納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能

納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和性能第1頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四復(fù)合涂層材料

(compositecoatingmaterials)納米涂層材料由于具有高強(qiáng)、高韌、高硬度特性，在材料表面防護(hù)和改性上有著廣闊的應(yīng)用前景．近年來(lái)納米涂層材料發(fā)展的趨勢(shì)是由單一納米涂層材料向納米復(fù)合涂層材料發(fā)展．

第2頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

高力學(xué)性能材料所謂高力學(xué)性能是指比目前常規(guī)材料所具有的強(qiáng)度、硬度、韌性以及其他綜合力學(xué)性能更好、更優(yōu)越的性能，除了對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性以外，發(fā)展高效力學(xué)性能材料已提到材料科學(xué)工作者的面前，在這方面納米復(fù)合材料的研究為探索高力學(xué)性能材料開辟了一條新的途徑．第3頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四1高強(qiáng)度合金（highstrengthalloy）

日本仙臺(tái)東北大學(xué)材料研究所用非晶晶化法制備了高強(qiáng)、高延展性的納米復(fù)合合金材料，其中包括納米Al-過(guò)渡族金屬-鑭化物合金,納米Al-Ce-過(guò)渡族金屬合金復(fù)合材料，這類合金具有比常規(guī)同類材料好得多的延展性和高的強(qiáng)度(1340～1560MPa)．這類材料結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是在非晶基體上分布納米粒子.

大塊金屬玻璃(bulkmetalglass-BMG)第4頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四Zr基塊體非晶合金已做成新一代高爾夫球拍材料倍受青睞。五、應(yīng)用探索第5頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四動(dòng)態(tài)韌性及自銳性非晶合金在高速載荷作用下，具有非常高的動(dòng)態(tài)斷裂韌性，同時(shí)在侵徹時(shí)具有自銳性，是一種適于制做穿甲彈芯的特種材料。第6頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2.在軍工方面做為穿甲彈材料已列入美國(guó)國(guó)防部研究計(jì)劃。第7頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四2增韌納米復(fù)相陶瓷

(reinforcednanocompositeceramics)

納米尺度合成使人們?yōu)橹畩^斗將近一個(gè)世紀(jì)的陶瓷增韌問(wèn)題的突破成為一種可能．第8頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四3超塑性

（superplasticity）

自20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，超塑性陶瓷材料相繼在實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世．Wakai和Nieh等人在加Y2O3穩(wěn)定化劑的四方二氧化鋯中(粒徑小于300nm)觀察到了超塑性，他們?cè)诖瞬牧匣A(chǔ)上又加入20%Al2O3，制成的陶瓷材料平均粒徑約500nm，超塑性達(dá)200％至500％．

第9頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

仿生材料(bionicmaterials)

仿生材料的研制是當(dāng)前材料科學(xué)中學(xué)科交叉的前沿領(lǐng)域.納米材料問(wèn)世以后，仿生材料研究的熱點(diǎn)已開始轉(zhuǎn)向納米復(fù)合材料,這是因?yàn)樽匀唤缟锏哪承┢鞴賹?shí)際上是一種天然的納米復(fù)合材料.一些發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)，日本，德國(guó)、俄羅斯已經(jīng)開始制定為人類健康服務(wù)的仿生材料的研究計(jì)劃，而納米仿生材料的位置也越來(lái)越重要高.

第10頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四其它的應(yīng)用領(lǐng)域1高分子基納米復(fù)合材料2磁性材料

3磁致冷材料

4超軟磁材料和硬磁材料

5巨磁電阻材料

6光學(xué)材料

7高介電材料

第11頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四納米復(fù)合材料的重要性納米復(fù)合材料是屬于納米材料工程的重要組成部分，以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)的納米復(fù)合材料的研究在未來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)將有很強(qiáng)的生命力，也是新材料發(fā)展的一個(gè)重要部分,因此應(yīng)該對(duì)其研究給予高度的重視．第12頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四納米復(fù)合材料的發(fā)展方向開展納米復(fù)合人工超結(jié)構(gòu)的研究。根據(jù)納米結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)把異質(zhì)、異相、不同的有序度的材料在組米尺度下進(jìn)行合成（synthesis）、組合（assembling）和剪裁（tailoring），設(shè)計(jì)新型的元件，發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，開展基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在繼續(xù)開展簡(jiǎn)單納米材料研究的同時(shí)，注意對(duì)納米復(fù)雜體系的探索也是當(dāng)前納米材料發(fā)展的新動(dòng)向．

第13頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

納米結(jié)構(gòu)和納米材料的應(yīng)用

在21世紀(jì)信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國(guó)防的高速發(fā)展必然對(duì)材料提出新的需求，材料的小型化、智能化、元件的高集成、高密度存儲(chǔ)和超快傳輸?shù)葹榧{米材料的應(yīng)用提供了廣闊的應(yīng)用空間．世界各國(guó)面對(duì)著新世紀(jì)的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)都在重新思考如何調(diào)整國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的布局．如何發(fā)展高科技，增強(qiáng)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)力，納米科技在這方面將發(fā)揮重要的作用．

