二十大未来最有潜力的新材料.ppt

二十大未来最有潜力的新材料 1 石墨烯 突破性 非同寻常的导电性能 极低的电阻率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 它是已知材料中最薄的一种 质料非常牢固坚硬 在室温状况 传递电子的速度比已知导体都快 由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜 只有一个碳原子厚度的二维材料 本质上 石墨烯是分离出来的单原子层平面石墨 一块石墨 一个石墨烯晶体管和一个胶带 石墨片放置在塑料胶带中 折叠胶带粘住石墨薄片的两侧 撕开胶带 薄片也随之一分为二 不断重复这一过程 就可以得到越来越薄的石墨薄片 而其中部分样品仅由一层碳原子构成 他们制得了石墨烯 所有其他维度的石墨材料的基本构建模块 石墨 石墨烯 碳纳米管 巴基球 富勒烯 石墨烯的结构非常稳定 石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧 当施加外力于石墨烯时 碳原子面会弯曲变形 使得碳原子不必重新排列来适应外力 从而保持结构稳定 这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性 另外 石墨烯中的电子在轨道中移动时 不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射 由于原子间作用力十分强 在常温下 即使周围碳原子发生挤撞 石墨烯内部电子受到的干扰也非常小 在石墨烯中 电子能够极为高效地迁移 而传统的半导体和导体 例如硅和铜远没有石墨烯表现得好 由于电子和原子的碰撞 传统的半导体和导体用热的形式释放了一些能量 2013年一般的电脑芯片以这种方式浪费了72 81 的电能 石墨烯则不同 它的电子能量不会被损耗 这使它具有了非比寻常的优良特性 可用来发展更薄 导电速度更快的新一代电子元件或晶体管 由于石墨烯实质上是一种透明 良好的导体 也适合用来制造透明触控屏幕 光板 甚至是太阳能电池 数小时 美国俄亥俄州的Nanotek仪器公司 不到一分钟 电池产业的变革促使新能源汽车产业的革新 外形小巧 而且充电速度为普通电池的1000倍 可以在数秒内为手机甚至汽车充电 同时可用于制造体积较小的器件 美国加州大学洛杉矶分校 微型超级电容器 潜在用途 保护涂层 透明可弯折电子元件 超大容量电容器 等等 素来有 黑金子 之称的石墨烯之前在中国市场上的价格近十倍于黄金 超过2000元 克 目前最低降到3元 克 2 气凝胶 突破性 高孔隙率 低密度质轻 低热导率 隔热保温特性优异 气凝胶 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 气凝胶也具凝胶的性质 即具膨胀作用 触变作用 离浆作用 性质 此物质极轻 其密度大约为3mg cm3仅仅为空气的三倍重 尽管气凝胶里有个胶字 但它其实是坚硬而干燥的物质 就其物理性质与胶体一点也不类似 被称为胶是由于它的制造过程提取于凝胶 提起指尖轻轻在凝胶表面按压一下并不会留下痕迹 如果以加重的力道按压会造成永久的凹陷 而加上足够的力量会让它如玻璃般破碎散落成块 这个便是我们所知道的易脆性 虽然它具有破碎的倾向 但是以结构来说它仍是非常坚固的 它优秀的负载能力是源于其分子的组成 大约尺寸为2到5奈米的球形聚合粒子互相结合成一个个小单元 进而组合成树突状的微观立体结构 这些小单元会形成碎形链状的三维结构 其间充塞着大量的孔洞 每个孔洞尺寸不大于100奈米 而这些孔洞的聚集密度以及个别的平均大小能够经由制造过程加以控制 气凝胶是优良的热绝缘体 