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多孔金属材料的制备工艺及性能分析多领域有着广泛的应用前景。本文概述了多孔金属材料的常用制备方法及其主要性能。关键词:多孔金属材料;制备;性能;应用摘 要 :多孔金属材料是一种性能优异的新型功能材料和结构材料 ,具有独特的结构和性能 ,在很科学家极大的兴趣 ,成为材料类研究的热点方向之1 引言一 ,自 20世纪 90年代以来 ,美国的哈佛大学、英国在传统的金属材料中 ,孔洞 (宏观的或微观的 )的剑桥大学、德国的 Fraunhofer材料研究所、日本的被认为是一种缺陷 ,因为它们往往是裂纹形成和扩东京大学等对多孔金属材料的制备工艺和性能进行展的中心 ,对材料的理化性能及力学性能产生不利了广泛的研究 ,获得了一批研究成果 [2-5]。在我国 ,的影响。但是 ,当材料中的孔洞数量增加到一定程多孔金属材料的基础和应用研究也逐步得到重视和度时 ,材料就会因孔洞的存在而产生一些奇异的功发展。近年来 ,研究队伍不断壮大 ,在制备技术、结能 ,从而形成一类新的材料 ,这就是多孔金属材料。构和物性等方面的基础研究以及在各种民用和国防按照孔之间是否连通 ,可以把多孔金属材料分为闭领域的应用研究均取得了一定的进展 ,已经引起我孔和通孔两类 ,如图 1所示。该类材料具有良好的国政府、中科院和航空航天等部门的高度重视 ,尤其吸能性能、高阻尼性能、吸声性能、电磁屏蔽性能及值得一提的是 ,我国在 2005年立项的国家重大基础良好的导热导电性能 [1] ,因而在一般工业领域 (如研究计划 (973计划 )“超轻多孔材料和结构创新构汽车工业 )、国防科技领域及环境保护领域等有着型的多功能化基础研究 ” ,更是体现了对该类材料广泛的应用前景 ,它的设计、开发和应用引起了中外研究的重要性和迫切性。水化物等,然后将均混的混合物压制成密实块体即到目前为止 ,已开发的制备多孔金属的方法很多 ,涉及到的领域也非常广。根据在制备过程中金属所处的状态 ,可将多孔金属的制备工艺分为以下三类 :液相法、粉末烧结法和沉积法。 2. 1 液相法液相法包括的种类比较多 ,且较易制备大块的多孔金属和产品易商业化 ,成为多孔金属材料制备的主要手段,液相法主要包括以下几种: 2. 1. 1 颗粒渗流法颗粒渗流法[ 6 ]原理是首先将颗粒在模具内压实,烘干形成预制块。然后通过压力将金属液渗入中,并强烈搅拌使空心小球分散,最后得到空心球与金属基体形成的多孔金属材料。空心球铸造法的特点是孔径和孔隙率易于控制,材料综合力学性能好。2. 2 粉末冶金法粉末冶金法主要包括粉末烧结发泡法、烧结-脱溶法、松散粉末烧结法、中空球烧结法等。2. 2. 1 粉末烧结发泡法这种工艺[ 12 ]是首先将金属粉末和相应的发泡剂按一定比例均匀混合,发泡剂可以是金属氢化物、半成品,最后将此半成品加热到接近或高于混合物熔点的温度,使发泡剂分解,金属熔化,从而形成多孔泡沫材料。此种方法易于制作近半成品的零件和到颗粒预制块的间隙中,最后将颗粒溶除即可得到通孔结构的多孔金属材料。2. 1. 2 精密铸造法精密铸造法 [8]是首先用耐火材料浆料填满海绵状泡沫塑料的孔隙 ,待耐火材料固化后 ,加热除去塑料 ,即形成一个多孔预制块体。然后把液态金属液浇入到预制块上 ,加压渗流 ,这一点类似于渗流过程。最后再除去耐火材料 ,就形成与原来海绵状塑料结构相同的多孔金属材料。 2. 1. 3 熔融金属发泡法熔融金属发泡工艺可分为两种 ,发泡剂发泡和通气发泡 [9, 10 ]。前者是在熔融的金属液中加入发泡剂 (如 TiH2 ) ;后者则是在金属液中通入气体 (如惰性气体 )。这两种工艺的共同特点是可制备孔隙率高、尺寸大、闭孔结构的多孔金属 ,但过程控制较为复杂 ,孔结构分布均匀性不高。 2. 1. 4 空心球铸造法空心球铸造法 [11 ]的原理是先采用商用酚醛塑料小球在惰性气体环境中加热直至塑料碳化 ,形成中空的小球。然后将这些中空的小球加入到金属液三明治式的复合材料 ,而且孔隙率较高 ,孔分布均匀。 2. 2. 2 烧结 -脱溶法这种制备工艺 [13 ]首先是将金属粉末和可去除填充颗粒均匀混合 ,其中可去除填充颗粒一般包括两类 ,一类为可溶于水或其它溶剂的盐 (如 NaCl等 ),一类为可分解有机物 (如尿素、碳酸氢氨等 ),均混后把混合物压制成致密的半成品 ,然后在一合适的温度烧结。若填充颗粒为可分解有机物 ,则烧结过程中颗粒会分解气化 ;若填充颗粒为可溶性盐 ,则在烧结后可用溶剂将其溶去便得到多孔金属材料。2. 2. 3 松散粉末烧结法松散粉末烧结 [14 ]是把松散状态的金属粉末不经压实直接进行烧结的方法。此种方法可用于生产多孔金属电极。 2. 2. 4 中空球烧结法通过将金属中空球烧结 ,使之扩散结合而制造多孔材料的方法。此方法制造的多孔材料兼有通孔和闭孔。金属中空球可通过下述方法制备 :在球形树脂上化学沉积或电沉积一层金属 ,然后将树脂除 明显的三阶段特征 ,即初始的弹性段 (Linear Elasticity)、中间的平台段 ( Plateau)和最后的致密段 (Densification)。其中 ,平台段的起始点应力称为泡沫材料的屈服或坍塌强度 ,此强度远小于其基体的屈服强度 [1]。当多孔金属材料受到外加载荷时 ,因屈服强度低很容易发生变形 ,而且变形量大、流动应力低 ,在变形过程中通过孔的变形、坍塌、破裂、胞壁摩擦等形式消耗大量能量而不使应力升的。高 ,从而能有效地吸收冲击能。这种在较低应力水形成金属烟。