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材料导论文献

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纳米材料技术作为一门高新科学技术,纳米技术具有极大的价值和作用。下面我给大家分享一些纳米材料与技术3000字论文, 希望能对大家有所帮助!纳米材料与技术3000字论文篇一:《试谈纳米复合材料技术发展及前景》 [摘要]纳米材料是指材料显微结构中至少有一相的一维尺度在100nm以内的材料。纳米材料由于平均粒径微小、表面原子多、比表面积大、表面能高,因而其性质显示出独特的小尺寸效应、表面效应等特性,具有许多常规材料不可能具有的性能。纳米材料由于其超凡的特性,引起了人们越来越广泛的关注,不少学者认为纳米材料将是21世纪最有前途的材料之一,纳米技术将成为21世纪的主导技术。 [关键词]高聚物纳米复合材料 一、 纳米材料的特性 当材料的尺寸进入纳米级,材料便会出现以下奇异的物理性能: 1、尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时,晶体的边界条件将被破坏,非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小,导致声、光电、磁、热、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。如当颗粒的粒径降到纳米级时,材料的磁性就会发生很大变化,如一般铁的矫顽力约为80A/m,而直径小于20nm的铁,其矫顽力却增加了1000倍。若将纳米粒子添加到聚合物中,不但可以改善聚合物的力学性能,甚至还可以赋予其新性能。 2、表面效应 一般随着微粒尺寸的减小,微粒中表面原子与原子总数之比将会增加,表面积也将会增大,从而引起材料性能的变化,这就是纳米粒子的表面效应。 纳米微粒尺寸d(nm) 包含总原子表面原子所占比例(%)103×1042044××1028013099从表1中可以看出,随着纳米粒子粒径的减小,表面原子所占比例急剧增加。由于表面原子数增多,原子配位不足及高的表面能,使这些表面原子具有高的活性,很容易与 其它 原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中,这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。 3、量子隧道效应 微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化,这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际 应用,如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等,都具有重要意义。 二、高聚物/纳米复合材料的技术进展 对于高聚物/纳米复合材料的研究十分广泛,按纳米粒子种类的不同可把高聚物/纳米复合材料分为以下几类: 1、高聚物/粘土纳米复合材料 由于层状无机物在一定驱动力作用下能碎裂成纳米尺寸的结构微区,其片层间距一般为纳米级,它不仅可让聚合物嵌入夹层,形成“嵌入纳米复合材料”,还可使片层均匀分散于聚合物中形成“层离纳米复合材料”。其中粘土易与有机阳离子发生交换反应,具有的亲油性甚至可引入与聚合物发生反应的官能团来提高其粘结。其制备的技术有插层法和剥离法,插层法是预先对粘土片层间进行插层处理后,制成“嵌入纳米复合材料”,而剥离法则是采用一些手段对粘土片层直接进行剥离,形成“层离纳米复合材料”。 2、高聚物/刚性纳米粒子复合材料 用刚性纳米粒子对力学性能有一定脆性的聚合物增韧是改善其力学性能的另一种可行性 方法 。随着无机粒子微细化技术和粒子表面处理技术的 发展 ,特别是近年来纳米级无机粒子的出现,塑料的增韧彻底冲破了以往在塑料中加入橡胶类弹性体的做法。采用纳米刚性粒子填充不仅会使韧性、强度得到提高,而且其性价比也将是不能比拟的。 3、高聚物/碳纳米管复合材料 碳纳米管于1991年由 发现,其直径比碳纤维小数千倍,其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。 碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出碳纳米管的强度实验值为30-50GPa。尽管碳纳米管的强度高,脆性却不象碳纤维那样高。碳纤维在约1%变形时就会断裂,而碳纳米管要到约18%变形时才断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa,比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。 在电性能方面,碳纳米管作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加入的碳黑相比,碳纳米管有高的长径比,因此其体积含量可比球状碳黑减少很多。同时,由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好,填入聚合物基体时不会断裂,因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林Trinity学院进行的研究表明,在塑料中含2%-3%的多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级,从10-12s/m提高到了102s/m。 三、前景与展望 在高聚物/纳米复合材料的研究中存在的主要问题是:高聚物与纳米材料的分散缺乏专业设备,用传统的设备往往不能使纳米粒子很好的分散,同时高聚物表面处理还不够理想。我国纳米材料研究起步虽晚但 发展 很快,对于有些方面的研究 工作与国外相比还处于较先进水平。如:漆宗能等对聚合物基粘土纳米复合材料的研究;黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究都在学术界很有影响;另外,四川大学高分子 科学 与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的手段。尽管如此,在总体水平上我国与先进国家相比尚有一定差距。但无可否认,纳米材料由于独特的性能,使其在增强聚合物 应用中有着广泛的前景,纳米材料的应用对开发研究高性能聚合物复合材料有重大意义。特别是随着廉价纳米材料不断开发应用,粒子表面处理技术的不断进步,纳米材料增强、增韧聚合物机理的研究不断完善,纳米材料改性的聚合物将逐步向 工业 化方向发展,其应用前景会更加诱人。 参考 文献 : [1] 李见主编.新型材料导论.北京:冶金工业出版社,1987. [2]都有为.第三期工程科技 论坛 ——‘纳米材料与技术’ 报告 会. [3]rohlich J,Kautz H,Thomann R[J].Polymer,2004,45(7):2155-2164. 纳米材料与技术3000字论文篇二:《试论纳米技术在新型包装材料中的应用》 【摘 要】作为一门高新科学技术,纳米技术具有极大的价值和作用。进入20世纪90年代,纳米科学得到迅速的发展,产生了纳米材料学、纳米化工学、纳米机械学及纳米生物学等,由此产生的纳米技术产品也层出不穷,并开始涉及汽车行业。 【关键词】纳米技术 包装材料 1 纳米技术促进了汽车材料技术的发展 纳米技术可应用在汽车的任何部位,包括发动机、底盘、车身、内饰、车胎、传动系统、排气系统等。例如,在汽车车身部分,利用纳米技术可强化钢板结构,提高车体的碰撞安全性。另外,利用纳米涂料烤漆,可使车身外观色泽更为鲜亮、更耐蚀、耐磨。内装部分,利用纳米材料良好的吸附能力、杀菌能力、除臭能力使室内空气更加清洁、安全。在排气系统方面,利用纳米金属做为触媒,具有较高的转换效果。 由于纳米技术具有奇特功效,它在汽车上得到了广泛的应用,提升汽车性能的同时延长使用寿命。 2 现代汽车上的纳米材料 (1)纳米面漆。汽车面漆是对汽车质量的直观评价,它不但决定着汽车的美观与否,而且直接影响着汽车的市场竞争力。所以汽车面漆除要求具有高装饰性外,还要求有优良的耐久性,包括抵抗紫外线、水分、化学物质及酸雨的侵蚀和抗划痕的性能。纳米涂料可以满足上述要求。纳米颗粒分散在有机聚合物骨架中,作承受负载的填料,与骨架材料相互作用,有助于提高材料的韧性和其它机械性能。研究表明,将10%的纳米级TiO2粒子完全分散于树脂中,可提高其机械性能,尤其可使抗划痕性能大大提高,而且外观好,利于制造汽车面漆涂料;将改性纳米CaCO3以质量分数15%加入聚氨酯清漆涂料中,可提高清漆涂料的光泽、流平性、柔韧性及涂层硬度等。 纳米TiO2是一种抗紫外线辐射材料,加之其极微小颗粒的比表面积大,能在涂料干燥时很快形成网络结构,可同时增强涂料的强度、光洁度和抗老化性;以纳米高岭土作填料,制得的聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料不仅透明,而且吸收紫外线,同时也可提高热稳定性,适合于制造汽车面漆涂料。 (2)纳米塑料。纳米塑料可以改变传统塑料的特性,呈现出优异的物理性能:强度高,耐热性强,比重更小。随着汽车应用塑料数量越来越多,纳米塑料会普遍应用在汽车上。主要有阻燃塑料、增强塑料、抗紫外线老化塑料、抗菌塑料等。阻燃塑料是燃烧时,超细的纳米材料颗粒能覆盖在被燃材料表面并生成一层均匀的碳化层,起到隔热、隔氧、抑烟和防熔滴的作用,从而起到阻燃作用。 目前汽车设计要求规定,凡通过乘客座舱的线路、管路和设备材料必须要符合阻燃标准,例如内饰和电气部分的面板、包裹导线的胶套,包裹线束的波纹管、胶管等,使用阻燃塑料比较容易达到要求。增强塑料是在塑料中填充经表面处理的纳米级无机材料蒙脱土、CaCO3、SiO2等,这些材料对聚丙烯的分子结晶有明显的聚敛作用,可以使聚丙烯等塑料的抗拉强度、抗冲击韧性和弹性模量上升,使塑料的物理性能得到明显改善。 抗紫外线老化塑料是将纳米级的TiO2、ZnO等无机抗紫外线粉体混炼填充到塑料基材中。这些填充粉体对紫外线具有极好的吸收能力和反射能力,因此这种塑料能够吸收和反射紫外线,比普通塑料的抗紫外线能力提高20倍以上。据报道这类材料经过连续700小时热光照射后,其扩张强度损失仅为10%,如果作为暴露在外的车身塑料构件材料,能有效延长其使用寿命。抗菌塑料是将无机的纳米级抗菌剂利用纳米技术充分地分散于塑料制品中,可将附着在塑料上的细菌杀死或抑制生长。这些纳米级抗菌剂是以银、锌、铜等金属离子包裹纳米TiO2、CaCO3等制成,可以破坏细菌生长环境。据介绍无机纳米抗菌塑料加工简单,广谱抗菌,24小时接触杀菌率达90%,无副作用。 (3)纳米润滑剂。纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的纯石油产品,它不会对润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂和减磨剂等产品产生不良作用,只是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。由于这些微小烃类分子间的相互吸附作用,能够完全填充金属表面的微孔,最大可能地减小金属与金属间微孔的摩擦。与高级润滑油或固定添加剂相比,其极压可增加3倍-4倍,磨损面减小16倍。由于金属表面得到了保护,减小了磨损,使用寿命成倍增加。 另外,由于纳米粒子尺寸小,经过纳米技术处理的部分材料耐磨性是黄铜的27倍、钢铁的7倍。目前纳米陶瓷轴承已经应用在奔驰等高级轿车上,使机械转速加快、质量减小、稳定性增强,使用寿命延长。 (4)纳米汽油。纳米汽油最大优点是节约能源和减少污染,目前已经开始研制。