一寸厚的气凝胶相当于20至30块普通玻璃的隔热功能 来源请求 气凝胶几乎能阻绝由三种传热方式 热传导 热对流 热辐射 带来的热量转移 凝胶中空气的成分比例至少占99 8 以上 而空气为热的不良导体 故它们是好的热传导隔绝材料 不过金属凝胶在作为绝缘体的用途时就不是那么有效 例如硅凝胶 由于硅也为热的不良导体 其隔绝性能又更加良好了 就热对流的方式而言 因为空气无法跨越凝胶表面行对流作用 他们也是好的热对流隔绝材料 碳凝胶是好的热辐射隔绝材料 因为碳元素在标准温度下能够吸收热量转移时散发的红外线辐射 亦即 现今性质最好的气凝胶是掺入部分碳元素的硅凝胶 因为吸湿的自然性质 凝胶摸起来干干的 并表现出强大的吸水能力 为此长时间拿着凝胶的人要穿着手套 以预防皮肤表面出现干燥脆化的现象 因为瑞利散射的影响 凝胶里的微小树突结构会过滤可见光光谱中波长较短小的部份 而这就产生了它轻柔的颜色 在较暗的环境散发柔柔的蓝光 在明亮的环境散发微微的黄光 气凝胶本身的性质是具亲水性的 但是藉由化学制程可将它改变为具疏水性 凝胶在逐渐吸收水气的过程中会经历分子结构的变动 如同尺寸缩水 甚至完全被毁坏 藉由改变凝胶对于水气的接受度才能改善毁坏的现象 即使有裂缝穿过胶体表面 那些内部被化学制程强化过的样品对水气的抵抗作用也会好过于那些只仅仅强化分子表层的样品 而疏水性制程能促进胶体加工过程的便利性 因为这样就便于使用水刀切割了 任何物质的gel只要可以经干燥后除去内部溶剂后 又可基本保持其形状不变 且产物高孔隙率 低密度 则皆可以称之为气凝胶 约8立方厘米的 碳海绵 约8立方厘米的 碳海绵 约8立方厘米的 碳海绵 一块重2 5公斤的砖头由一块重2克的气凝胶支撑着 因为密度极低 目前最轻的硅气凝胶仅有0 16毫克每立方厘米 比空气密度略低 所以也被叫做 冻结的烟 或 蓝烟 由于里面的颗粒非常小 纳米量级 所以可见光经过它时散射较小 瑞利散射 就像阳光经过空气一样 因此 它也和天空一样看着发蓝 如果里面没有掺杂其它东西 如果对着光看有点发红 天空是蓝色的 而傍晚的天空是红色的 由于气凝胶中一般80 以上是空气 所以有非常好的隔热效果 一寸厚的气凝胶相当20至30块普通玻璃的隔热功能 即使把气凝胶放在玫瑰与火焰之间 玫瑰也会丝毫无损 气凝胶在航天探测上也有多种用途 在俄罗斯 和平 号空间站和美国 火星探路者 的探测器上都有用到这种材料 气凝胶也在粒子物理实验中 使用来作为切连科夫效应的探测器 位在高能加速器研究机构B介子工厂的Belle实验探测器中一个称为气凝胶切连科夫计数器 AerogelCherenkovCounter ACC 的粒子鉴别器 就是一个最新的应用实例 这个探测器利用的气凝胶的介于液体与气体之低折射系数特性 还有其高透光度与固态的性质 优于传统使用低温液体或是高压空气的作法 同时 其轻量的性质也是优点之一 特性 气凝胶 作为世界最轻的固体 已入选吉尼斯世界纪录 这种新材料密度仅为3 55千克每立方米 仅为空气密度的2 75倍 干燥的松木密度 500千克每立方米 是它的140倍 这种物质看上去像凝固的烟 但它的成分与玻璃相似 由于它的密度极小 用于航空航天方面非常合适 美宇航局喷气推进实验室 该实验室琼斯博士研制出的新型气凝胶 主要由纯二氧化硅等组成 在制作过程中 液态硅化合物首先与能快速蒸发的液体溶剂混合 形成凝胶 然后将凝胶放在一种类似加压蒸煮器的仪器中干燥 并经过加热和降压 形成多孔海绵状结构 琼斯博士最终获得的气凝胶中空气比例占到了99 8 气凝胶因其半透明的色彩和超轻重量 有时也被称为 固态烟 或 冻住的烟 这种新材料看似脆弱不堪 其实非常坚固耐用 最高能承受1400摄氏度的高温 气凝胶的这些特性在航天探测上有多种用途 俄罗斯 和平 号空间站和美国 