第10章 现代新型材料及其应用

1、 一、材料是技术进步的关键要素之一一、材料是技术进步的关键要素之一 p材料是宇宙间可用于制造有用物品的物质。材料是宇宙间可用于制造有用物品的物质。 p材料是人类生存和发展的材料是人类生存和发展的物质基础物质基础，也是，也是 人类社会现代文明的人类社会现代文明的重要支柱重要支柱，材料的变，材料的变 化直接影响社会的变革。化直接影响社会的变革。 p信息技术、生物技术和信息技术、生物技术和新材料技术新材料技术成为新成为新 技术革命的技术革命的重要标志重要标志。 p材料是整个新技术群落的物质承担者。材料是整个新技术群落的物质承担者。 二、新材料及其特点二、新材料及其特点 p新材料：新材料：指新近发展或

2、已在发展中具指新近发展或已在发展中具 有比传统材料更为优异性能的一类材料。有比传统材料更为优异性能的一类材料。 p特点：特点： 知识与技术密集度高；与新工艺和新知识与技术密集度高；与新工艺和新 技术关系密切；更新换代快；品种式样技术关系密切；更新换代快；品种式样 变化多。变化多。 多学科相互交叉和渗透多学科相互交叉和渗透的结果，合的结果，合 成、制造与许多成、制造与许多极端条件技术极端条件技术相关；相关； 表现出综合性和复杂性；表现出综合性和复杂性； 表征和评价技术须采用多种基于最表征和评价技术须采用多种基于最 新科学技术成就的新科学技术成就的精密仪器精密仪器和和装置装置 来进行。来进行。 纳

3、米级材料的评价纳米级材料的评价 l电镜观察纳米级材料电镜观察纳米级材料 三、新材料的类型三、新材料的类型 新材料新材料 新型金属材料新型金属材料 合金、稀有金属合金、稀有金属 高分子合成材料高分子合成材料 合成橡胶、塑料合成橡胶、塑料 化学纤维化学纤维 新型无机非金属材料新型无机非金属材料 工业陶瓷、光导纤维工业陶瓷、光导纤维 半导体材料半导体材料 复合材料复合材料 纳米材料纳米材料 光电子材料光电子材料 1、新型金属材料、新型金属材料 1 1）非晶态金属）非晶态金属（金属玻璃）（金属玻璃） p由沸腾的钢液经每秒由沸腾的钢液经每秒100100万度的万度的 速度冷却而成。速度冷却而成。 p其内在

4、结构发生了质变，原子其内在结构发生了质变，原子 从有序排列变成了无序排列。从有序排列变成了无序排列。 p具有极优异的物理磁性能、化具有极优异的物理磁性能、化 学耐腐蚀性能和力学耐磨性能，学耐腐蚀性能和力学耐磨性能， 传统的车钳铣刨和强酸溶液对传统的车钳铣刨和强酸溶液对 它们无可奈何。它们无可奈何。 p可以在通信、交通、电子、家可以在通信、交通、电子、家 电、防盗等很多领域大显身手。电、防盗等很多领域大显身手。 外表轻薄如纸、优雅华丽、用外表轻薄如纸、优雅华丽、用 手可轻易撕断的带形金属玻璃手可轻易撕断的带形金属玻璃 “终结者终结者”的材料变现实的材料变现实 2 2）合金材料：）合金材料： p新

5、型合金材料包括许多种类，它们性能新型合金材料包括许多种类，它们性能 各异，用途各不相同，铝合金、镁合金、各异，用途各不相同，铝合金、镁合金、 钛合金、铁镍铬及高温合金、稀贵金属钛合金、铁镍铬及高温合金、稀贵金属 合金等等。合金等等。 歼歼-11-11机体制造中使用大量钛合金材料机体制造中使用大量钛合金材料 3 3）形状记忆合金：）形状记忆合金： p能够使温度值变化时人为造成能够使温度值变化时人为造成 的形状变化，在温度恢复到特的形状变化，在温度恢复到特 定值时，定值时，形状也自动丝毫不差形状也自动丝毫不差 地恢复到原来的状态地恢复到原来的状态。 p坚韧性极强，可反复变形和复坚韧性极强，可反复变