第14頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四量子磁盤與高密度磁存儲(chǔ)一般磁盤存儲(chǔ)密度達(dá)到106～107bit/in2光盤的存儲(chǔ)密度提高到109bit/in2有人一度把1011bit／in2稱之為不可愈越的極限

量子磁盤的問(wèn)世，使磁盤的尺寸比原來(lái)的磁盤縮小了10000倍，磁存儲(chǔ)密度達(dá)到41011bit／in2

第15頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四量子磁盤與高密度磁存儲(chǔ)納米結(jié)構(gòu)的磁盤，尺寸為l00nml00nm，由直徑為l0nm，長(zhǎng)度為40nm的Co棒按周期為40nm排列成陣列(如右圖所示)第16頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高密度記憶存儲(chǔ)元件

記憶存儲(chǔ)元件的發(fā)展趨勢(shì)是降低元件尺寸，提高存儲(chǔ)密度；鐵電材料，特別是鐵電薄膜是設(shè)計(jì)制造記憶存儲(chǔ)元件的首選材料．

納米結(jié)構(gòu)有序平面陣列體系是設(shè)計(jì)下一代超小型、高密度記憶元件的重要途徑．

第17頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四單電子晶體管的用途單電子晶體管的用途很多，它可用作超高密度信息存儲(chǔ)，超敏電流計(jì)，近紅外輻射接收器和直流電流標(biāo)準(zhǔn)器．(1)單電子記憶依據(jù)單電子晶體管“庫(kù)侖島”上存在或缺乏一個(gè)電子的狀態(tài)變化，單電子晶體管可用作高密度信息存儲(chǔ)的記憶單元．

第18頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四單電子晶體管的用途(2)超敏感電流計(jì)比通常使用的場(chǎng)效應(yīng)晶體管對(duì)電荷的靈敏度要高6倍．所以利用這個(gè)性質(zhì)，可以制成高精度的電流計(jì)．

第19頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四單電子晶體管的用途(3)微波探測(cè)當(dāng)用微波進(jìn)行輻照時(shí)，輻射能通過(guò)導(dǎo)線與器件耦合．處于超導(dǎo)態(tài)的單電子晶體管器件吸收了頻率為約80GHz的輻射后，使原先在能量上被禁止的單電子隧穿過(guò)程得以進(jìn)行，此時(shí)，在電流曲線上可觀察到一個(gè)小的庫(kù)珀對(duì)隧穿產(chǎn)生的電流峰．

這種單電子晶體管對(duì)微波的敏感度比目前最好的輻射熱器件要敏感100倍．

第20頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四單電子晶體管進(jìn)行大規(guī)模集成

一是如何將大量的單電子晶體管集成在一起；在原理上采用化學(xué)自組裝是能解決這一問(wèn)題的。二是如何將單電子晶體管陣列與外界連接．a(chǎn)是用雜化的方法，即把單電子晶體管和相關(guān)元件與已有的金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管集成在一起．這種方法能夠增加集成線路的密度。b是由團(tuán)簇相連構(gòu)成的基本單元之間的靜電作用形成的電路

第21頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四單電子晶體管進(jìn)行大規(guī)模集成在Korotkov的設(shè)計(jì)中

基本單元為絕緣體連接納米團(tuán)簇構(gòu)成的串(如右圖中的上圖),隨著外加電場(chǎng)方向的改變，極化導(dǎo)致這種基本單元給出一個(gè)“0”態(tài)或“1”態(tài)．

在Lent的設(shè)計(jì)中基本單元為納米團(tuán)簇構(gòu)成的矩形單元(右圖中的下圖)第22頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高效能量轉(zhuǎn)化納米結(jié)構(gòu)(1)高效再生鋰電池具有再生能力的電池廣泛用于手機(jī)、小型家用電器、電動(dòng)剃須刀以及微型儀器儀表上．隨著器件的微型化，要求電池不但具有高能量密度，同時(shí)電池的尺寸進(jìn)一步微型化，這就為納米材料和納米結(jié)構(gòu)在電池上的應(yīng)用提供了機(jī)遇．

第23頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高效能量轉(zhuǎn)化納米結(jié)構(gòu)(2)太陽(yáng)能電池

太陽(yáng)能的利用是21世紀(jì)能源開發(fā)的重點(diǎn)，這不僅是因?yàn)樘?yáng)能取之不盡，用之不絕，更重要的是因?yàn)樗鼘?duì)環(huán)境沒(méi)有污染，是理想的清潔能源。世界各國(guó)都制訂了太陽(yáng)能應(yīng)用的規(guī)劃，研制高效太陽(yáng)能電池是太陽(yáng)能利用的一個(gè)重要方面．納米材料和納米結(jié)構(gòu)作為太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化材料已引起人們高度的重視．

