(xiàn)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(yīng)用實(shí)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(jī)器公司（,IBM,）,阿爾馬登研究中心科學(xué)家，經(jīng),22,

13、小時(shí)的操作，把,35,個(gè)氙原子移動(dòng)到位，組成,IBM,三個(gè)字母，加起來不到,3nm,。,21,通過移走原子構(gòu)成的圖形,掃描隧穿顯微鏡,22,2.,相關(guān)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(gè)原子的寬度。,納米科學(xué),（,nano,-science,）,研究納米尺度范圍內(nèi)的物質(zhì)所具有的特異現(xiàn)象和特異功能的科,學(xué)。,納米科學(xué)技術(shù),（,nano,-technology,）,是指用數(shù)千個(gè)分子或原子制造新型材料或微型器件的科學(xué)技術(shù)。它以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，是現(xiàn)代科學(xué)和現(xiàn)代技術(shù)結(jié)合,的產(chǎn)物。,基本概念,23,納米,材料,（,

14、nano,material,）,納米技術(shù)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(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。,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(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)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(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)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(huì)顯著增大，說明表面原子所占的百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著地增加。直徑大于,0.1,微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)顆粒尺寸小于,0.1,微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長，甚至,1,克超微顆粒表面積的總和可高達(dá),100,平方米，這時(shí)的表面效應(yīng)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，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低熔點(diǎn)材料。,1),表面效應(yīng),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(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)

16、變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。,2),小尺寸效應(yīng),納米材料的奇異特性,(1),特殊的光學(xué)性質(zhì),當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)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?？傻陀?l%,，,大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。,26,(2),特殊的熱學(xué)性質(zhì),固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于,10,納米量級時(shí)尤為顯著。例如，銀的常規(guī)熔點(diǎn)為,670,，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于,100,。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)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(jié)溫度從,3000,降低到,1200,1300