纳米材料的应用及前景.doc

纳米材料的前景及应用 姓 名 ： 康硕 班 级 ： 测控0702 学 号 ： 0712105072 学 院 ： 机械工程学院 教师姓名： 何静 成 绩 ： 纳米材料的前景及应用 最后一次选秀课了，我选择了纳米材料这门课程。大学之前我就对物理化学产有浓厚的兴趣，而纳米材料又是物理化学共同研究的科技成果，于是我掉进了纳米的海洋。第一堂课，我就被老师和蔼可亲，平易近人的教学风格所吸引，孔子说过，知之者不如好知者，好之者不如乐知者，我想我就是那个乐知者吧。纳米是一种度量单位，一纳米为百万分之一毫米(即一毫微米)，为十亿分之一米。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构，在这种水平上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。纳米技术(或称毫微米技术)就是用单个原子、分子制造物质的科学技术，即在单个原子、分子层次上对物质(存在的种类、数量和结构形态)进行精确的观测、识别与控制技术(包括极细微尺度的组装)的研究与应用。 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。1982年，科学家发明研究纳米的重要工具-扫描隧道显微镜，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。自从扫描隧道显微镜发明后，世界上便诞生了一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿学科，这是纳米科技。纳米科技以空前的分辨率为人类揭示了一个可见的原子、分子世界，它的最终目标是直接以原子和分子来构造具有特定功能的产品。 从90年代初起，纳米科技得到迅速发展，新名词、新概念不断涌现，像纳米电子琴、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等等。纳米材料是纳米技术研究的热点，各国科学家都将其作为主攻目标进行研究。作为石墨、金刚石等碳晶体家庭的新成员，1991年被人类发现的碳纳米管韧性很高，导电性极强，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，比重只有钢的1/6。因为性能奇强，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。我国科学家采用利用碳纳米管合成碳纳米管的新方法，合成出世界上最细的碳纳米管。 1999年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个原子进行了重排。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了IBM 3个字母，3个字母加起来还没有3纳米。从1999年纳米技术进入实用阶段之后短短的一年多里，纳米技术广泛应用于光学、医药、半导体、信息通讯，一年的营业额已经达到500亿美元，专家预计到2003年全球纳米技术创造的年产值将增长到1 000亿美元，到2010年将达到14 400亿美元，相当于目前法国一年的GDP。一、 中国纳米材料产业研发现状1. 中国纳米材料的研发力f分布中国政府对纳米材料及纳米技术的研究一直给予高度重视，国家和各地方通过“国家攻关计划”、“863计划”、 “973计划”的实施，积极投入力量和资金，使中国纳米的研发水平获得了很大发展。 中国纳米材料和纳米技术的研究，已初步形成以各具特色的两大纳米研发中心北方中心和南方中心为核心，辐射四周的格局。北方纳米研究开发中心以北京为中心，包括中科院的纳米科技中心、化学所、物理所、金属所、化冶所、感光所、半导体所，以及北大、清华、北京建材科研院、北京钢铁研究总院、北京科技大学、北京化工大学、北京理工大学、天津大学、南开大学、吉林大学等;南方纳米研究开发中心以上海为中心，包括中科院的冶金所、硅酸盐所、原子核所、固体物理所、上海技术物理所，以及上海交大、复旦、同济、华东理工大学、华东师范大学、中科大、浙江大学、南京大学、山东大学等单位。除上述两大中心外，西北的西安、兰州，西南的成都，以及中南的武汉等，也在该领域有所建树。2. 纳米研发的科技经费来源分析 根据19%年至2000年中国纳米科技的资金投入强度统计，纳米研发经费呈逐年增长态势，其中，国家自然科学基金的资助投入占70%以上，实行产学研相结合的社会企业资助投入则增长较快。在过去的十多年里，纳米基金项目保持平稳增长趋势，年平均增长率在20-30%,2000年批准的纳米基金项目明显增多。本次调研，就课题带有“纳米”字样的项目作字样的项目;在1999年和2000年中，科学基金新批准和资助的在研纳米基金项目，总经费达8000万元左右;基础研究起步较早的领域是纳米材料和纳米化学须域。根据对20所高等院校和14家科研单位正在研究的纳米项目的抽样比较分析，绝大多数正在研发的项目，研发时间仅在一年左右，属启动阶段，而且有颇多重复;科研经3. 中国纳米材料及技术专利现状1985年至2000年，中国超细材料、纳米技术领域已公开的专利数共L024项，其中已授权专刊的465项，占45.4%，公开尚未授权的559项，占54.6%。在所有1024项超细材料和纳米技术领域的专利中，涉及纳米材料领域已经公开的专利数共有582项，其中已授权的107项，占18.4%，公开尚未授权的475项，占81.6%。从申报的数f分析纳米材料和超细材料领域的专利总数比较相近，但纳米材料已获得授权的专利数，远远低于超细材料，仅为其1/3;在“已公开尚未授权”的专利中，纳米材料又远远高于超细材料，超过其5.65倍。