金属烟在自身重力作用及惰性气流的平下吸收大量冲击能的特征正是冲击缓冲所需要携带下沉积和冷却。因其温度低 ,原子难以迁移和扩散 ,故金属烟微粒只是疏散地堆砌起来 ,形成多孔3. 2 高阻尼性能泡沫结构 [16 ]。 多孔金属材料可看作是由三维网络状金属骨架去 ,或将树脂球和金属粉一同混合 ,随后烧结使金属粉结合 ,同时树脂球挥发 [ 15 ]。 2. 3 沉积法沉积法主要包括金属气相蒸发沉积法、原子溅射沉积法和电化学沉积法三种。 2. 3. 1 金属气相蒸发沉积法在较高惰性气氛中 ,缓慢蒸发金属材料 ,蒸发出来的金属原子在前进过程中与惰性气体发生一系列碰撞作用 ,使之迅速失去动能 ,从而部分凝聚起来 ,与高压惰性气体原子碰撞 2. 3. 2 原子溅射沉积法在惰性气体的压力下,元素原子在飞溅路程中,金属原子一方面捕获气体原子 ,另一方面凝聚成金属液滴 ,然后到达衬底。在衬底上获得均匀包裹气体原子的金属体 ,最后在高于金属熔点的温度下把金属加热足够长的时间使捕获的气体膨胀 ,形成多孔金属材料。这种方法的特点是孔结构非常理想 ,但成本昂贵 ,不易制备大件 [ 17 ]。 2. 3. 3 电化学沉积法这种方法是以聚氨基甲酸乙脂发泡材料为骨架 ,进行电解沉积 ,然后加热去除有机聚合物骨架 ,得到多孔金属材料。这种方法制备的多孔材料不但孔隙率高 ,孔分布均匀 ,且孔互相连通呈三维网状结构 [ 18 ]。 3 多孔金属材料的主要性能多孔金属材料作为一类区别于致密材料的新型材料 ,具有一些其基体或母体所不具备的特殊性能和功能 ,主要表现如下 : 3. 1 吸能性能图 4 多孔金属材料典型的压缩应力 -应变曲线多孔金属材料的应力 -应变 (σ -ε)响应具有与孔洞所组成的两相复合材料。除了孔洞与金属基体之间所形成的界面外 ,材料内部还存在其它大量微观的 (主要是位错 )和宏观的 (较小的孔洞和裂纹 )缺陷 ,其组织状态和缺陷分布极不均匀。因此当外力作用于多孔金属材料上时 ,将在基体中产生不均匀的应变 ,特别是在孔洞 (宏观的或微观的 )或裂纹附近 ,其应变情况更为复杂 ,从而引起缺陷区域原子重排。缺陷区的这种响应是粘滞性的 ,因而引起粘滞性应变 ,造成能量的损耗 ,导致材料的阻尼增加。 3. 3 吸声性能多孔金属材料的高孔隙率结构使其具有良好的吸声性能 [19 ]。一般来讲 ,通孔或半通孔多孔金属的吸声效果比闭孔的好。多孔金属材料的吸声机制主要可归为两种 ,即声波经过多孔金属时流动阻力的升高造成的粘性损失以及声波与孔洞表面热量交换造成的热损失。 3. 4 电磁屏蔽、导热和导电性能多孔金属具有良好的导电性和很高的比表面积 ,因此具备很高的电磁屏蔽性能 ,即良好的吸收和反射电磁波的能力。同时又具有良好的导热性能 [ 20, 21 ]。 3. 5 其它性能质轻 ,易着色 ,易加工 ,耐高温。 4 结语 (1)多孔金属材料具有良好的理化性能和力学性能 ,因而可以作为功能材料和结构材料 ,具有良好的应用前景。多孔金属材料的制备工艺很多 ,因而可以满足多样化的需求 ,可以根据不同的应用需求 采用不同的制备工艺。 and energy absorbing characteristic of foamed aluminum. (2)部分制备工艺在结构的可控性、孔径的均Metall[J]. Mater. Trans, 1998 (A29): 2497-2502. 匀性、样品的大尺寸化等方面仍存在局限性 ,因而制[10 ]Cymat Corp, Canada. Product Information Sheets. http: / / 备工艺还需要进一步的探索和完善。 www. cymat. com. (3)随着工业和科技的进步 ,人们对多孔金属[11 ]张勇 ,舒光冀 ,何德坪 .用低压渗流法制备泡沫铝合金 [J ].材料科学进展 , 1993 (7) : 473 -47. 材料的需求量越来越大 ,要求也越来越高 ,但目前的[12]J. Baumeister, J. Banhart, M. Weber[M]. German Pa2研究也只是涉及到了多孔金属材料的一部分性能特terntDE 4426627. 1997. 点 ,相当多的潜在价值尚未被开发出来 MechanicalBehaviorofMetailicFomas[J]. . Mater. Sci, 2000 (30):191-227. Olurin,. ,或仅局限在(44) : 105 -110. [ 14 ]B. C.社,1982. [13]YA Novel sintering processformanufacturingAlfoams[J]. . Y. Zhao, D. X. Sun. -dissolution 实验室阶段 ,因而对性能的研究又提出了新课题。Scr. Mater, 2001 参考文献 : [1]L. J. Gibson, M. F. Ashby. Cellular Solids: Structure and 拉科夫斯基 .工程烧结材料 [M ].冶金工业出版Properties. 2nd ed[M ], Cambridge University Press, UK, 1997. [15]O. Andersen, U. Waag, L. Schneider, G. Stephani, B. [2 ]L. J. Gibson. Kieback. Novel Metallic Hollow Sphere Structures [ J ]. Annu. RevAdv. Eng. Mater, 2000 (2) : 192 -195. [3]O. B. Fleck, M. F. Ashby, Deformation and [16]张流强 ,常富华 .