化工新材料PPT课件.pptx

化工新材料 杜正银西北师范大学化学化工学院 2020 2 29 1 75 石墨烯 Graphene 是由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体 2004年 英国曼彻斯特大学物理学家安德烈 盖姆和康斯坦丁 诺沃肖洛夫 成功从石墨中分离出石墨烯 证实它可以单独存在 两人也因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖 单层石墨烯 Graphene 指由一层以苯环结构 即六角形蜂巢结构 周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料 一 石墨烯 2020 2 29 2 75 2020 2 29 3 75 2020 2 29 4 75 特点 非同寻常的导电性能 极低的电阻率极低和极快的电子迁移的速度 超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性 发展方向 2010年诺贝尔物理学奖造就近年技术和资本市场石墨烯炙手可热 未来5年将在光电显示 半导体 触摸屏 电子器件 储能电池 显示器 传感器 半导体 航天 军工 复合材料 生物医药等领域呈爆发式增长 2020 2 29 5 75 内嵌富勒烯 是牛津大学研发出的一种由碳原子组成的笼形结构 笼内装有氮原子 富勒烯结构中最为特殊的性质是其碳笼内部为空腔结构 因此可以在其内部空腔内嵌某些特殊物种 原子 离子或原子簇 由此而形成的富勒烯被称为内嵌富勒烯 二 内嵌富勒烯 2020 2 29 6 75 2020 2 29 7 75 2020 2 29 8 75 特点 用离子轰击C60制得内嵌富勒烯 并从富勒烯的其它混合物中纯化分离 难度极高 发展方向 在医学抗HIV 酶活性抑制 切割DNA 光动力学治疗 抗氧化 美容化妆等领域有广阔的应用前景 2020 2 29 9 75 三 黑磷 2020 2 29 10 75 2020 2 29 11 75 特点 与石墨烯相比黑磷具有能隙 使其更容易进行光探测 其能隙可通过在硅基板上堆叠的黑磷层数来调节 使其能吸收可见光范围以及通讯 用红外线范围的波长 黑磷是一种直接能隙 direct band 半导体 也能将电子信号转换成光 发展方向 未来在晶体管 传感器 太阳能电池 开关 电池电极等领域前景广泛 替代硅超越石墨烯 黑磷将成下一个万亿市场 2014年 有人通过剥离的方式得到了10到20个原子厚度的超薄黑磷薄膜 又称磷烯 现在黑磷二维材料已经成为了晶片界的新宠 2020 2 29 12 75 3D打印 3DP 即快速成型技术的一种 它是一种以数字模型文件为基础 运用粉末状金属或塑料等可粘合材料 通过逐层打印的方式来构造物体的技术 3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的 常在模具制造 工业设计等领域被用于制造模型 后逐渐用于一些产品的直接制造 已经有使用这种技术打印而成的零部件 该技术在珠宝 鞋类 工业设计 建筑 工程和施工 AEC 汽车 航空航天 牙科和医疗产业 教育 地理信息系统 土木工程 枪支以及其他领域都有所应用 四 3D打印材料 2020 2 29 13 75 2020 2 29 14 75 2020 2 29 15 75 特点 改变传统工业的加工方法 可快速实现复杂结构的成型等 发展方向 革命性成型方法 在复杂结构成型和快速加工成型领域 有很大前景 2020 2 29 16 75 液态金属 指的是一种不定型金属 液态金属可看作由正离子流体和自由电子气组成的混合物 五 液态金属 2020 2 29 17 75 2020 2 29 18 75 特点 高强韧性 优良的导磁性和低的磁损耗 优异的液态流动性 发展方向 在高频低损耗变压器 移动终端设备的结构件等 2020 2 29 19 75 英文aerogel 又称为干凝胶 当凝胶脱去大部分溶剂 使凝胶中液体含量比固体含量少得多 或凝胶的空间网状结构中充满的介质是气体 外表呈固体状 这即为干凝胶 也称为气凝胶 如明胶 阿拉伯胶 硅胶 毛发 指甲等 气凝胶也具凝胶的性质 即具膨胀作用 触变作用 离浆作用 六 气凝胶 2020 2 29 20 75 2020 2 29 21 75 2020 2 29 22 75 特点 高孔隙率 低密度质轻 低热导率 隔热保温特性优异 发展方向 极具潜力的新材料 在节能环保 保温隔热电子电器 建筑等领域有巨大潜力 2020 2 29 23 75 离子液体 或称离子性液体 是指全部由离子组成的液体 如高温下的KCI KOH呈液体状态 