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新型功能材料 结课作业学院：设计艺术学院专业：艺术设计班级：建筑学姓名：XXX 学号：XXXXXXX日期：2012年11月X日新型功能材料纳米材料一、发展趋势1、国际发展现状与趋势 21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期。由于纳米材料特殊的性能，将纳米科技和纳米材料应用到工业生产的各个领域都能带来产品性能上的改变，或在性能上有较大程度的提高。利用纳米科技对传统工业，特别是重工业进行改造，将会带来新的机遇，其中存在很大的拓展空间，这已是国外大企业的技术秘密。英特尔、IBM、SONY、夏普、东芝、丰田、三菱、日立、富士、NEC 等具有国际影响的大型企业集团纷纷投入巨资开发自己的纳米技术，并到得了令世人瞩目的研究成果。纳米技术在经历了从无到有的发展之后，已经初步形成了规模化的产业。在纳米技术领域投资较大的国家还有：欧盟（约15% ）、日本（约20% ）、俄罗斯、澳大利亚、加拿大、中国、韩国、以色列、新加坡等国。日本国会提出要把发展纳米技术作为今后20年日本的立国之本，政府机构和大公司是其研究资金的主要来源，中小企业的作用很小。日本研究的目的是在产品中注入纳米技术，增强国际竞争力。日本在超细微加工、纳米设备、强化纳米结构及检测相关领域拥有全球优势。欧盟20022006年的第六个框架研究计划关于纳米技术的总投资将达到13亿欧元，项目分散在各个不同的领域，但是专门的纳米科技领域，它确的优先发展方向是多功能材料、新的生产工艺和设备。 目前纳米材料及技术的应用也越来越广泛，在专业电子信息产业，纳米技术的应用将为电子信息产业的发展克服以强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制，以功耗、互联延迟、光刻等为代表的技术限制和制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制，制造出基于量子效应的新型纳米器件和制备技术。具有量子效应的纳米信息材料将提供不同于传统器件的全新功能，从而产生出新的经济增长点。这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命。这些技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价值是难以估量的。纳米技术将在生物医学、药学、人类健康等生命科学领域有重大应用。在纳米生物材料、微细加工、光学显示、生物信息和分子生物学等技术积累的基础上，发展生物芯片技术、形成新型生物分子识别的专家系统、临床疾病检测系统、药物筛选系统和生物工业活性监测系统等实用化技术，具有重要的社会与经济前景。纳米技术在环保产业上的应用，能够极大地促进环保产业的发展；将使处理“三废”的手段更有效率，使人类居住的环境得到很大程度的改善。我国为实现可持续发展战略和绿色奥运，对新型纳米环境材料及技术也提出了新的迫切需求。纳米能源技术的开发，将在很大程度上缓解能源的短缺状况，提高现有能源的使用效率，为整个世界的发展提供新的动力。其中，纳米太阳能电池材料、高效储能材料、热电转换材料等是新型能源材料的重要组成部分和主要发展方向，将在解决21世纪日益突出的能源危机问题上，发挥重要作用，形成一个新的经济增长点，具有巨大的市场容量。2、国内发展状况分析我国纳米材料研究始于20 世纪80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。此后，国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，国家863 计划、973计划新材料领域也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。其中，863 计划纳米材料与微机电系统重大专项于2002 年正式启动。2002 年重大专项以市场、应用和国家重大战略需求为导向，面向和促进产业化为重点，针对国际纳米材料技术发展趋势，并结合我国国情，在有相对优势和战略必争的关键领域，如纳米信息材料及器件的集成技术、纳米生物医用材料、纳米环境材料、纳米能源材料、纳米结构材料、纳米特种功能材料等进行了布局，批准实施课题63项；2003 年则在纳米光电子和电子材料体系、器件构造及集成技术，生物医用器件、系统的纳米材料及相关技术，原创性的并具有产业化前景的特种纳米材料及技术，纳米电子、纳米生物医学器件研发及规模化应用所必需的加工、检测设备进行了布局，批准实施课题39项；2004年在纳米信息、生物医学材料及相关应用技术等几个方面重点支持，力争实现技术的跨越发展，使我国在纳米技术领域的国际竞争中占据有利的战略地位通过国家攻关计划、863计划、973计划的实施，我国在纳米技术研究方面已投入了大量的人力和物力。在国家各项科技计划的支持下，我国纳米材料及纳米科学技术已经取得了比较突出的成果，例如，以碳纳米管为代表的准一维纳米材料及其阵列体系、非水热合成纳米材料方面处于国际领先地位；纳米铜的超延展性、块体金属合金、纳米复相陶瓷、巨磁电阻、磁热效应、介孔组装体系的光学特性、纳米生物骨修复材料、二元协同纳米界面材料等领域都处于国际先进水平。在纳米复合材料改造传统材料和产品方面，部分成果已经实现产业化。