纳米材料的主要应用领域讲解.ppt

纳米材料的主要应用领域,由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、传感等方面呈现常规材料不具备的特性因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景纳米材料主要应用领域如下： 一、光学应用 纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系 下面简要介绍一下各种纳米微粒在光学方面的应用1．红外反射材料 纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用 纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景高压钠灯以及各种用于拍照、摄影的碘弧灯都要求强照明，但是电能的69％转化为红外线，这就表明有相当多的电能转化为热能被消耗掉，仅有一少部分转化为光能来照明同时，灯管发热也会影响灯具的寿命如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，20世纪80年代以来，用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力与传统的卤素灯相同时，可节省约15％的电。

2．优异的光吸收材料 纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象 目前，对紫外吸收好的几种材料有： 30~40nm的TiO2纳米粒子的树脂膜；Fe2O3纳米微粒的聚固醇树脂膜前者对400nm波长以下的紫外光有极强的吸收能力，后者对600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器最近发现，纳米Al2O3粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力，这一特性可用于提高日光灯管使用寿命上我们知道，日光灯管是利用水银的紫外谱线来激发灯管壁的荧光粉导致高亮度照明一般来说，185nm的短波紫外光对灯管的寿命有影响，而且灯管的紫外线泄漏对人体有损害， 这一关键问题一直是困扰日光灯管工业的主要问题如果把几个纳米的Al2O3粉掺合到稀土荧光粉中，利用纳米紫外吸收的蓝移现象有可能吸收掉这种有害的紫外光，而且不降低荧光粉的发光效率，在这方面的试验工作正在进行目前，用纳米微粒与树脂结合用于紫外吸收的例子是很多的 例如，防晒油、化妆品中普遍加入纳米微粒我们知道，大气中的紫外线主要是在300-400nm波段，太阳光对人体有伤害的紫外线也是在此波段。

防晒油和化妆品中就是要选择对这个波段有强吸收的纳米微粒 最近研究表明，纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2、纳米Al2O3、纳米云母都有在这个波段吸收紫外光的特征这里还需要强调一下，纳米添加时颗粒的粒径不能太小，否则会将汗毛孔堵死，不利于身体健康而粒径太大，紫外吸收又会偏离这个波段为了解决这个问题，应该在具有强紫外吸收的纳米微粒表面包敷一层对身体无害的高聚物，将这种复合体加入防晒油和化妆品中既发挥了纳米颗粒的作用，又改善了防晒油的性能 塑料制品在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在塑料表面涂上一层含有纳米微粒的透明涂层，这种涂层对300－400 nm范围有较强的紫外吸收性能，这样就可以防止塑料老化红外吸收材料在日常生活和国防上都有重要的应用前景 一些经济比较发达的国家已经开始用具有红外吸收功能的纤维制成军服供部队使用，这种纤维对人体释放的红外线有很好的屏蔽作用 众所周知，人体释放的红外线大致在4-16μm的中红外频段，研制具有对人体红外线进行屏蔽的衣服是很有必要的而纳米微粒小很容易填充到纤维中，在拉纤维时不会堵喷头，而且某些纳米微粒具有很强的吸收中红外频段的特性纳米Al2O3、纳米TiO2、纳米SiO2和纳米Fe2O3的复合粉就具有这种功能。

纳米添加的纤维还有一个特性，就是对人体红外线有强吸收作用，这就可以增加保暖作用，减轻衣服的重量有人估计用添加红外吸收纳米粉的纤维做成的衣服，其重量可以减轻30％3、隐身材料 “隐身”这个名词，顾名思义就是隐蔽的意思聊斋”故事中就有“隐身术”的提法，它是指把人体伪装起来，让别人看不见近年来，随着科学技术的发展，各种探测手段越来越先进 例如，用雷达发射电磁波可以探测飞机；利用红外探测器也可以发现放射红外线的物体当前，世界各国为了适应现代化战争的需要，提高在军事对抗中的实力，也将隐身技术作为一个重要研究对象，其中隐身材料在隐身技术中占有重要的地位1991年海湾战争中，历时42天的战斗中，执行任务的飞机达1270架次，使伊军95％的重要军事目标被毁，而美国战斗机却无一架受损为什么伊拉克的雷达防御系统对美国战斗机束手无策？为什么美国的导弹击中伊拉克的军事目标如此准确？空对地导弹击中伊拉克的坦克为什么有极高命中率？ 一个重要的原因就是美国战斗机F117A型机身表面包覆了红外与微波隐身材料，它具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视而伊拉克的军事目标和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被美国战斗机上灵敏红外线探测器所发现，通过先进的激光制导武器很准确地击中目标。

美国F117A型飞机蒙皮上的隐身材料就含有多种超微粒子，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力为什么超微粒子，特别是纳米粒子对红外和电磁波有隐身作用呢？（重要） 主要原因有两点：一方面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波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用； 另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3~4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用纳米磁性材料，特别是类似铁氧体的纳米磁性材料放入涂料中，既有优良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散红外线的性能，加之比重轻，在隐身方面的应用上有明显的优越性 另外，这种材料还可以与驾驶舱内信号控制装置相配合，通过开关发出干扰，改变雷达波的反射信号，使波形畸变，或者使波形变化不定，能有效地干扰、迷惑雷达操纵员，达到隐身目的纳米级的硼化物、碳化物，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用也将大有作为 二、磁性材料 1、巨磁电阻材料 磁性金属和合金一般都有磁电阻现象，所谓磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象，称为磁电阻。

