納米技術在水處理中的應用

1、納米技術在水處理中的應用1第1頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 概念 對資源和能源消耗最小、生態(tài)影響最小、 再生循環(huán)率最高，或可分解使用的具有優(yōu) 異使用性能的新型材料。 特點 先進性：能為人類開拓更為廣泛活動空間范圍和環(huán)境。 環(huán)境協(xié)調性：使人類的活動與外部環(huán)境盡可能相適應。 舒適性：使人類生活環(huán)境更繁榮、更舒適。第一節(jié) 概念2第2頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 生態(tài)材料及生態(tài)產品 生物降解材料 材料再生及再循環(huán)利用 降低環(huán)境負擔性的材料加工工藝、技術 環(huán)境工程材料 環(huán)境負荷評價第二節(jié) 研究內容3第3頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2

2、分，星期二第三節(jié) 現(xiàn)代材料新技術 納米材料 超導材料 生物材料 特種陶瓷 高分子材料 半導體材料 光通信材料 磁記錄材料 航天復合材料 金剛石和超硬材料 超晶格和非晶態(tài)材料4第4頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二納米(nanometer) 長度單位，用nm表示，1nm = 10-9 m。納米材料 物質在超微粒狀態(tài)（100nm以下）時，許多特性會產生奇異的變化。稱顆粒尺寸在1100nm的微粒為超微粒，該種物質是納米材料。納米技術(nano-ST) 在納米尺寸范圍內認識和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)制新物質的技術。 納米材料的特殊現(xiàn)象 表面效應、小尺寸效應、量子效

3、應、隧道效應和介電限域效應。 概念1. 納米材料5第5頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二納米微粒的表面效應金屬超微粒的尺寸越小，微粒表面原子所占的百分數(shù)越大。當超微粒的尺寸為10nm (假定球形微粒)時，總原子數(shù)為30000個，表面原子占20%，尺寸為lnm時，總原子數(shù)為30個，表面原子占100%，全部都處在微粒的表面。利用高分辨率電子顯微鏡，對尺寸小于10nm的金屬超微粒進行觀測，發(fā)現(xiàn)微粒沒有固定形態(tài)，隨著時間的推移，會自動形成多種形態(tài)，而表面原子在電子束的照射下，處于劇烈運動狀態(tài)，好像“沸騰”起來似的。納米材料表面具有很高的活性，金屬超微粒在空氣中會很快自燃起來。利用

4、其表面高活性，超微粒做高效催化劑，提高化工廠的生產效率。6第6頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 在一定條件下，隨著顆粒尺寸的量變，會使納米微粒發(fā)生性質的改變稱為尺寸效應。 金屬材料當被細分到小于光波波長時，便失去原有的金屬色澤成為黑色。在軍事上把超微粒材料涂在兵器上就成為飛機、火炮的隱身材料。 晶態(tài)物質的熔點是一定的，但細分成超微粒后，其熔點明顯下降。金的熔點1064，2nm時，熔點為327。銀的熔點是670，而其超微粒熔點僅為100。在鎢顆粒原料中附加0.10.5的鎳超微粒后，其燒結溫度從3000降低到1200 1300，大大降低了對設備條件的苛刻要求，從而大幅度降低

5、了產品成本。納米微粒的尺寸效應7第7頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 量子效應 超微粒材料的尺寸范圍在1100nm，電子在這樣的小空間的能量狀態(tài)與在大塊材料中的能量狀態(tài)有很大的不同，超微粒材料的性質會發(fā)生反常變化，產生量子效應。 在微電子技術中，當尺寸減小到l00nm以下就會產生量子效應，電子會穿過量子隧道從器件中逃走?？茖W家利用量子隧道效應研制成功新一代量子器件，使微電子技術得到了了新的發(fā)展。8第8頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二晶粒尺寸為8nm的銅材料，自擴散系數(shù)比晶體銅增大1019倍，在110293K，納米銅的熱膨脹比晶體銅增大了2倍。陶瓷

6、通常是脆性材料，而納米陶瓷卻可變?yōu)轫g性材料。納米TiO2陶瓷在室溫下可以彎曲，塑性形變高達100。納米硅薄膜則具有一系列不同于非晶硅、微晶硅和單晶硅的特點。在可見光和紅外光范圍內，光吸收系數(shù)值明顯高于其他結構的硅材料，甚至提高數(shù)十倍。電導率比單晶硅高100倍，比非晶硅高106倍，壓阻效應顯著，也是重要特性。納米材料結構的特殊性導致與結構密切相關的特性的奇異性。 納米材料的特性9第9頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 納米材料的制備方法惰性氣體淀積法沉淀法水解法化學氣相淀積法10第10頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 納米技術的應用 1.在陶瓷領域的