6、形和复 原原500500万次万次而不产生疲劳断裂。而不产生疲劳断裂。 p其广泛应用于卫星、飞船和空其广泛应用于卫星、飞船和空 间站的大型天线、飞机部件接间站的大型天线、飞机部件接 头以及骨科整形等方面。头以及骨科整形等方面。 4 4）新型金属功能材料：）新型金属功能材料：如贮氢如贮氢 合金等。合金等。 镍钛记忆合金镍钛记忆合金“花瓣花瓣”在在 相应的温度下慢慢绽放相应的温度下慢慢绽放 形状记忆合金在太空自然恢复原状形状记忆合金在太空自然恢复原状 5 5）超导金属材料：）超导金属材料： p在特定条件下，电阻完全消在特定条件下，电阻完全消 失，产生超导电性的材料。失，产生超导电性的材料。 p具有零

7、电阻、完全抗磁性和具有零电阻、完全抗磁性和 载流能力强三个基本特征。载流能力强三个基本特征。 p应用：应用：制造磁性极强的超导制造磁性极强的超导 磁铁磁铁，用于磁约束核聚变反，用于磁约束核聚变反 应、大容量储能设备、高能应、大容量储能设备、高能 加速器、超导发电机、电力加速器、超导发电机、电力 工业输电和交通运输工具等。工业输电和交通运输工具等。 超导磁悬浮列车原理超导磁悬浮列车原理 p如美国实现如美国实现超导输电超导输电，每年可以节省，每年可以节省100100 亿美元的电力；亿美元的电力；制造超高速计算机和高灵制造超高速计算机和高灵 敏度的探测设备、通信设备、航天系统等敏度的探测设备、通信设

8、备、航天系统等。 p如如19891989年日本研制出世界第一台年日本研制出世界第一台超导电子超导电子 计算机计算机，其全部采用约瑟夫森超导器件，其全部采用约瑟夫森超导器件， 运算速度达每秒运算速度达每秒1010亿次，功耗亿次，功耗6.26.2毫瓦，毫瓦， 仅为常规电子计算机功耗的千分之一。仅为常规电子计算机功耗的千分之一。 2、高分子合成材料、高分子合成材料 p定义：定义：高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的 分子量足够高的有机化合物。常用高分子材料的分子量在分子量足够高的有机化合物。常用高分子材料的分子量在 几百至几百万之间，有的可高达上千

9、万。几百至几百万之间，有的可高达上千万。 p分类分类：高分子材料主要包括塑料、纤维、橡胶、薄膜、胶：高分子材料主要包括塑料、纤维、橡胶、薄膜、胶 粘剂和涂料等，其中粘剂和涂料等，其中合成塑料、合成纤维、合成橡胶合成塑料、合成纤维、合成橡胶被称被称 为现代高分子三大合成材料。为现代高分子三大合成材料。 p特点：特点：重量轻、高弹性、强度低、韧性好、粘弹性、耐摩重量轻、高弹性、强度低、韧性好、粘弹性、耐摩 性、绝缘性好，低导热性、耐热性、耐蚀性好、易老化。性、绝缘性好，低导热性、耐热性、耐蚀性好、易老化。 1 1）合成塑料：）合成塑料： p聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙

10、烯、聚丙烯 四大品种是日常生活中最常见的塑料材四大品种是日常生活中最常见的塑料材 料，全球总产量在料，全球总产量在1 1亿吨左右。亿吨左右。 p透光性好的有机玻璃（亚克力透光性好的有机玻璃（亚克力,Acrylic,Acrylic） p“塑料王塑料王”的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯；的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯； p作为工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚作为工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚 酰亚胺和常用做泡沫塑料的聚胺脂等。酰亚胺和常用做泡沫塑料的聚胺脂等。 2 2）合成纤维：）合成纤维： p 涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、 氯纶等氯纶等“六大纶六大纶”。 p 可做宇航服、耐超热超冷的

11、芳纶可做宇航服、耐超热超冷的芳纶 13131313；可做飞机机翼、高强缆索；可做飞机机翼、高强缆索 的芳纶的芳纶14141414；可耐；可耐400400高温和负高温和负 273273超低温的聚酰亚胺纤维；超低温的聚酰亚胺纤维； p 可做人造血管、软骨等人体器件可做人造血管、软骨等人体器件 的氟纶纤维；的氟纶纤维； p 可做新式伪装服的多色纤维；可做新式伪装服的多色纤维； p 可做合成纸、合成革、高效除尘可做合成纸、合成革、高效除尘 器的高缩纤维、复合纤维、有色器的高缩纤维、复合纤维、有色 纤维、网络丝、完全变形纱、吸纤维、网络丝、完全变形纱、吸 湿纤维和离子交换纤维等。湿纤维和离子交换纤维等。