该技术是一种利用现代最新纳米技术开发的汽油微乳化剂。它能对汽油品质进行改造,最大限度地促进汽油燃烧,使用时只要将微乳化剂以适当比例加入汽油便可。交通部汽车运输节能技术检测中心的专家经试验后认为,汽车在使用加入该微乳化剂的汽油后,可降低其油耗10%~20%,增加动力性能25%,并使尾气中的污染物(浮碳、碳氢化合物和氮氧化合物等)排放降低50%~80%。它还可以清除积碳,提高汽油的综合性能。更令人注意的是,纳米技术应用在燃料电池上,可以节省大量成本。因为纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力。根据实验结果,在室温常压下,约2/3的氢能可以从这些纳米材料中得以释放,故其能替代昂贵的超低温液氢储存装置。 (5)纳米橡胶。汽车中橡胶材料的应用以轮胎的用量最大。在轮胎橡胶的生产中,橡胶助剂大部分成粉体状,如炭黑、白炭黑等补强填充剂、促进剂、防老剂等。以粉体状物质而言,纳米化是现阶段橡胶的主要发展趋势。新一代纳米技术已成功运用其它纳米粒子作为助剂,而不再局限于使用炭黑或白炭黑,汽车中最大的改变即是,轮胎的颜色已不再仅限于黑色,而能有多样化的鲜艳色彩。另外无论在强度、耐磨性或抗老化等性能上,新的纳米轮胎均较传统轮胎都优异,例如轮胎侧面胶的抗裂痕性能将由10万次提高到50万次。 (6)纳米传感器。传感器是纳米技术应用的一个重要领域,随着纳米技术的进步,造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面。半导体纳米材料做成的各种传感器,可灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化,这在汽车尾气和大气环境保护上已得到应用。纳米材料来制作汽车尾气传感器,可以对汽车尾气中的污染气体进行吸附与过滤,并对超标的尾气排放情况进行监控与报警,从而更好地提高汽车尾气的净化程度,降低汽车尾气的排放。我国纳米压力传感器的研制已获得成功,产品整体性能超过国外的超微传感器,缩小了我国在这一技术领域与世界先进国家存在的差距。有专家认为,到2020年,纳米传感器将成为主流。 (7)纳米电池。早在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, 密度只有钢的1/6。我国科学家最近已经合成高质量的碳纳米材料,使我国新型储氢材料研究一举跃入世界先进行列。此种新材料能储存和凝聚大量的氢气,并可做成燃料电池驱动汽车,储氢材料的发展还会给未来的交通工具带来新型的清洁能源。 结语 随着材料技术的发展,纳米技术已成为当今研究领域中最富有活力,对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。纳米科技正在推动人类社会产生巨大的变革,未来汽车技术的发展,有极大部分与纳米技术密切相关,纳米材料和纳米技术将会给汽车新能源、新材料、新零部件带来深远的影响。对于汽车制造商而言,纳米技术的有效运用,有效地促进技术升级、提升附加价值。相信在不久的将来,纳米技术必将在汽车的制造领域得到更广泛的应用。 参考文献 [1]肖永清.纳米技术在汽车上的应用[J].轻型汽车技术,. [2]潘钰娴,樊琳.纳米材料的研究和应用[J].苏州大学学报(工科版),2002. [3]周李承,蒋易,周宜开,任恕,聂棱.光纤纳米生物传感器的现状及发展[J].传感器技术,2002,(1):18~21 纳米材料与技术3000字论文篇三:《试谈纳米技术及纳米材料的应用》 摘要:本文主要论述了纳米材料的兴起、纳米材料及其性质表现、纳米材料的应用示例、纳米材料的前景展望,以供与大家交流。 关键词:纳米材料;应用;前景展望 1.纳米技术引起纳米材料的兴起 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,最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品,这是关于纳米科技最早的梦想。80年代初,德国科学家成功地采用惰性气体凝聚原位加压法制得纯物质的块状纳米材料后,纳米材料的研究及其制备技术在近年来引起了世界各国的普遍重视。由于纳料材料具有独特的纳米晶粒及高浓度晶界特征以及由此而产生的小尺寸量子效应和晶界效应,使其表现出一系列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的力学、磁、光、电、声等性能,使得对纳米材料的制备、结构、性能及其应用研究成为90年代材料科学研究的 热点 。1991年,美国科学家成功地合成了碳纳米管,并发现其质量仅为同体积钢的1/6,强度却是钢的10倍,因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年,纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2.纳米材料及其性质表现 纳米材料 纳米(nm)是长度单位,1纳米是10-9米(十亿分之一米),对宏观物质来说,纳米是一个很小的单位,不如,人的头发丝的直径一般为7000-8000nm,人体红细胞的直径一般为3000-5000nm,一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小,金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示,1埃相当于1个氢原子的直径,1纳米是10埃。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件:一是材料的特征尺寸在1-100nm之间,二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 纳米材料的特殊性质 纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径,导致了高扩散率,它对蠕变,超塑性有显著影响,并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质,往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比,纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。 3.纳米材料的应用示例 目前纳米材料主要用于下列方面: 高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料 纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中,力学性能提高约一个量级,还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤:起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂,可以抑制烧结过程中的晶粒长大。 纳米结构软磁材料 Finemet族合金已经由日本的Hitachi Special Metals,德国的Vacuumschmelze GmbH和法国的 Imply等公司推向市场,已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的 Alps Electric Co.一直在开发Nanoperm族合金,该公司与用户合作,不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。 电沉积纳米晶Ni 电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构,但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份,电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大,添加溶质并使其偏析在晶界上,以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应,可实现结构的稳定。例如,添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布,表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点,使管材的内涂覆,尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为 EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中,微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm,材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍,延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。 基纳米复合材料 Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子,合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如 Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似,即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如,在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体,晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100~200nm,镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为~1GPa,拉伸韧性得到改善。另外,这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化,注册为Gigas TM。雾化的粉末可以固结成棒材,并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为:在1s-1的高应变速率下,延伸率大于500%。 4.纳米材料的前景趋向 经过我国材料技术人员多年对纳米技术的研究探索,现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子,纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测:不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生;用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用;分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。 近年来还有一些引人注目的发展趋势新动向,如:(1)纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头;(2)巨电导的发现;(3)颗粒膜巨磁电阻尚有潜力;(4)纳米组装体系设计和制造有新进展。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。下面是我整理的纳米材料科技论文,希望你能从中得到感悟!

