功能高分子材料课件-第十章高分子纳米复合材料优秀PPT.ppt
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1、第十章第十章 高分子纳米高分子纳米复合材料复合材料2121世纪的科技新星世纪的科技新星 10/31/20221材料10.1纳米的基本学问 1.纳米的概念 “纳米”是英文nanometer的译名,是一种度量单位,1纳米为百万分之一毫米,即1毫微米,也就是十亿分之一米,约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米探讨的范围是1到100纳米,0.1纳米是单个氢原子的尺寸,因此所谓0.1纳米层面的“纳米技术”是不存在的。10/31/20222材料 2纳米科技概念的提出与发展最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费恩曼。纳米科技的快
2、速发展是在80年头末、90年头初。80年头初独创了费恩曼所期望的纳米科技探讨的重要仪器扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术,它们对纳米科技的发展起到了主动的促进作用。与此同时,纳米尺度上的多学科交叉呈现了巨大的生命力,快速形成为一个有广泛学科内容和潜在应用前景的探讨领域。当代最受爱戴的科学家之一。他不但以其科学上的巨大贡献而名留青史,而且因在“挑战者”号航天飞机事故调查中的确定性作用而名闻遐迩。他还是一个撬开原子能工程保险柜的人,一个会敲巴西邦戈鼓的“科学顽童”。10/31/20223材料10.2纳米科技的探讨领域 1纳米材料 纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米
3、级尺度,并且具有特殊性能的材料。其主要类型为:纳米颗粒与粉体、纳米碳管和一维纳米材料、纳米薄膜、纳米块材。纳米材料结构的特殊性如大的比表面以及一系列新的效应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应)确定了纳米材料出现很多不同于传统材料的独特性能,进一步优化了材料的电学、热学及光学性能。探讨方面:一是系统地探讨纳米材料的性能、微结构和谱学特征,通过和常规材料对比,找出纳米材料特殊的规律,建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论;二是发展新型纳米材料。目前纳米材料应用的关键技术问题是在大规模制备的质量限制中,如何做到匀整化、分散化、稳定化。10/31/20224材料2.纳米器件纳米科技的最终目
4、的是以原子、分子为起点,去制造具有特殊功能的产品。因此,纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标记。如前所述,纳米技术发展的一个主要推动力来自于信息产业。10/31/20225材料 纳米电子学的目标是将集成电路的几何结构进一步减小,超越目前发展中遇到的极限,因而使得功能密度和数据通过量达到新的水平。在纳米尺度下,现有的电子器件把电子视为粒子的前提不复存在,因而会出现种种新的现象,产生新的效应,如量子效应。利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件,像共振隧道二级管、量子阱激光器和量子干涉部件等。与电子器件相比,量子器件具有高速(速度可提高1000倍)、低耗(能耗降低1000倍)、高效、高集
5、成度、经济牢靠等优点。为制造具有特定功能的纳米产品,其技术路途可分为“自上而下”(top down)和“自下而上”(bottom up)两种方式。10/31/20226材料 “自上而下”是指通过微加工或固态技术,不断在尺寸上将人类创建的功能产品微型化;而“自下而上,是指以原子、分子为基本单元,依据人们的意愿进行设计和组装,从而构筑成具有特定功能的产品。这种技术路途将削减对原材料的需求,降低环境污染。科学家希望通过纳米生物学的探讨,进一步驾驭在纳米尺度上应用生物学原理制造生物分子器件,目前,在纳米化工、生物传感器、生物分子计算机、纳米分子马达等方面,科学家都做了重要的尝试。10/31/20227
6、材料3纳米结构的检测与表征 为在纳米尺度上探讨材料和器件的结构及性能,发觉新现象,发展新方法,创建新技术,必需建立纳米尺度的检测与表征手段。这包括在纳米尺度上原位探讨各种纳米结构的电、力、磁、光学特性,纳米空间的化学反应过程,物理传输过程,以及探讨原子、分子的排列、组装与奇异物性的关系。扫描探针显微镜(SPM)的出现,标记着人类在对微观尺度的探究方面进入到一个全新的领域。作为纳米科技重要探讨手段的SPM也被形象地称为纳米科技的“眼”和“手”。10/31/20228材料 所谓“眼睛”,即可利用SPM干脆视察原子、分子以及纳米粒子的相互作用与特性。所谓“手”,是指SPM可用于移动原子、构造纳米结构
7、,同时为科学家供应在纳米尺度下探讨新现象、提出新理论的微小试验室。同时,与纳米材料和结构制备过程相结合,以及与纳米器件性能检测相结合的多种新型纳米检测技术的探讨和开发也受到广泛重视。如激光镊子技术可用于操纵单个生物大分子。10/31/20229材料10.3 纳米科技前景的展望 纳米技术在现代科技和工业领域有着广泛的应用前景。比如,在信息技术领域,据估计,再有10年左右的时间,现在普遍运用的数据处理和存储技术将达到最终极限。为获得更强大的信息处理实力,人们正在开发DNA计算机和量子计算机,而制造这两种计算机都须要有限制单个分子和原子的技术实力。10/31/202210材料 传感器是纳米技术应用的
