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聚合物基复合材料ppt作品

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聚合物基复合材料ppt作品

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这是一个关于聚合物基复合材料ppt作品,主要介绍聚合物基复合材料的基本性能、聚合物基复合材料的结构设计、纳米与纳米科技、纳米颗粒的制备方法。欢迎点击下载哦。

第四章 聚合物基复合材料
4.1 聚合物基复合材料的基本性能
影响聚合物基复合材料性能的因素是多种多样的。
(1)增强材料的强度及弹性模量以及基体材料的强度及化学稳定性等是决定复合材料性能的主要因素。原材料一旦选定,则增强材料的含量及排布方式与方向称为主要决定因素
(2)采用不同的成型工艺制品性能也有较大差异
(3)增强纤维与基体树脂的界面粘结状况在一定条件下也会影响复合材料的性能
4.1.1 力学性能
一、力学性能的特点
(1)比强度高  纤维增强树脂基复合材料的密度在1.4~2.2g/cm3之间,约为钢的1/5~1/4,而强度与一般碳素钢相近。因此,树脂基复合材料的比强度很高。
(2) 各向异性  纤维增强树脂基复合材料的力学性能呈现明显的方向依赖性,十一中各向异性材料。因此在设计和制造材料时应尽量在最大外力方向上排布增强纤维,以求充分发挥材料的潜力,降低材料的消耗。
(3)弹性模量和层间剪切强度低   玻璃纤维增强树脂的弹性模量、层间剪切强度较低;碳纤维增强树脂的弹性模量、层间剪切强度较高。
(4)性能分散性大  由于纤维增强树脂基复合材料受一系列因素的影响,其性能不稳定,离散系数较大。
二、力学性能
(1)拉伸性能
    单向增强树脂基复合材料沿纤维方向的拉伸强度及拉伸模量均随纤维体积含量的增大而正比例增加;短切纤维和玻璃布增强的复合材料层合板来讲,其拉伸强度及拉伸模量不与纤维体积含量成正比例增加,但随着纤维体积含量的增加而提高。
(2)压缩性能
    树脂基复合材料的压缩破坏取决于基体材料的破坏,而拉伸破坏取决于纤维增强材料的破坏。因此,提高树脂基复合材料压缩性能应着眼于选用压缩强度较高的树脂基体。
(3)弯曲性能
    纤维增强复合材料的弯曲强度和弯曲弹性模量都随体积含量的上升而提高,而且依纤维增强材料的种类、铺层方式、纤维织物种类的不同而异。纤维增强树脂基复合材料的弯曲破坏首先表现为增强纤维与集体界面的破坏,其次是基体材料的破坏,最后才是增强材料的破坏。
(4)剪切性能
    纤维增强树脂复合材料的层间剪切强度与纤维含量有关,实验表明,岁纤维含量增大,复合材料的剪切弹性模量上升,剪切特性亦呈现方向性。
4.1.2 疲劳性能
    影响树脂基复合材料疲劳特性的因素很多,每种纤维增强复合材料都存在一个最佳纤维体积含量。当纤维含量低于或高于最佳值时,其疲劳强度都会下降
4.1.3 冲击强度
    纤维增强树脂基复合材料的冲击特性取决于成型方法和增强材料的形态,不同成型方法的制品的冲击强度不同。
     纤维缠绕制品的冲击性能最佳,约500kJ/m2;
     模压成型次之,约50~100kJ/m2;
     手糊成型和注射成型较低,在10~30kJ/m2之间;
     玻璃布增强树脂基复合材料的冲击性能在200~300kJ/m2左右,
     玻璃毡增强的复合材料则在100~200kJ/m2之间。
     此外,纤维的体积含量、种类、基体材料及界面黏结状况等因素会影响复合材料的冲击强度。实验表明,纤维含量越高,冲击强度提高;而疲劳次数增加,冲击强度也会降低。
4.1.4 蠕变性能
    复合材料在恒定应力作用下,形变随时间的延长而不断增大,这种现象称为蠕变。
    蠕变是由于基体材料的链段或整链运动不能瞬间完成,而需要一定时间的结果。
    蠕变严重时将导致材料或制品尺寸不稳定。
    提高材料抗蠕变性能的途径有:提高机体材料的交联度,选用碳纤维等能增加制品刚性的增强材料
4.1.5 物理性能
一、电性能
    纤维增强树脂的电性能一般介于纤维和树脂的电性能之间,因此改善纤维或树脂的电性能对于改善复合材料的电性能是有益的。
    树脂基复合材料的电性能对于纤维与树脂的界面黏结状态并不敏感;但杂质尤其是水分对其影响很大。石英玻璃纤维和高硅氧玻璃纤维的介电性最佳;无碱玻璃纤维的电绝缘性优良;碳纤维属于半导体材料,其导电性能随热处理温度的升高而提高。
     树脂的电性能与其分子结构密切相关。一般而言,分子极性越大,电绝缘性越差;分子中极性基团的存在以及分子结构的不对称性均影响树脂分子的极性,也影响着树脂的电性能。
二、温度特性
    纤维增强树脂基复合材料具有较低的热导率,因此树脂基复合材料具有良好的隔热性能,可作隔热材料使用;
     纤维增强树脂基复合材料具有较好的热稳定性和尺寸稳定性。复合材料的热膨胀系数取决于树脂基体的热膨胀系数,还与纤维的含量有关,纤维含量越高,其热膨胀系数越小,而且沿纤维方向上膨胀最小。
    树脂基复合材料的热变形温度和耐热温度很低,例如各种复合材料的热变形温度在100~200℃之间,耐热极限大多不超过250 ℃。因此,一般来说纤维增强树脂基复合材料的耐热性不好。提高复合材料耐热性能的关键在于基体材料的选择上,如脂肪族环氧树脂、聚酰亚胺树脂等,可使材料的使用温度提高到250 ℃以上。
三、阻燃性能
    当纤维树脂基复合材料接触火焰或热源时,温度升高,进而发生热分解、着火、持续性燃烧等现象。
    阻燃性复合材料即指采用阻燃自熄或燃烧无烟的树脂制造的复合材料,其阻燃性主要取决于树脂基体。制作阻燃复合材料时,要在树脂分子中引入卤素,或掺入含锑、磷等元素的化合物。
按阻燃剂的作用机理可以分为反应型和添加剂型两大类。