12、 芳纶芳纶1313莫代尔莫代尔 涤纶涤纶 晴纶晴纶 高分子人造血管高分子人造血管 合成革合成革复合纤维棉内胆复合纤维棉内胆 3 3）合成橡胶）合成橡胶 ： p将天然乳胶经过硫化处理变将天然乳胶经过硫化处理变 成能成型、富有弹力的材料，成能成型、富有弹力的材料， 填补天然橡胶的不足；发展填补天然橡胶的不足；发展 极快极快 。 p顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙 橡胶等发展前途看好。橡胶等发展前途看好。 p硅橡胶硅橡胶、氟橡胶氟橡胶能在零下能在零下 5050不变形，又可耐不变形，又可耐250 250 高温，用于制造火箭、导弹、高温，用于制造火箭、导弹、 飞机的某些零件。飞机的某些零

13、件。 氟橡胶零件氟橡胶零件 硅橡胶手镯硅橡胶手镯 1 1）陶瓷材料：）陶瓷材料： p新型陶瓷的强度、硬度、耐磨损、耐高新型陶瓷的强度、硬度、耐磨损、耐高 温、耐腐蚀等性能都比传统陶瓷有很大温、耐腐蚀等性能都比传统陶瓷有很大 提高，提高，特别是在克服传统陶瓷的致命弱特别是在克服传统陶瓷的致命弱 点脆性问题点脆性问题上取得重大突破。上取得重大突破。 p新型结构陶瓷：新型结构陶瓷：氧化物陶瓷、氮化物陶氧化物陶瓷、氮化物陶 瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物 陶瓷、砷化物陶瓷、氰化物陶瓷等。陶瓷、砷化物陶瓷、氰化物陶瓷等。 p新型功能陶瓷：新型功能陶瓷：装置陶瓷、电容

14、器陶瓷、装置陶瓷、电容器陶瓷、 压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、 磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶 瓷、光学陶瓷和敏感陶瓷等。瓷、光学陶瓷和敏感陶瓷等。 新型陶瓷制成的人造骨等新型陶瓷制成的人造骨等 陶瓷零件陶瓷零件 3 3、新型无机非金属材料、新型无机非金属材料 2 2）玻璃材料：）玻璃材料： p改变了传统玻璃材料易碎、易传热的特性，研制改变了传统玻璃材料易碎、易传热的特性，研制 出具有出具有“特异功能特异功能”的新品种；的新品种； p如玻璃钢、记忆玻璃、化学敏感性玻璃、超韧性如玻璃钢、记忆玻璃、化学敏感性玻璃、超韧

15、性 增强玻璃、激光玻璃、防弹玻璃、防辐射玻璃等。增强玻璃、激光玻璃、防弹玻璃、防辐射玻璃等。 防弹玻璃防弹玻璃 防辐射高铅玻璃防辐射高铅玻璃 3 3）光导纤维：）光导纤维： p纯度极高的玻璃纤维纯度极高的玻璃纤维制成使现代通信技术发生了制成使现代通信技术发生了 革命性的转变，并且在医疗、遥感、遥测等领域革命性的转变，并且在医疗、遥感、遥测等领域 也得到越来越广泛的应用。也得到越来越广泛的应用。 p光纤通信光纤通信具有传输距离远、保密性好、抗干扰等具有传输距离远、保密性好、抗干扰等 优点，一条电缆就可以传输几百万路电话；可传优点，一条电缆就可以传输几百万路电话；可传 输高强度的激光输高强度的激光

16、 ；制作光纤传感器。；制作光纤传感器。 由光导纤维构成的光缆由光导纤维构成的光缆 光导纤维工艺品光导纤维工艺品 4 4）半导体材料：）半导体材料： p 2020世纪世纪4040年代发展起来的重要信息材料，通过年代发展起来的重要信息材料，通过 近几十年来的研究工作，半导体材料种类不断近几十年来的研究工作，半导体材料种类不断 更新，应用领域不断扩展，成为信息技术发展更新，应用领域不断扩展，成为信息技术发展 的基础。的基础。 p 锗材料锗材料不需要加热、功耗低、可靠性高、转换不需要加热、功耗低、可靠性高、转换 速度快、功能多样和体积小，取代电子管。速度快、功能多样和体积小，取代电子管。 p 硅材料硅

17、材料机械强度高、结晶性强、在自然中储量机械强度高、结晶性强、在自然中储量 丰富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整丰富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整 单晶，使之成为目前电子信息工业领域的主要单晶，使之成为目前电子信息工业领域的主要 半导体材料。半导体材料。 p 砷化镓砷化镓由于电子运动速度快、电子激发后释放由于电子运动速度快、电子激发后释放 能量以发光形式进行等特点，很可能成为继硅能量以发光形式进行等特点，很可能成为继硅 之后第二种最重要的半导体电子材料，制成的之后第二种最重要的半导体电子材料，制成的 晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算 机（