纳米材料综述

【摘要】 本文综述了纳米材料的发展、种类、结构特性、目前应用状况和相关的应用前景,并对我国和国际目前的研究水平和投入做了对比分析。

【关键词】 纳米、纳米技术、纳米材料、纳米结构

1 引言

著名科学家费曼于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲中,以“由下而上的方法”出发,提出从单个分子甚至原子开始进行组装,以达到设计要求。他说道,“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言,“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话,将极大得扩充我们获得物性的范围。”[1]

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。[2]

2 纳米技术

纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行精确的观测、识别和控制的技术,是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用,并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子,制造出具有特定功能的产品。

3 纳米材料

纳米材料的概念

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料,这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。从尺寸大小来说,通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在微米以下,即100纳米以下。因此,颗粒尺寸在1~100纳米的微粒称为超微粒材料,也是一种纳米材料。

纳米材料具有一定的独特性,当物质尺度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。

纳米材料的分类

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础。

(1)纳米粉末

纳米粉末又称为超微粉或超细粉,一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于: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;微芯片导热基片与布线材料;微电子封装材料;光电子材料;先进的电池电极材料;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(摔不裂的陶瓷,用于陶瓷发动机等);人体修复材料;抗癌制剂等。

(2)纳米纤维

纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于:微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料;新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是目前制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。

(3)纳米膜

纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起,中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于:气体催化(如汽车尾气处理)材料;过滤器材料;高密度磁记录材料;光敏材料;平面显示器材料;超导材料等。

(4)纳米块体

纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为:超高强度材料;智能金属材料等。

4 纳米材料的应用

由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成,也正因为这样,纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如:其力学特性、电学特性、磁学特性[8]、热学特性等,这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。