    反应型阻燃复合材料是将卤素元素直接引入树脂分子中,其阻燃作用是靠燃烧时在表面形成难燃的卤素气体保护层,隔绝材料与氧气的接触,达到阻燃的目的。反应型阻燃树脂的阻燃效果较好,但是成本较高。
    添加型阻燃树脂基复合材料是通过物理混合的方法,将具有自熄性的化合物作为填料掺和到树脂中。
    这类化合物有以下几种:(1)有机卤化物—氯化石蜡、六溴代苯;(2)磷酸酯类—磷酸三苯酯、磷酸三丙烯酯;(3)无机阻燃剂类—三氧化二锑、氢氧化铅、水合硼酸锌、明矾等
四、光学性能
    影响树脂基复合材料透光性的主要因素有:增强材料和基体材料的透光性,增强材料和基体材料的折射率及其他(如复合材料厚度,表面形状和光滑程度,纤维形态、含量,固化剂种类和用量,着色剂、填料的种类和用量等)
4.2 聚合物基复合材料的结构设计
☆材料设计是指根据对材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。
☆对设计一词的传统解释为:进行某项制作或工程以前,根据该项目的使用目的和性能要求,拟定其材料、结构、工艺、用地、进度、费用等各方面的计划和估算。
⊙复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置和复合工艺类型及参数,来改变复合材料的性能,特别是使其具有各向异性,从而适应在不同位置、不同方向和不同环境条件下的使用要求。
⊙复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度,从而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的优化结构。
在结构设计中,首先应明确设计条件,即根据使用目的提出性能要求、载荷情况、环境条件及受几何形状和尺寸大小的限制等,这些往往是设计任务书的内容。
(1)结构性能要求     一般来说,体现结构性能的主要内容有:①结构所能承受的各种载荷,确保在使用寿命内的安全;②提供装置各种配件、仪器等附件的空间,对结构形状和尺寸有一定的限制;③隔绝外界的环境状态而保护内部物体。
(2)载荷情况  
    结构承载分为静载荷和动载荷
    静载荷:缓慢的由零增加到某一数值以后就保持不变或变动不显著的载荷;
    动载荷:能够使构件产生较大的加速度,并且不能忽略产生的惯性力的载荷。
    在静载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗破坏和抵抗变形的能力,即具有足够的强度和刚度。
    在动载荷的作用下结构一般应设计成具有抵抗冲击、耐疲劳来设计结构
(3)环境条件
   一般在设计结构时,应明确的确定结构的使用目的,要求完成的使命,且还有必要明确它在保管、包装、运输等整个使用期间的环境条件,以及这些过程的时间和往返次数等,以确保在这些环境条件下结构的正常使用。为此,必须充分考虑各种可能的环境条件。一般为下列四种环境条件:(1)力学条件:加速度、冲击、振动、声音等;(2)物理条件:压力、温度、湿度等;(3)气象条件:风雨、冰雪、日光等;(4)大气条件:放射线、霉菌、盐雾、风沙等。分析各种环境条件下的作用与了解复合材料在各种环境条件下的性能,对于正确进行结构设计是很有必要的,除此之外,还应从长期使用角度出发,积累复合材料的变质、磨损、老化等长期性能变化的数据。
(4)结构的可靠性与经济性
    所谓结构的可靠性,是指结构在所规定的使用寿命内,在给予的载荷情况和环境条件下,充分实现所预期的性能时结构正常工作的能力,这种能力用一种概率来度量称为结构的可靠度。
    结构强度最终取决于构成这种结构的材料强度,所以欲确定结构的可靠度,必须对材料特性作统计处理,整理出它们的性能分布和分散性资料。
    结构设计的合理性最终表现在可靠性和经济性两方面。一般来说,要提高可靠性就得增加初期成本,而维修成本是随可靠性的增加而降低的,所以总成本最低时(即经济性最要好)的可靠性为最合理。
4.2.2 材料设计
    材料设计,通常是指选用几种原材料组成具有所要求性能的材料的过程。
  由于不同构件的功能不同,因此对于组成构件的材料的性能要求也不同,同时,所采用的材料还受到相应约束条件的限制。
★对所采用材料的约束条件
☆对所采用材料的约束条件包括:
    资源、能耗、环保、成本、生产周期、寿命、使用条件(温度、气氛、载荷性质、所接触的介质等)。
一、原材料的选择原则
(1)比强度、比刚度高原则
    在满足强度、刚度、耐久性和损伤容限等要求的前提下,应使结构质量最轻。
(2)材料与结构的使用环境相适应的原则
    通常要求材料的主要性能在结构整个使用环境条件下,其下降幅值应不大于10%。
(3)满足结构特殊性要求的原则
    除了结构刚度和强度意外,许多结构物还要求有一些特殊性能。通常为满足这些特殊性要求,要着重考虑合理的选取基体材料。
(4)满足工艺性要求的原则
    复合材料的工艺性包括预浸料工艺性、固化成型工艺性、机加装配工艺性和修补工艺性四方面。
(5)成本低、效益高的原则
    成本包括初期成本和维修成本,而初期成本包括材料成本和制造成本。效益指减重获得节省材料、性能提高、节约能源等方面的经济效益。
    成本低、效益高的原则是一项重要的选材原则
二、纤维的选择
▼高强度、高模量
▼易于生产加工
▼良好的化学稳定性
▼耐机械损伤
▼具有合适的尺寸和几何形状
▼纤维性能再现性(或一致性)好
▼柔曲性好
▼价格能为使用方承受
(1)若结构要求有良好的透波、吸波性能,可选取Kevlar纤维、氧化铝纤维等作为增强材料;
(2)若结构要求有高的刚度,则可选用高模量碳纤维或硼纤维;
(3)若结构要求有高的抗冲击性能,则可选用玻璃纤维、Kelvar纤维;
(4)若结构要求有好的低温工作性能,则可选用低温下不脆化的碳纤维;
(5)若结构要求尺寸不随温度变化,则可选用Kelvar纤维或碳纤维;
(6)若结构要求既有较大的强度又有较大的刚度时,则可选用比强度和比刚度均较高的碳纤维或硼纤维。
(1)各组分材料之间的相容性,包括:
三、树脂选择
选择基体应明确的问题
(1)复合材料的耐温和耐环境性主要取决于基体;
(2)复合材料其他性质(如对纤维的粘接性、传递和分散载荷的功能等)也依赖基体;
(3)纤维增强复合材料的使用温度范围通常按基体划分。
目前树脂基复合材料中用的最多的基体是热固性树脂,尤其是各种牌号的环氧树脂。
    环氧树脂有较高的力学性能,但工作温度较低,只能在-40 ~130℃范围内长期工作。对于需耐高温的复合材料,主要是用聚酰亚胺作为基体材料,它能在200~259 ℃温度下长期工作。
树脂的选择应考虑如下的各种要求:
(1)要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作;
(2)要求基体材料具有一定的力学性能;
(3)要求基体的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率,以确保充分发挥纤维的增强作用;
(4)要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能,主要指吸湿性、耐介质、耐候性、阻燃性、低烟性和低毒性;
(5)要求具有一定的工艺性,主要是指黏性、凝胶时间、挥发分含量、预浸带的保存期和工艺期、固化时的压力和温度、固化后的尺寸收缩率等。
4.2.3 结构设计
对应不同的设计目标,可以有下列五种设计类型:
(1)安全设计
(2)单项性能设计
(3)等强度设计
(4)等刚度设计
(5)优化设计
(1)安全设计
▲要求所设计的结构或构件在使用条件下安全工作,不致发生失效。
▲具体到材料,则表现为必须达到特定的性能指标(如强度、模量等)。
(2)单项性能设计
▲使复合材料的某一项性能满足要求。例如透波或吸波、隐身、零膨胀、耐高温、耐某种化学介质等。
▲但是设计者必须在重点满足主要要求的同时,尽可能地兼顾其他性能的综合要求,以避免结构复杂和臃肿。
(3)等强度设计
▲对于材料来说,等强度设计就是要求其性能的各向异性能够符合工作条件环境要求的方向性。
(4)等刚度设计
▲等刚度设计是要求材料的刚性能够满足对于构件变形的限制条件,并且没有过多的冗余。
(5)优化设计
☆优化设计(optimal design)就是使目标函数取极值的设计,包括:
♀最小质量设计
♀最长寿命设计
♀最低成本设计
♀最低单位时间使用费用设计,又称价值工程(value engineering)或价值分析(value analysis),即花费金额/服役时间愈低,其结构愈经济。
★复合材料制品的设计和研制步骤
主要设计步骤:
1)通过论证明确对于材料的使用性能要求,确定设计目标;
2)选择材料体系(增强体、基体);
3)确定组分比例、几何形态及增强体的配置;
4)确定制备工艺方法及工艺参数;
5)在完成复合材料设计方案后,应结合市场供应情况和研制单位的已有条件,采购原材料,购置或改造工艺设备,完成制造工艺条件准备;
6)按预定方案进行样品试制;
7)测试所制得样品的实际性能,检验是否达到使用性能要求和设计目标。
8)在总结试制经验与成果的基础上,调整设计方案,组织制品生产。
复合材料制件设计程序框图
聚合物基纳米复合材料
第五章  概述
5.1 纳米与纳米科技
5.2 纳米复合材料的定义
5.3 聚合物基纳米复合体系
5.4 纳米颗粒的制备方法
5.5 聚合物基纳米复合材料的制备方法
5.1 纳米与纳米科技
一、纳米的诞生
    1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后将变成根据人类意愿,逐个地排列原子,制造“产品”,这是关于纳米技术最早的梦想。 七十年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。
1974年,科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工。 1982年,科学家发明研究纳米的重要工具--扫描隧道显微镜,使人类首次在大气和常温下看见原子,为我们揭示一个可见的原子、分子世界,对纳米科技发展产生了积极促进作用。 1990年7月,第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办,标志着纳米科学技术的正式诞生
1991年,碳纳米管被人类发现,它的质量是相同体积钢的六分之一,强度却是钢的10成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为,纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料,也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
1993年,继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文名字、 1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后,中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字,标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。
1997年,美国科学家首次成功地用单电子移动单电子,利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机。 1999年,巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的 “秤”,它能够称量十亿分之一克的物体,即相当于—个病毒的重量;此后不久,德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤,打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。