7、應用 納米陶瓷是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，其晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都在納米級的陶瓷材料。Tatsuki等人對制得的A12O3-SiC納米復相陶瓷進行拉伸蠕變實驗，結果發(fā)現(xiàn)伴隨晶界的滑移，Al2O3晶界處的納米SiC粒子發(fā)生旋轉并嵌入A12O3晶粒中，從而增強了晶界滑動阻力，提高了蠕變能力。納米陶瓷克服了原陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。納米陶瓷具有優(yōu)良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊應用前景

8、。11第11頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二2.微電子學上的應用納米電子學是利用納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件，包括納米有序(無序)陣列體系、納米微粒與微孔固體及納米超結構組裝體系。最終目標是進一步減小集成電路，研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。已經研制成功各種納米器件，如單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應制成的超微磁場探測器已經問世。具有奇特性能的碳納米管研制成功，可廣泛用于大規(guī)模集成電路、超導線材等領域。IBM公司利用隧道掃描顯微鏡上的探針，成功移動了氙原子，并利用它拼成了IBM三個字母。日本

9、Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管，通過控制單個電子運動狀態(tài)完成特定功能，即一個電子就是一個具有多功能的器件。日本的NEC研究所在GaAs襯底上，成功制作了具有開關功能的量子點陣列。美國已研制成功尺寸只有4nm具有開關特性的納米器件，可由激光驅動，并且開、關速度很快。12第12頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二3.生物工程上的應用生物分子是很好的信息處理材料，每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，其原理類似于計算機的邏輯開關，利用該特性并結合納米技術，可設計量子計算機。美國南加州大學應用基于DNA分子計算技術有效地解決了目前計算機無法解決的問題“哈密頓路徑問題”

10、，使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術有了進一步的認識。細菌視紫紅質用來制造計算機組件最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩(wěn)定性，且其奇特的光學循環(huán)特性可用于儲存信息，起到代替當今計算機信息處理和信息存儲的作用。Birge等研究表明，細菌視紫紅質的三維存儲器可提供比二維光學存儲器大得多的存儲空間。美國錫拉丘茲大學已經利用細菌視紫紅質蛋白質制作出了光導“與”門，利用發(fā)光門制成蛋白質存儲器。并用其研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網絡和聯(lián)想式存儲裝置?？梢灶A言，未來納米計算機的問世，將會使當今的信息時代發(fā)生質的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質的儲存和信息處理的能力

11、提高上百萬倍，從而實現(xiàn)電子學上的又一次革命。 13第13頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二4.化工領域上的應用納米粒子作為光催化劑，有著許多優(yōu)點。納米粒子粒徑小，比表面積大，光催化效率高，而且生成的電子、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結合，因此，電子、空穴能夠到達表面的數(shù)量多，則化學反應活性高。其次，納米粒子分散在介質中往往具有透明性，容易觀察界面間的電荷轉移、質子轉移、半導體能級結構與表面態(tài)密度的影響。工業(yè)上利用納米TiO2-Fe2O3作光催化劑，用于廢水處理，已經取得了很好的效果。用沉淀溶出法制備出的粒徑約3060nm的白色球狀鈦酸鋅粉體，比表面積大，化學活性高，

12、用它作吸附脫硫劑，較固相燒結法制備的鈦酸鋅粉體效果明顯提高。納米靜電屏蔽材料，是納米技術的另一重要應用。日本松下公司研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料。利用具有半導體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料能起到靜電屏蔽作用。氧化物納米微粒的顏色各種各樣，因而可通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色。14第14頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二將納米TiO2粉體按一定比例加入到化妝品中，則可以有效地遮蔽紫外線。體系中只需含納米TiO20.51%，即可充分屏蔽紫外線。日本等國已有納米二氧化鈦的化妝品問世。添加0.1%0.5%的納米二氧化鈦制成的透明塑料包裝材料包裝

