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新型材料复习资料
d础,所以发展特别迅速。
例如,梯度功能材料的性能是原来均质材料和一般复合材料所不
备的,因而有着广泛的应用潜力。
又如生物医学材料,其目标是对人体组织的矫形、修
复、再造、充填以维持其原有功能。
它要求材料不仅具有相应的性能(强度、硬度等),还必
须与人体组织有相容性,以及‘定的生物活性。
聚乳酸与羟基磷灰石、磷酸钙的复合材
料;以及加入碳纤维或玻璃纤维组成的复合材料是矫形固定器、组织再造等的有效材料。
碳基复合材料可用做人造心瓣膜等。
再如,由于超大容量信息通信网络和超高速计算机
的发展,对集成电路的要求越来越高,促进集成度逐年增加。
从材料看,除了硅半导体外,
化合物半导体受到越来越多的重视,主要表现在以下几个方面。
(1)光电子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料,主要集中在激光材料、红外
探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料等领域。
(2)新能源材料的发展趋势是绿色二次电池、氢能、燃料电池、太阳能电池和核能所用
的关键材料,储氢材料的研究也受到各国的重视。
(3)生物医用材料研究和发展的主要方向,一是模拟人体硬软组织、器官和血液等的
组成、结构和功能而开展的仿生或功能设计与制备;二是赋予材料优异的生物相容性、生
物活性或生命活性,使现人体器官的替代向器官的修复发展;三是工业生产中的生物模
拟。
(4)纳米材料的发展趋势是开展纳米加工、纳电子学、纳米医疗以及机器人等未来能
形成新兴主导产业领域的基础研究,同时对现有信息高科技产业和传统产业进行改造、提
升。
(5)超导材料的发展趋势是不断探求更高温度超导体,实现高温超导材料产业化技术
在能源、电力、移动通信、国防等领域的应用。
(6)智能材料是21世纪高新技术发展的重要方向之一,其在一些重要工程和尖端技
术,如桥梁、水坝、建筑、航空航天、高速列车安全监测、形状主动控制、减噪抗振、损伤自愈
合及提高生物医用材料的相容性等方面均有着重要的应用前景。
6.特殊条件下应用的材料
在低温、高压、高真空、高温以及辐照条件下,材料的结构和组织将会转变,并由此引
起性能变化。
研究这些变化规律,将有利于创制和改善材料。
例如,在高压下的结构材
料,由于原子间距离缩短,材料将由绝缘体转变为导电体,NB3Sn、NB3Ge和NB3Si等超导体
均在高压下合成。
现正在开展高压力及冲击波对材料性能影响的试验研究,理论上预测
氢在几千万大气压下将转变为金属态,它在室温时就具有超导性,它的实现还有待于高压
条件的创建。
另外,太空、深海洋等工程技术所用的材料将继续深入研讨。
7.依靠计算材料科学设计新型材料
由于电子计算机及应用技术的高度发展,使得人们可以按照指定的性能进行材料设
计正逐步成为现实。
材料设计大体可分为3个层次:
一是亚微观,即以材料的原子与分子为尺度,研究原
子与分子的集体行为,并用计算机模拟结构模型,设计参数,而后利用不同手段,对其进行
控制或重新组合,以达到预期的性能。
二是微观结构,其尺度以微米计,考虑的是某一微
区范围内的平均性质,这对材料设计十分重要,如通过凝固过程来控制合金结构与偏析、
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制备准晶膜,例如用于不粘锅、热障膜、选择吸收太阳光膜等,并深入开展贮氢材料准晶复合材料的研究。
人们有理由坚信,伴随着准晶的制备、准晶性能检测技术的深入研究,新准晶材料和准晶形成机制等项研究的新成果必将推动准晶的应用。
6.4纳米材料
6,4.1概述
1.何谓纳米材料
通常把相组分或晶粒结构控制在100ilm以下长度尺寸的材料称为纳米材料。
广义地说,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元(buildingblocks)所构成的材料。
如果按维数,纳米材料的基本单元可以分为3类。
(1)零维。
指在空间三维尺度均在纳米尺度;如纳米尺度颗粒、原子团簇等。
(2)一维。
指在空间有两维处于纳米尺度,如纳米丝、纳米棒、纳米管等。
(3)二维。
指在三维空间中有一维在纳米尺度,如超薄膜、多层膜等。
纳米材料可由晶体、准晶、非晶所组成。
纳米材料的基本单元可由原子团簇、纳米微粒、纳米线或纳米膜等所组成,它既可包括金属材料,亦可包括无机非金属材料和聚合物材料。
2.纳米材料的发屁历史
在长期的晶体材料研究中,人们视具有完整空间点阵结构的实体为晶体,是晶体材料的主体;而把空间点阵中的空位、置换原子、间隙原子、相界、位错和晶界等看做晶体材料中的缺陷。
那么,如果从逆向思考问题,把“缺陷”作为主体,研制出一种晶界占有相当大体积比的材料,那么世界将会是怎样?
