[精品]功能材料

精品精品 功能材料功能材料 智能磁性材料及其应用材料是人类进步的标志和里程碑 是能为人 们制造有用器件的物质 像建筑材料 金属材料 陶瓷材料等关系我们衣 食 祝行之类的东西 常常称做普通 或传统 材料 随着科学技术的飞速发展 在航空航天 电子 电力 石油工业 通信等领域里 对使用的材料提出了更新 更高的要求 因此寻求新的 具有比传统材料更优异性能的材料则是当代材料科学发展的必然趋 势 这种新材料已成为当今高新技术的一种象征 一些具有特殊功能的智能材料 超导材料 非晶材料 纳米材料 生物材料等 已成为推动社会发展和人类进步极为重要的物质基础 本文在阐述智能材料的基本概念之后 着重介绍了三种智能磁性材 料即磁性液体 磁流变液和稀土超磁致伸缩材料与应用 在航空发展史上 人们都记得高速飞行的飞机若偶遇高空寒流 大风或者受力等情况 往往会发生机翼或机体断裂甚至机毁人亡的 悲惨事故 这是我们不希望的 如果在飞机刚一出现断裂时能自动 打上绷带 进行自我抢救即可 避免不幸事故的发生 这种能给飞机自动 打上绷带 的材料就是一种智能材料或机敏材 料 它是20世纪80 90年代迅速发展起来的新型功能材料 它能把高技术 传感器 或敏感元件 与结构 功能材料结合为一体成为一种有 感觉 感知 并能自我修复 似乎具有生命活力的材料 例如在一种高性能复合材料中嵌入细小的纵横交错的光纤材料 就 像 神经 那样会感觉出飞机所受的不同压力 测量光纤传输光时的各种变化即能测出所受的压力 在极端条件下 光纤会断裂而信号中断并发出警告 这就是智能材料的功能 如此说来 智能材料就是模仿生命系统 能感知应力 热 光 电 磁 化学等环境条件的变化 而且能实时地改变自身一种或多种性能参 数 作出人们所期望的 与变化后的环境相适应的响应从而予以控制的一种复合材料 也就是说智能材料应当具有将感知 传感器 执行 驱动器 和信息三 者集于一体的功能 使无生命的材料变成了似乎有生命的系统 3智能磁性材料及其应用具有上述智能功能的磁性材料目前有三种 即磁性液体 磁流变液和稀土超磁致伸缩材料 下面分别予以介绍 磁性液体又称磁性流体或铁磁流体 磁性胶体 通常简称磁液 它是由纳米级铁氧体 如Fe3O4 Co Fe2O4 MnZn等 Fe Ni Co金属及其合金或铁磁性氮化铁FexN 2 x 8 超细磁性颗粒借助表面活性剂高度 均匀弥散于载液 基液 如有机溶剂 油或水 中所形成的一种稳定的胶体溶液 是固 液相混的二相流体 兼有液体的流动性和磁性材料的磁性 目前还 发展了复合磁性液体材料 因此磁性液体有着一般固态磁性材料所不具备的独特的性质和功能 在电 磁 流变力学 声 光 热等方面显现出多功能的特点 所以它一出现就受到世界各发达国家的重视并广泛应用于科学和工 程技术领域中 现已深入到电子 化工 能源 冶金 仪表 环保 医疗等各个领域 显现出广阔的市场前景 当外磁场作用于磁液 磁性粒子的磁矩立刻沿磁场方向取向 其全 部磁液的磁化强度随着磁场的增强而增强 当取消外场时磁矩很快 就随机化了 在一个梯度磁场中磁液被磁化并且向高场区移动 这就意味着磁液可以精确定位并由外磁场加以控制 磁液产生的这种保持力取决于外加磁场强度和磁液的饱和磁化强度 值 这是其一 其二 磁液的流变粘度随外加磁场增强而增高 从而它的阻尼作用 也增大 因此这两种功能均受外加磁场所控制 显然具有了智能化的特性 利用前一种特性可在机器人中制作机器人关节和机械手 当把磁液充入柔软的薄膜密封容器内时便构成了一个驱动源 将它 装在机器人两臂之间 控制容器内通电线圈的通与断即可使密封容器内的磁液界面发生形 