低密度金属泡沫的研制 [J ].功能材FractureofAluminum Foams[J]. Mater. Sci. Eng. 2000 料 , 1996, 27 (1) : 88 -91. (A291): 136-146. [17]. Lavernia,N. J. Grant. SprayDepositionofMetals?: [4]J. Banhart, W. Brinkrs. FatigureBehaviorofAluminum AReview[J]. Mater. Sci. Eng, 1998 (98):381-394. Foams[J]. J. Mater. Sci, 1999 (18):617-619. [18]X. Badiche, S. Forest, T. Guibert, Y. Bienvenu, M. [5]Y. Yamada, C. Wen, K. Shimojima,M. Mabuchi. Effects Corset, H. Bernet. MechanicalPropertiesandNon-Hom2 ofCellGeometryon theCompressivePropertiesofNickelFo2 ogeneousDeformation of Open -Cell Nicked Foams?: Ap2 mas[J]. Mater. Trans, 2000 (41):1136-1138. plicationoftheMechanicsofCellularSolidsandPorousMa2 [6]张勇 ,舒光冀 ,何德坪 .用低压渗流法制备泡沫铝合金 terials[J]. Mater. Sci. Eng, 2000 (A289):276-288. [J ].材料科学进展 ,1993 (7):473 -478. [19]许庆彦 ,陈玉勇 ,李庆春 .加压渗流铸造多孔铝合金及[7 ]J. Banhart. Manufacture, characterization and application 其吸声性能 [J]1铸造 ,1998 (4):1 -4. ofcellularmetalsandmetalfoams[J]. ProgressinMateri2 [20 ]黄福祥 ,金吉琰 ,范嗣元等 .发泡金属的电磁屏蔽性能als Science, 2001 (46) : 559 -632. 研究 [J]1功能材料 , 1996 (27) : 52 -54. [8]F. Frei, V. Gergely, A. Mortensen, . Clyne. The [21]J. Kovacik, F. FoamModulusofE2 effectofpriordeformationon thefoamingbehaviorof“form2 lasticity and Electrical Conductivity According To Percola2 grip”precursormaterial[J ] 1Adv. Eng. Mater, 2002 (4): tionTheory[J]. Scr. Mater, 1998 (39):239-246. 749 -752. [责任编辑 朱联营 ] [9]F. S. Han, Z. G. Zhu , J. C. Gao. Compressive deformation On the Preparation and Properties of the PorousMetallicMaterials HAO Gang -ling1 , HAN Fu -sheng2 , LIWei-dong1, BAIShao-min1,YANGNeng-xun 1 (1. College of Physics and Electronic Information, Yanan University, Yanan, Shaanxi 716000 2. KeyLaboratoryofMaterialsPhysics, InstituteofSolidStatePhysics, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui 230031) Abstract: Porousmetallicmaterialswithuniqueexcellentstructuresandpropertiescanbeutilizedasnew function2 aland structuralmaterials, which indicatsthattheporousmetallicmaterialshaveawidelypromisingapplication in manyfields. Thevariouspopularmanufacturingmethodsandthemainpropertiesoftheporousmetallicmaterials, in the present paper, were summarized. Key words: porousmetallic materials; preparation; properties; ppplication