13、食品，既可以防止紫外線對食品的破壞作用，還可以使食品保持新鮮。利用納米微粒構成的海綿體狀的輕燒結體，可用于氣體同位素、混合稀有氣體及有機化合物等的分離和濃縮。將金屬納米粒子摻雜到化纖制品或紙張中，可以大大降低靜電作用?？捎米饔∷⒂湍?，制作固體潤滑劑等?？衫眉{米碳管獨特的孔狀結構、大的比表面(表面積高達幾百平方米/克)、較高的機械強度做成納米反應器。用金屬醇化合物和羧酸反應，可合成具有一定孔徑的大環(huán)化合物。利用嵌段和接枝共聚物會形成微相分離，可形成不同的“納米結構”作為納米反應器。15第15頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二5.醫(yī)學上的應用生物體內的 RNA蛋白質復合體，

14、其線度在15-20nm之間，并且生物體內的多種病毒，也是納米粒子。10nm以下的粒子比血液中的紅血球還要小，因而可以在血管中自由流動。如將超微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個部位，作為監(jiān)測和診斷疾病的手段?？蒲腥藛T已經成功利用納米SiO2微粒進行了細胞分離，用金的納米粒子進行定位病變治療，以減少副作用等。利用納米顆粒作為載體的病毒誘導物已取得突破性進展，現(xiàn)在已用于臨床動物實驗，估計不久即可服務于人類。研究納米技術在生命醫(yī)學上的應用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的關系，獲取生命信息?？茖W家們設想利用納米技術制造出分子機器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施

15、特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。這樣，在不久的將來，被視為當今疑難病癥的艾滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解，從而將使醫(yī)學研究發(fā)生一次革命。16第16頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二6.光電領域的應用納米技術在光電信息傳輸、存儲、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術用于現(xiàn)有雷達信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛(wèi)星上進行高精度的對地偵察?？茖W家發(fā)現(xiàn)，將光調制器和光探測器相結合的量子阱自電光效應器件，將為實現(xiàn)光學高速數(shù)學運算提供可能。美國桑迪亞國家實驗室

16、的Paul等發(fā)現(xiàn)：納米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少數(shù)幾個狀態(tài)上，而低音廊效應則使光子受到約束，直到所產生的光波累積起足夠多的能量后透過此結構。其結果是激光器達到極高的工作效率，而能量閾則很低。納米激光器的大小和形狀能夠有效控制它發(fā)射出的光子的量子行為，從而影響激光器的工作。研究發(fā)現(xiàn)，納米激光器工作時只需約100A的電流?？茖W家們把光子導線縮小到只有1/5m3體積內，在這一尺度上，此結構的光子狀態(tài)數(shù)少于10個，接近了無能量運行所要求的條件。最近，麻省理工學院的研究人員把被激發(fā)的鋇原子一個一個地送人激光器中，每個原子發(fā)射一個有用的光子，其效率之高，令人驚訝。17第17頁，共56頁，2022

17、年，5月20日，10點2分，星期二7納米技術在其他方面的應用利用先進的納米技術，在不久的將來，可制成含有納米電腦的可人-機對話并具有自我復制能力的納米裝置，它能在幾秒鐘內完成數(shù)十億個操作動作。在軍事方面，利用昆蟲作平臺，把分子機器人植入昆蟲的神經系統(tǒng)中控制昆蟲飛向敵方收集情報。利用納米技術還可制成各種分子傳感器和探測器。利用納米羥基磷酸鈣為原料，可制作人的牙齒、關節(jié)等仿生納米材料。將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機制來激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實。另外，還可利用碳納米管來制作儲氫材料，用作燃料汽車的燃料“儲備箱”。利用納米顆粒膜的巨磁阻效應研制高靈敏度的磁傳感器；利用具有強紅外

18、吸收能力的納米復合體系來制備紅外隱身材料，都是很具有應用前景的技術開發(fā)領域。18第18頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二在水處理方面的應用：生產納濾膜用于廢水處理；絮凝劑中混入一定的納米粉體，改善絮凝效果。如納米TiO2-Fe2O3作光催化劑，用于廢水處理；生產納米冷卻劑代替循環(huán)冷卻水，節(jié)約水資源。冶金爐渣生產納米粉體用于生產水泥、涂料、陶瓷、玻璃等。納米碳管作儲氫材料用于代替煤炭、石油資源，減少二氧化碳排放量等。鈦酸鋅粉體用作吸附脫硫劑。 在環(huán)保及生態(tài)工程上的應用19第19頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二納米技術在水處理中的應用光催化法:半導體納