变而动作 从而形成了一个柔软的关节 这种关节具有灵活 驱动轴不易打滑 无磨擦 寿命较长的特点 由于永磁体的移动 使磁液受到的磁场强度产生变化 从而使磁液 受到不同的体积力 驱使弹性膜发生不同形变 夹钳即可自由动作 应用这一特性可制作各种阻尼器 减震器 缓冲器 联轴器 制动 器和阀门等 磁流变液是一种具有良好发展前景和工程应用价值的新型智能材料 它是由微米级 1 10m 磁性颗粒 如铁 Fe 钴 Co 镍 Ni 及其合 金 铁氧体等 载液 如矿物油 硅油 水和其他复杂的混合体等 和表面活性剂组成的稳定的悬浮液体 在外加磁场作用下 会产生明显的磁流变效应在固体与液态之间进 行毫秒 ms 级快速可逆转化 其粘度保持连续无级可控 可实现实 时主动控制 耗能极小 因而在航空航天 机械工程 汽车工业 精密加工 建筑工程 医疗卫生等领域广泛应用 可完成智能传动 制动 减振 降噪等功能 制成阀式 剪切式和挤压式各类磁流变液器件 如液压控制伺服阀 离合器与制动器 振动悬架 减振器等 磁流变液的粘度在磁场作用下会逐渐增大 当磁场强度大到一定值 时由液态完全转变成固态 其过程快速可逆 这是最引人注目的特 性 同时磁流变液具有较大的屈服应力 在240kA m时可达100kPa 是电流变液的20 50倍 并且磁流变液具有良好的动力学和温度稳定 性 因而近年来受到了国内外科技界和工业界的高度重视 美国 日本 德国等国的许多科学家和一些企业纷纷投资开展研究 并且已有产 品专利与不同型号的磁流变液产品上市 美国Lord公司推出了轻负载阻尼器SD 1000 2 该减振阻尼器总长 活塞伸出后 21 5cm 缸体直径3 8cm 共用磁 流变液50ml 行程 2 5cm 在0 3V直流电压下活塞头部线圈产生0 1A的电流 于是在活塞头部 流孔周围产生磁场以控制MRF的流通使其变粘直至固化 从而改变阻 尼大校这种阻尼器最大功率小于10W 产生的阻尼力超过3000N 在 4 0 150 温度范围内变化率小于10 响应时间为8ms 一种商品化的磁流变液卡车座位减振器 全长15cm 有效流体需量仅 0 3cm3 耗功仅15W 代替普通减振器 使卡车座位振幅减小50 以上 大大减少了卡车司机在矿山崎岖道路上驾车的危险 可见磁流变液的优点是突出的 其应用前景相当诱人 稀土超磁致伸缩材料 磁致伸缩与稀土超磁致伸缩材料在外加磁场作用下 材料的尺寸和 体积发生改变的效应称为磁致伸缩效应 具有磁致伸缩效应的材料即称为磁致伸缩材料 而最具实际用途的 是尺寸发生改变的线磁致伸缩材料 其特征参数是饱和磁致伸缩系 数 s 饱和磁化强度Ms 机电耦合系数K 磁致伸缩材料可作为智能驱动器 应力 应变 传感器得以应用 而具有高灵敏度特性则是驱动器 传感器的必备条件 比一般磁致伸缩材料的磁致伸缩系数 效应 高一个数量级 具有更 大应变或更宽适用温度范围的磁致伸缩材料如Terfenol D Tb0 27Dy0 73Fe2 即称为超 大 磁致伸缩材料 目前具有高磁致伸缩系数的金属与合金大体分为三类 1 传统材料K 0 6 所以这种具有超磁致伸缩的材料称为稀土 铁系超磁致伸缩材料 它最具实用价值 稀土超磁致伸缩材料的智能化应用 1 性能优势以Terfenol D为代表的稀土超磁致伸缩材料作为一种新的高效磁 电 能 机械 声 能转换材料 其性能远远优于压电陶瓷 PZT 等其他材料 Terfenol D材料的磁弹性 声学力学 磁电热性能呈现出明显的优势 因此将 其作成换能器则具有大位移 强力 大功率 精密控制 快响应 高可靠 磁 电 机转换效率高 频带宽 能量供应简单等优点 