18、机（1010倍）。倍）。 第一台晶体管收音机第一台晶体管收音机 仅包含仅包含4只锗晶体管只锗晶体管 半导体器件半导体器件 4 4、复合材料、复合材料 p现代科技对材料的性能提出高标准、多样化，甚至是相现代科技对材料的性能提出高标准、多样化，甚至是相 互矛盾的要求，因此，任何一种单一的材料都难以满足互矛盾的要求，因此，任何一种单一的材料都难以满足 上述需要，于是各种高性能的复合材料便应运而生。上述需要，于是各种高性能的复合材料便应运而生。 p复合材料是由基体材料和增强材料两部分组成，根据基复合材料是由基体材料和增强材料两部分组成，根据基 体材料和增强材料的特点，复合材料可分为结构复合材体材料和增

19、强材料的特点，复合材料可分为结构复合材 料和功能复合材料两大类料和功能复合材料两大类 p复合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构重量的复合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构重量的 70%-80%70%-80%，在先进战斗机上的用量大约是结构重量的，在先进战斗机上的用量大约是结构重量的 30%-40%30%-40%。 战机用复合材料水平尾翼战机用复合材料水平尾翼 复合材料井盖复合材料井盖 1 1）结构复合材料）结构复合材料 p作为承力结构使用的材料，它由能承受载作为承力结构使用的材料，它由能承受载 荷的增强体与能连接增强体成为整体材料荷的增强体与能连接增强体成为整体材料 同时又起传递力作用

20、的基体构成；可以根同时又起传递力作用的基体构成；可以根 据材料在使用中受力的要求进行选材设计据材料在使用中受力的要求进行选材设计 及复合结构设计。及复合结构设计。 p增强体增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚 物、金属、天然纤维、织物、晶体等；物、金属、天然纤维、织物、晶体等； p基体基体包括高聚体（树脂）基、金属基、陶包括高聚体（树脂）基、金属基、陶 瓷基、碳基等。瓷基、碳基等。 p树脂基型树脂基型用于建筑、造船、车辆、化工容用于建筑、造船、车辆、化工容 器、生活用品等。器、生活用品等。 p金属基型金属基型是宇航、航空技术的理想材料。是宇航、航空技术的理想材料。

21、 树脂基复合材料树脂基复合材料 耐磨陶瓷复合材料膨胀节耐磨陶瓷复合材料膨胀节 碳基复合材料碳基复合材料 2 2）功能复合材料）功能复合材料 p一般由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整一般由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整 体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用，体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用， 利用材料的电学、化学等性能。利用材料的电学、化学等性能。 p现已有压电型功能复合材料、吸波、屏蔽性功能现已有压电型功能复合材料、吸波、屏蔽性功能 复合材料（隐身材料）、导电功能复合材料等，复合材料（隐身材料）、导电功能复合材料等， 有广阔的发展前景。有广阔的发展前景。 隐身衣真隐身衣真

22、 5 5、生物材料、生物材料 p生物材料也称为生物工程材料或生物医学材料，是生物生物材料也称为生物工程材料或生物医学材料，是生物 体器官缺损、病变或衰竭的替代材料，也就是人类器官体器官缺损、病变或衰竭的替代材料，也就是人类器官 再造材料。再造材料。 p生物活性陶瓷生物活性陶瓷已实现与骨相结合，并与软组织相结。已实现与骨相结合，并与软组织相结。 p生物化学水泥生物化学水泥在骨骼缺损修补、骨骼植入材料的固定和在骨骼缺损修补、骨骼植入材料的固定和 牙齿的修复等过程使用。牙齿的修复等过程使用。 p人工器官人工器官已制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工已制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工 喉、人工

23、眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等 p预期研制出具有主动诱导、能促进人体自身组织和器官预期研制出具有主动诱导、能促进人体自身组织和器官 再生作用的生物复合材料。再生作用的生物复合材料。 人造器官的设计制造人造器官的设计制造 6 6、光电子材料、光电子材料 p 光电子工业异军突起，它包括光通信、光电子工业异军突起，它包括光通信、 光计算、激光加工、激光医疗、激光印光计算、激光加工、激光医疗、激光印 刷、激光影视、激光仪器、激光受控热刷、激光影视、激光仪器、激光受控热 核反应、激光分离同位素、激光制导等核反应、激光分离同位素、激光制导等 许多方面。