19、米粒子光照實現(xiàn)降解光電催化氧化：加電極及偏壓，提高催化活性納濾膜法：介于RO和UF之間的膜，過濾去除雜質絮凝法：絮凝劑中添加納米顆粒，提高絮凝效果微生物法：通過高效微生物的馴化降解有害物質消毒滅菌法：將具有殺毒功能的納米粉投入水體實現(xiàn)殺毒功能磁化法：利用納米粒子的磁致膠體效應，達到除垢的目的20第20頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二2. 超導材料超導體的研究從1911年荷蘭科學家翁涅斯(H.K.Onnes)發(fā)現(xiàn)超導體開始，到1986年繆勒(K.A.Muler)和貝德諾茨(J.G.Bednorz)研制成功超導轉變溫度為35K的氧化物超導體而榮獲1987年諾貝爾物理學獎，經

20、歷了75年不平凡的路程，進入了發(fā)展的黃金時代，在全世界范圍內掀起了“超導熱”浪潮。21第21頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二1986年下半年，日本東京大學、美國貝爾實驗室和中國科學院物理研究所，以鍶(Sr)置換Ba-La-Cu氧化物中的Ba超導轉變溫度可高達40K以上。1987年初，中國科學院物理研究所，70K；1987年2月，日本，東京大學，85K；1987年2月15日，美國休斯敦大學，98K；1987年2月20日，中國，科學院物理研究所，100K；1987年3月4日，日本科學技術廳金屬研究所，123K；1987年3月4日，中國，北京大學，123K；1987年3月，德

21、國，125K。1987后，科學家進行液氮溫度區(qū)以上的高溫超導體系研究：轉變溫度在90K的釔系，轉變溫度在110K的鉍系，轉變溫度在120K的鉈系，轉變溫度在150K的汞系等氧化物超導體等。同時探索超導體的高技術應用。 高溫超導體的研究22第22頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 近年來，隨著高溫超導體研究的深入發(fā)展，超導體在高新技術領域的應用有大的進展。超導體在信息系統(tǒng)和兵器領域的應用前景十分激動人心；超導體在交通領域越來越廣泛的應用更加與人們息息相關；高溫超導體為人類奉獻大量能源的設想是人類長期以來的夢想。 超導體高新技術應用23第23頁，共56頁，2022年，5月20

22、日，10點2分，星期二信息系統(tǒng)包括信息的獲取、傳輸、存儲和處理等過程。超導體在微弱信息的獲取方面具有獨特的優(yōu)勢。利用約瑟夫遜效應制作超導磁場獲得成功。這種儀器可以探測很微弱的磁場，因而可偵察遙遠的目標，如潛艇、坦克活動目標。而超導體開關對某些輻射非常敏感，可探測微弱的紅外輻射，為軍事指揮做出正確判斷提供直接的依據(jù)，為探測天外飛行器，如衛(wèi)星或宇宙不明飛行物提供高靈敏度的信息系統(tǒng)。利用濺射技術或蒸發(fā)技術將高溫超導體材料(如鉛系、鈮系等) 在極薄的絕緣體上形成薄膜，可制成約瑟夫遜器件。這種器件具有高速開關特性，是制作超高速計算機不可多得的元件。使電子計算機體積大大縮小，功耗大大降低，計算速度大大提高

23、。把超導數(shù)據(jù)處理器與外存儲芯片組裝成約瑟夫遜式電子計算機，可獲得高速處理能力，在1s內可進行10億次的高速運算，這是現(xiàn)有大型電子計算機運算速度的15倍。1. 超導體在信息技術方面的應用24第24頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二(1)火箭無聲發(fā)射。用于核潛艇的超輕型推進系統(tǒng)能使核潛艇速度和武器裝載量增加l倍，自身重量減小一半?；鸺l(fā)射的初期必須在發(fā)射架上滑行，由于機械接觸，速度越快，振動越激烈，容易損壞發(fā)射架，因此必須限制速度。若把超導無聲推進系統(tǒng)用于導彈彈頭，可使彈頭以20000km/h的速度摧毀敵方處于發(fā)射升空的彈道導彈，使敵方導彈在其本土爆炸。 (2)航天飛機自動升

24、空。利用超導懸浮技術，將航天飛機置于水平臺車上，臺車沿懸浮列車軌道作直線運動。臺車以3.234m/s2的加速度加速，當速度上升到300km/h，航天飛機引擎點火，開始工作。當航天飛機以9.8m/s2的加速度加速到500km/h，飛機靠電磁力脫離水平臺車，自動升空。估計臺車滑行距離為4km。若航天飛機在點火后幾秒內發(fā)生故障，引擎停止工作，飛機仍可停在臺車上，使得發(fā)射期間的安全得到保證。2. 超導體在航天與兵器技術中的應用25第25頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 (1)列車懸空飛馳: 超導磁懸浮列車懸浮在超導“磁墊”路基上，時速高達400-500km/h，約為目前我國普通