所以在智能化应用方面有着广阔的前景 应用Terfenol D材料的性能优势可制成大量应用器件 如磁 电 机械换能器 驱动器 传感器和电子器件 至今已有千种之多 美国海军于20世纪80年代初开始研制Terfenol D水下声纳 每单节由永磁体产生偏磁场 螺线管产生交流磁场 随 着磁场的变化环就膨胀收缩将声波发射出去 其性能良好 日本用Terfenol D驱动单元装置了8单元环状换能器 工作距离为10000km 而压电换 能器在水下的工作距离仅300km 使用2年未出现过故障 4结束语智能材料是本世纪材料科学技术发展的重要方向之一 智能 磁性材料是其中的一个成员 磁性液体 磁流变液和稀土超磁致伸缩材料具有优异的智能功能 因而具有良 好的应用前景 不久将会成为磁性材料发展的重点 磁在新型汽车中的应用汽车是现代的一种重要交通工具 一般汽车中使用的电话 收音机和电视机中都要应用到多种的磁性 材料和磁性器件 在现代一些新型汽车中磁的应用就更加增多 例如现代一种新型家用小汽车便使用了32台小型永磁电动机 它们 分别应用于时钟步进电机 录音机走带机械 电子计价器步进电机 电控反光机 车图4现代新型汽车使用各种小型永磁电动机分布图 高调整泵 自动车速调节泵 起动电机 可伸缩车前灯 车前灯冲 洗器 水箱冷却风扇 电容器冷却风扇 活门控制 颈部防损控制 车前灯擦净器 前窗冲洗器 前部擦净器 后窗冲洗器 后部擦 净器 电动车窗 油泵 汽车门锁 可调减振器 空气净化器 后 部空调器 汽车天线 遮阳车顶 大腿支撑泵 侧面支撑泵 气动 腰部支撑泵 座椅斜倚器 座椅升降器 座椅移动器 真空泵 空 气调节器 室温传感器 暖风机 图4是这种汽车使用的各种小型永磁电动机的示意图 除上述的几种家用电器需要使用多种的磁性材料和磁性器件外 还 有许多家用电器也要应用到磁 例如 电冰箱中的磁门封条和电动 机 洗衣机 空调器 除尘器和电唱机中用的电动机 微波炉中用 的磁控管 电门铃中用的电磁继电器 电子钟表中用的小型微型电 动机等 可以看出 现代生活离不开磁 纳米材料简单的说是使用纳米技术生产的材料一般单位级达到纳米 级或者有纳米级原料添加就算纳米材料有纳米半导体薄膜 纳米陶 瓷 纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等等由于制造成本较高多用 于工业和医疗生活运用不多能想到的有部分精密微电子产品食水净 化部分特殊功能的陶瓷 橡胶等等 纳米 一词相信很多人都听说 过 纳米 纳米 我们成天挂在嘴边但我们又有多少人知道纳米 是什么 它是怎么构成的 纳米在生活中又有哪些应用 大家也可 以看出随着21世纪的到来 随着科学技术的发展 纳米会越来越多 的应用与人们的生活 为人类造福 这篇文章就简单的介绍一下纳 米的基本知识以及在生活中的部分应用 纳米 是物理学上的一个度量单位 1纳米是10 9米 相当于45个原子排列起来的长度 打个比方说 它相当于万分之一头发丝粗细 就跟毫米 微米等一样 它是一个尺度概念 没有什么物理内涵 当物质达到纳米的尺度以后 大约在1 100纳米这个范围空间内 物质的性能就有可能会发生突变 出现特 殊的性能 这种具有特殊性能的材料即为纳米材料 如果仅仅是尺度达到纳米 而没有特殊性能的材料 也不能叫纳米 材料 第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家 他们 在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子 并通过研究它的性能发现 一个导电 导热的铜 银导体做成纳米尺度以后 