24、许多方面。 p 探索与发展探索与发展新型光电子材料新型光电子材料，制作高性，制作高性 能、小型化、集成化的光电子器件，已能、小型化、集成化的光电子器件，已 经成为整个光电子科技领域的前沿。经成为整个光电子科技领域的前沿。 p 光电子信息材料是整个光电子技术的基光电子信息材料是整个光电子技术的基 础和先导。包括淘汰和信息获取材料、础和先导。包括淘汰和信息获取材料、 信息传输材料、信息存储材料以及信息信息传输材料、信息存储材料以及信息 处理和运算材料等，其中主要是各类处理和运算材料等，其中主要是各类光光 电子半导体材料电子半导体材料、各种光纤和薄膜材料各种光纤和薄膜材料、 各种各种液晶显示（液晶显

25、示（LCDLCD）材料）材料等。等。 LED发光产品发光产品 蓝宝石晶体蓝宝石晶体 电子纸电子纸 p全球第二大液晶显示器生产商全球第二大液晶显示器生产商飞利浦公司宣布，该公司已飞利浦公司宣布，该公司已 研发出世界首款研发出世界首款40964096色色“电子纸电子纸”。 p “ “电子纸电子纸”是一种是一种超薄、超轻的显示器超薄、超轻的显示器。 p飞利浦开发的这款英寸彩色显示器薄如纸张，并且可以飞利浦开发的这款英寸彩色显示器薄如纸张，并且可以随随 意折叠弯曲意折叠弯曲。这款。这款“电子纸电子纸”的电路板由金属制成，而非传统使用的电路板由金属制成，而非传统使用 的玻璃，从而可以提高产品的灵活性。的

26、玻璃，从而可以提高产品的灵活性。 p电子纸电子纸”技术与现有的液晶技术有所不同。技术与现有的液晶技术有所不同。“电子纸电子纸”没有目前其没有目前其 他显示设备无法避免的强烈反光，画面分辨率较高，显示效果与视他显示设备无法避免的强烈反光，画面分辨率较高，显示效果与视 觉效果同普通书写纸几乎完全相同觉效果同普通书写纸几乎完全相同 7 7、纳米材料、纳米材料 p纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒 子组成。子组成。 p纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在 1 1100nm100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观间的粒子，是处在原子

27、簇和宏观 物体交界的过渡区域。物体交界的过渡区域。 p从通常的关于微观和宏观的观点看，这样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。观系统，是一种典型人介观系统。 1 1）特性：）特性：它具有它具有表面效应表面效应、小尺寸效应小尺寸效应和和 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应。 原子排成的原子排成的“原子原子”字样字样 1nm=1/101nm=1/10亿米，亿米，1010个氢原子个氢原子 紧密排列，紧密排列，20nm20nm是头发丝直是头发丝直 径的径的30003000分之一分之一 （1）表面效应

28、）表面效应 100 80 60 40 20 0 比例（%） 表面原子数相对总原子数 0 10 20 30 40 50 （2 2）小尺寸效应）小尺寸效应 p随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗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，同时其粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增比表面积亦显著增 加加，从而产生如下一系列新奇的性质。，从而产生如下一系列新奇的性质。 （1 1）特殊的）特殊的光学性质光学性质 （2

29、2）特殊的）特殊的热学性质热学性质 （3 3）特殊的）特殊的磁学性质磁学性质 （4 4）特殊的）特殊的力学性质力学性质 p微颗粒的小尺寸效应还表现在微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性超导电性、介电介电 性能性能、声学特性声学特性以及以及化学性能化学性能等方面。等方面。 （3 3）量子尺寸效应）量子尺寸效应 p微粒尺寸下降到一定值时，微粒尺寸下降到一定值时，费米能级费米能级附近附近 的电子能级由准连续能级变为的电子能级由准连续能级变为分立能级分立能级， 吸收光谱阙值向短波方向移动吸收光谱阙值向短波方向移动，这种现象，这种现象 称为量子尺寸效应。称为量子尺寸效应。 （4 4）宏观量子隧道效应）宏观

30、量子隧道效应 p隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒 子的子的总能量小于势垒高度总能量小于势垒高度时，该粒子时，该粒子仍能穿越这仍能穿越这 一势垒一势垒。 p近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化 强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧 道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变 化，故称之为宏观量子隧道效应。化，故称之为宏观量子隧道效应。 2 2）几种典型的纳米材料）几种典型的纳米材料 p纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料 p