25、特快列車速度的5倍，北京到上海3個多小時。通過改變鋁線圈中電流的大小來控制列車運行速度，十分方便。 (2)汽車的革新：一般電動汽車是由蓄電池組和電動機組成，一次行程較短。利用高溫超導體可極大減少蓄電池功率損失，提高儲電容量，增加供電能力。對減少大氣污染和簡化汽車結構十分有利。 (3)超導電車：供電線路用超導電纜，埋在道路表層里。電車底部安裝若干超導線圈。靠電磁感應使超導線圈產生感應電流，推動電車行進。無架空線、軌道，電力耗小的電車供電系統(tǒng)將擴展電車的使用范疇，特別是可能行駛在高速公路上。 (4)電磁推進船舶：超導技術設計的電磁推進船，只需改變超導磁場的磁感應強度或電流強度，就可變換船舶的航行速

26、度。具有結構簡單、操作方便、噪聲小等優(yōu)點，有望成為船舶改造的重要方向。日本已試制成功長度為30m、航速為8km/h電磁推進船。3.在交通領域的應用26第26頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二(1)超導電纜：超導電纜已有多種，比較成功的超導電纜有圓筒式和多芯式兩種。圓筒式超導電纜是由3根管狀超導芯線組成。超導芯線安裝在具有隔熱層的管內。冷卻液氮在超導芯線內外同時循環(huán)流動，保證超導電纜處于超導電性狀態(tài)。多芯式超導電纜的結構與普通電纜類似。直徑100tm以下的超導線均勻分布在電絕緣層中，并套上銅管，銅管的直徑2mm，在外冷卻液氮的作用下電纜處于超導狀態(tài)，即為超導電纜。(2)超導

27、發(fā)電機：超導發(fā)電機有許多優(yōu)點，電流損失小、效率高、電機容量大及體積小等。日本正在研制激磁線圈額定電流容量為70MVA，臨界電流密度為150Amm的超導發(fā)電機。 (3)超導變壓器：傳統(tǒng)變壓器由于渦流和磁滯損失，限制了其性能。交流超導線材制作變壓器的線圈繞組，可大大減小渦流和磁滯損失，提高變壓器輸出功率。且可向輕小型變壓器發(fā)展。日本已用額定電流100A的交流超導線材鈮鈦合金制成500kVA的超導變壓器。4.在能源技術領域的應用27第27頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二超導材料的特性及特征 零電阻與完全抗磁性是超導體的兩個最基本的宏觀特性，也是判斷超導體的依據(jù)。高溫超導體的研

28、究 轉變溫度在90K的釔系、110K的鉍系、120K的鉈系及150K的汞系等高溫氧化物超導體已出現(xiàn)。超導體高新技術應用 在信息技術方面的應用：可偵察遙遠的目標，探測天外飛行器等。 在航天與兵器技術中的應用：火箭無聲發(fā)射；航天飛機自動升空；高溫超導體電動汽車及超導電車；電磁推進船舶等。 在交通領域的應用：超導磁懸浮列車 在能源技術領域的應用：超導電纜、電極及變壓器。28第28頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二3. 生物材料生物材料也稱生物工程材料或生物醫(yī)學材料，是生物體器宮缺損，病變或衰竭的替代材料，即人類器官再造材料。生物體是個復雜系統(tǒng)，其中所有構件要接受溫暖潮濕、新陳代

29、謝、腐蝕降解、摩擦扭曲、支撐碰撞等嚴格苛刻的考驗，其替代材料同樣也要受到考驗。生物材料要具有生物相容性，與人體組織的相容性，體內組織液不會受影響發(fā)生變化；排異反應要盡可能小，與血液接觸應有抗血栓形成能力；使用壽命要長，有良好的耐老化性；藥物緩釋材料應能被人體吸收或及時排出等。目前，生物植入材料有金屬及合金、生物陶瓷、生物高分子和復合材料。主要介紹生物陶瓷和生物高分子材料。29第29頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二人造生物玻璃(45%SiO2，24.5%Na2O，24.5%CaO，6%P2O)已實現(xiàn)與骨及與軟組織的結合，成為一種活性陶瓷。用可與軟組織相結合的生物玻璃修補中