它就失去原来的 性质 表现出既不导电 也不导热 磁性材料也是如此 象铁钴合金 把它做成大约20 30纳米大小 磁畴就变成单磁畴 它的磁性要比原来高1000倍 80年代中期 人们就正式把这类材料命名为纳米材料 纳米材料的应用 1 信息产业中的纳米技术 网络通讯 宽频带的网络通讯 纳米 结构器件 芯片技术以及高清晰度数字显示技术 光电子器件 分子电子器件 巨磁电子器件 网络通讯的关键纳米器件 如网络通讯中激光 过滤器 谐振器 微电容 微电极等方面 我国的研究水平不落后 在安徽省就有 压敏电阻 非线性电阻等 可添加氧化锌纳米材料改性 2 环境产业中的纳米技术纳米技术对空气中20纳米以及水中的20 0纳米污染物的降解是不可替代的技术 要净化环境 必须用纳米技术 我们现在已经制备成功了一种对甲醛 氮氧化物 一氧化碳能够降 解的设备 可使空气中的大于10ppm的有害气体降低到0 1ppm 该设 备已进入实用化生产阶段 利用多孔小球组合光催化纳米材料 已 成功用于污水中有机物的降解 对苯酚等其它传统技术难以降解的 有机污染物 有很好的降解效果 近年来 不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业 用于提高水的质量 已见成效 3 能源环保中的纳米技术在合理利用传统能源方面 现在主要是净 化剂 助燃剂 它们能使煤充分燃烧 燃烧当中自循环 使硫减少 排放 不再需要辅助装置 另外 利用纳米改进汽油 柴油的添加剂已经有了 实际上它是一 种液态小分子可燃烧的团簇物质 有助燃 净化作用 现在国际上主要研发能量转化材料 我国也在做 它包括将太阳能 转化成电能 热能转化为电能 化学能转化为电能等 4 纳米生物医药目前 国际医药行业面临新的决策 那就是用纳米 尺度发展制药业 纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质 然后在纳米尺度组 合 最大限度发挥药效 这恰恰是我国中医的想法 在提取精华后 用一种很少的骨架 比如人体可吸收的糖 淀粉 使其高效缓释和靶向药物 对传统药物的改进 采用纳米技术可以提高一个档次 5 纳米新材料据美国测算 到21世纪30年代 汽车上40 钢铁和金 属材料要被轻质高强材料所代替 这样可以节省汽油40 减少co2 排放40 就这一项 每年就可给美国创造社会效益1000亿美元 此外 还有各种功能材料 玻璃透明度好但份量重 用纳米改进它 使它变轻 使这种材料不仅有力学性能 而且还具有其他功能 还有光的变色 贮光 反射各种紫外线 红外线 光的吸收 贮藏 等功能 6 纳米技术对传统产业改造对于中国来说 当前是纳米技术切入传 统产业 将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇 首先是家电 轻工 电子行业 合肥美菱集团从1996开始研制纳米冰箱 可折叠的pvc磁性冰箱门封 不发霉 用的是抗菌涂料 里面的果盘都采用纳米材料 发展轻工 电子和家用电器可以带动涂料 材料 电子原器件等行业发展 其次是纺织 人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势 下面我就给大家主要介绍一下纳米在造纸业中的应一 在造纸中的应 用 1 抗菌功能纸产品 纳米抗菌剂能够克服传统纸的缺点 能将细 菌及其残骸一起杀灭和消除 同时还能将细菌分泌的毒素也分解掉 主要有无机抗菌剂如银 铜 锌等离子和光催化抗菌剂如纳米级 氧化钛 氧化锌 氧化硅等 纳米抗菌剂具有杀菌彻底 耐热性强 不易产生有害物质 