国家计委和科技部日前共同发布了《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南(2001年度)》，确定了当前应优先发展的十个产业的141个高技术产业化重点领域新型金属材料产业优先发展的领域如下：1、稀土材料及其应用稀土是信息产业、绿色能源和环境保护等产业的重要支撑材料我国稀土储量、产量和出口量均占世界首位 已形成较齐全的工业体系近期产业化的重点是：高性能稀土永磁材料及制品、稀土催化材料、稀土贮氢材料、稀土发光材料、超大磁致伸缩材料、高温超导材料、稀土硫化物涂料及颜料的规模生产；加快发展高纯稀土氧化物和高纯稀土单质分离提取工业化生产技术和装备；加快稀土在钢铁冶金、有色金属、玻璃、特种陶瓷、石油化工及农业等方面的应用2、复合金属材料制备工艺及其成套设备由于异质金属复合材料的性能功能化和较低的成本及应用范围广泛，提高了传统金属材料的发展潜力近期产业化的重点是：建设铝-不锈钢、铝-钢、钛-钢、铜-钢带液-固相复合工艺生产线 表面复合精饰技术制备薄覆层()金属复合板带生产线；开发颗粒增强铝基复合材料规模化生产技术、半固态成形技术、连续包敷复合高速钢材料及制品，并实现产业化3、高性能密封材料及制品密封件是保证机械装备高效、长期、安全和稳定运行的重要基础件 其技术水平、质量及性能直接影响配套主机产品质量和运行可靠性我国密封材料及制品经过十多年的发展和技术引进，形成了一定的生产能力和规模 一般产品能满足各类主机的配套要求，但高压、高速、精密、耐高温低温和耐腐蚀的密封件与国际水平有较大差距近期产业化的重点是：轿车及中高档轻型车动力传动、减振、制动系统用密封材料及制品规模化生产示范基地建设；重大成套设备中高压、液压、气动系统用密封件；电力设备中高温、高压机械密封；石化工业中高速透平压缩机非接触气膜密封；金属磁流体动密封4、纳米材料和特种粉末及其制品纳米材料因其纳米效应而具有特殊的性能和广泛的用途 是目前科技发展重要热点之一近年来 我国在纳米材料的研究开发和应用方面取得了很大进展 形成了一批拥有自主知识产权的技术并开始产业化近期产业化的重点是：以纳米粉体材料、纳米膜材料、纳米催化材料和纳米晶金属材料为重点 实现低成本、环境友好以及质量稳定的规模化生产；加快纳米材料规模化应用于信息、通信、医疗和环保等新兴产业以及能源、交通、化工、建材、纺织和轻工等基础产业，改进性能，提高效率 促进技术进步；加快发展粉末冶金摩擦材料、高温合金粉末以及高纯超细陶瓷粉体材料链接： 二十一世纪将是材料-电子一体化的世纪作为新型功能材料家庭中的重要成员,形状记忆合金在工程机械和日常生活中得到了广泛的应用由形状记忆合金构成的结构简单、控制灵活、功率密度大的各类记忆合金驱动器,在轻型机器人及小型化系统中具有独特的技术优势本文详细阐明了形状记忆合金的晶体学、热力学特性,概述了该材料的几种典型应用实例在此基础上,综述了这一功能材料的应用优势
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金属有机框架纳米材料的构筑及抗菌性能的研究具有重大意义。金属-有机框架材料是新材料在金属有机材料（MOM）中的一个重要分类。MOF是新无机有机材料中研究最热门的一个领域，因为他们将两门经常被分开的化学学科无机化学和有机化学结合了起来。MOF由有机配体配位的金属原子或原子簇构成一维、二维或三维的结构，可用于气体吸附、气体储存、气体分离、催化剂等领域。
近日，电子 科技 大学材料与能源学院夏川教授以第一作者和共同通讯作者身份在国际著名期刊Nature Chemistry (《自然–化学》)上发表题为“General synthesis of single-atom catalysts with high metal loading using graphene quantum dots”的研究论文。该研究开发了一套高载量过渡金属单原子材料的普适性合成策略，实现了高达 40 wt.% 或 at.% 的高过渡金属原子负载，比目前报道的单原子负载量提升了几倍甚至数十倍。 该工作由电子 科技 大学、加拿大光源和美国莱斯大学三个单位共同合作完成。材料与能源学院的夏川教授为论文第一作者和通讯作者，美国莱斯大学的汪淏田教授和加拿大光源的胡永峰教授为论文通讯作者。该合作团队在电催化材料研究和电化学反应器设计领域建立了坚实的基础，并取得了丰硕的研究成果。 过渡金属单原子材料具有极高的原子利用率、独特的电子结构以及明晰且可调的配位结构，在各种电催化过程中展现出优异的活性。但常规单原子材料中金属原子密度较低（通常小于5 wt.%或1 at.%），大大限制了其整体催化性能及工业应用前景，因此发展出高载量过渡金属单原子材料普适性合成策略至关重要。现有“自上而下”和“自下而上”工艺对提高合成单原子材料的金属负载量有很大的局限（图1, a-b）。以碳材料负载的单原子为例，现有的“自上而下”方法通过在碳材料载体表面制造缺陷，然后通过缺陷稳定单原子。然而，无法精确调控缺陷尺寸导致缺陷位点的数目极大地受到限制，而且当金属负载量提高时，容易在大尺寸的缺陷位处形成团簇。“自下而上”方法则使用金属和有机物前驱体（如金属有机框架、金属-卟啉分子、金属-有机小分子）热解碳化的方式获得负载金属单原子的碳材料。在金属负载量过大时，金属原子之间将因为没有足够的隔离空间而导致热解过程中团簇或者颗粒的产生。 鉴于此，该团队发展了区别于现有“自上而下”和“自下而上”工艺的单原子催化材料制备方法（图1c），以突破单原子负载量的限制。该团队创新性地使用比表面大、热稳定性高的石墨烯量子点作为碳基底，对其进行-NH2基团修饰，使其对金属离子具有高配位活性。引入金属离子后可得到以金属离子作为节点、功能化石墨烯量子点作为结构单元的交联网络，最后热解即可得到高载量的金属单原子材料。