30、耳，已獲得臨床成功，可以使聾耳恢復聽覺。為了得到能滿足高強度、耐彎曲要求的材料，如作為人工齒和承受重荷的人工脊椎骨，研究人員已開發(fā)一類結晶化玻璃，稱為玻璃陶瓷，強度高于人骨，而且還可切削加工成各種形狀。一種與人骨的鈣/磷相一致的羥基磷灰石合成成功，具有優(yōu)良的生物相容性，而且在生物體內協(xié)調化學相互作用會促使骨骼新生，在與人體周圍組織的結合上表現(xiàn)出具有主動能力的生物性。 生物活性陶瓷30第30頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 骨骼缺損修補、骨骼植人材料的固定和牙齒的修復等，利用磷酸鈣細粉為主要材料，在修補過程中，一面硬化，一面產生羥基磷灰石，形狀可塑，操作方便，被稱為生物化

31、學水泥。 研究工作正在就其成分、硬化過程和硬化后的性能進行深入探索，以造福于人類。 生物化學水泥31第31頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二把鋁還輕的高強度熱解碳涂在金屬或高分子材料表面，與組織結合牢固，且有良好的生物相容性，可用作人工骨骼和牙齒。熱解碳還具有抗血栓性，生物體不吸收，與血液蛋白質的適應性好，可用作人工心臟瓣。用碳纖維涂上熱解碳，可以作為韌帶的替代材料。利用具有生物活性的羥基磷灰石作為涂層材料，噴涂在鐵合金或氧化鋁陶瓷表面，從而做到既發(fā)揮基體材料的強度，又發(fā)揮涂層材料的生物活性。 生物復合材料32第32頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二

32、 用于臨床的人工器官的高分子材料主要有：聚氨酯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、硅橡膠、碳纖維等幾十種?？梢灾圃斐鋈斯ば呐K、人工肝臟、人工腎、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血漿和血液等。 我國已研制成功人造血液，是具有很高溶氧能力的氟碳高分子液體，已在臨床上用于危急病人的搶救和戰(zhàn)地救護。 高分子材料制成的人工關節(jié)和人工乳房已投入臨床應用。人工器官在整容和美容方面得到廣泛應用。人工器官33第33頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 藥物治病需要一定的濃度，濃度低了達不到藥效，濃度高了產生副作用。如治療糖尿病的胰島素，在血液中要維持一定的濃度，這

33、就需要每天注射幾次不斷給予補充。如果能以一定的速度釋放藥物，以實現(xiàn)保持血液中藥物的一定濃度，那將是病患者的福音。 把藥物包裹在膜里是控制釋放的最簡單方法。關鍵是制備無害而易分解的高分子材料作為膠囊。聚氨酸就是一種能夠滿足這個要求的材料，可用來制成抗癌緩釋藥。使膠囊微型化，埋在癌變腫瘤內部可大幅度提高藥效。長效避孕藥緩釋膠囊的膠膜是用硅橡膠和左旋甲基炔諾酮制成的。把6個各含有36mg避孕藥的膠囊埋入上肢適當部位，藥效可長達56年，取出后23個月內可以恢復生育能力，相當方便?？刂漆尫偶夹g34第34頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二生物活性陶瓷：實現(xiàn)與骨及與軟組織的結合，在生物

34、體內協(xié)調化學相互作用會促使骨骼新生。生物化學水泥：利用磷酸鈣細粉為主要材料，骨骼缺損修補、骨骼植人材料的固定和牙齒的修復等。生物復合材料：把鋁還輕的高強度熱解碳涂在金屬或高分子材料表面，用作人工骨骼和牙齒。人工器官：可以制造出人工心臟、人工肝臟、人工腎、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血漿和血液等。在整容和美容方面得到廣泛應用?？刂漆尫偶夹g：無害的膠囊包裹藥物,使藥物以一定的速度釋放，提高療效。35第35頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二4. 特種陶瓷 傳統(tǒng)瓷器在明、清時代已達很高水平。江西景德鎮(zhèn)燒制的瓷器被譽為：潔如玉，明如鏡，薄如紙，聲如磬。如此高的贊譽，說明了