到1999年,纳米技术逐步走向市场,全年纳米产品的营业额达到500亿美元。 近年来,一些国家纷纷制定相关战略或者计划,投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心,把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心,美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。
二、扫描隧道显微镜介绍
扫描隧道显微镜是80年代初期发展起来的新型显微仪器,能达到原子级的超高分辨率。扫描隧道显微镜不仅作为观察物质表面结构的重要手段,而且可以作为在极其细微的尺度──即纳米尺度(1 nm=10-9 m)上实现对物质表面精细加工的新奇工具。目前科学家已经可以随心所欲地操纵某些原子。一门新兴的学科──纳米科学技术已经应运而生。
20世纪80年代初期,IBM公司苏黎世实验室的两位科学家G.Binnig和H.Roher发明了扫描隧道显微镜。      这种新型显微仪器的诞生,使人类能够实时地观测到原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理化学性质,对表面科学、材料科学、生命科学以及微电子技术的研究有着重大意义和重要应用价值。为此这两位科学家与电子显微镜的创制者ERrska教授一起荣获1986年诺贝尔物理奖。
    STM具有空间的高分辨率(横向可达0.1nm,纵向可优于0.01 nm),能直接观察到物质表面的原子结构,把人们带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道效应和扫描。它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)去接近样品表面,当针尖和表面靠得很近时(<1nm),针尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭,若在针尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样品构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动,就可把表面的信息;(表面形貌和表面电子态)记录下来。由于STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性,国际上掀起了研制和应用STM的热潮,推动了纳米科技的发展。
三、纳米材料的特性
    纳米材料又称为超微颗粒材料,由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1~100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型人介观系统,它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒(纳米级)后,它将显示出许多奇异的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
1.表面效应
    2.小尺寸效应
       3.量子尺寸效应
          4.宏观量子隧道效应
1.表面效应
2.小尺寸效应
    随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下一系列新奇的性质。 (1) 特殊的光学性质 (2) 特殊的热学性质 (3) 特殊的磁学性质 (4)特殊的力学性质 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。
3.量子尺寸效应
随着粒子由宏观尺寸进入纳米范围,准连续能带将分裂为分立的能级,能级间的距离随粒子尺寸减小而增大,这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。
    这种量子尺寸效应导致纳米粒子具有与宏观物质截然不同的反常特性。例如,粒径为20nm的银微粒在温度为1K时出现由导体变为绝缘体的现象。
4.宏观量子隧道效应
四、几种典型的纳米材料
纳米颗粒型材料
纳米固体材料
纳米膜材料
纳米磁性液体材料
碳纳米管
纳米颗粒型材料也称纳米粉末,一般指粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小,比表面大和量子尺寸效应等原因,它具有不同于常规固体的新特性。
用途:
高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。
纳米固体材料
       纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型,或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。
纳米膜材料
           纳米薄膜是指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。
 纳米磁性液体材料
        磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂,高度弥散于一定基液中,而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动,因此具有其它液体所没有的磁控特性。
         碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一,但它的导电率是铜的1万倍,它的强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬,却有柔韧性,可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。   