在纳电子方面，成功地研制出波导型单电子器件晶体管和对电荷超敏感的库仑计；实现6纳米宽的半导体量子线台面和6纳米宽的线条金属栅，制备出间隔仅为10 纳米的多种“纳米电极对”；用GMB 效应进行高灵敏度传感器和硬盘磁头原理的研制工作。综合我国纳米材料与技术的科研状况，结合我国的产业发展现状，我国纳米材料竞争力如下：在纳米科技国际竞争的大环境中，我国在某些方面具有相对优势。第一，纳米科技的研究力量基本形成。我国是世界上少数几个从上世纪90年代就重视纳米材料研究的国家之一，已形成了一支在国际上有影响的、高水平的研究队伍，也形成了几个具有一定水平的研究基地；第二，我国具有若干种发展纳米材料的矿物资源和生物资源；第三，我国具有巨大的潜在市场。这些因素将有利于提高我国的竞争力。我国在纳米科技竞争的不利方面主要有：第一，发展纳米科技需要大量的、长期的经费投入，而纳米科技又是高风险投资的领域。世界发达国家对纳米技术投入的特点为政府引导，地方、企业参与，并以各种形式吸纳风险投资。第二，国外政府对纳米科技领域的投资集中在长期的、战略性的研究项目，如纳米电子与器件、纳米生物等高风险领域，特别是集中建设基础设施和发展基础技术，从我国在纳米科技不同的领域的投资来看，纳米材料方面的投入明显高于其他领域的投资，而且目前在建设基础设施和发展基础技术方面的投资极少。第三，我国在纳米科技的主流科技方面，如纳米电子与器件、纳米生物、纳米探测的仪器和技术等领域的科学基础和工业科学基础薄弱，在这方面缺乏竞争力。3、 纳米材料需求分析1）未来高新技术产业发展的需求纳米技术在电子信息产业中的应用将对信息产业和其他相关产业的发展具有革命性的影响，将成为21世纪经济增长的一个主要发动机（附表）。这些技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价值是难以估量的。利用纳米微粒标记、纳米荧光探针、纳米靶基因与纳米生物传感器，可促进癌和其他疾病的早期发现及早期诊治，纳米靶基因及综述.纳米药物输运技术的发展，可定向治疗肿瘤、心脏病、糖尿病、前列腺炎等疾病，减少副作用。生物相容性纳米材料制成的人造器官和人造组织，可在人类康复工程中发挥重要作用等。2）传统产业和支柱产业技术提升的需求纳米晶金属软磁功能材料主要用于制作各种高精度、高可靠性的微型磁敏和力敏器件，以及各种高品质变压器和电感器的感性元件，广泛应用于新兴电子信息，自动控制、精密测量等领域。纳米晶金属磁性功能材料的应用对高新技术产业的形成和发展，对传统产业的改造和更新换代将产生重大影响，未来5年的市场将达数十亿元。纳米润滑添加剂作为一种性能优异的新型固体润滑添加剂，其应用前景十分广阔，市场需求巨大。以机油添加剂为例，每年可创产值10亿元。纳米磁性液体由于具有十分独特的物理特性，在航天航空、冶金机械、化工环保、仪器仪表、医疗卫生、国防军工等领域获得广泛应用。据不完全统计，现在各国每年应用这种功能材料的元器件数量已达数千万件。金属材料表面金属纳米化可以显著提高材料表面强度、疲劳寿命以及耐磨损、耐侵蚀、耐气蚀、耐腐蚀性，这为传统工程材料的性能升级和新型高性能结构材料的研制提供了一条独特的途径，此项技术将有着巨大的工业应用价值。陶瓷材料在现代高新技术材料中发挥越来越重要的作用，陶瓷材料纳米化以后，可显著提高强度和韧性，21世纪前10年是纳米陶瓷材料发展的关键时期，在各领域中的应用将全面展开，一批新技术、新产品等各项研究成果的应用将成为经济发展的增长点，对推动社会经济的快速发展有重要意义。高分子纳米复合材料在较低纳米材料含量时力学性能发生明显改进，刚性、韧性和耐热等性能可同时提高。这对提升塑料、橡胶、纤维等传统产业具有重要意义。纳米介孔材料在化工催化、环保过滤、光学器件等领域有重要用途。3）可持续发展的需求环保产业对纳米材料技术具有重要的需求，纳米环保材料在空气净化、饮用水净化、有机废水净化、杀菌抑菌、吸光吸波、固体废物处理等环保方面起到重要作用，预计国内“十五”期间的市场规模就可达到30亿元的需求规模。我国经济的快速增长和社会可持续发展，对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求。二、应用领域借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。1.在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高1015倍。纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，非凡是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiOSiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。2、在生物医学中应用从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。 正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。3、在其它精细化工方面的应用精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。4、在国防科技的应用纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