所谓巨磁电阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍重要）,1986年德国的Crünberg教授首先在Fe/Cr/Fe多层膜中观察到反铁磁层间藕合 1988年法国巴黎大学的肯特教授研究组首先在Fe／Cr多层膜中发现了巨磁电阻效应，这在国际上引起了很大的反响 20世纪90年代，人们在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等纳米结构的多层膜中观察到了显著的巨磁阻效应巨磁阻多层膜在高密度读出磁头、磁存储元件上有广泛的应用前景 1992年美国率先报道了Co-Ag，Co-Cu颗粒膜中存在巨磁电阻效应颗粒膜中的巨磁电阻效应目前以Co-Ag体系为最高，在液氮温度可达55％，室温可达20％，而目前实用的磁性合金仅为2％~3％，但颗粒膜的饱和磁场较高，降低颗粒膜磁电阻饱和磁场是颗粒膜研究的主要目标 在巨磁电阻效应被发现后的第六年，1994年，IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头，将磁盘记录密度一下子提高了17倍，从而在与光盘竞争中磁盘重新处于领先地位利用巨磁电阻效应在不同的磁化状态具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM），其优点是在无电源的情况下可继续保留信息。

鉴于巨磁电阻效应重要的基础研究意义和重大的应用前景，对巨磁电阻效应作出重大开拓工作的肯特教授等人曾获二次世界级大奖 巨磁电阻效应在高技术领域应用的另一个重要方面是微弱磁场探测器瑞士苏黎士高工在实验室研制成功了纳米尺寸的巨磁电阻丝，他们在具有纳米孔洞的聚碳酸脂的衬底上通过交替蒸发Cu和Co并用电子束进行轰击，在同心聚碳酸脂多层薄膜孔洞中由Cu、Co交替填充形成几微米长的纳米丝，其巨磁电阻值达到15％，这样的巨磁电阻阵列体系饱和磁场很低，可以用来探测10－11T的磁通密度由上述可见，巨磁阻较有广阔的应用情景2．新型的磁性液体和磁记录材料 1963年，美国国家航空与航天局的帕彭首先采用油酸为表面活性剂，把它包覆在超细的Fe3O4微颗粒上(直径约为l0m)，并高度弥散于煤油(基液)中，从而形成一种稳定的胶体体系在磁场作用下，磁性颗粒带动着被表面活性剂所包裹着的液体一起运动，因此，好像整个液体具有磁性，于是，取名为磁性液体生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够小，可以削弱磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无规则的热运动例如对铁氧体类型的微颗粒，大致尺寸为l0nm，对金属微颗粒，通常大于6nm。

在这样小的尺寸下，强磁性颗粒已丧失了大块材料的铁磁或亚铁磁性能，而呈现没有磁滞现象的超顺磁状态，其磁化曲线是可逆的为了防止颗粒间由于静磁与电偶矩的相互作用而聚集成团，产生沉积，每个磁性微颗粒的表面必需化学吸附一层长链的高分子(称为表面活性剂)，高分子的链要足够长，以致颗粒接近时排斥力应大于吸引力 此外，链的一端应和磁性颗粒产生化学吸附，另一端应和基液亲和，分散于基液中由于基液不同，可生成不同性能、不同应用领域的磁性液体，如水基、煤油基、硅油基、氟碳基等1) 磁性液体的国内外发展概况 磁性液体自20世纪60年代初问世以来，引起了世界各国的重视与兴趣 1977年在意大利召开了第一次有关磁性液体国际会议 美国、日本、英国、苏联等国均有磁性液体专业工厂生产 目前，国内外正积极研制金属型的磁性液体，其中磁性颗粒为铁(Fe)、镍(Ni)、钴(Co)等金属、合金及其氮化物，其饱和磁化强度比铁氧体型约高3倍以上我国从20世纪70年代以来，南京大学、西南应用磁学研究所、东北工学院、哈尔滨化工所、北京理工大学、北京钢铁研究院等单位相继开展了这一领域的研制工作，并有产品可提供市场如南京大学已试制成水基、硅油基等多种类型的磁性液体。

但目前国内还未广泛地了解此类新型磁性材料的特性，也未开拓该材料在众多领域的应用，与国外相比，我们的差距是相当大的2）磁性液体的主要应用 密封材料：利用磁性液体可以被磁控的特性，人们利用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一 在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封 在精密仪器的转动部分，如X射线衍射仪中的转靶部分的真空密封，大功率激光器件的转动部件，甚至机械人的活动部件亦采用磁性液体密封法新的润滑剂 通常润滑剂易损耗、易污染环境磁性液体中的磁性颗粒尺寸仅为10单位，因此，不会损坏轴承，而基液亦可用润滑油，只要采用合适的磁场就可以将磁性润滑油约束在所需的部位 增进扬声器功率 在音圈与磁铁间隙处滴入磁性液体，由于液体的导热系数比空气高5~6倍，从而使得在相同条件下功率可以增加1倍 阻尼器件磁性液体具有一定的粘滞性，利用此特性可以阻尼掉不希望的系统中所产生的振荡模式应用比重不同进行矿物分离 磁性液体被磁化后相当于增加磁压力，以致在磁性液体中的物体将会浮起，好像磁性液体的视在密度随着磁场增加而增大。

利用此原理可以设计出磁性液体比重计，磁性液体对不同比重的物体进行比重分离，控制合适的磁场强度可以使低于某密度值的物体上浮，高于此密度的物体下沉，原则上可以用于矿物分离 例如，使高密度的金与低密度的砂石分离，亦可用于城市废料中金属与非金属的分离用作磁记录材料 近年来各种信息量飞速增加，需要记录的信息量也不断。