31、纳米固体材料纳米固体材料 p纳米膜材料纳米膜材料 p纳米磁性液体材料纳米磁性液体材料 p碳纳米管碳纳米管 纳米算盘纳米算盘 C60C60每每1010个一个一 组，在铜表面组，在铜表面 形成世界上最形成世界上最 小的算盘。小的算盘。 纳米皇冠纳米皇冠 （1 1）纳米颗粒型材料）纳米颗粒型材料（也称纳米粉末）也称纳米粉末） p一般指粒度在一般指粒度在100nm100nm以下的粉末或颗粒。以下的粉末或颗粒。 p由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等由于尺寸小，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。原因，它具有不同于常规固体的新特性。 （2 2）纳米固体材料）纳米固体材料 p通常

32、指由尺寸小于通常指由尺寸小于1515纳米的超微颗粒在高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。后所生成的致密型固体材料。 氧化锌晶体氧化锌晶体 （3 3）纳米磁性液体材料：）纳米磁性液体材料： p磁性液体磁性液体是由超细微粒包覆一是由超细微粒包覆一 层长键的有机表面活性剂，高层长键的有机表面活性剂，高 度弥散于一定基液中，而构成度弥散于一定基液中，而构成 稳定的具有磁性的液体。稳定的具有磁性的液体。 p它可以它可以在外磁场作用下整体地在外磁场作用下整体地 运动运动，因此具有其它液体所没，因此具有其它液体所没 有的有

33、的磁控特性磁控特性。 磁性液体尖峰状态磁性液体尖峰状态 p磁性液体的应用：磁性液体的应用： 磁性液体静态密封装置（安全阀）磁性液体静态密封装置（安全阀） 磁性液体在扬声器上的应用，磁性液体在扬声器上的应用， 显著改善散热性能，提高功率显著改善散热性能，提高功率 一倍以上，使音圈自动定位，一倍以上，使音圈自动定位， 改善频率响应，减少失真。改善频率响应，减少失真。 磁性液体阻尼器磁性液体阻尼器 磁性液体离心开关磁性液体离心开关 （4 4）碳纳米管：）碳纳米管： p碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状， 是是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成由类似石墨的碳原子六边

34、形网格所组成 的管状物的管状物，它一般为多层，直径为几纳米，它一般为多层，直径为几纳米 至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。 p 碳纳米管本身有非常完美的结构，尺碳纳米管本身有非常完美的结构，尺 寸只有头发丝的十万分之一，但寸只有头发丝的十万分之一，但导电率是导电率是 铜的铜的1 1万倍万倍，强度是钢的强度是钢的100100倍倍而而重量只有重量只有 钢的七分之一钢的七分之一。 p它像金刚石那样硬，却它像金刚石那样硬，却有柔韧性有柔韧性，可以可以 拉伸拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。它的熔点是已知材料中最高的。 p如果如果用碳纳米管做绳索用碳纳米管做绳索

35、，是唯一可以，是唯一可以 从月球挂到地球表面从月球挂到地球表面，而不被自身重，而不被自身重 量所拉断的绳索。如果用它做成地球量所拉断的绳索。如果用它做成地球- - 月球乘人的电梯，人们在月球定居就月球乘人的电梯，人们在月球定居就 很容易了。很容易了。 p纳米碳管的细尖纳米碳管的细尖极易发射电子极易发射电子。用于。用于 做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式做电子枪，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。电视屏，这是电视制造业的发展方向。 p超高的成本使国际市场超高的成本使国际市场9090高纯度的高纯度的 碳纳米管价格高达碳纳米管价格高达1000-20001000-2000美元克美

36、元克， 一般纯度的碳纳米管价格也在一般纯度的碳纳米管价格也在6060美元美元 克克，远远高出黄金的价格。，远远高出黄金的价格。 把碳纳米管用作转子的纳米马达把碳纳米管用作转子的纳米马达 3）纳米材料的应用）纳米材料的应用 p由于小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和由于小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和 宏观量子隧道效应等，使它们在磁、光、电、宏观量子隧道效应等，使它们在磁、光、电、 敏感性等方面敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性呈现常规材料不具备的特性。 p因此，因此，纳米微粒纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学在磁性材料、电子材料、光学 材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶材料、高致密

37、度材料的烧结、催化、传感、陶 瓷增韧等方面有广阔的应用前景。瓷增韧等方面有广阔的应用前景。 （1）陶瓷增韧：）陶瓷增韧：由纳米粒子压制成的纳米陶瓷由纳米粒子压制成的纳米陶瓷 材料有很好的韧性。材料有很好的韧性。 p因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排 列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很 容易迁移，因此表现出容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性甚佳的韧性与延展性。 纳米陶瓷纳米陶瓷 （2）光学方面的应用：）光学方面的应用： p纳米微粒由于小尺寸效应使它纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材具有常规大块材