从申报的时间分析大致可分为三个阶段:19851990年为初期介入阶段，这个阶段专利数量少，发展速度缓慢;1990-1998年是快速发展阶段，这个阶段专利数量快速增长，至19971998年达到发展的相对高峰;随后，主要因为近两年申请的专利尚未到公开期，呈现出骤降现象。这与中国纳米材料的发展步伐基本一致:20世纪80年代中后期，中国纳米材料刚刚起步，199219%年，国家加大了纳米材料和纳米技术研发力度，各研究院校纷纷涉足纳米领域，纳米材料和纳米技术取得长足进展，1997年以后达到颠峰。从申报的主体分析在所有涉及纳米材料领域的582项专利中，由大学及科研院所申报的有366项，占62.9%由企业申报的有154项，占26.5%;由个人申报的有62项，占10.6%。在所有1024项超细材料和纳米技术领域专利中，国外来华申请的专利共166项，占16.2%，这部分专利以个人申请为主，其中纳米材料的专利申请远远大于超细材料，比例约为2:10 可见，高等院校及科研机构依然是推动中国纳米材料与纳米技术研究发展的主力军。4. 中国纳米科技成果的转化途径中国纳米科技成果的转化方式主要有技术转让、技术入股，以及自行生产等，但产业化率普遍较低，不足20% e造成这种现象的主要原因，一是技术成果本身不具备产业化条件，二是由于信息不通，造成科研成果转化的渠道不畅通，缺少资金的有力支持。如果将中国纳米产品的成熟程度按中试、批量生产和规模化生产划分，明显呈剧烈递减态势。研究开发和规模化生产的距离较大，大量成果在实验室小试已经完成，大约只有5%的实验室成果最终能够转化为规模化生产。 根据对上述加所高等院校和14家科研单位较为成熟的纳米项目的抽样比较分析:这些较成熟项目的平均研发时间为3.12年，已成功转让或着手进行转化工作的约为I/3 。在被抽样统计的54个项目中，希望通过“技术转让”方式转化的项目约占1/2，希望通过“技术入股”方式转化的项目约占I/3，而希望“自行组织生产”的项目只有约10%。但在已成功转让或着手进行转化土作的18个项目中，实现技术入股的占55%，实现技术转让的占28%，着手自行组织生产的占17%，显示科研人员的主观愿望与实际存在一定的差距。二、 中目纳米材料产业相现状从地域分布分析截止2001年5月底，全国现共有纳米企业323家，其中，以纳米字样注册的企业共57家，社会投入资金约30亿元，并已形成以北京(包括北京、天津、东北等地区)、上海(上海、浙江、山东、江苏、安徽等地区)、深圳(包括深圳、广州、福建等地区)为中心的三大纳米材料及纳米技术产业带。经济实力雄厚的华东、华北及华南地区的纳米材料企业，占全国纳米企业的80%左右。从企业类型分析主要分为纳米材料应用型企业和纳米材料生产型企业两类。纳米材料生产型企业主要从事各种纳米粉体的生产，全国共有这类生产型企业30家，占所有纳米企业的15%，大都分布于上海、浙江、江苏、广东、山东等地;由于纳米粉体应用范围很广，主要侧重于各种纳米粉体应用的纳米应用型企业分布也较为广泛，但集中在北京、上海、浙江、江苏、广东、山东、安徽等地的有200家，约占整个纳米企业的84%左右。从成立时间分析目前323家从事纳米材料业务的纳米企业中，有一半以上成立于1995年以后。许多1995年以前成立的纳米企业，实际上也是在1998年、1999年前后，从其它或相关行业转入开始涉足纳米材料的开发生产的; 2000年则是中国纳米材料企业骤增的一年，而且绝大多数就是为纳米产业而“生”的。从企业性质分析各种性质的企业对纳米材料及纳米领域均有所涉足，但主要的还是以有限责任公司形式出现。值得注意的是，最早涉足纳米材料开发生产领域的，有不少是民营和私营企业，其中不少还投入了巨资;国有和集体企业投资纳米，则大都出于将其作为改造传统产业极好途径的目的;另外，外来资本也开始抢夺中国的纳米 “大蛋糕。从资产效益分析中国近几年纳米材料产业的资金投入强度逐渐增长，但产出效益并未同步增长。在被抽样比较的69家纳米及应用企业中，1999年和2000年的主营收入大都只在5000万元以下一1999年为51.85%,2000年为42.22%;主营收入逾亿元的企业，大都是老的传统企业，其主要利润来源也并非来自纳米产品。净利润则大部分处于100万元以下的微利状态一1999年为47.62%,2000年为39.39%;经营亏损的企业所占比例也不在少数一1999年为23.81 %,2000年为15.15%。毋庸置疑，在过去的一年里纳米科学，无论在基础研究还是在应用研究方面都取得了突破性进展。美国利用超高密度晶格和电路制作的新方法，获得直径8nm、线宽16nm、纵横比高达106、电路的纳米线结密度高达1011/cm2的铂纳米线；法国利用粉末冶金制成具有完美弹塑性的纯纳米晶体铜；中国用微波等离子体辅助化学沉积法在铁针尖端合成一种新纳米结构管状石墨锥；日本用单层碳纳米管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料等等，铸就了纳米科技的光环。 研究表明，被称为纳米管的圆柱形碳分子是已知的最强韧的材料，目前科学家们已经纺出了几乎由百分之百的纳米管组成的线，韧度比任何天然或其他人造纤维都高。随着科学技术的不断发展，这种线有望织成防弹衣，或者绕成比钢强许多倍的电缆。研究人员还发现纳米管既可以作为像铜那样的导体，也可以作为像硅那样的半导体。 多年来，纳米材料的制作或生产面临的一大难题，就是各种纳米结构混杂在一起无法分开，这大大地限制了纳米材料的有效利用。德国科学家巧妙地利用交流电介电泳技术，将金属与半导体单壁碳纳米管成功分离。法国科学家用超高真空掠入射小角X射线散射装置实现了对纳米结构生长过程中的形状、尺寸、生长模式和排序的原位、实时监测。中国科学家用高分子基体效应结合冷冻干燥技术实现了纳米金属簇的宏观合成，为纳米金属簇催化剂的工业化应用提供了依据。 纳米科技要求以先进技术和装备为基础，要求高强度的资金投入和长期的