安全性 能好等优点 将纳米抗菌剂混入浆料或涂料 表面施胶液中 即可生产纳米抗菌纸 主要用于物理抗菌复合纤维无纺布 生活用纸 医疗和食品包装 纸等 陈慧文等用纳米TiO2粉体生产光触媒抗菌纸 具有良好的抗菌性能 2 矿物纤维纸 矿物纤维如云母 玻璃纤维 硅酸盐纤维 石棉纤 维等 具有植物纤维无法比拟的良好的尺寸稳定性 耐热性 抗化 学性 阻燃性和电绝缘性等优点 但矿物纤维大多脆硬 经不起打 浆 纤维之间无法粘结 成纸困难 一般要加入部分植物纤维配抄 且抄成的纸页脆弱如果把矿物纤维的直径控制在100nm以下 就可 以解决因其伸缩性小 柔软性差而导致成纸困难的现象 有利于纤 维的互相交织成形 从而抄出强度良好的纸张 3 抗静电 耐磨功能纸 高精密仪表电器 高表面光洁度的不锈钢 材料及各种合金材料等对包装衬纸有较高的要求 不仅要求具有防 水 防油 防锈性能 而且要求具有强度高 耐磨擦 抗静电 抗 老化的特点 将纳米二氧化钛 三氧化二铬 氧化锌 三氧化二铁或二氧化锡等 粉体以0 1 0 3 的量掺入浆中 制作的特种纸即具有优良的 耐磨 抗水 耐腐蚀作用和良好的静电屏蔽作用 大大降低静电效 应 从而大幅提高了包装产品的安全系数 4 在其他方面的应用 纳米材料及技术还可应用于许多纸产品的开发 如变色纸 加香纸 阻燃纸 磁性纸 储能纸等高性能特种纸产 品利用其化学活性优异的特点 可以作为催化剂应用于造纸化学品 的开发生产中 二 在造纸环保中的应用 1用于废气处理 工业锅炉燃烧煤会产生二 氧化硫气体 它是废气污染的祸首如果在燃烧时加入纳米助燃催化 剂 不仅可以使煤充分燃烧 不产生一氧化碳气体 提高能源利用 率 而且会使硫转化成固体的硫化物而不产生二氧化硫气体 从而 达到减少有害气体排放的目的 2处理造纸废水 利用纳米二氧化钛巨 大的比表面积 能够强力吸收紫外线和吸附废水中有机物的特性 光催化快速分解有机物 达到消除污染的目的 高效处理废水 可 避免二次污染 有研究表明 纳米二氧化钛光催化氧化漂白废水可降解氯代酚等氯 代芳香族化合物 用含氯漂白剂漂白纸浆可形成剧毒的氯代二苯 并对二恶英CDDs 用TiO2 O2 uV过程对这类剧毒致癌有机物有快 速降解作用 有文献表明 在处理含高分子木素的制浆废水时 用纳米二氧化钛光催化氧化处 理后 浊度完全消失 自制的纳米二氧化钛光催化处理造纸废水有很好的效果 COD去除率 可达94 浊度和色度去除率分别为97 和98 造纸的应用还有很多 在这就不一一介绍了 造纸既可用于工业农业 又可以用于各种高科技等 它在生活中的应用会越来越多 跟我们生 活的距离也会越来越近 相信它对我们的作用会越来越大 目前高温超导材料的应用正朝着大电流应用 强电应用 电子学 应用 弱电应用 和抗磁性应用三个主要方向发展超导发电机在电 力领域 利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万 6 万高斯 并且几乎没有能量损失 这种发电机便是交流超导发电机 超导发电机的单机发电容量比常规发电机提高5 10倍 达1万兆瓦 而体积却减少1 2 整机重量减轻1 3 发电效率提高50 磁流体发电机磁流体发电机同样离不开超导强磁体的帮助 磁流体发电发电 是利用高温导电性气体 等离子体 作导体 并 高速通过磁场强度为5万 6万高斯的强磁场而发电 磁流体发电机的结构非常简单 用于磁流体发电的高温导电性气体 还可重复利用 超导输电线路超导材料还可以用于制作超导电线和超导变压器 从 而把电力几乎无损耗地输送给用户 据统计 目前的铜或铝导线输电 约有15 的电能损耗在输电