火星探路者 探测器上 都用到了气凝胶材料 美国国家宇航局研制出的一种新型气凝胶 由于密度只有每立方厘米3毫克 日前已经作为 世界上密度最低的固体 正式入选 吉尼斯世界纪录 这种气凝胶呈半透明淡蓝色 重量极轻 因此人们也把它称为 固态烟 新型气凝胶是由美国国家宇航局下属的 喷气推进实验室 材料科学家史蒂芬 琼斯博士研制的 它的主要成分和玻璃一样也是二氧化硅 但因为它99 8 都是空气 所以密度只有玻璃的千分之一 气凝胶貌似 弱不禁风 其实非常坚固耐用 它可以承受相当于自身质量几千倍的压力 在温度达到1200摄氏度时才会熔化 此外它的导热性和折射率也很低 绝缘能力比最好的玻璃纤维还要强39倍 由于具备这些特性 气凝胶便成为航天探测中不可替代的材料 俄罗斯 和平 号空间站和美国 火星探路者 探测器都用它来进行热绝缘 气凝胶在航天中的应用远不止这些 美国国家宇航局的 星尘 号飞船正带着它在太空中执行一项十分重要的使命 收集彗星微粒 科学家认为 彗星微粒中包含着太阳系中最原始 最古老的物质 研究它可以帮助人类更清楚地了解太阳和行星的历史 2006年 星尘 号飞船将带着人类获得的第一批彗星星尘样品返回地球 但收集彗星星尘并不是件容易的事 它的速度相当于步枪子弹的6倍 尽管体积比沙粒还要小 可是当它以如此高速接触其它物质时 自身的物理和化学组成都有可能发生改变 甚至完全被蒸发 如今科学家有了气凝胶 这个问题就变得很简单了 它就像一个极其柔软的棒球手套 可以轻轻地消减彗星星尘的速度 使它在滑行一段相当于自身长度200倍的距离后慢慢停下来 在进入 气凝胶手套 后 星尘会留下一段胡萝卜状的轨迹 由于气凝胶几乎是透明的 科学家可以按照轨迹轻松地找到这些微粒 制备 气凝胶最初是由S Kistler命名 由于他采用超临界干燥方法成功制备了二氧化硅气凝胶 故将气凝胶定义为 湿凝胶经超临界干燥所得到的材料 称之为气凝胶 在90年代中后期 随着常压干燥技术的出现和发展 90年代中后期普遍接受的气凝胶的定义是 不论采用何种干燥方法 只要是将湿凝胶中的液体被气体所取代 同时凝胶的网络结构基本保留不变 这样所得的材料都称为气凝胶 气凝胶的结构特征是拥有高通透性的圆筒形多分枝纳米多孔三位网络结构 拥有极高孔洞率 极低的密度 高比表面积 超高孔体积率 其体密度在0 003 0 500g cm 3范围内可调 空气的密度为0 00129g cm 3 气凝胶的制备通常由溶胶凝胶过程和超临界干燥处理构成 在溶胶凝胶过程中 通过控制溶液的水解和缩聚反应条件 在溶体内形成不同结构的纳米团簇 团簇之间的相互粘连形成凝胶体 而在凝胶体的固态骨架周围则充满化学反应后剩余的液态试剂 为了防止凝胶干燥过程中微孔洞内的表面张力导致材料结构的破坏 采用超临界干燥工艺处理 把凝胶置于压力容器中加温升压 使凝胶内的液体发生相变成超临界态的流体 气液界面消失 表面张力不复存在 此时将这种超临界流体从压力容器中释放 即可得到多孔 无序 具有纳米量级连续网络结构的低密度气凝胶材料 气凝胶内含大量的空气 典型的孔洞线度在l l00纳米范围 孔洞率在80 以上 是一种具有纳米结构的多孔材料 在力学 声学 热学 光学等诸方面均显示其独特性质 它们明显不同于孔洞结构在微米和毫米量级的多孔材料 其纤细的纳米结构使得材料的热导率极低 具有极大的比表面积 对光 声的散射均比传统的多孔性材料小得多 这些独特的性质不仅使得该材料在基础研究中引起人们兴趣 而且在许多领域蕴藏着广泛的应用前景 作用研究领域 在分形结构研究方面 硅气凝胶作为一种结构可控的纳米多孔材料 其表现密度明显依赖于标度尺寸 在一定尺度范围内 其密度往往具有标度不变性 即密度随尺度的增加而下降 而且具有自相似结构 在气凝胶分形结构动力学研究方面的结构还表明 