相较于传统“自上而下”和“自下而上”的单原子催化剂合成方法，该研究报道的方法既保证了高含量金属离子初始锚定时的高分散性又能有效抑制后续热解过程基底烧结重构引起的金属原子团聚。 XAFS、HADDF-STEM等多种表征手段证明，由该法制得的负载型金属单原子催化材料在保证金属原子单分散的同时还能实现远超现有文献报道水平的金属载量。借助该方法，该团队成功制备出质量分数高达（原子分数为）的Ir单原子催化材料（图2），该负载量相较于文献报道的Ir单原子最高载量提升了数倍。 另外，该合成策略还具有普适性，能够用于制备其他贵金属或非贵金属的高载量金属单原子催化材料。例如，在碳基底材料上，Pt单原子的负载量最高可达 wt.%，Ni单原子负载量可达15 wt.%（图3）。 夏川，电子 科技 大学材料与能源学院教授，国家青年人才。研究方向为基于新能源的电催化、电合成、电化学生物合成，致力于实现碳平衡的能量与物质循环。在“液体燃料与基础化学品现场合成”这一特色方向开展了深入、系统的研究，在反应器与催化剂设计领域均取得丰硕成果，共发表学术论文50余篇，授权美国专利3项，H因子34，引用5200余次。近五年来，以第一作者/通讯作者身份在Science、Nat. Energy、Nat. Catal.、Nat. Chem.等国内外高水平期刊共发表论文20余篇，其中ESI高被引论文9篇，热点论文2篇。
很好写的 给你几条例子： 青铜时代，主要是夏商周春秋时代。青铜可塑性差，密度比铁大，器具笨重，兵器不容易锋利，要加入很多其他的金属比如锡、锌和铅来增加可塑性，工艺非常负责，只有有钱人才能用，所以不便推广。很少用于农具（农奴木有钱的）。铁器时代，主要从战国开始，一开始还不是很多，因为铁矿石比青铜难冶炼，铁的熔点比铜高很多。而且高温下比铜更容易氧化。要求的炉温更高。工艺更复杂，但是技术成熟以后逐渐取代铜器。后来发现铁的硬度和含碳量，冷却时间有关，比较容易控制。可塑性高。缺点是容易生锈。但是已经开始逐渐应用在农具上了。大大的提高的生产力。粮食充足了社会就发展的更快了。有更多的人可以不用种地来从事脑力，文艺方面的工作。然后就是现代，以各种合金为主。比如钢，是加了铬或者锰的铁合金，还有铝合金又轻又不容易生锈。钛合金硬度高，密度小，不易生锈......防腐主要有涂漆和电镀等等方法，在铁表面弄上一层保护膜，或者用更活泼的金属比如锌和铁连在一起，在船上一般用这个方法，这样海水就会先腐蚀锌，从而把铁保护起来，这个是原电池的方法。回收现在一般最有价值的就是铝，因为从铝矿里炼铝很难，要先加热到3000多度的高温把矿石融化再用超多的电流电解生产纯铝，非常消耗能量。所以如果回收起来的话会节省很多能量，比其他金属回收的价值更高.....剩下的你自己发挥发挥就出来了
在很大程度上，化学很受人喜爱，因为神奇多变的化学反应可以创造新的物质，让我们的生活更为方便舒适。执著于金属研究的卢柯说，作材料研究是如此地令人激动，有那么多的事情等着我们去发现，去研究！“超音速”的科研经历 卢柯以常人所不能及的“超音速”，20岁念完大学，25岁拿下博士学位，28岁成为研究员，30岁成为博士生导师，32岁任国家重点实验室主任，35岁担任中科院金属研究所所长，37岁当选中国科学院院士，取得了一系列国际公认的高水平科研成果，在《科学》和《物理评论快报》等顶级国际学术期刊发表了一系列论文。大学时就读于机械制造工程系金属材料及热处理专业的卢柯与金属结下了不解之缘，他最喜欢的课程是《金属学》与《金属材料的热处理》。1985年，卢柯从华东工学院(现为南京理工大学)毕业，来到中科院金属研究所攻读硕士学位。在“纳米浪潮”还没有掀起的时候，他较早地进入了后来很热门的纳米领域。攻读博士学位期间，卢柯对非晶态金属的晶化动力学及其微观机制进行了深入研究，在国际上首次提出了非晶态材料的有序原子集团切变沉积化机制，并解释了一系列用经典理论难以解释的实验结果，为以后研究非晶体转变提供了理论依据；修正了被引用10多年的英国科学家斯考特等人确定的Ni-P非晶合金晶化产物间的位向关系；提出非晶态金属的新晶化机制。在新晶化微观机制的基础上，卢柯于1990年提出制备纳米晶体的新方法——非晶晶化法，具有工艺简单、晶粒度易于控制、界面清洁且不含微孔洞等优点。论文在美国及Scripta .发表后，已被引用数百次。美国《应用物理杂志》审稿人对卢柯的这一成果极为赞赏，指出“非晶晶化法无疑对纳米材料研究具有重要价值”。材料科学家师昌绪认为，这一方法“为纳米材料的发展开辟了一条新途径，有广阔的应用前景”。国际学术刊物邀请他撰写此领域的专题综述。该制备方法的确定，使我国在纳米晶体研究领域一跃进入国际前列，已成为目前国际上公认的纳米材料3种主要制备方法之一。如何使金属具有超塑性——可承受很大的塑性变形而不断裂，成为各国材料学家面临的一道难题。20年前，葛莱特教授曾预测：如果将构成金属材料的晶粒尺寸减小到纳米量级，材料在室温下应具备很好的塑性变形能力。但多年来，尽管预测得到了计算机模拟结果的肯定，各国材料学家的实验结果却令人失望：孔隙大、密度小、被污染等因素使绝大多数纳米金属在冷轧中易出现裂纹，塑性很差。2000年，卢柯课题组在实验室发现了纳米金属铜在室温下的“奇异”性能——即纳米金属铜具有超塑延展性而没有加工硬化效应，延伸率高达5100%。论文在《科学》上发表后，获得世界同行的普遍好评，纳米材料的“鼻祖”葛莱特教授认为，这项工作是“本领域的一次突破，它第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的”。