德国萨尔布吕克大学的格兰特(Gleiter)教授当时在沙漠中的这一构想很快变成丁现实,经过4年的不懈努力,他领导的研究组终于在1984年首次用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的黑色纳米金属(Fe、Cu、Au、PA)粉末粒子,然后在真空室中原位加压成纳米固体材料(nanometersizedmaterials),并提出纳米材料界面结构模型。
随后发现CaF2纳米离子晶体和纳米陶瓷在室温下表现出良好的韧性,使人们看到陶瓷增韧新的战略途径。
继格兰特(Gleiter)之后,1987年美国Argonne国家实验室的西格尔(Siegel)等采用同样方法又成功地用气相冷凝法制备了纳米陶瓷材料T102,并观察到纳米陶瓷在室温和低温下具有很好的韧性。
这一实验结果引起了科技界的震动,尤其对正在苦苦探索解决陶瓷脆性问题的科学家们是一个极大的鼓舞,并激起了纳米材料的研究热潮。
从而使纳米材料从研究到应用又迈出了一大步。
1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议,正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世,这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生。
正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念,并决定出版纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术的正式学术刊物,这些术语已广泛应用在国际学术会议、研讨会和协议书中。
从此以后,纳米材料引起了世界各国材料界和物理界的极大兴趣和广泛重视,很快形成了世界性的“纳米热气”。
同年,发现纳米颗粒硅
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纳米装体系是以纳米颗粒或纳米丝、纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排成具有纳米结构的体系,如人造超原子体系等。
对于纳米组装体系,不仅包含了纳米单的卖体组元,而且还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体。
纳米材料包括零维、维和三维材料。
在这个时期,国际上还把0,1—100nm的技术加工的公差作为纳米技的标准‘于是在全世界范围内刮起了,阵强劲的:
纳米科技?
风暴,科技界、企业界、舆界乃至政界都在大谈特谈纳米科技,特别值得注意的是,20XX年1月当时的美国总统克林顿签署并发表于千份历史上罕见的?
美国国家纳米技术倡议”,它把纳米技术称之为导下一次工业革命的技术、克林顿说:
“设想一下’,强度是钢的10倍而重量很小的材料;图书馆的所有资料被储存在一块方糖大小的物质上;在癌症只有几个细胞时就能发它们。
总统科学技术助理NealLane博士早些时候曾评论说:
“如果有人间我哪个科学工程领域最可能对未来产生突破性的影响,我会说是纳米科学和工程”自此以后,纳米材料受到世界各国的普遍重视,德、美;日.俄、英和法国都大力开展研甚至些发展中国家如印度、巴西等也开始了研究分纳米材料的种类也从纳米颗粒、跽---体发展到纳米非晶态材料、纳米膜材料和纳米复合材料‘而且已构成了一个学科支即纳米材料科学;我国也高度重视纳米材料的研究工作,纳米材料科学已作为国家基础研究重大关键项目列入国家“八五’攀登计划;国家自然科学基金、国家863计划、973计划和国防科技研究规划也都列入了纳米材料研究项目,取得了相当进展。
3.纳米材料的分类
随着实验技术手段的创新和研究的深入,纳米材料新的特性不断被发现,新的种类也层出不穷。
由于种类繁多、性能各异;对其进行分类是十分必要的;根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度计;大致可将其划分为纳米微粒;纳米纤维、纳米固体和纳米组装
(1)纳米微粒(量子点)。
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系指晶粒度处在1—100hm之间的粒子的聚集体。
