材料科学第七章

2020/6/6,1,第七章新型材料,材料科学概论,机电学院刘艳2020/6/6,2,本章主要内容,纳米材料,新型能源材料,2020/6/6,3,6.1纳米材料,2020/6/6,4,纳米材料？在哪里？有什么用？,2020/6/6,5,学术领域：“纳米”论文、书籍、专利、项目猛增传媒：报纸、电视、广播中经常出现有关“纳米”介绍工商业：纳米产品：家电、日用品、纳米衣料股市上：纳米板块生活中：纳“米”、“纳米饭”?,纳米热现象,2020/6/6,6,牙齿、骨骼，海底的藻类、天上的陨石都是由纳米材料构成的。最新研究发现，鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂、海龟的腹部存在着磁性纳米粒子，具有类似指南针的功能，它们利用这种“罗盘”来确定其周围环境，判明方向。导航作用：鸟类迁徙，海洋动物,自然界中神奇的纳米,2020/6/6,7,纳米能量垫,纳米功能杯,纳米抗菌内衣,纳米印章笔,纳米改性外墙漆,长度为10m，六根硅弦的宽度均为100个原子,(康奈尔大学),纳米电池（挑战杯一等奖）,2020/6/6,8,1m=103mm=106m=109nm=1010,纳米（Nanometer）又称为毫微米，是一种长度计量单位。,2020/6/6,9,6.1纳米材料,纳米(nanometer,nm):1nm=10-9m1nm相当于头发丝直径的十万分之一,纳米材料：国际上将处于1-100nm尺度范围内的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料，统称为纳米材料。包括：零维：原子团簇一维：纳米线二维：纳米膜三维：纳米块体,2020/6/6,10,纳米材料基本单元（或维数）分：,零维三维空间都为纳米尺度：纳米颗粒、原子簇一维两维空间为纳米尺度：纳米丝、纳米棒（管）二维一维空间为纳米尺度：超薄膜、多层膜,纳米材料,分类,2020/6/6,11,金刚石,石墨,C60,碳纳米管,碳原子簇20，24，28，32，36，50,碳原子簇,2020/6/6,12,12个五边形20个六边形（32）组成的中空球形分子,碳原子簇C60,2020/6/6,13,碳原子簇C70,2020/6/6,14,碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶”。研究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。据预测可以生产出氢气汽车，只需携带1.5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km。,碳原子簇碳纳米管,2020/6/6,15,碳原子簇碳纳米管,2020/6/6,16,碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。,2020/6/6,17,把碳纳米管用作转子的纳米马达,2020/6/6,18,军事方面的应用,因纳米碳管既轻又强度极高，是钢的10100倍，用它来作防弹衣就像用羽绒做成的防寒服一样，既可折来叠去，又能抵御强大的子弹的冲击力。,防弹衣,2020/6/6,19,碳原子簇石墨烯,2010诺贝尔物理学奖-用胶带+铅笔得到的多贝尔奖(安德烈海姆，克斯特亚诺沃肖洛夫)导电性最好、硬度最高、厚度最薄的材料。优异的电学、光学和光电性能而成为下一代新的电子和光电器件的关键材料,2020/6/6,20,宏观领域：肉眼可见宇宙天体微观领域：微观无限小分子原子介观领域：二者之间纳米科技,纳米科技的研究范畴,纳米科技的研究范畴microcosmicMesoscopicmacroscopic,纳米材料,2020/6/6,21,自然界的尺度,纳米材料,2020/6/6,22,人类制备纳米材料的历史可以追溯到1000年以前：1000以前：中国墨最早的纳米材料中国古代铜镜表面的防锈层纳米SnO2薄膜,纳米科技发展简史（大事记）,2020/6/6,23,1861,1959,1962,1982,1985,1990,纳米科技发展简史（大事记）,胶体化学的建立,人们开始对直径为1100nm的微粒开始研究。,Feyneman预言提出：自底层构造的丰富结构,日本物理学者提出了著名的久保（Kubo)理论-超微颗粒的量子限域理论,STM的发明,C60足球烯的发现,第一届国际纳米会议(美国巴尔的摩),2020/6/6,24,“Thereisplentyofroomatthebottom.”-R.P.Feynman,(Dec29,1959).,“Whatwouldhappenifwecouldarrangetheatomsone-by-onethewaywewantthem?”,2020/6/6,25,纳米催化材料；纳米磁性材料；纳米光学材料；纳米生物材料；纳米电子材料；纳米结构材料；等等,按功能分：,纳米材料,分类,2020/6/6,26,按材料可分为：,纳米材料,分类,纳米金属材料；纳米陶瓷材料；纳米无机材料；纳米有机材料；纳米复合材料；等等,2020/6/6,27,纳米皇冠,2020/6/6,28,纳米材料的特殊性能,1.表面效应,2.小尺寸效应,3.量子尺寸效应,4.宏观量子隧道效应,纳米材料,2020/6/6,29,经典理论和量子理论的差别,2020/6/6,30,纳米材料的应用,由于纳米材料在磁、热、电、光、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性，科学家预言，纳米材料在21世纪将是“最有前途的材料”，纳米技术甚至超过计算机和基因学，成为“决定性技术”，它们在磁、热、光、电、信息、能源、催化、陶瓷增韧、生物医学等各个技术领域将发挥举足轻重的作用。