在不同尺度范围内 有三个色散关系明显不同的激发区域 分别对应于声子 分形子和粒子模的激发 改变气凝胶的制备条件 可使其关联长度在两个量级的范围内变化 因此硅气凝胶已成为研究分形结构及其动力学行为的最佳材料 在 863 高技术强激光研究方面 纳米多孔材料具有重要应用价值 如利用低于临界密度的多孔靶材料 可望提高电子碰撞激发产生的X光激光的光束质量 节约驱动能 利用微球形节点结构的新型多孔靶 能够实现等离于体三维绝热膨胀的快速冷却 提高电子复合机制产生的x光激光的增益系数 利用超低密度材料吸附核燃料 可构成激光惯性约束聚变的高增益冷冻靶 气凝胶纤细的纳米多孔网络结构 巨大的比表面积 结构介观尺度上可控 成为研制新型低密度靶的最佳候选材料 在作为隔热材料方面 硅气凝胶纤细的纳米网络结构有效地限制了局域热激发的传播 其固态热导率比相应的玻璃态材料低2 3个数量级 纳米微孔洞抑制了气体分子对热传导的贡献 硅气凝胶的折射率接近l 而且对红外和可见光的湮灭系数之比达100以上 能有效地透过太阳光 并阻止环境温度的红外热辐射 成为一种理想的透明隔热材料 在太阳能利用和建筑物节能方面已经得到应用 通过掺杂的手段 可进一步降低硅气凝胶的辐射热传导 常温常压下掺碳气凝胶的热导率可低达0 013w m K 是目前热导率最低的固态材料 可望替代聚氨脂泡沫成为新型冰箱隔热材料 掺人二氧化钛可使硅气凝胶成为新型高温隔热材料 800K时的热导率仅为0 03w m K 作为军品配套新材料将得到进一步发展 由于硅气凝胶的低声速特性 它还是一种理想的声学延迟或高温隔音材料 该材料的声阻抗可变范围较大 103 107kg m2 s 是一种较理想的超声探测器的声阻耦合材料 如常用声阻匝Zp 1 5 l07kg m2 s的压电陶瓷作为超声波的发生器和探测器 而空气的声阻只有400kg m2 s 用厚度为l 4波长的硅气凝胶作为压电陶瓷与空气的声阻耦合材料 可提高声波的传输效率 降低器件应用中的信噪比 初步实验结果表明 密度在300kg m3左右的硅气凝胶作为耦合材料 能使声强提高30dB 如果采用具有密度梯度的硅气凝胶 可望得到更高的声强增益 在环境保护及化学工业方面 纳米结构的气凝胶还可作为新型气体过滤 与其它材料不同的是该材料孔洞大小分布均匀 气孔率高 是一种高效气体过滤材料 由于该材料特别大的比表而积 气凝胶在作为新型催化剂或催化剂的载体方而亦有广阔的应用前景 在储能器件方而 有机气凝胶经过烧结工艺处理后将得到碳气凝胶这种导电的多孔材料是继纤维状活性碳以后发展起来的一种新型碳素材料 它具有很大的比表面积 600 1000m2 kg 和高电导率 10 25s cm 而目 密度变化范围广 0 05 1 0g cm3 如在其微孔洞内充人适当的电解液 可以制成新型可充电电池 它具有储电容量大 内阻小 重量轻 充放电能力强 可多次重复使用等优异特性 初步实验结果表明 碳气凝胶的充电容量达3 104 kg2 功率密度为7kw kg 反复充放电性能良好 在材料的量子尺寸效应研究方面 由于硅气凝胶的纳米网络内形成量子点结构 化学气相渗透法掺Si及溶液法掺C60的结果表明 掺杂剂是以纳米晶粒的形式存在 并观察到很强的可见光发射 为多孔硅的量子限制效应发光提供了有力证据 利用硅气凝胶的结构以及C60的非线性光学效应 可进一步研制新型激光防护镜 通过掺杂的方法还是形成纳米复合相材料的有效手段 此外 硅气凝胶是折射率可调的材料 使用不同密度的气凝胶介质作为切伦柯夫阀值探测器 可确定高能粒子的质量和能量 因高速粒子很容易穿人多孔材料并逐步减速 实现 软着陆 如选用透明气凝胶在空间捕获高速粒子 可用肉眼或显微镜观察被阻挡 捕获的粒子 作为一种新型纳米多孔材料 除硅气凝胶外 