此时它们就是离子液体 在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质 称为室温离子液体 在离子化合物中 阴阳离子之间的作用力为库仑力 其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关 离子半径越大 它们之间的作用力越小 这种离子化合物的熔点就越低 某些离子化合物的阴阳离子体积很大 结构松散 导致它们之间的作用力较低 以至于熔点接近室温 七 离子液体 2020 2 29 24 75 2020 2 29 25 75 特点 具有高热稳定性 宽液态温度范围 可调酸碱性 极性 配位能力等 发展方向 在绿色化工领域 以及生物和催化领域具有广阔的应用前景 2020 2 29 26 75 量子点 quantumdot 是准零维 quasi zero dimensional 的纳米材料 由少量的原子所构成 粗略地说 量子点三个维度的尺寸都在100纳米 nm 以下 外观恰似一极小的点状物 其内部电子在各方向上的运动都受到局限 所以量子限域效应 quantumconfinementeffect 特别显著 八 量子点 2020 2 29 27 75 2020 2 29 28 75 2020 2 29 29 75 特点 大小约为2 20nm的半导体晶体 由少数原子构成 活动局限于有限范围之内 丧失原有的半导体特性 内部结构 大小不同 发出不同颜色的光 量子点尺寸足够精确时 可发出鲜艳的红绿蓝光 颜色可调 能够更精准的控制色彩显示 发展方向 未来在医学上 显影标记 基因组学 药物筛选等 半导体器件 电子器件 存储等 显示照明等领域前景巨大 2020 2 29 30 75 钙钛矿 Perovskite CaTiO3概述 钙钛矿一般为立方体或八面体形状 具有光泽 浅色到棕色 它们可用于提炼钛 铌和稀土元素 但必须是大量聚集时才有开采价值 九 纳米点钙钛矿 一种具有独特物理性质和化学性质的新型无机非金属材料 2020 2 29 31 75 2020 2 29 32 75 2020 2 29 33 75 特点 纳米点钙钛矿具有巨磁阻 高离子导电性 对氧析出和还原等催化作用等 发展方向 未来在催化 存储 传感器 光吸收等领域具有巨大潜力 2020 2 29 34 75 一般认为超材料是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料 迄今发展出的 超材料 包括 左手材料 光子晶体 超磁性材料 等 左手材料 是一类在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料系统 对电磁波的传播形成负的折射率 近一两年来 左手材料 引起了学术界的广泛关注 曾被美国 科学 杂志评为2003年的 年度十大科学突破 之一 十 超材料 2020 2 29 35 75 2020 2 29 36 75 2020 2 29 37 75 2020 2 29 38 75 特点 具有常规材料不具有的物理特性 如负磁导率 负介电常数等 发展方向 改变传统根据材料的性质进行加工的理念 未来可根据需要来设计材料的特性 潜力无限 革命性 2020 2 29 39 75 柔性玻璃 WillowGlass 美国康宁公司研发 薄如名片 只有0 1mm厚 外面有一层层压塑料 人们可以轻松将玻璃压弯 由于WillowGlass还处于初步发展阶段 如果没有这一层层压塑料 WillowGlass没那么容易弯曲 WillowGlass柔性玻璃除了可以作为产品的内部或者基底材料之外 还可以保护产品的敏感电子元件不会受潮 比如太阳能面板中的光伏太阳能电池 WillowGlass可以高度弯曲 非常柔韧 过度了它会断的 WillowGlass将于2013年下半年进行量产 预计在2014年初会有商用产品面世 十一 柔性玻璃 2020 2 29 40 75 有了WillowGlass 手机屏幕基地就不再是死板一块了 你可以把它卷起来 也可以把它叠成一团 就好像印刷报纸一样 这种玻璃会首先用在智能手机上 不过已经在开发其他用途 例如太阳能电池板以及照明 2020 2 29 41 75 2020 2 29 42 75 2020 2 29 43 75 特点 改变传统玻璃刚性 易碎的特点 实现玻璃的柔性革命化创新 发展方向 未来柔性显示 可折叠设备领域 前景巨大 2020 2 29 44 75 人工晶体又称人工晶状体 intraocularlens 是经手术植入眼睛里代替摘除的自身混浊晶体的精密光学部件 十二 人工晶体 2020 2 29 45 75 2020 2 29 46 75 特点 一种胶原聚合物材料制成软弹性医用凝胶 