专家指出，“奇异”性能的发现，缩短了纳米材料和实际应用的距离，意味着和普通金属力学性能完全不同的纳米金属，在精细加工、电子器件和微型机械的制造上具有重要价值。卢柯及其课题组的另一项重要成果是关于晶体过热熔化微观机制方面的，发表在2001年第87卷的《物理评论快报》上。很快，材料科学家、剑桥大学教授就在《自然》杂志上给予了专题评论。2003年12月31日，卢柯在《科学》杂志上发表第二篇论文，将铁表层的晶粒细化到纳米尺度，其氮化温度显著降低，这为氮化处理更多种材料和器件提供了可能。表面氮化是工业中广泛应用的一种材料表面处理技术。在表面氮化过程中，材料或钢铁的表面氮化处理往往需要在较高温度下(高于500℃)进行，处理时间长达十几个小时，不仅能耗高，更重要的是，许多材料和工件在如此高温下长时间退火后会丧失其基体的高强度或出现变形，因此，表面氮化技术的应用受到很大限制。大幅度降低氮化温度是长期以来表面氮化技术应用中必须解决的重要技术瓶颈。2004年1月12日，“我国金属材料表面纳米化技术和全同金属纳米团簇研究”被评为“2003年中国十大科技进展”之一。2004年4月16日出版的第304卷《科学》杂志上，第三次出现了卢柯的名字。他们的研究表明，在纳米孪晶铜中获得超高强度的同时还保持了其良好的导电率；而以往的研究表明，对铜进行强化以后，其导电率是下降的。成功的“奥秘” 在别人眼中，卢柯是战无不胜的“百胜将军”，是上天最眷顾的人。只有他和课题组的同志才清楚自己曾经的失败，曾经的气馁。“你们所看到的成绩只是我1%的工作，其余的99%都是失败，都是残酷的现实。在我过去的研究中，经常会走到几乎坚持不下去的时候。”卢柯说。“走不下去的时候，我总是勇敢地承认自己失败了。失败了，再换一个思路接着干。当然，这中间有一个心态调整的过程，但是必须调整到一个好的状态，重新开始。失败其实是科学工作的常态。跳高比赛是以失败而结束的，科学工作则是用一次次的失败来铺路，以成功作为新的起点。当你有了一个灵感，钻进了实验室里，半年，十个月，一年甚至两三年下来才有结果，可结果与你预想的完全不一样，当然沮丧极了。但我们的工作就是这样，你可以沮丧，可以暂时地消沉，但你不可以放弃你的目标。失败了，证明这个思路不对，从某种角度看，它就是你到达终极目标的一个过程。我经常对我的学生说，对自己的思维一定要有极强的信心，Nothing is impossible(没有什么事情是不可能的)！”卢柯成功还有一个奥秘——自从上大学后，他就给自己制定了严格的时间表和工作计划，以非常人的工作节奏始终跑在别人的前头。十几年来，他一丝不苟地走在自己的行程中，不受任何外界的干扰。虽然他现在成了媒体追逐的科学明星，但依然故我。“上天是公平的，它给每个人的时间是一样的，做了这个，就不能做那个。有的人活得很轻松，一天的活儿用两天的时间干，我则希望用半天的时间就能把一天的活儿干完。如果这样算来，我干一天的活儿等于别人干两天的活儿。我在金属所干了18年，等于干了三四十年的活儿，那么，我37岁当院士，这样算起来也并不年轻。”卢柯说。材料学面临最好的机会 卢柯在努力工作、享受研究乐趣的同时，也感受到了材料学家的责任感，“现在是中国各个领域发展的最好时期，也给材料学的研究创造了最好的机会”。卢柯说，中国工业化的进程对材料学科提出了许多严峻的、亟待解决的问题。上个世纪90年代，镍的需求量开始上扬，镍的价格不断上涨，2003年，镍的价格已经达到历史最高水平，供需矛盾尖锐，原因就是中国的工业化。镍是用来做不锈钢的，工业化的显著标志是需要大量的不锈钢。其实，现在所有的原材料都在涨价。如果不发展先进的材料，将面临资源减少，价格上涨，中国的工业化成本将是非常巨大的。
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浅谈重金属检测传感器技术的应用论文
摘要： 随着经济的迅猛发展和社会的日新月异, 人们对重金属的开采及加工越来越频繁, 这使得不少重金属存在于大气水以及土壤中, 在很大程度上加重了环境污染, 科学技术的迅猛发展为重金属检测传感器技术的研究提供了很好的途径。针对上述背景下, 对重金属检测传感器技术研究与应用进行合理性阐述, 以促进重金属检测传感器技术的进一步发展。
关键词： 重金属检测; 传感器技术; 环境污染;
重金属污染是环境污染的一个重要组成部分, 重金属在自然界中广泛存在, 随着人类的开采、冶炼、加工活动而使得重金属转变成化学状态或化学形态广泛分布于大气、水、土壤中, 随着时间的积累而不断留存、迁移, 从而引发严重的环境污染问题;重金属甚至还会随着废水的排出而流入海洋中, 对鱼和贝类造成严重的危害;重金属还会附着在人类的鼻腔和食物上, 造成人类呼吸道感染和重金属中毒[1]。重金属具有沉积性和不可降解性, 是一种非常危险的污染源, 因此对于重金属的研究与检测是十分关键的。通过调查与研究, 发现重金属检测传感器技术主要分为离子选择性电极传感器技术、光纤化学传感器技术、生物传感器技术以及微电极矩阵传感器技术四个方面, 本文通过对这四种传感器技术在重金属检测中的研究与应用作简要分析, 以推动重金属检测传感器技术的发展。
1 离子选择性电极传感器技术。
离子选择性电极传感器技术是一种操作简单、性价比高、准确有效的重金属检测传感器技术。离子选择性电极传感器技术因为不需要提前对样品进行操作而被广泛应用于重金属的在线检测中。目前, 国内外学者对离子选择性电极传感器技术进行了大量的研究, 发现选择性高、经济简单的离子选择性电极主要分为基于聚氯乙烯膜的离子选择性电极和基于流系玻璃膜的离子选择性电极两种[2]。