38、 料不具备的光学特性料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、，如光学非线性、光吸收、 光反射、光传输过程中的能量损耗等。光反射、光传输过程中的能量损耗等。 p利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光光 学材料学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的将在日常生活和高技术领域得到广泛的 应用。应用。 p目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的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。得到了推广应用。 （3 3）隐身材料应用：）隐身材料应用： p由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波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

39、波的长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率透过率 比常规材料要强得多；比常规材料要强得多； p这就这就大大减少波的反射率大大减少波的反射率，使得红外探测，使得红外探测 器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，器和雷达接收到的反射信号变得很微弱， 从而达到从而达到隐身的作用隐身的作用； 美国美国F117隐形轰炸机机隐形轰炸机机 p另一方面，纳米微粒材料的另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常比表面积比常 规粗粉大规粗粉大3 34 4个数量级个数量级，对红外光和电磁对红外光和电磁 波的吸收率也比常规材料大得多；波的吸收率也比常规材料大得多； p这就使得红外探测器及雷达得到的这就使得红外探测器及雷达得到的反

40、射信反射信 号强度大大降低；号强度大大降低； 美国美国B2隐形轰炸机隐形轰炸机 p因此很难发现被探因此很难发现被探 测目标，起到了测目标，起到了隐身隐身 作用作用。 （4 4）催化领域的应用：）催化领域的应用： p催化剂在许多化学化工领域中起着举足催化剂在许多化学化工领域中起着举足 轻重的作用，它可以轻重的作用，它可以控制反应时间、提控制反应时间、提 高反应效率和反应速度高反应效率和反应速度。 p大多数传统的催化剂不仅催化大多数传统的催化剂不仅催化效率低效率低， 而且其制备是而且其制备是凭经验凭经验进行，不仅造成生进行，不仅造成生 产原料的产原料的巨大浪费巨大浪费，使经济效益难以提，使经济效益

41、难以提 高，而且对环境也高，而且对环境也造成污染造成污染。 p纳米粒子纳米粒子表面活性中心多表面活性中心多，为它作催化剂，为它作催化剂 提供了必要条件。提供了必要条件。 p纳米粒子作催化剂，可纳米粒子作催化剂，可大大提高反应效率，大大提高反应效率， 控制反应速度控制反应速度，甚至使原来，甚至使原来不能进行的反不能进行的反 应也能进行应也能进行。 p纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速 度度提高提高10101515倍倍。 （5 5）环境保护方面的作用：）环境保护方面的作用： p随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅 速来临

42、，拓展人类利用资源和保护环境的能速来临，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。染源产生创造了条件。 治理有害气体：治理有害气体： p纳米技术可以制成非常好的催化剂，经它催纳米技术可以制成非常好的催化剂，经它催 化的化的石油中硫的含量小于石油中硫的含量小于0.010.01。 p在燃煤中可加入在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂纳米级助烧催化剂，以帮，以帮 助助煤充分燃烧煤充分燃烧，提高能源的利用率，提高能源的利用率，防治防治 有害气体的产生有害气体的产生。 p纳米级催化剂用于纳米级催化剂用于汽车尾气催化汽车尾气

43、催化，有极强，有极强 的氧化还原性能，的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生使汽油燃烧时不再产生 一氧化硫和氮氧化物一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气，根本无需进行尾气 净化处理净化处理。 污水处理：污水处理： p污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。 p它从污水中流失，也是资源的浪费。它从污水中流失，也是资源的浪费。 p新的一种纳米技术可以新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属将污水中的贵金属 如金、钌、钯、铂等完全提炼出来如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害变害 为宝为宝。 p一种新型的一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附纳米级净水剂具有很强的吸附 能力

44、能力。它的。它的吸附能力吸附能力和和絮凝能力絮凝能力是是普通净普通净 水剂三氯化铝的水剂三氯化铝的10-2010-20倍倍。 （6 6）光催化剂）光催化剂 p降解作用：降解作用：可以可以很好地降解对室内主要的气体很好地降解对室内主要的气体 污染物甲醛、甲笨等污染物甲醛、甲笨等，其中纳米，其中纳米TiOTiO2 2（钛白粉、（钛白粉、 二氧化钛二氧化钛) ) 的降解效率最好，达到近的降解效率最好，达到近100100。 p降解机理：降解机理：是在光照条件下是在光照条件下将这些有害物质转将这些有害物质转 化为二氧化碳、水和有机酸化为二氧化碳、水和有机酸。 p纳米纳米TiOTiO2 2的光催化剂也可用