35、我國陶瓷工藝已經達到了很高的水平。我國傳統(tǒng)的陶瓷多在生活器具方面發(fā)展，現(xiàn)代陶瓷發(fā)生了巨大的變化，在原料、內部結構、工藝技術、性能和應用領域等都有很大的發(fā)展。 主要介紹功能陶瓷及其應用。36第36頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 通常陶瓷不導電，是良好的絕緣體。如在氧化物陶瓷中，原子的外層電子通常受到原子核的吸引力，被束縛在各自原子的周圍，不能自由運動。所以通常氧化物陶瓷是不導電的絕緣體。 某些氧化物陶瓷加熱時，處于原子外層的電子可獲得足夠的能量，以便克服原子核對它的吸引力，成為自由電子，這種陶瓷就變成導電陶瓷。現(xiàn)已研制出多種可在高溫環(huán)境下應用的高溫電子導電陶瓷材料，如碳

36、化硅的最高使用溫度為1650，氧化鋯陶瓷的最高使用溫度為2000，氧化釷陶瓷最高使用溫度高達2500。 離子導電陶瓷和半導體陶瓷，各具功能。 導電陶瓷37第37頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二在外加磁場中可被磁化的陶瓷材料稱為磁性陶瓷，也稱鐵氧體。鐵氧體分為軟磁鐵氧體和硬磁鐵氧體。軟磁鐵氧體具有高頻損耗小的特點，廣泛用于各種高頻磁芯。硬磁鐵氧體易于加工成各種形狀，已經在揚聲器、電表和發(fā)電機等儀器設備中得到有效應用。此外，鐵氧體在磁記錄方面有著廣闊應用領域。 磁性陶瓷38第38頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 壓電陶瓷是一種能使機械能與電能互相轉換

37、的材料。 當壓電陶瓷受到壓力時，會在兩個相對表面之間產生電位差，此時，一個表面出現(xiàn)正電荷，相對的另一個表面出現(xiàn)負電荷，稱這種現(xiàn)象為極化；反之，若在材料的某一方向上施加電場，則會發(fā)生形變?？梢妷弘娦跈C械能與電能之間的轉換是可逆的。 壓電陶瓷39第39頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二壓電陶瓷的應用范圍很廣，如壓電點火器-打火機等，利用操作過程中產生火花的現(xiàn)象可以把壓電陶瓷安裝在炮彈頭上，作為壓電引爆器。把機械能轉換為交流電信號，如壓電拾聲器、超聲波接收探頭等。利用逆壓電效應，也可將交流電信號轉換成機械振動，如超聲波發(fā)射器和壓電揚聲器等。具有高轉換效率和高靈敏度的超聲波發(fā)

38、射與接收壓電器件，在超聲波水深探測、超聲波無損探傷、水下聲納、超聲診斷、地震和探礦等領域應用廣泛。壓電陶瓷材料中，鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛固溶體是很有發(fā)展前景的材料。用鋯鈦酸鉛壓電陶瓷做成火石，打火次數(shù)可達100萬次以上，可以制作成性能優(yōu)秀的電子打火機，滿足市場的巨大需求。 40第40頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二實用的隔熱材料應具有極小的導熱系數(shù)和密度，也就是導熱性能很差又很輕的材料。用二氧化硅氣溶膠、硅酸鋯、石棉纖維和甲酚醛樹脂原料，經過高度分散和混合后熱壓成型，然后在650下加熱1h左右，得到微孔陶瓷隔熱材料，導熱性能比靜止空氣還要小，而且體密度很小，是優(yōu)質隔熱材料。在

39、氧化硅原料中加入氧化鋇和氧化鉻配成釉漿，涂在經噴沙清潔的難熔金屬表面，經高溫熔燒后，就形成器皿表面的搪瓷層，這是我國傳統(tǒng)的搪瓷工藝，實際上是一種很好的隔熱陶瓷。近年來，應用等離子體噴涂法，利用電弧法產生溫度高達5000等離子體弧焰噴涂二氧化鋯層，可使氣輪機的工作溫度提高約200，達到大幅度節(jié)能效果。 隔熱陶瓷41第41頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二我國景德鎮(zhèn)陶瓷達到美如玉、薄如紙的境界，實際上已達到半透明的程度。在氧化鋁原料中加入氧化鎂，可以促進材料內氣孔消除，從而使氧化鋁陶瓷呈半透明狀,用來制作高壓鈉燈中性能優(yōu)異的發(fā)光管?？萍脊ぷ髡哐兄瞥晒Χ喾N透明陶瓷，具有透過可見