基于聚氯乙烯膜的离子选择性电极。
目前在对基于聚氯乙烯膜的离子选择性电极的研究中, 主要是对离子选择性电极的重金属离子的识别以及聚氯乙烯膜的结构和性能进行研究, 同时, 对不同的载体和膜增塑剂对离子选择性电极性能的影响作简要分析, 从而提高对重金属的识别能力。
基于流系玻璃膜的离子选择性电极。
基于硫系玻璃膜的离子选择性电极良好的红外线透过性是其他离子选择性电极无法相提并论的。许多发达国家都通过购买硫系玻璃膜的离子选择性电极来用于重金属检测工作。
2 光纤化学传感器技术。
对于光纤化学传感器技术的研究比离子选择性电极传感器技术的研究还要早, 光纤化学传感器技术的研究始于美国研究所, 从那以后, 许多国家都在实验室中对光纤化学传感器技术进行研究, 并应用到重金属检测中。陈雷等人对基于聚氯乙烯膜的光纤传感器进行研究并应用到铜离子的检测中, 取得了良好的效果[3]。李学强等人将注册分析法和激光激发荧光光谱技术应用到对金属离子传感器的研制中, 使我国饮用水中的重金属检测工作取得了很大的进展。
3 生物传感器技术。
第一个生物传感器始于Red String仪器公司。之后, 又在多个公司相继推出, 这些生物传感器主要是对人类血糖和尿糖中的重金属物质进行检测。重金属物质在人体中的留存和迁移会对人体的健康造成极大的威胁, 生物传感器可以与人体生物识别因素相互影响, 以达到对人体中的重金属含量进行检测, 从而预防重金属中毒的目的。通过研究发现, 生物传感器主要分为蛋白质为基础的'生物传感器以及整个细胞为基础的重金属传感器两种。
蛋白质为基础的生物传感器。
生物识别因素主要是促进消化的酶、防止病毒入侵的抗体、增强体质的金属键键合蛋白以及脱辅基酶蛋白质。以这几种生物识别因素为基础制作蛋白质为基础的生物传感器, 用来检测铜离子、锌离子、汞离子以及铅离子等金属离子。传统的生物传感器存在灵敏度低、选择性差等一系列缺点, 因此必须研制出选择性高的新型传感器来实现对重金属离子的检测, 这种新型传感器被称为蛋白质为基础的生物传感器。
整个细胞为基础的重金属传感器。
整个细胞为基础的重金属传感器可以实现对微型有机体生物标识的检测, 它具有所受干扰因素少、反应速度快等一系列优点, 可以实现对苔藓、海藻、酵母等海洋生物中的重金属的检测。随着生物医学和环境工程的蓬勃发展, 可以通过改进主传感器的途径来解决重金属检测过程中的干扰问题, 即在基因层次上设计细胞器。
4 结语。
综上所述, 本文通过对重金属检测传感器技术研究与应用进行分析, 主要从离子选择性电极传感器技术、光纤化学传感器技术、生物传感器技术以及微电极矩阵传感器技术这四个方面作简要分析, 为传感器检测技术在重金属中的研究与应用提供理论支持, 以减少重金属污染现象的发生。
参考文献
[1]张涛, 苏倡, 刘艳, 等.泥蚶 (Tegillarca granosa) 重组铁蛋白富集重金属离子的特性及化学传感器的研究[J].海洋与湖沼, 2017, 48 (4) :870-876.
[2]吕攀攀, 肖芳兰, 严锡娟, 等.构建一种基于双启动子模型的特异性检测镉离子的大肠杆菌传感器[J].生物工程学报, 2015, 31 (11) :1601-1611.
[3]贾朔.边超, 佟建华, 等.基于纳米金Core-satellites等离子体耦合增强效应的汞离子光纤传感器的研究[J].分析化学, 2017, 45 (6) :785-790.
金属材料是指由金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。我们对金属材料的认识应从以下几方面开始：一、分类：金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳 2％～4％的铸铁，含碳小于 2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。②有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高，并且电阻大、电阻温度系数小。③特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料，以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等；还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金，以及金属基复合材料等。金属材料按生产成型工艺又分为铸造金属、变形金属 、喷射成形金属，以及粉末冶金材料。铸造金属通过铸造工艺成型，主要有铸钢、铸铁和铸造有色金属及合金。变形金属通过压力加工如锻造、轧制、冲压等成型，其化学成分与相应的铸造金属略有不同。喷射成形金属是通过喷射成形工艺制成具有一定形状和组织性能的零件和毛坯。金属材料的性能可分为工艺性能和使用性能两种。二、性能为更合理使用金属材料，充分发挥其作用，必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能（使用性能）及其在冷热加工过程中材料应具备的性能（工艺性能）。材料的使用性能包括物理性能（如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等）、化学性能（耐用腐蚀性、抗氧化性），力学性能也叫机械性能。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。三、生产工艺：金属材料生产，一般是先提取和冶炼金属 。