如果用碳纳米管做绳索,是唯一可以从月球挂到地球表面,而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯,人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪,可做成几厘米厚的壁挂式电视屏,这是电视制造业的发展方向。
三、纳米材料在光学方面的应用
  纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性,如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等,都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。研究表明,利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段,有的得到了推广应用。下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用。
1.红外反射材料
高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明,但是电能的69%转化为红外线,这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉,仅有一少部分转化为光能来照明。同时,灯管发热也会影响灯具的寿命。如何提高发光效率,增加照明度一直是亟待解决的关键问题,纳米微粒的诞生为解决这个问题提供了一个新的途径。20世纪80年代以来,人们用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成了多层干涉膜,总厚度为微米级,衬在有灯丝的灯泡罩的内壁,结果不但透光率好,而且有很强的红外线反射能力。有人估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时,可节省约15%的电
2.优异的光吸收材料
  纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜,这种膜对紫外有吸收能力依赖于纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分。目前,对紫外吸收好的几种材料有:30~40nm的TiO2纳米粒子的树脂膜;Fe2O3纳米微粒的聚酯树脂膜。前者对400nm波长以下的紫外光有极强的吸收能力,后者对600nm以下的光有良好的吸收能力,可用作半导体器件的紫外线过滤器
3.隐身材料
       由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,这就大大减少波的反射率,使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱,从而达到隐身的作用;另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3~4个数量级,对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多,这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低,因此很难发现被探测目标,起到了隐身作用。
四、纳米技术与纳米材料在环境保护方面的作用
随着纳米技术的悄然崛起,纳米环保也会迅速来临,拓展人类利用资源和保护环境的能力,为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件。
1.纳米技术在治理有害气体方面的应用
纳米技术可以制成非常好的催化剂,其催化效率极高。经它催化的石油中硫的含量小于0.01%。因而,在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂,以帮助煤充分燃烧,提高能源的利用率,防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于汽车尾气催化,有极强的氧化还原性能,使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物,根本无需进行尾气净化处理。
2.纳米技术在污水处理方面的应用
  污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失,也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来,变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10~20倍。
3.纳米TiO2与环境保护
  由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外,还具有光催化性能,使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。
(1)降解空气中的有害有机物
对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等的研究结果表明,光催化剂可以很好地降解这些物质,其中纳米TiO2的降解效率最好,将近达到100%。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理,改善厂区周围空气质量。
(2)降解有机磷农药
有机磷农药是70年代发展起来的农药品种,占我国农药产量的80%,它的生产和使用会造成大量有毒废水。这一环保难题,使用纳米TiO2来催化降解可以得到根本解决。