8、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。比如,包装箱内跟踪监督;智能轮胎;发动机汽缸内监视;酒瓶盖推断酒的状况等。传感器10/31/202211材料 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用,可用作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。10/31/202212材料 纳米技术的发展,使微电子和光电子的结合更加紧密,在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面,使光电器件的性能大大提高,将纳米技术用于现有雷达信息处理上,可使其实力提高10倍至几百倍,甚至可以将超高辨别率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地
9、侦察。最近,麻省理工学院的探讨人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中,每个原子放射一个有用的光子,其效率之高,令人惊异。光电信息10/31/202213材料环境和能源 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染,并能够对这些制剂进行过滤,从而消退污染。制备孔径lnm的纳孔材料作为催化剂的载体,纳米孔材料和纳米膜材料(孔径l0l00nm)用来消退水和空气中的污染;成倍的提高太阳能电池的能量转换效率。10/31/202214材料医学与健康 纳米技术将给医学带来变革:纳米级粒子将使药物在人体内的传输更为便利,用数层纳米粒子包袱的智能药物进入人体后,可主动搜寻并
10、攻击癌细胞或修补损伤组织,科研人员已经成功利用纳米微粒进行了细胞分别,用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以削减副作用等。;在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排斥反应;探讨耐用的与人体友好的人工组织、器官复明和复聪器件;疾病早期诊断的纳米传感器系统。10/31/202215材料 探讨纳米技术在生命医学上的应用,可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系,获得生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人,在血液中循环,对身体各部位进行检测。诊断,并实施特殊治疗。10/31/202216材料生物技术 虽然分子计算机目前只是处于志向阶段,但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算
11、机的组件,其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性,并且,其奇妙的光学循环特性可用于储存信息,从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用,它将使单位物质的储存和信息处理实力提高上百万倍。10/31/202217材料航天和航空 纳米器件在航空航天领域的应用,不仅是增加有效载荷,更重要的是使耗能指标成指数倍的降低。这方面的探讨内容还包括:研制低能耗、抗辐照、高性能计算机;微型航天器用纳米集成的测试、限制电子设备;抗热障、耐磨损的纳米结构涂层材料。接受纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高机械设备的耐磨性、硬度和运用寿命。10/3
12、1/202218材料国家平安 通过先进的纳米电子器件在信息限制方面的应用,将使军队在预警、导弹拦截等领域快速反应;通过纳米机械学,微小机器人的应用,将提高部队的敏捷性和增加战斗的有效性;用纳米和微米机械设备限制,国家核防卫系统的性能将大幅度提高;通过纳米材料技术的应用,可使武器装备的耐腐蚀、吸波性和隐藏性大大提高,可用于舰船、潜艇和战斗机等。10/31/202219材料10.4 高分子纳米复合材料 高分子纳米复合材料是近年来高分子材料科学的一个发展特别快速的新领域。一般来说,它是指分散相尺寸至少有一维小于100纳米的复合材料。这种新型复合材料可以将无机材料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与高分子材
13、料的韧性、可加工性及介电性质完备地结合起来,开拓了复合材料的新时代,制备纳米复合材料。已成为获得高性能复合材料的重要方法之一。10/31/202220材料 纳米材料科学是涉及到凝合态物理,配位化学,胶体化学,材料的表面和界面以及化学反应动力学等多门学科的交叉科学。当材料进入纳米量级时,会具有与传统材料迥然不同的性质。高分子材料科学的涉及特别广泛,其中一个重要方面就是变更单一聚合物的凝合态,或添加填料来实现高分子材料运用性能的大幅提升。因此纳米粒子的特异性能使其在这一领域的发展过程中顺应了高分子复合材料对高性能填料的需求,对高分子材料科学突破传统理念发挥重要的作用。纳米材料科学与高分子材料科学的
14、交融互助就产生了高分子纳米复合材料。10/31/202221材料 10.4.1 高分子纳米复合材料的性能复合材料是将两种或两种以上的材料复合在一起,进行优势互补,以谋求最佳的综合性能。而纳米复合材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料,由于纳米分散相大的比表面和强的界面作用,纳米复合材料表现出不同于一般宏观复合材料的综合性能。10/31/202222材料纳米颗粒由于其尺寸小,比表面积特别大而表现出与常规微米级材料迥然不同的性质。在与聚合物复合时,纳米颗粒的表面效应,小尺寸效应,量子效应以及协同效应,将使复合材料的综合性能有极大的提高。这种复合材料既有高分子材料本身的优点,又兼备了纳
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