第24頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四太陽(yáng)能電池第25頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四高效能量轉(zhuǎn)化納米結(jié)構(gòu)(3)熱電轉(zhuǎn)化

熱電轉(zhuǎn)化材料是能源產(chǎn)業(yè)重要的材料，在熱電廠和儀器儀表方面有著重要的應(yīng)用，長(zhǎng)期以來(lái)人們致力于尋找熱電轉(zhuǎn)化效率更高的材料，納米材料和納米結(jié)構(gòu)的問(wèn)世為尋找高效熱電轉(zhuǎn)化材料提供了機(jī)遇．

第26頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四燃料電池第27頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四燃料電池類型及其特征第28頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超微型納米陣列激光器納米陣列激光器是21世紀(jì)超微型激光器重要的發(fā)展方向．回顧激光器發(fā)展的歷史，大致可以分為3個(gè)階段：自從20世紀(jì)60年代激光被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，1962年就制成了第一個(gè)半導(dǎo)體激光器．幾十年來(lái)，人們主要圍繞三方面問(wèn)題來(lái)不斷改進(jìn)激光器．一是進(jìn)一步增加激光強(qiáng)度，二是降低產(chǎn)生激光的電流密度，三是提高熱穩(wěn)定性．

第29頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四第30頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四光吸收的過(guò)濾器和調(diào)制器光過(guò)濾是指控制光在一定波長(zhǎng)范圍之內(nèi)通過(guò)的現(xiàn)象，光過(guò)濾現(xiàn)象在光通信等方面有廣泛的應(yīng)用前景．目前，光過(guò)濾用的產(chǎn)品有窄帶過(guò)濾器，截止過(guò)濾器．納米材料誕生為設(shè)計(jì)高效光過(guò)濾器提供了新的機(jī)遇，除了納米材料尺寸小，可以把光過(guò)濾器尺寸縮小外，更重要的是可以利用納米材料的尺寸效應(yīng)，在同一種類材料上實(shí)現(xiàn)波段可調(diào)的光過(guò)濾器．

第31頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四微型傳感器傳感器是超微粒子最有前途的應(yīng)用領(lǐng)域之一．一般超微粒(金屬)是黑色，具有吸收紅外線等特點(diǎn)，而且表面積巨大、表面活性高，對(duì)周圍環(huán)境敏感(溫、氣氛、光、濕度等)，可望利用超微粒制成敏感度高的超小型、低能耗、多功能傳感器．

第32頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四微型傳感器(1)氣體傳感器

氣體傳感器是化學(xué)傳感器的一種．它是利用金屬氧化物隨周圍氣氛中氣體組成的改變，電學(xué)性能(如電阻)所發(fā)生的變化來(lái)對(duì)氣體進(jìn)行檢測(cè)和定量測(cè)定的．

用作氣體傳感器的微粒粒徑為1至幾微米，粒子越小，比表面積越大，則表面與周圍接觸而發(fā)生相互作用的幾率越大，從而敏感度越高．

目前已實(shí)用化的氣體傳感器有納米SnO2膜制成的傳感器，它可用作可燃性氣體泄漏報(bào)警器和濕度傳感器．

第33頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四微型傳感器第34頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四微型傳感器(2)紅外線傳感器由Au超微粒子沉積在基板上形成的膜可用作紅外線傳感器．右圖為Au超微粒膜的紅外傳感器的剖面圖．

第35頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四微型傳感器(3)濕敏傳感器

利用納米微粒與介孔固體組裝成組裝體的環(huán)境敏感效應(yīng)，可制成納米結(jié)構(gòu)的傳感器．

這種受環(huán)境濕度影響透明-不透明可逆轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象可以作為設(shè)計(jì)納米微型開關(guān)的基礎(chǔ).第36頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四納米結(jié)構(gòu)高效電容器陣列

隨著集成塊尺寸減小，集成度越來(lái)越高，元件的尺寸也將進(jìn)一步地縮?。壳暗碾娙萜鞒叨却蟾艦?.5mm0.5mml.0mm，有人預(yù)計(jì)21世紀(jì)將進(jìn)一步縮小到納米尺度，所用的材料必然是納米材料，這是因?yàn)榧{米電容材料的高介電性可以在電容總體尺寸縮小的情況下保持高容量．

第37頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四超高靈敏度電探測(cè)器和高密度電接線頭痕量電荷如何探測(cè)一直是人們關(guān)心的問(wèn)題，納米結(jié)構(gòu)電極組裝體可以把目前電分析探測(cè)極限降低3個(gè)數(shù)量級(jí)，即探測(cè)靈敏度提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)．