5 纳米材料的前景

纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。纳米材料的应用涉及到各个领域,21世纪将是纳米技术的时代。纳米科学技术的诞生,将对人类社会产生深远的影响,并有可能从根本上解决人类面临的许多问题,特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性,设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性,增加其高科技含量以及发展纳米结构的新型产品,目前已出现可喜的苗头,具备了形成21世纪经济新增长点的基础。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域,发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展,纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。

6 结束语

纳米材料在21世纪高科技发展中占有重要地位。纳米材料由于其无可挑剔的优越性,已成为世界各国研究的热点。其应用已渗透到人类生活和生产的各个领域,促使许多传统产业得到改进。世界发达国家的政府都在部署未来10~15年有关纳米科技研究规划。我国对纳米材料的研究也取得了令世界瞩目的、具有前沿性的科技成果。纳米技术的开发,纳米材料的应用,推动了整个人类社会的发展,也给市场带来了巨大的商业机遇。

参考文献

[1]孙红庆.科技天地―计划与市场探索[M],2001/05

[2]肖建中.材料科学导论[M].北京:中国电力出版社,2001,43~50.

[3]吴润,谢长生.粉状纳米材料的表面研究进展与展望[J].材料导报.2000,14(10):43~46.

纳米材料与应用

摘要 :简要介绍了纳米材料的分类以及它的基本效应,讲解了纳米材料的特殊性能。分析了新型能源纳米材料中光电转换、热点转换、超级电容器及电池电极的纳米材料;环境净化纳米材料中的光催化、吸附、尾气处理等;较具体的讲述了纳米生物医药材料中纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料。

关键词 :纳米材料 性能 应用

纳米是一个长度单位,1nm=10ˉ9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料,纳米尺度一般是指1~100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时,其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。

按材质,纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。

悬浮于流体的纳米颗粒可大幅度提高流体的热导率及传热效果,例如在水中添加5%的铜纳米颗粒,热导率可以增大约倍,这对提高冶金工业的热效率有重要意义。纳米颗粒可表现出同质大块物体不同的光学特性,例如宽频带、强吸收、蓝移现象及新的发光现象,从而可用于发光反射材料、光通讯、光储存、光开光、光过滤材料、光导体发光材料、光学非线性元件、吸波隐身材料和红外线传感器等领域。

纳米颗粒在电学性能方面也出现了许多独特性。例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝缘性,纳米钛酸铅、钛酸钡等颗粒由典型得铁电体变成了顺电体。可以利用纳米颗粒制作导电浆料、绝缘浆料、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料压敏和非线性电阻及热电和介电材料等。纳米粒子的粒径小,表面原子所占比例很大,表面原子拥有剩余的化学键合力,表现出很强的吸附能力和很高的表面化学反应活性。新制备的金属粒子接触空气,能进行剧烈氧化反应或发光燃烧(贵金属除外)。

纳米材料还广泛应用于环境保护中,它具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染等突出特点。纳米材料在生物学性能也有广泛应用,用纳米颗粒很容易将血样中极少的胎儿细胞分离出来,方法简便,成本低廉,并能准确判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。人工纳米材料由于其所具有的独特性质能满足人类发展中的多样化需求,近年来获得迅速的发展。目前,越来越多的人工纳米材料已被投放市场,给人们的生活带来巨大的变化和进步。

来自美国加州大学洛杉矶分校和中国天津大学的研究人员们合作,将导电性能良好的碳纳米管和高容量的氧化钒编织成多孔的纤维复合材料,并将该复合材料应用到超级电容器的电极上,获得了新型的具有高能量密度和高循环稳定性的超级电容器。这种超级电容器是非对称的,包含复合材料的阳极和传统的阴极,以及有机的电解质。其中电极薄膜的厚度要比之前的报道高很多,可以达到100微米上,从而使其可以获得更高的能量密度。由于其制备过程与传统的锂离子电池和电容器的生产过程近似,研究人员们认为这种新型电容器的可以比较容易地投入大规模生产。同时,他们也相信该项研究成果向同行们展示了纳米复合材料在高能量、高功率电子设备中的应用前景。

通过先进碳材料的应用,综合了人造石墨和天然石墨做为锂离子电池负极材料活性物质的优点,克服了它们各自存在的缺点,是满足先进锂离子电池性能要求的新一代碳贮锂材料。具有下列优点:微观结构稳定性好,适合大电流充放电;表观性状相容性好,适合形成稳定的SEI膜;粒子形貌、粒径分布适应性强,适合不同的加工工艺要求。适用于先进锂离子电池(液态、聚合物)对下列性能的要求:更高的比能量(体积比、重量比);更高的比功率;更长的循环寿命;更低的使用成本。

应用纳米TiO2泡沫镍金属滤网及甲醛、氨、TVOC吸附改性活性炭等新材料,以及采用惯流风扇取代传统的离心风扇结构,提高空气净化器的性能。光催化泡沫镍金属滤网的特性;镍金属网是用特殊的工艺方式将金属镍制作成具有三维网状结构的金属滤网。它具有:空隙加大,一般大于96%;通透性好,流体通过阻力小;其实际面积比表观面积大很多倍的特性。镍金属网是将纳米级的TiO2以特殊工艺镶嵌在泡沫状镍金属网上,从而将光催化材料的杀菌、除臭、分解有机物的功能和镍的超稳定性很好的结合在一起。它有效的解决了其他光催化材料在使用中存在的有效受光面积小、流体和光催化材料接触面积小、气阻大以及因光催化材料在光催化作用下的强氧化性致使其附着基材易老化和光催化易脱落而使其寿命短的缺陷。活性炭改性工艺及增强性能;活性炭是一种多孔性的含碳物质,它具有高度发达的空隙构造,是一种优良的空气中异味吸附剂。

纳米TiO2具有巨大的比表面积,与废水中有机物更充分地接触,可将有机物最大限度地吸附在它的表面具有更强的紫外光吸收能力,因而具有更强的光催化降解能力可快速降息夫在其表面的有机物分解。此外,在汽车尾气催化的性能方面以及在空气净化中广泛应用。