植入眼内 治疗视力异常 发展方向 非水溶性 高化学惰性 高稳定性 无致癌作用 高生物相容性 耐受性好 弹性强度稳定 无膨胀性等 2020 2 29 47 75 泡沫金属是指含有泡沫气孔的特种金属材料 通过其独特的结构特点 泡沫金属拥有密度小 隔热性能好 隔音性能好以及能够吸收电磁波等一系列良好优点 是随着人类科技逐步发展起来的一类新型材料常用于航空航天 石油化工等一系列工业开发上 十三 泡沫金属 泡沫金属的制备有粉末冶金法和电镀法 前者通过向熔体金属添加发泡剂制得泡沫金属 后者通过电沉积工艺在聚氨酯泡沫塑料骨架上复制成泡沫金属 2020 2 29 48 75 2020 2 29 49 75 特点 重量轻 密度低 孔隙率高 比表面积大 发展方向 具有导电性 可替代无机非金属材料不能导电的应用领域 在隔音降噪领域具有巨大潜力 2020 2 29 50 75 自修复材料是一种在物体受损时能够进行自我修复的新型材料 这种材料被注入到塑料聚合物内 当物体开裂时 注入的材料会释放出来 对受损的物体表面进行自动修复 十四 自修复材料 2020 2 29 51 75 2020 2 29 52 75 特点 材料分子自修复 实现材料自身 智能化 改变以往材料制备方法 实现材料自身自发形成一定形状和结构 发展方向 改变传统材料制备和材料的修复方法 未来在分子器件 表面工程 纳米技术等领域有很大前景 2020 2 29 53 75 记忆合金 即拥有 记忆 效应的合金 在航空航天领域内的应用有很多成功的范例 人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作 发射人造卫星之前 将抛物面天线折叠起来装进卫星体内 火箭升空把人造卫星送到预定轨道后 只需加温 折叠的卫星天线因具有 记忆 功能而自然展开 恢复抛物面形状 在临床医疗领域内有着广泛的应用 例如人造骨骼 伤骨固定加压器 牙科正畸器 各类腔内支架 栓塞器 心脏修补器 血栓过滤器 介入导丝和手术缝合线等等 十五 形状记忆合金 2020 2 29 54 75 2020 2 29 55 75 特点 预成型后 在受外界条件强制变形后 再经一定条件处理 恢复为原来形状 实现材料的变形可逆性设计和应用 发展方向 在空间技术 医疗器械 机械电子设备等领域潜力巨大 2020 2 29 56 75 又称磁性液体 铁磁流体或磁液 是一种新型的功能材料 它既具有液体的流动性又具有固体磁性材料的磁性 是由直径为纳米量级 10纳米以下 的磁性固体颗粒 基载液 也叫媒体 以及界面活性剂三者混合而成的一种稳定的胶状液体 该流体在静态时无磁性吸引力 当外加磁场作用时 才表现出磁性 正因如此 它才在实际中有着广泛的应用 在理论上具有很高的学术价值 用纳米金属及合金粉末生产的磁流体性能优异 可广泛应用于各种苛刻条件的磁性流体密封 减震 医疗器械 声音调节 光显示 磁流体选矿等领域 十六 磁流体材料 2020 2 29 57 75 2020 2 29 58 75 特点 液态状 兼具固体磁性材料的磁性 和液体的流动性 具有传统磁性块体材料不具备的特性 发展方向 应用于磁密封 磁制冷 磁热泵等领域 改变传统密封制冷等方式 2020 2 29 59 75 生物塑料指以淀粉等天然物质为基础在微生物作用下生成的塑料 它具有可再生性 因此十分环保 十七 可降解生物塑料 2020 2 29 60 75 2020 2 29 61 75 2020 2 29 62 75 2020 2 29 63 75 特点 可自然降解 原材料来自可再生资源 改变传统塑料对石油 天然气 煤炭等化石资源的依赖 减少环境污染 发展方向 未来替代传统塑料 具有前景巨大 2020 2 29 64 75 超导材料 是指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 十八 超导材料 2020 2 29 65 75 2020 2 29 66 75 特点 超导状态下 材料零电阻 电流不损耗 材料在磁场中表现抗磁性等 发展方向 未来如突破高温超导技术 有望解决电力传输损耗 电子器件发热等难题 以及绿色新型传输磁悬技术 2020 2 29 67 75 碳纤维 carbonfiber 简称CF 是一种含碳量在95 以上的高强度 高模量纤维的新型纤维材料 它是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成 经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料 碳纤维 外柔内刚 质量比金属铝轻 但强度却高于钢铁 并且具有耐腐蚀 高模量的特性 在国防军工和民用方面