纳米复合材料的结构和性能.ppt
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1、纳米复合材料的结构和性能,纳米复合的发展已经成为纳米材料工程的重要组成部分。世界发达国家发展新材料的战略,都把纳米复合材料的发展摆到重要的位置美国在1994年11月中旬召开了国际上第一次纳米材料商业性会议,纳米复合材料的发展和缩短其商业化进程是这次会议讨论的重点;德国在制定21世纪新材料发展的战略时,把发展气凝胶和高效纳米陶瓷作为重要的发展方向;英国和日本各自也都制定了纳米复合材料的研究计划纳米复合材料研究的热潮已经形成,复合涂层材料(composite coating materials),纳米涂层材料由于具有高强、高韧、高硬度特性,在材料表面防护和改性上有着广阔的应用前景近年来纳米涂层材料
2、发展的趋势是由单一纳米涂层材料向纳米复合涂层材料发展,高力学性能材料,所谓高力学性能是指比目前常规材料所具有的强度、硬度、韧性以及其他综合力学性能更好、更优越的性能,除了对传统材料进行改性以外,发展高效力学性能材料已提到材料科学工作者的面前,在这方面纳米复合材料的研究为探索高力学性能材料开辟了一条新的途径,1 高强度合金(high strength alloy),日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法制备了高强、高延展性的纳米复合合金材料,其中包括纳米Al-过渡族金属-镧化物合金,纳米Al-Ce-过渡族金属合金复合材料,这类合金具有比常规同类材料好得多的延展性和高的强度(13401560MPa
3、)这类材料结构上的特点是在非晶基体上分布纳米粒子.大块金属玻璃(bulk metal glass-BMG),Zr基块体非晶合金已做成新一代高尔夫球拍材料倍受青睐。,五、应用探索,动态韧性及自锐性,非晶合金在高速载荷作用下,具有非常高的动态断裂韧性,同时在侵彻时具有自锐性,是一种适于制做穿甲弹芯的特种材料。,2.在军工方面做为穿甲弹材料已列入美国国防部研究计划。,2 增韧纳米复相陶瓷(reinforced nanocomposite ceramics),纳米尺度合成使人们为之奋斗将近一个世纪的陶瓷增韧问题的突破成为一种可能,3 超塑性(superplasticity),自20世纪80年代中期以来
4、,超塑性陶瓷材料相继在实验室问世Wakai和Nieh等人在加Y2O3稳定化剂的四方二氧化锆中(粒径小于300nm)观察到了超塑性,他们在此材料基础上又加入20%Al2O3,制成的陶瓷材料平均粒径约500nm,超塑性达200至500,仿生材料(bionic materials),仿生材料的研制是当前材料科学中学科交叉的前沿领域.纳米材料问世以后,仿生材料研究的热点已开始转向纳米复合材料,这是因为自然界生物的某些器官实际上是一种天然的纳米复合材料.一些发达国家,如美国,日本,德国、俄罗斯已经开始制定为人类健康服务的仿生材料的研究计划,而纳米仿生材料的位置也越来越重要高.,其它的应用领域,1 高分子
5、基纳米复合材料2 磁性材料 3 磁致冷材料 4 超软磁材料和硬磁材料 5 巨磁电阻材料 6 光学材料 7 高介电材料,纳米复合材料的重要性,纳米复合材料是属于纳米材料工程的重要组成部分,以实际应用为目标的纳米复合材料的研究在未来的一段时间内将有很强的生命力,也是新材料发展的一个重要部分,因此应该对其研究给予高度的重视,纳米复合材料的发展方向,开展纳米复合人工超结构的研究。根据纳米结构的特点把异质、异相、不同的有序度的材料在组米尺度下进行合成(synthesis)、组合(assembling)和剪裁(tailoring),设计新型的元件,发现新现象,开展基础和应用基础研究,在继续开展简单纳米材料
6、研究的同时,注意对纳米复杂体系的探索也是当前纳米材料发展的新动向,纳米结构和纳米材料的应用,在21世纪信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求,材料的小型化、智能化、元件的高集成、高密度存储和超快传输等为纳米材料的应用提供了广阔的应用空间世界各国面对着新世纪的严峻挑战都在重新思考如何调整国民经济支柱产业的布局如何发展高科技,增强国际竞争的实力,纳米科技在这方面将发挥重要的作用,量子磁盘与高密度磁存储,一般磁盘存储密度达到106107bit/in2光盘的存储密度提高到109bit/in2有人一度把1011bitin2称之为不可愈越的极限 量子磁盘的问世,使磁
7、盘的尺寸比原来的磁盘缩小了10000倍,磁存储密度达到41011bitin2,量子磁盘与高密度磁存储,纳米结构的磁盘,尺寸为l00nml00nm,由直径为l0nm,长度为40nm的Co棒按周期为40nm排列成阵列(如右图所示),高密度记忆存储元件,记忆存储元件的发展趋势是降低元件尺寸,提高存储密度;铁电材料,特别是铁电薄膜是设计制造记忆存储元件的首选材料 纳米结构有序平面阵列体系是设计下一代超小型、高密度记忆元件的重要途径,单电子晶体管的用途,单电子晶体管的用途很多,它可用作超高密度信息存储,超敏电流计,近红外辐射接收器和直流电流标准器(1)单电子记忆 依据单电子晶体管“库仑岛”上存在或缺乏一
8、个电子的状态变化,单电子晶体管可用作高密度信息存储的记忆单元,单电子晶体管的用途,(2)超敏感电流计比通常使用的场效应晶体管对电荷的灵敏度要高6倍所以利用这个性质,可以制成高精度的电流计,单电子晶体管的用途,(3)微波探测当用微波进行辐照时,辐射能通过导线与器件耦合处于超导态的单电子晶体管器件吸收了频率为约80GHz的辐射后,使原先在能量上被禁止的单电子隧穿过程得以进行,此时,在电流曲线上可观察到一个小的库珀对隧穿产生的电流峰 这种单电子晶体管对微波的敏感度比目前最好的辐射热器件要敏感100倍,单电子晶体管进行大规模集成,一是如何将大量的单电子晶体管集成在一起;在原理上采用化学自组装是能解决这
9、一问题的。二是如何将单电子晶体管阵列与外界连接a是用杂化的方法,即把单电子晶体管和相关元件与已有的金属氧化物半导体场效应晶体管集成在一起这种方法能够增加集成线路的密度。b是由团簇相连构成的基本单元之间的静电作用形成的电路,单电子晶体管进行大规模集成,在Korotkov的设计中 基本单元为绝缘体连接纳米团簇构成的串(如右图中的上图),随着外加电场方向的改变,极化导致这种基本单元给出一个“0”态或“1”态 在Lent的设计中基本单元为纳米团簇构成的矩形单元(右图中的下图),高效能量转化纳米结构,(1)高效再生锂电池 具有再生能力的电池广泛用于手机、小型家用电器、电动剃须刀以及微型仪器仪表上随着器件
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