已研制的还有其它单元 二元或多元氧化物气凝胶 有机气凝胶及碳气凝胶 作为一种独特的材料制备手段 相关的工艺在其它新材料研制中得到广泛应用 如制备气孔率极高的多孔硅 制备高性能催化剂的金属 气凝胶混合材料 高温超导材料 超细陶瓷粉末等 其他用途 1 制作火星探险宇航服2002年 美国宇航局成立了一家公司 专门生产更结实更有韧性的气凝胶 美国宇航局2013年已经确定 在2018年火星探险时 宇航员们将穿上用新型气凝胶制造的宇航服 该公司的资深科学家马克 克拉杰沃斯基说 只要在宇航服中加入一个18毫米厚的气凝胶层 那么它就能帮助宇航员扛住1300 的高温和零下130 的超低温 这是我见过的最有效的恒温材料 马克如是说 2 防弹不怕被炸防弹是新型气凝胶的第二个重要用途 美国宇航局的这家公司正在对用气凝胶建造的住所和军车进行测试 根据试验室的试验情况来看 如果在金属片上加一层厚约6毫米的气凝胶 那么 就算炸药直接炸中 对金属片也分毫无伤 3 可处理生态灾难环保是新型气凝胶的第三个重要作用 科学家们将气凝胶亲切地称为 超级海绵 因为其表面有成百上千万的小孔 所以是非常理想的吸附水中污染物的材料 美国科学家新发明的气凝胶居然能吸出水中的铅和水银 据这位科学家称 这种气凝胶是处理生态灾难的绝好材料 比如说1996年 海上快车 油轮沉没后 72000吨原油外泄 如果当时用上这种材料的话 那么就不会导致整个海岸受到严重的污染 4 网球拍击球能力更强新型气凝胶也将步入我们每个人的未来日常生活 比如说美国的Dunlop体育器材公司已经成功研发了含有气凝胶的网球拍 这种网球拍据说击球的能力更强 2012年年初 66岁的鲍博 斯托克成为第一个将气凝胶用于住房的英国人 保温加热的效果非常好 我将空调的温度下降了5 结果室内的温度仍然非常舒适 登山者也对气凝胶的运用充满了希望 英国登山家安尼 帕尔门特2011年登珠峰时所穿的鞋子就是使用了部分气凝胶材料 他的睡袋里也有一层这种新材料 4 富勒烯 突破性 具有线性和非线性光学特性 碱金属富勒烯超导性等 3 碳纳米管 突破性 高电导率 高热导率 高弹性模量 高抗拉强度等 5 非晶合金 突破性 高强韧性 优良的导磁性和低的磁损耗 优异的液态流动性 6 泡沫金属 突破性 重量轻 密度低 孔隙率高 比表面积大 孔隙度 多孔体中所有孔隙的体积与多孔体总体积之比 达到90 以上 具有一定强度和刚度的多孔金属 它的透气性很高 几乎都是连通孔 孔隙比表面积大 材料容重很小 粉末冶金法制造泡沫金属 是在粉末中加入发泡剂 如NH4Cl 烧结时发泡剂挥发 留下孔隙 用电化学沉积法可以制得规则形状孔隙 孔隙率高达95 的泡沫金属 包括以Cu Ni NiCrFe ZnCu NiCu NiCrW NiFe等金属和合金为骨架的泡沫材料 将电化学沉积在多孔体上的金属 经烧结使沉积组分连接成整体 强度达到要求的高孔隙泡沫金属 孔隙度高 使用中可以填充更多的物质 如催化剂 电解质等 泡沫金属在石油化工 航空航天 环保中用于制造净化 过滤 催化支架 电极等装置 含有泡沫状气孔的金属材料与一般烧结多孔金属相比 泡沫金属的气孔率更高 孔径尺寸较大 可达7毫米 由于泡沫金属是由金属基体骨架连续相和气孔分散相或连续相组成的两相复合材料 因此其性质取决于所用金属基体 气孔率和气孔结构 并受制备工艺的影响 通常 泡沫金属的力学性能随气孔率的增加而降低 其导电性 导热性也相应呈指数关系降低 当泡沫金属承受压力时 由于气孔塌陷导致的受力面积增加和材料应变硬化效应 使得泡沫金属具有优异的冲击能量吸收特性 泡沫金属的制备有发泡法和电镀法 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 已实用的泡沫金属有铝 镍及其