第38頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四

納米結(jié)構(gòu)離子分離器

離子分離器在電化學(xué)和再生電池等方面有著重要的作用，提高離子分離效率一直是人們追求的目標(biāo)，納米結(jié)構(gòu)為解決這個(gè)問(wèn)題提供了新的途徑．近年來(lái)已有報(bào)道，利用納米孔洞陣列模板合成Au納米管陣列，可以作為高效離子分離器。第39頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四仿生納米材料第40頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四仿生納米材料生物體的殼為納米結(jié)構(gòu)，有機(jī)體作為結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑，基本單元為晶態(tài)的CaCO3和非晶態(tài)的SiO2組成。第41頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四趨磁性細(xì)菌磁性導(dǎo)航：從富氧水的環(huán)境（對(duì)其有毒害）遷移到富營(yíng)養(yǎng)的沉積物中。北半球北極運(yùn)動(dòng)南半球南極運(yùn)動(dòng)第42頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四靜態(tài)自組裝合成介觀DNA膜第43頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四DNA基因序列測(cè)定納米金粒子與DNA結(jié)合后使其在溶液中的光譜發(fā)生變化，進(jìn)而檢測(cè)到相關(guān)的DNA序列。第44頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四DNA基因序列測(cè)定掃描陣列探測(cè)系統(tǒng)（左）比常規(guī)熒光探測(cè)（右）靈敏度高兩個(gè)量級(jí)第45頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四半導(dǎo)體納米晶用于生物標(biāo)志第46頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四碳疽病毒的探測(cè)第47頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四更靈敏的免疫測(cè)定第48頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四在生物和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用

納米微粒的尺寸一般比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個(gè)新的研究途徑，即利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離、細(xì)胞染色及利用納米微粒制成特殊藥物或新型抗體進(jìn)行局部定向治療等．這方面的研究現(xiàn)在處于初級(jí)階段，但卻有廣泛的應(yīng)用前景．第49頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四細(xì)胞分離生物細(xì)胞分離是生物細(xì)胞學(xué)研究中一種十分重要的技術(shù)，它關(guān)系到研究所需要的細(xì)胞標(biāo)本能不能快速獲得的關(guān)鍵問(wèn)題．這種細(xì)胞分離技術(shù)在醫(yī)療臨床診斷上有廣闊的應(yīng)用前景．第50頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離

20世紀(jì)80年代初，人們開始利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離，建立了用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的新技術(shù)．此方法的優(yōu)點(diǎn)是：

(i)易形成密度梯度．一般來(lái)說(shuō)，病毒尺寸為80-100nm，細(xì)菌幾百納米，細(xì)胞尺寸更大些，而納米包覆體尺寸約30nm，因而膠體溶液在離心作用下很容易產(chǎn)生密度梯度．

(ii)易實(shí)現(xiàn)納米SiO2粒子與細(xì)胞的分離．這是因?yàn)榧{米SiO2微粒是屬于無(wú)機(jī)玻璃的范疇，性能穩(wěn)定，一般不與膠體溶液和生物溶液反應(yīng)，既不會(huì)沾污生物細(xì)胞，也容易把它們分開．第51頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四細(xì)胞內(nèi)部染色

細(xì)胞內(nèi)部的染色對(duì)用光學(xué)顯徽鏡和電子顯微鏡研究細(xì)胞內(nèi)各種組織是十分重要的一種技術(shù)．它在研究細(xì)胞生物學(xué)中占有極為重要的作用．隨著細(xì)胞學(xué)研究的發(fā)展，要求進(jìn)一步提高觀察細(xì)胞內(nèi)組織的分辨率，這就需要尋找新的染色方法．納米微粒的出現(xiàn)，為建立新的染色技術(shù)提供了新的途徑．

第52頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四表面包敷磁性納米粒子在藥物上的應(yīng)用

磁性納米粒子表面涂覆高分子，在外部再與蛋白相結(jié)合可以注入生物體中，這種技術(shù)目前尚在實(shí)驗(yàn)階段，已通過(guò)了動(dòng)物臨床實(shí)驗(yàn)．基本過(guò)程：這種載有高分子和蛋白的磁性納米粒子作為藥物的載體，然后靜脈注射到動(dòng)物體內(nèi)(小鼠、白兔等)，在外加磁場(chǎng)677×103(A/m)下通過(guò)納米微粒的磁性導(dǎo)航，使其移向病變部位，達(dá)到定向治療的目的．

第53頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四磁性超微粒子分離癌細(xì)胞第54頁(yè)，共65頁(yè)，2023年，2月20日，星期四光學(xué)應(yīng)用納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過(guò)程中的能量損耗等都與納米微粒的尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系．研究表明，利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制備成各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用．

第55頁(yè)，共65頁(yè)，2023年