40、光和紅外光的優(yōu)良性能，成功應用于現(xiàn)代高技術領域。如白剛玉、氧化鎂、氧化鈹、氧化釔氧化釷、氧化釔氧化鋯和鋯鈦酸鑭等，能達到無氣孔、晶粒均勻等有利于透光的特點。 透明陶瓷的應用領域寬廣：光學棱鏡、透鏡、高溫觀察窗、紅外線窗口、耐高溫 (1200)瓷光管以及長壽命高溫激光材料等技術領域。 透明陶瓷42第42頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 納米陶瓷是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，其晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都在納米級的陶瓷材料。 納米陶瓷克服了原陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。 納米陶瓷具有優(yōu)良的室溫和高溫力學性能、抗彎強

41、度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊應用前景。 納米陶瓷43第43頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二 導電陶瓷:高溫導電陶瓷材料，如碳化硅1650，氧化鋯2000，氧化釷2500等可在高溫環(huán)境下應用。 磁性陶瓷：鐵氧體在磁記錄方面應用廣泛。 壓電陶瓷：可制成性能優(yōu)秀的電子打火機。 隔熱陶瓷：是優(yōu)質隔熱材料。利用電弧法產生高溫5000等離子體弧焰噴涂二氧化鋯層，可使氣輪機的工作溫度提高約200，達到大幅度節(jié)能效果。 透明陶瓷：光學棱鏡、透鏡、高溫觀察窗、紅外線窗口

42、、耐高溫 (1200)瓷光管以及長壽命高溫激光材料等技術領域。 納米陶瓷：具有優(yōu)良的力學性能、抗彎強度、斷裂韌性，在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面廣泛應用，并在超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用。44第44頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二5. 高分子材料高分子材料與人們的生活息息相關，從各種器具、衣服面料到工業(yè)用工程塑料、農業(yè)用塑料薄膜，從打火機、照相機外殼到火箭殼體、航天飛機貯能罐，都成為高分子材料大顯身手的場所，與傳統(tǒng)材料比較具有無法替代的優(yōu)點。高分子材料以石油為原料，來源豐富、重量輕、可塑性好、加工方便、成本低廉，所以發(fā)展迅速，已經占

43、有巨大的市場。目前全世界高分子材料的年產量已超過1108t。按體積計算，每年消耗量超過鋼、銅和鋁的總和，高分子材料到處可見。 但目前常用高分子材料存在機械強度差和耐熱性能低的缺點。科學技術的飛速進步，對高分子材料也提出了更高的要求，推動高分子材料向著高性能和多功能方向發(fā)展。 45第45頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二通常人們把高分子材料看成質地較軟、強度差的材料。經過多年來的研究、開發(fā)，生產出許多可與鋼鐵相媲美的高分子材料(塑料、纖維)應用于許多領域。 高性能的高分子材料46第46頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二10多年前的一天，在多巴海峽上空出

44、現(xiàn)一架人力驅使的戈斯曼艾伯斯號(CA)飛機，創(chuàng)造了只用人力飛越多巴海峽的光輝紀錄。其秘密在于這是一架使用高強度合成纖維和碳纖維制造成的總重量只有25kg的高分子材料飛機。制造飛機所有的合成纖維是芳香聚酰胺纖維。這是一種高性能增強有機纖維。這種纖維的編織物是火箭殼體、航天飛機貯能罐和其他高壓容器的理想材料，而特種電纜高性能運動器具、高性能降落傘、防彈背心、頭盔和航天加壓服等也都用這種高性能高分子材料。1. 合成纖維47第47頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二“工程塑料”這個詞首先由美國杜邦公司提出，特指可在工業(yè)上使用的高性能耐熱塑料。它與普通塑料比較，有耐熱、抗彎、抗拉、耐

45、沖擊和不易變形等優(yōu)點；它與金屬比較有高強度、低密度、電絕緣、耐磨、吸震和消聲等特點。所以受到工業(yè)界的歡迎，需求量迅速增長，產量和產值大幅度增加。 2工程塑料48第48頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二高分子材料結構千變萬化、性能各有千秋的，但不同材料總是各具不同的優(yōu)缺點，為滿足某些特殊需要，人們通過物理或化學的方法將已有的兩種或多種材料制成復合材料，借金屬合金的名稱，稱之為高分子合金。3高分子合金49第49頁，共56頁，2022年，5月20日，10點2分，星期二功能高分子材料所具有的功能范圍十分寬廣，這里只就導電高分子、信息高分子、高分子分離膜、高吸水性樹脂等作簡要介紹。 功能高分子材料50第50頁，共56頁，2022年，5月20日，