(3)处理毛纺染整废水
用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水,具有省资、高效、节能,最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点,显示出良好的应用前景。
(4)解决石油污染问题
在石油开采运输和使用过程中,有相当数量的石油类物质废弃在地面、江湖和海洋水面,用纳米TiO2可以降解石油,解决海洋的石油污染问题。
(5)处理城市生活垃圾
用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解,其速度是大颗粒TiO2的10倍以上,从而解决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。
(6)高效的杀菌剂
一般常用的杀菌剂Ag、Cu等能使细胞失去活性,但细菌被杀死后,可释放出致热和有毒的组分如内毒素。内毒素是致命物质,可引起伤寒、霍乱等疾病。利用纳米TiO2的光催化性能不仅能杀死环境中的细菌,而且能同时降解由细菌释放出的有毒复合物。在医院的病房、手术室及生活空间细菌密集场所安放纳米TiO2光催化剂还具有除臭作用。
五、纳米技术在生物工程上的应用
  众所周知,分子是保持物质化学性质不变的最小单位。生物分子是很好的信息处理材料,每一个生物大分子本身就是一个微型处理器,分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化,其原理类似于计算机的逻辑开关,利用该特性并结合纳米技术,可以此来设计量子计算机。美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法,有效地解决了目前计算机无法解决的问题—“哈密顿路径问题”,使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。       
到目前为止,还没有出现商品化的分子计算机组件。科学家们认为:要想提高集成度,制造微型计算机,关键在于寻找具有开关功能的微型器件。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导“与”门,利用发光门制成蛋白质存储器。此外,他们还利用细菌视紫红质蛋白质研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。
纳米计算机的问世,将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限,使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍,从而实现电子学上的又一次革命。
5.4 纳米颗粒的制备方法
“纳米材料”这一概念在20世纪80年代初正式形成,它现已成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点,而其制备科学在当前的纳米材料研究中占据着极为关键的地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法和化学方法两大类。
纳米材料其实并不神密和新奇,自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料,如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有1000年的历史,中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料,就是最早的人工纳米材料。另外,中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。
然而,人们自觉地将纳米微粒作为研究对象,而用人工方法有意识地获得纳米粒子则是在20世纪60年代。 1963年,Ryozi Uyeda等人用气体蒸发(或“冷凝”)法获得了较干净的超微粒,并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。1984年,Gleiter等人用同样的方法制备出了纳米相材料TiO2。
一、溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法的基本概念
胶体(colloid)是一种分散相粒径很小的分散体系,分散相粒子的重力可以忽略,粒子之间的相互作用主要是短程作用力。
溶胶(Sol)是具有液体特征的胶体体系,分散的粒子是固体或者大分子,分散的粒子大小在1~1000nm之间。
凝胶(Gel)是具有固体特征的胶体体系,被分散的物质形成连续的网状骨架,骨架空隙中充有液体或气体,凝胶中分散相的含量很低,一般在1%~3%之间。
简单的讲,溶胶-凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体,在液相下将这些原料均匀混合,并进行水解、缩合化学反应,在溶液中形成稳定的透明溶胶体系,溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合,形成三维空间网络结构的凝胶,凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂,形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
Principle
Characteristic
Application
(1) Block
(2) Fibre
(3) Coat & film
(4) Power
(5) Compound
Hybrid system
Hybrid system

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