有些金属需进一步精炼并调整到合适的成分，然后加工成各种规格和性能的产品。提炼金属，钢铁通常采用火法冶金工艺，即采用转炉、平炉、电弧炉、感应炉、冲天炉(炼铁)等进行冶炼和熔炼；有色金属兼用火法冶金和湿法冶金工艺 ；高纯金属以及要求特殊性能的金属还采用区域熔炼、真空熔炼和粉末冶金工艺。金属材料通过冶炼并调整成分后，经过铸造成型，或经铸造、粉末冶金成型工艺制成锭、坯，再经塑性加工制成各种形态和规格的产品。对有些金属制品，要求其有特定的内部组织和力学性能，还常采用热处理工艺 。常用的热处理工艺有淬火、正火、退火、时效处理（将淬火后的金属制件置于室温或较高温度下保温适当时间，以提高其强度和硬度）等。四、发展趋势：金属材料的发展已从纯金属、纯合金中摆脱出来。随着材料设计、工艺技术及使用性能试验的进步，传统的金属材料得到了迅速发展，新的高性能金属材料不断开发出来。如快速冷凝非晶和微晶材料、高比强和高比模的铝锂合金、有序金属间化合物及机械合金化合金、氧化物弥散强化合金、定向凝固柱晶和单晶合金等高温结构材料、金属基复合材料以及形状记忆合金、钕铁硼永磁合金、贮氢合金等新型功能金属材料，已分别在航空航天、能源、机电等各个领域获得了应用，并产生了巨大的经济效益。
假如世界没有摩擦力 在我们的世界中,处处都有摩擦力存在，而我们的衣、食、住、行都离不开摩擦力，大家可以想象一下，没有摩擦力的世界是什么样子的。 假如地球上没有摩擦力,将会变成什么样子呢 假如没有摩擦力,我们就不能走路了.因为既站不稳,也无法行走.比如在冰上步行,由于冰滑,走不多远就累得满头大汗.如果没有摩擦力的话,道路比冰还滑,那时人们只有伏倒在地上才会觉得好受些.假如没有摩擦力,螺钉就不能旋紧,钉在墙上的钉子就会自动松开而落下来.家里的桌子,椅子都要散开来,并且会在地上滑过来,滑过去,根本无法使用.…… 推桌子时,在没有推力时,如果没有摩擦力,则物体要向右运动,所以物体有一个向右的运动趋势,所以物体会受到一个向左的静摩擦力的作用,阻碍它的这种趋势. 又如,传递带把货物往上运的过程中,如果没有摩擦,则货物要沿斜面下滑,所以物体有沿斜面下滑的趋势,所以传送带给了货物一个沿斜面向上的静摩擦力的作用,以阻碍货物向下滑的运动趋势. 如果没有摩擦和介质阻力,物体只发生动能和势能的相互转化时,机械能的总量保持不变. 这就是没有摩擦力带来的影响 在穿的方面，假如没有摩擦力，会怎样呢？我们将会穿不上鞋子，穿不上裤子，皮带会扣不住，衣服在穿上后滑落下来，纽扣也会扣不住，女的脸上画的妆也会因为没有摩擦力而脱落，就是帽子戴上后也会因为没有摩擦力而滑下来 在吃的方面，如果没有摩擦力，又会怎样呢？我们的筷子，勺子，锅铲就都报废了，没有用了。我们不能一任何方式弄起我们的食物，就算放在嘴里的东西也会无法控制地到处乱窜，吃下去的东西会直接排出，没有吸收的时间，因为没有了摩擦力，食物的残渣也不会在体内停留，大家想象得到，这样的话，可想而知，人体的废物也会这样没有节制地排出...... 在住的方面,如果没有摩擦力,被子不能被拿起来,也盖不到背上,盖上了之后也不能随意的调整被子的位置,起床时会因为没有摩擦力而起不来。 在行的方面,没有摩擦力,我们将会寸步难移,圆珠笔会写不出字,墨也会流出来,而且我们也拿不起笔。我们不能开车，上了车以后油门踩不下去，刹车踩不动，离合也不动了，就算踩了油门车也动不了。我们还面临着上不了楼的问题，因为没有摩擦力，我们爬不了楼梯，电梯的传动轴也带不动电梯。 在工地，没有摩擦力就不能将土挖出工地并运出工地，也就是说我们也不能兴修建筑。 在工厂，机器不运转了，因为没有摩擦力使轴不能带动齿轮，一个齿轮也不能带动另一个齿轮，火箭再也不能立着发射。 当然了，没有摩擦力也有好的一面，牙齿上不会再有任何细菌，牙缝中也不会再塞上东西，头屑不会再落在衣服上，也不会夹在头发里，拉又大又重的东西也不会觉得费力，火箭在发射时的速度可以变得很快。在火箭返回舱穿越大气层世界不会与空气摩擦而产生高温，手也不用再洗，因为上面很干净，细菌都没有一个。而磁悬浮列车也可以开得很快。打火机也会打不着，从而会少许多抽烟的人。没有摩擦力的世界我们很难接受，因为它改变了很多平时我们所熟知的东西。
假如没有了摩擦力，我们无法拿起任何东西，我们能拿东西靠的就是摩擦力，摩擦力来自于物体本身的凹凸和我们手上的指纹，而没有了摩擦力，物体与手都很光滑，当然拿不起东西。
假如没有了摩擦力，想写字却拿不起笔，笔又不能和纸产生摩擦;想吃饭碗筷却拿不住，手拿筷子要靠手与筷子之间的摩擦力，没有摩擦力就拿不稳筷子，同样筷子就夹不稳菜，牙齿也更不能咬住饭菜了，人就无法吃东西了。
假如没有了摩擦力，想喝水乂提不起杯子;想穿衣服却拿不起穿不上;想工作劳动，但任何T具都一次次从手于上滑落:还不仅如此，拧瓶盖、扭把手等一系列的力的作用也都无法进行.......这样的话，生活处处都是重重困难，那人会多么不安，多么无助啊。
假如没有了摩擦力，我们无法行动。因为脚与地而没有了摩擦，而没有摩擦力的道路比冰还滑，人一走动就会滑倒，而且滑倒后就无法站立。
要站立必须用手或身体其他部位用力在地面依靠摩擦力才能站立起来的，我们既站不稳，也无法行走在冰上步行，那简直就是寸步难行。我想由于冰滑,走不多远就累得满头大汗，那时人们只有伏倒在地上才会觉得好受些吧。
假如没有了摩擦力，自行车、汽车、火车、飞机......怎么才能开动呢?我想汽车应该还没发动就打滑,要不就是车子开起来了就停不下来,因为没有阻碍它运动的力，就只能无限滑下去最后与其它车相撞造成一起又一起的交通事故。
我有，你想怎样？
无机非金属非常有前景 不错