常规陶瓷由于气孔、缺陷的影响,存在着低温脆性的缺点,它的弹性模量远高于人骨,力学相容性欠佳,容易发生断裂破坏,强度和韧性都还不能满足临床上的高要求,使它的应用受到一定的限制。而纳米陶瓷由于晶粒很小,使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少,材料不易造成穿晶断裂,有利于提高材料的断裂韧性;而晶粒的细化又同时使晶界数量大大增加,有助于晶粒间的滑移,使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变形。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医学材料,在临床上已有多方面应用,主要用于制造人工骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、人工齿,以及牙种植体、耳听骨修复体等等。

由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。在纳米碳材料中主要包括纳米碳纤维、碳纳米管、类金刚石碳等;纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、比强度、高导电性之外,还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点,这些超常特性和良好的生物相容性,使它在医学领域中有广泛的应用前景,包括使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度、韧性等多方面的性能显著提高;此外,利用纳米碳材料的高效吸附特性,还可以将它用于血液的净化系统,清除某些特定的病毒或成份。

目前,纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、药物控制释放载体、及介入性诊疗等许多方面。免疫分析作为一种常规的分析方法,在蛋白质、抗原、抗体乃至整个细胞的定量分析上发挥着巨大的作用。在特定的载体上,以共价结合的方式固定对应于分析对象的免疫亲和分子标识物,将含有分析对象的溶液与载体温育,通过显微技术检测自由载体量,就可以精确地对分析对象进行定量分析。在免疫分析中,载体材料的选择十分关键。纳米聚合物粒子,尤其是某些具有亲水性表面的粒子,对非特异性蛋白的吸附量很小,因此已被广泛地作为新型的标记物载体来使用。

近年来,组织工程成为一个崭新的研究领域,吸引了众多学科研究者的关注。在工程化的方法培养组织、器官的过程中,用于细胞种植、生长的支架材料是一个关键的因素,能否使种植的细胞保持活性和增殖能力,是支架材料应用的重要条件。据报道,将甲壳素按一定的比例加入到胶原蛋白中可以制成一种纳米结构的复合材料,与以往的胶原蛋白支架相比,其力学强度得到增强,孔径尺寸增大,表明这种具有纳米结构的复合材料作为细胞生长的三维支架,在力学、生物学方面有很大的优越性和应用潜力。在硬组织修复与替换的研究中,纳米复合材料也开始逐步显示出其优异的性能。用肽分子和两亲化合物的自组装可以得到一种类似细胞外基质的纤维状支架,这种纳米纤维可以引导羟基磷灰石的矿化,形成纳米结构的复合材料,研究发现,这种纳米复合材料内部的微观结构与自然骨中胶原蛋白/羟基磷灰石晶粒的排列结构一致。

参考文献:

[1] 陈飞. 浅谈纳米材料的应用[J]. 中小企业管理与科技(下旬刊). 2009(03)

[2] 张桂芳. 纳米材料应用与发展前景概述[J]. 黑龙江科技信息. 2009(16)