45、于石油、化工等产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。业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。 p用用纳米纳米TiOTiO2 2可以加速可以加速城市生活垃圾的降解城市生活垃圾的降解， 其速度是其速度是大颗粒大颗粒TiOTiO2 2的的1010倍倍以上，从而解以上，从而解 决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。决大量生活垃圾给城市环境带来的压力。 p用纳米用纳米TiOTiO2 2催化降解技术来催化降解技术来处理毛纺染整处理毛纺染整 废水废水，具有省资、高效、节能，最终能，具有省资、高效、节能，最终能 使有机物完全矿化、不存在二次污染等使有机物完全矿化、不存在二次

46、污染等 特点。特点。 （7 7）自洁作用：）自洁作用： p纳米纳米TiOTiO2 2由于其表面具有由于其表面具有超亲水性超亲水性和和超亲超亲 油性油性，因此其表面具有，因此其表面具有自清洁效应自清洁效应，即其表，即其表 面具有面具有防污、防雾、易洗、易干防污、防雾、易洗、易干等特点。等特点。 p我国新近研制成功一种具备自动清洁功能，我国新近研制成功一种具备自动清洁功能， 可以自动消除异味、杀菌消毒的可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁纳米自洁 净玻璃净玻璃”。 纳米材料纳米材料“绝水绝水”雨伞雨伞 纳米纳米TIO2台式空气清净机台式空气清净机 p“纳米自洁净玻璃纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳

47、米技是应用高科技纳米技 术术在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜；在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜； 薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃 上的污物，氧化室内有害气体，杀灭空气上的污物，氧化室内有害气体，杀灭空气 中的各种细菌和病毒。中的各种细菌和病毒。 p“纳米自洁净玻璃纳米自洁净玻璃”与普通玻璃的价格比与普通玻璃的价格比 预计为预计为1.51.5：1 1。 纳米护腿、护膝、鞋垫纳米护腿、护膝、鞋垫 p采用采用纳米远红外材料纳米远红外材料，具有，具有远红外保远红外保 健功能健功能； p采用采用纳米磁性材料纳米磁性材料，兼具，兼具磁疗功能磁疗功能； p采用采用纳

48、米永磁材料纳米永磁材料，没有磁硬块，穿，没有磁硬块，穿 着舒适，洗涤方便；着舒适，洗涤方便； p有效激活细胞的代谢能力，增强肌体有效激活细胞的代谢能力，增强肌体 免疫力；免疫力； p舒筋活络、改善局部血液循环，对关舒筋活络、改善局部血液循环，对关 节疼痛止痛迅速；节疼痛止痛迅速； p对贴近的肌肤起全方位的对贴近的肌肤起全方位的按摩及刺激作用按摩及刺激作用； p纳米鞋垫纳米鞋垫采用多种纳米粉体精制而成，采用多种纳米粉体精制而成，除臭除臭 效果极佳效果极佳。尤其适用于运动量较大，有脚气、。尤其适用于运动量较大，有脚气、 脚癣的朋友们，不必清洗，置于日光晒数分脚癣的朋友们，不必清洗，置于日光晒数分

49、钟效果更好。钟效果更好。 p止痒抗菌功能：止痒抗菌功能：吸湿能力较强，产品中的无吸湿能力较强，产品中的无 机抗菌材料，可机抗菌材料，可长效抑菌长效抑菌，抑制鞋内真菌繁抑制鞋内真菌繁 衍、防治脚气、脚癣等疾病衍、防治脚气、脚癣等疾病。 （8 8）医学应用：）医学应用： p将药物储存在将药物储存在碳纳米管碳纳米管中，并中，并 通过一定的机制来激发药剂的通过一定的机制来激发药剂的 释放，则释放，则可控药剂可控药剂有希望变为有希望变为 现实。现实。 p纳米材料粒子将使药物在人体纳米材料粒子将使药物在人体 内的传输更为方便，用数层纳内的传输更为方便，用数层纳 米粒子包裹的米粒子包裹的智能药物智能药物进入

50、人进入人 体后可体后可主动搜索主动搜索并并攻击攻击癌细胞癌细胞 或或修补修补损伤组织。损伤组织。 硅材料新型纳米生物传感器硅材料新型纳米生物传感器 纳米机器人纳米机器人 p使用纳米技术的使用纳米技术的新型诊断仪器新型诊断仪器只需检测少只需检测少 量血液，就能通过其中的蛋白质和量血液，就能通过其中的蛋白质和DNADNA诊诊 断出各种疾病。断出各种疾病。 p采用纳米大分子采用纳米大分子 “ “生物部件生物部件”与小分子与小分子 无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控 制装配成制装配成纳米机器人纳米机器人，将会给人类医学科，将会给人类医学科 技带来深刻的革命，技带来深刻的革命，