它是处
于该几佝尺寸的各种粒子聚集体的总称。
纳米微粒的形态有球形;板状、棒状、角状、海绵伏等。
构成纳米微粒的成分可以是金属或氧化物,也可以是其他各种化合物;纳米微粒的应用范围很广
(2)纳米纤维(量子线);。
系指在材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线(管)材料,通常是直径或管径或厚度为纳米尺度、而长度则较长。
随着微电子学和显微加工技术的发展,使纳米纤维有可能在纳米导线、开关、线路、高性能光导纤维及新型激光或发光二极管材料等方面发挥极大的作用,是未来量子计算机及光子计算机中最有潜力的重要元件材料。
它包括纳米丝、纳米线、纳米棒、纳米碳管、纳米碳(硅)纤维、纳米带、纳米电缆等。
(3)纳米薄膜(量子面)。
是指由尺寸在纳米量级的晶粒(或颗粒)构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜,有时也称为纳米晶粒薄膜和纳米多层膜。
其性能强烈依赖于晶粒(颗粒)尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多层膜的结构,这也就是当今纳米薄膜研究的主要内容。
纳米薄膜是受到纳米材料的启发才产生的,其中的确也体现了一定的纳米结构特征。
与普通薄膜相比,纳米薄膜具有许多独特的性能,如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应等。
例如,美国霍普金斯大学的科学家在SIO2—Au的颗粒膜上观察到极强的高电导现象,当金颗粒的体积百分比达到某临界值时,电导增加了14个数量级;纳米氧化镁铟薄膜经氢离子注入后,电导增加8个数量级。
另外纳米薄膜还可作为气体催化(如汽车尾气处理)材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示材料及超导材料等,因而越来越受到人们的重视。
目前,纳米薄膜的结构、特性、应用研究还处于起步阶段,随着纳米薄膜研究工作的发展,更多结构新颖、性能独特的薄膜必将出现,应用范围也将日益广阔。
(4)纳米块体材料。
纳米块体材料是将纳米粉末高压成型或烧结或控制金属液体结晶而得到的纳米材料,由大量纳米微粒在保持表(界)面清洁条件下组成的三维系统,其界面原子所占比例很高,微观结构存在长程有序的晶粒结构与界面无序态的结构。
因此,与传统材料科学不同,表面和界面不再只被看成为一种缺陷,而成为一重要的组元,从而具有高热膨胀性、高比热、高扩散性、高电导性、高强度、高溶解度及界面合金化、低熔点、高韧性和低饱和磁化率等许多异常特性,可以在表面催化、磁记录、传感器以及工程技术上有广泛的应用,可作为超高强度材料、智能金属材料等。
所以,纳米块体材料成为当今材料科学、凝聚态物理研究的前沿热点领域。
从纳米材料固体相组分数划分,纳米块状固体又可分为纳米相材料和纳米复合材料。
由单相纳米微粒构成的纳米固体通常称为纳米相材料。
不同材料的纳米微粒或两种及两种以上的纳米微粒至少在一个方向上以纳米尺寸复合而成的纳米固体成为纳米复合材料。
纳米复合材料的概念最早是由Roy等人于20世纪80年代初提出的,大致又可分为三种类型:
第一种是0---0复合,即不同成分、不同相或不同种类的纳米微粒与纳米微粒之间复合而成的纳米固体。
第二种是0--2复合,即把纳米微粒分散到二维的薄膜材料中。
它又可分为均匀弥散(纳米微粒在薄膜中均匀分布,人们可根据需要控制纳米微粒的粒径及粒间距)和非均匀弥散(纳米微粒随机混乱地分散到薄膜基体中)两种形式。
第三种是0--3复合,即把纳米微粒分散到常规的三维固体中。
纳米复合材料兼有纳米材料与复合材料的许多优点。
由于纳米微粒体积小,复合难度不大,因而这种材料备受人们的关注。
(5)纳米组装体系。
20世纪80年代,法国的Leha教授指出材料化学合成可以借鉴自组装的办法,其基本思想是:
①若干分子能够在合适的条件下自组装成纳米团簇,或在精心设计的模板约束下组装成特定的纳米微结构;②纳米结构亦可通过超分子作用组装成为宏观物质。
分子自组装的
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