超导材料论文

具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性 超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。①零电阻性:超导材料处于超导态时电阻为零,能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流,这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。②完全抗磁性:超导材料处于超导态时,只要外加磁场不超过一定值,磁力线不能透入,超导材料内的磁场恒为零。③约瑟夫森效应:两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约1nm)而形成低电阻连接时,会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后,绝缘层两侧出现电压U(也可加一电压U),同时,直流电流变成高频交流电,并向外辐射电磁波,其频率为,其中h为普朗克常数,e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 基本临界参量 有以下 3个基本临界参量。①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度,以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨,为。到1987年,临界温度最高值已提高到100K左右。②临界磁场:使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度,以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2],式中H0为0K时的临界磁场。③临界电流和临界电流密度:通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态,以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度,以Jc表示。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件,因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例,从1911年荷兰物理学家H.开默林-昂内斯发现超导电性(Hg,Tc=)起,直到1986年以前,人们发现的最高的 Tc才达到(Nb3Ge,1973)。1986年瑞士物理学家.米勒和联邦德国物理学家.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性,从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间,新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景,米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 分类 超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。①超导元素:在常压下有28种元素具超导电性,其中铌(Nb)的Tc最高,为。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb,Tc=),已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。② 合金材料: 超导元素加入某些其他元素作合金成分, 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr),其Tc为,Hc为特。继后发展了铌钛合金,虽然Tc稍低了些,但Hc高得多,在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti,Tc=,Hc=特;Nb-60Ti,Tc=,Hc=12特()。目前铌钛合金是用于7~8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金,性能进一步提高,Nb-60Ti-4Ta的性能是,Tc=,Hc=特();Nb-70Ti-5Ta的性能是,Tc=,Hc=特。③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn,其Tc=,Hc=特。其他重要的超导化合物还有V3Ga,Tc=,Hc=24特;Nb3Al,Tc=,Hc=30特。④超导陶瓷:20世纪80年代初,米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性,他们的小组对一些材料进行了试验,于1986年在镧-钡-铜-氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年,中国、美国、日本等国科学家在钡-钇-铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性,使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。 应用 超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起,就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约,这首先是它的临界参量,其次还有材料制作的工艺等问题(例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题)。到80年代,超导材料的应用主要有:①利用材料的超导电性可制作磁体,应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等;可制作电力电缆,用于大容量输电(功率可达10000MVA);可制作通信电缆和天线,其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件,其运算速度比高性能集成电路的快10~20倍,功耗只有四分之一。 1911年,荷兰物理学家昂尼斯(1853~1926)发现,水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小,而是当温度降到附近时,水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物,在温度降到绝对零度附近某一特定温度时,它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象,能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为,锌为,铝为,铅为。超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下,极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体,从1911年到1986年,75年间从水银的4.2K提高到铌三锗的23.22K,才提高了19K。 1986年,高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象,以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。 1986年1月,美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体,将超导温度提高到30K;紧接着,日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K;12月30日,美国休斯敦大学宣布,美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2K。 1987年1月初,日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组,获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体,并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日,中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日,日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破,以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体,使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分,液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍,所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1/100。液氮制冷设备简单,因此,现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却,但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。超导科学研究 1.非常规超导体磁通动力学和超导机理 主要研究混合态区域的磁通线运动的机理,不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系,临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T医学研究等 磁体科学和技术 强磁场的价值在于对物理学知识有重要贡献。八十年代的一个概念上的重要进展是量子霍尔效应和分数量子霍耳效应的发现。这是在强磁场下研究二维电子气的输运现象时发现的(获85年诺贝尔奖)。量子霍尔效应和分数量子霍尔效应的发现激起物理学家探索其起源的热情,并在建立电阻的自然基准,精确测定基本物理常数e,h和精细结构常数(=e2/h(0c等应用方面,已显示巨大意义。高温超导电性机理的最终揭示在很大程度上也将依赖于人们在强磁场下对高温超导体性能的探索。 熟悉物理学史的人都清楚,由固体物理学演化为凝聚态物理学,其重要标志就在于其研究对象的日益扩大,从周期结构延伸到非周期结构,从三维晶体拓宽到低维和高维,乃至分数维体系。这些新对象展示了大量新的特性和物理现象,物理机理与传统的也大不相同。这些新对象的产生以及对新效应、新现象的解释使得凝聚态物理学得以不断的丰富和发展。在此过程中,极端条件一直起着至关重要的作用,因为极端条件往往使得某些因素突出出来而同时抑制其它因素,从而使原本很复杂的过程变得较为简单,有利于直接了解物理本质。 相对于其它极端条件,强磁场有其自身的特色。强磁场的作用是改变一个系统的物理状态,即改变角动量(自旋)和带电粒子的轨道运动,因此,也就改变了物理系统的状态。正是在这点上,强磁场不同于物理学的其他一些比较昂贵的手段,如中子源和同步加速器,它们没有改变所研究系统的物理状态。磁场可以产生新的物理环境,并导致新的特性,而这种新的物理环境和新的物理特性在没有磁场时是不存在的。低温也能导致新的物理状态,如超导电性和相变,但强磁场极不同于低温,它比低温更有效,这是因为磁场使带电的和磁性粒子的远动和能量量子化,并破坏时间反演对称性,使它们具有更独特的性质。 强磁场可以在保持晶体结构不变的情况下改变动量空间的对称性,这对固体的能带结构以及元激发及其互作用等研究是非常重要的。固体复杂的费米面结构正是利用强磁场使得电子和空穴在特定方向上的自由运动从而导致磁化和磁阻的振荡这一原理而得以证实的。固体中的费米面结构及特征研究一直是凝聚态物理学领域中的前沿课题。当今凝聚态物理基础研究的许多重大热点都离不开强磁场这一极端条件,甚至很多是以强磁场下的研究作为基础。如波色凝聚只发生在动量空间,要在实空间中观察到此现象必需在非均匀的强磁场中才得以可能。又如高温超导的机理问题、量子霍尔效应研究、纳米材料和介观物体中的物理问题、巨磁阻效应的物理起因、有机铁磁性的结构和来源、有机(包括富勒烯〕超导体的机理和磁性、低维磁性材料的相变和磁相互作用、固体中的能带结构和费米面特征以及元激发及其互作用研究等等,强磁场下的研究工作将有助于对这些问题的正确认识和揭示,从而促进凝聚态物理学的进一步发展和完善。 带电粒子象电子、离子等以及某些极性分子的运动在磁场特别是在强磁场中会产生根本性变化。因此,研究强磁场对化学反应过程、表面催化过程、材料特别是磁性材料的生成过程、生物效应以及液晶的生成过程等的影响,有可能取得新的发现,产生交叉学科的新课题。强磁场应用于材料科学为新的功能材料的开发另辟新径,这方面的工作在国外备受重视,在国内也开始有所要求。高温超导体也正是因为在未来的强电领域中蕴藏着不可估量的应用前景才引起科技界乃至各国政府的高度重视。因此,强磁场下的物理、化学等研究,无论是从基础研究的角度还是从应用角度考虑都具有非常重要的科学和技术上的意义,通过这一研究,不仅有助于将当代的基础性研究向更深层次开拓,而且还会对国民经济的发展起着重要的推动作用。

材料导报和材料研究学报

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期刊材料导报

高分子通报和化学进展两个期刊我都投、发过论文,谈谈我的看法。

高分子通报我投的是综述性质的论文,审稿期不算长,接收的也比较快,但是该刊质量要求比较高,且仅为中文核心期刊;

化学进展我投的也是综述性质的论文,审稿期一个月内,接收的比较快,该刊质量要求比较高,且为SCI收录期刊。

材料导报这个期刊我没投过稿,但是上面的论文我看过,水平一般且领域较杂,该刊仅为中文核心。

如果你的论文是综述性的文章-能够反映某领域国际研究前沿的啊,建议投化学进展;否则投给高分子通报吧。

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超导材料的未来论文文献

铜氧化物超导体材料cuprate superconductors,随着其掺杂的增加,超导转变温度从最佳掺杂时增加到最大值,然后在过掺杂区域中降低。在过去的几十年里,研究主要集中在相图的欠掺杂区和最佳掺杂区。其中,诸如赝能隙和奇异金属非超导态等现象,使得很难确定超导配对机制。 最近,实验表明,在正常态和超导态下,过掺杂铜氧化物呈现了非常规行为。然而,在没有赝隙情况下,对非常规超导电性的实空间研究仍然缺乏,并且在过掺杂区域中,超导体到金属相变,仍然存在争议。

今日, 清华大学王亚愚Yayu Wang团队邹昌炜Changwei Zou和郝镇齐Zhenqi Hao(共同一作) 在Nature Physics上发文,报道了使用扫描隧道显微镜,研究过掺杂Bi2Sr2CaN 1CuNO2N+4+δ铜氧化物的原子尺度电子结构。研究表明,在低能量下,色散d波准粒子干涉图样很好地描述了光谱图。然而,当偏压增加到超导相干峰值能量时,出现周期性和非色散图案。相干峰位置,表现出粒子-空穴不对称性particle–hole asymmetry,并以相同周期进行调制。为此,研究提出这种行为是由于准粒子干涉quasiparticle interference引起的,而准粒子干涉是由平坦反波节Bogoliubov带之间的对破缺散射引起的。

Particle–hole asymmetric superconducting coherence peaks in overdoped cuprates。

过掺杂铜氧化物中的粒子-空穴不对称超导相干峰。

图1:样品1欠掺杂Bi-2223节点QPI和反节点对称破缺状态。

图2:样品5过掺杂Bi-2223的

调制。

图3:样品5过掺杂粒子-空穴不对称SC相干峰。

图4:粒子-空穴不对称性的普遍性及其掺杂演化。

图5:平带散射粒子-空穴不对称理论模型。

该项研究发现,揭示了在过度掺杂铜氧化物中,存在一种新节点-反节点二分性nodal–antinodal dichotomy ,这是因为标准d波和强重整化的平坦 Bogoliubov quasiparticle BQP之间的差异。这明显不同于在传统图像中所预期的,并且与过掺杂相图中,高超导转变温度Tc超导电性高度相关。研究发现,基于八重态模型准粒子干涉quasiparticle interference,QPI分析表明,在反节点费米面中不存在相干d波BQP。这似乎与角分辨光电子能谱 angle-resolved photoemission spectroscopy,ARPES 观测结果不一致,其展现了Sc态中的相干反节点峰值,即使对于掺杂不足的材料也是如此。现在这个矛盾有了一个令人满意的解释:QPI中反节点相干性缺失,是普遍节点-反节点二分性,在超导态中普遍存在的结果。在欠掺杂材料中,反节点区域与赝能隙的出现是不相干的,而在过掺杂铜氧化物中,平坦BQP带占主导地位,两者都对长程QPI形成起着不利作用。在Bi-2223和Bi-2212中,波腹间散射的掺杂演变,没有表现出明显临界行为(例如在p=),表明量子相变。相反,该项研究工作建议,从非相干赝能隙(红色色调,图4c)到重整化BQP激发(图4c中的蓝色色调))在反节点费米面中,与最近直接测量费米面和超流体密度实验一致。需要进一步的理论,阐明过掺杂铜氧化物中,非常规平坦BQP带的物理起源。

此外,该项研究也探究了超流体消失,如何发生在超导体到金属的转变过程。由于节点-反节点二分性,节点电子形成密集重叠的库珀对,负责输运和热力学性质,因此是超流体。另一方面,反节点电子缺乏长程相位相干性,并作为超导电性的竞争者。最近研究也表明,即使配对相互作用保持不变,无序诱导的波腹-波腹散射,也会导致系统自发地产生间隙异质性。随着平带出现,这种散射导致超导体演变成嵌入正常金属中的超导岛。这种不均匀性,具有降低零温超流密度的作用,并最终导致向金属态转变。

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DOI:

本文译自Nature。

研究透视:Nature Physics-铜氧化物超导体,费米面转变,赝能隙量子临界点

自1911年初次发现超导电现象以来,由于它的一系列异乎寻常的性质,长期以来成为物理学家致力于寻找新的超导体和提高超导临界温度Tc,并为此做了大量的研究工作,取得了巨大的,令人可喜的成绩.目前人们已经看到了广阔的超导电性的应用前景,高温超导技术被认为是21世纪十大高新技术之一.一、 材料的研究进展:在19世纪末,随着低温技术的发展,科学家注意到纯金属的电阻随温度降低而减小的现象。1911年,荷兰物理学家卡莫林.昂内斯()在莱顿(Leiden)实验室研究在极低温度下各种金属电阻变化时,首先发现水银(Hg)在时电阻突然为零的现象(称为超导电性),揭开了超导研究的序幕.昂内斯由于1980年液化了氦和1911年超导现象的研究,获得了1913年度诺贝尔物理学奖.此后科学家们经过七十余年的努力,直到1986年初,已发现并制造出了解上千种超导材料,同时把金属及其合金超导材料的临界温度Tc(出现超导现象的温度)从提高到(1973年发现的NB3Ge化合物的Tc=,直到1985年一直保持着最高临界温度的记录),平均每年只获得的进展,然而在1986年却发生了突破.1986年1月,IBM苏黎世实验室的德国人贝德诺尔兹()瑞士人米勒()宣布发现可能达到Tc=35K的镧钡铜氧化物超导体,从而在世界范围内,立即掀起一股探索超导材料的热潮,他俩也因为发现了高温超导体而获得了1987年诺贝尔物理学奖.自此以后,在高临界温度下超导体的研究方面进展较快,取得了一系列突破性的进展,美国、日本等许多国家在高温超导发展中也作出了卓越的贡献.

具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性 超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。①零电阻性:超导材料处于超导态时电阻为零,能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流,这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。②完全抗磁性:超导材料处于超导态时,只要外加磁场不超过一定值,磁力线不能透入,超导材料内的磁场恒为零。③约瑟夫森效应:两超导材料之间有一薄绝缘层(厚度约1nm)而形成低电阻连接时,会有电子对穿过绝缘层形成电流,而绝缘层两侧没有电压,即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后,绝缘层两侧出现电压U(也可加一电压U),同时,直流电流变成高频交流电,并向外辐射电磁波,其频率为,其中h为普朗克常数,e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 基本临界参量 有以下 3个基本临界参量。①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度,以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨,为。到1987年,临界温度最高值已提高到100K左右。②临界磁场:使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度,以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2],式中H0为0K时的临界磁场。③临界电流和临界电流密度:通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态,以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic称为临界电流密度,以Jc表示。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件,因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例,从1911年荷兰物理学家H.开默林-昂内斯发现超导电性(Hg,Tc=)起,直到1986年以前,人们发现的最高的 Tc才达到(Nb3Ge,1973)。1986年瑞士物理学家.米勒和联邦德国物理学家.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性,从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间,新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景,米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 分类 超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶瓷。①超导元素:在常压下有28种元素具超导电性,其中铌(Nb)的Tc最高,为。电工中实际应用的主要是铌和铅(Pb,Tc=),已用于制造超导交流电力电缆、高Q值谐振腔等。② 合金材料: 超导元素加入某些其他元素作合金成分, 可以使超导材料的全部性能提高。如最先应用的铌锆合金(Nb-75Zr),其Tc为,Hc为特。继后发展了铌钛合金,虽然Tc稍低了些,但Hc高得多,在给定磁场能承载更大电流。其性能是Nb-33Ti,Tc=,Hc=特;Nb-60Ti,Tc=,Hc=12特()。目前铌钛合金是用于7~8特磁场下的主要超导磁体材料。铌钛合金再加入钽的三元合金,性能进一步提高,Nb-60Ti-4Ta的性能是,Tc=,Hc=特();Nb-70Ti-5Ta的性能是,Tc=,Hc=特。③超导化合物:超导元素与其他元素化合常有很好的超导性能。如已大量使用的Nb3Sn,其Tc=,Hc=特。其他重要的超导化合物还有V3Ga,Tc=,Hc=24特;Nb3Al,Tc=,Hc=30特。④超导陶瓷:20世纪80年代初,米勒和贝德诺尔茨开始注意到某些氧化物陶瓷材料可能有超导电性,他们的小组对一些材料进行了试验,于1986年在镧-钡-铜-氧化物中发现了Tc=35K的超导电性。1987年,中国、美国、日本等国科学家在钡-钇-铜氧化物中发现Tc处于液氮温区有超导电性,使超导陶瓷成为极有发展前景的超导材料。 应用 超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起,就向人类展示了诱人的应用前景。但要实际应用超导材料又受到一系列因素的制约,这首先是它的临界参量,其次还有材料制作的工艺等问题(例如脆性的超导陶瓷如何制成柔细的线材就有一系列工艺问题)。到80年代,超导材料的应用主要有:①利用材料的超导电性可制作磁体,应用于电机、高能粒子加速器、磁悬浮运输、受控热核反应、储能等;可制作电力电缆,用于大容量输电(功率可达10000MVA);可制作通信电缆和天线,其性能优于常规材料。②利用材料的完全抗磁性可制作无摩擦陀螺仪和轴承。③利用约瑟夫森效应可制作一系列精密测量仪表以及辐射探测器、微波发生器、逻辑元件等。利用约瑟夫森结作计算机的逻辑和存储元件,其运算速度比高性能集成电路的快10~20倍,功耗只有四分之一。 1911年,荷兰物理学家昂尼斯(1853~1926)发现,水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小,而是当温度降到附近时,水银的电阻突然降到零。某些金属、合金和化合物,在温度降到绝对零度附近某一特定温度时,它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象,能够发生超导现象的物质叫做超导体。超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度)TC。现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性。如钨的转变温度为,锌为,铝为,铅为。超导体得天独厚的特性,使它可能在各种领域得到广泛的应用。但由于早期的超导体存在于液氦极低温度条件下,极大地限制了超导材料的应用。人们一直在探索高温超导体,从1911年到1986年,75年间从水银的4.2K提高到铌三锗的23.22K,才提高了19K。 1986年,高温超导体的研究取得了重大的突破。掀起了以研究金属氧化物陶瓷材料为对象,以寻找高临界温度超导体为目标的“超导热”。全世界有260多个实验小组参加了这场竞赛。 1986年1月,美国国际商用机器公司设在瑞士苏黎世实验室科学家柏诺兹和缪勒首先发现钡镧铜氧化物是高温超导体,将超导温度提高到30K;紧接着,日本东京大学工学部又将超导温度提高到37K;12月30日,美国休斯敦大学宣布,美籍华裔科学家朱经武又将超导温度提高到40.2K。 1987年1月初,日本川崎国立分子研究所将超导温度提高到43K;不久日本综合电子研究所又将超导温度提高到46K和53K。中国科学院物理研究所由赵忠贤、陈立泉领导的研究组,获得了48.6K的锶镧铜氧系超导体,并看到这类物质有在70K发生转变的迹象。2月15日美国报道朱经武、吴茂昆获得了98K超导体。2月20日,中国也宣布发现100K以上超导体。3月3日,日本宣布发现123K超导体。3月12日中国北京大学成功地用液氮进行超导磁悬浮实验。3月27日美国华裔科学家又发现在氧化物超导材料中有转变温度为240K的超导迹象。很快日本鹿儿岛大学工学部发现由镧、锶、铜、氧组成的陶瓷材料在14℃温度下存在超导迹象。高温超导体的巨大突破,以液态氮代替液态氦作超导制冷剂获得超导体,使超导技术走向大规模开发应用。氮是空气的主要成分,液氮制冷机的效率比液氦至少高10倍,所以液氮的价格实际仅相当于液氦的1/100。液氮制冷设备简单,因此,现有的高温超导体虽然还必须用液氮冷却,但却被认为是20世纪科学上最伟大的发现之一。超导科学研究 1.非常规超导体磁通动力学和超导机理 主要研究混合态区域的磁通线运动的机理,不可逆线性质、起因及其与磁场和温度的关系,临界电流密度与磁场和温度的依赖关系及各向异性。超导机理研究侧重于研究正常态在强磁场下的磁阻、霍尔效应、涨落效应、费米面的性质以及T

品 名:超导陶瓷拼音:chao1dao3tao2ci2英文名称:superconductivity ceramics说明:具有超导性的陶瓷材料。其主要特性是在一定临界温度下电阻为零即所谓零阻现象。在磁场中其磁感应强度为零,即抗磁现象或称迈斯纳效应(Meissner effect)。高临界温度(90开以上)的超导陶瓷材料组成有YBa2Cu3O7-δ,Bi2Sr2Ca2Cu3O10,Tl2Ba2Ca2Cu3O10。超导陶瓷在诸如磁悬浮列车、无电阻损耗的输电线路、超导电机、超导探测器、超导天线、悬浮轴承、超导陀螺以及超导计算机等强电和弱电方面有广泛应用前景。奇异的超导陶瓷1973年,人们发现了超导合金――铌锗合金,其临界超导温度为,该记录保持了13年。1986年,设在瑞士苏黎世的美国IBM公司的研究中心报道了一种氧化物(镧-钡-铜-氧)具有35K的高温超导性,打破了传统“氧化物陶瓷是绝缘体”的观念,引起世界科学界的轰动。此后,科学家们争分夺秒地攻关,几乎每隔几天,就有新的研究成果出现。1986年底,美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料,其临界超导温度达到40K,液氢的“温度壁垒”(40K)被跨越。1987年2月,美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,液氮的禁区(77K)也奇迹般地被突破了。1987年底,铊-钡-钙-铜-氧系材料又把临界超导温度的记录提高到125K。从1986-1987年的短短一年多的时间里,临界超导温度竟然提高了100K以上,这在材料发展史,乃至科技发展史上都堪称是一大奇迹!高温超导材料的不断问世,为超导材料从实验室走向应用铺平了道路。

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