,2020/6/6,31,纳米材料的应用,纳米相陶瓷增韧纳米磁性材料(1)纳米磁性记录材料(2)纳米磁性液体(3)纳米巨磁电阻材料(4)纳米微晶软磁材料,2020/6/6,32,纳米材料的应用,纳米微粒催化剂纳米材料由于尺寸小，表面悬键等因素导致活性位置增加，这使得当它作为催化剂时具有较好的催化性能。常见的纳米光催化剂有纳米TiO2、纳米ZnO、纳米ZnS、纳米CdS等。主要应用于催化氧化还原反应领域、环境保护领域、电池工业领域等。,2020/6/6,33,汽车尾气处理,含铅汽油中的铅很容易通过血液长期蓄积于人的肝、肾、脾、肺和大脑中，从而导致人的智能发育障碍和血色素制造障碍等后果。,汽车尾气的处理：加入纳米级的复合稀土氧化物后，对尾气的净化特别明显，尾气中的CO、NOx几乎完全转化。,2020/6/6,34,拯救水资源,特种半导体纳米材料使海水淡化；纳米TiO2可以用来降解有机磷，降解毛纺染料废水，降解石油，富营养有机物等。,2020/6/6,35,纳米TiO2：在光照条件下，会产生具有非常强的氧化能力的空穴和活性氧，从而将附在表面上的有机物、细菌及其它灰尘分解掉，直至生成CO2和H2O。杀菌、除味：由于纳米ZnO具有大的比表面积，可以很快地吸收并分解臭气，同时还能有效地杀菌。对黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀菌率高达95%以上。,走进你家里,2020/6/6,36,走进你家里,2020/6/6,37,纳米材料的应用,生物和医学上的应用(1)纳米生物医用材料-纳米无机生物材料：磷酸钙骨水泥，羟基磷灰石(HAP)，生物玻璃等-纳米有机生物材料：聚乙二醇，聚乳酸等-纳米金属生物材料：纳米银，纳米氧化铁等(2)药物和基因输送的纳米载体(3)纳米机器人,2020/6/6,38,如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。科学家用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为“燃料”控制这种镊子反复开合。,2020/6/6,39,诺贝尔奖得主斯莫利的预言；美国麻省理工学院的研究人员正在研究一种只有20nm的药物炸弹和包含了1000个纳米药包的微型芯片；在固定的DNA链上连接上杀癌的药物胶囊，放到病人血液和组织内，一遇上癌细胞的DNA时，DNA链就与癌细胞的DNA结合，这时药物开关受触发而开放，药物便释放出来，杀灭癌细胞。,纳米药包,2020/6/6,40,检查体内疾病,重庆科研人员开发的“OMOM胶囊内镜系统”估计三年内可以上市。该医生长得像一颗胶囊，把它吞进肚里，消化道内的情景就可以像放电影一样在电脑屏幕上一目了然,2020/6/6,41,瑞典科学家制作的微型医用机器人，可移动并捡起肉眼看不见的玻璃珠。用这种微型机器手将果蝇的染色体基因进行信号移动，培育出的果蝇多长了一个胸脯和翅膀，甚至把果蝇的眼睛和翅膀挪位。,果蝇：遗传学和分子发育生物学的国王图中左侧为雌性，右侧为雄性,纳米技术与基因疗法的结合,2020/6/6,42,科学家设想制造出负责清扫血管的纳米机器人（清洁工），专门负责清扫血管壁上的胆固醇、凝血等沉积物，以预防脑血栓等心血管病；同时也可以制作出清扫体内癌细胞的机器人。,纳米清洁工,2020/6/6,43,在血管中运动的纳米机器人，它正在使用纳米切割机和真空吸尘器来清除血管中的沉积物,2020/6/6,44,纳米材料的应用,纳米隐身材料纳米氧化铝、氧化铁、氧化硅和氧化钛等的复合粉体与高分子纤维结合对中红外波段有很强的吸收性能，而且，这种材料还可以与控制装置相结合，发出干扰信号，达到隐身目的。,2020/6/6,45,隐身材料,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34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。某些几十纳米厚的固体薄膜的吸收效果与比它厚1000倍的现有吸波材料相同，美国研制的纳米隐身涂料超黑粉对雷达波的吸收率达99%。,2020/6/6,46,美国F117隐形轰炸机机,2020/6/6,47,美国B2隐形轰炸机,2020/6/6,48,吸波：纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力，所以可以做隐形飞机的重要涂料。,纳米隐身材料,2020/6/6,49,纳米材料的应用,纳米技术在农业生产中的应用(1)纳米材料固化酶食品加工、酿造、发酵等(2)纳米膜分离营养物质和功能性物质(3)纳米农药适用于绿色和有机食品生产(4)纳米技术模拟光合作用、生物固氮等生物反应,2020/6/6,50,纳米科技的研究内容创造和制备性能优异的纳米材料(基础)设计、制备各种纳米器件和装置(目的和标志)探测和分析纳米区域的性质和现象(手段),纳米材料,2020/6/6,51,纳米科技与传统学科结合衍生出许多新的学科：,纳米材料,2020/6/6,52,纳米齿轮,2020/6/6,53,基于纳米碳管的纳米电机,2020/6/6,54,6.2新型能源材料,2020/6/6,55,能源形式：人力、畜力；低效率风力、太阳能、水力、氢能；清洁煤、石油、天然气；CO2原子核能，核发电站；核废料放射污染电能,新型能源材料,2020/6/6,56,人类社会进步与能源技术的进步人类社会进步的历史表明，每一次能源技术的创新突破都给生产力的发展和社会进步带来了重大而深远的变革。能源是国民经济发展的动力,衡量综合国力的标准;人民生活水平的重要指标,国家文明发达程度的标准。,新型能源材料,发展新型能源材料的必要性,2020/6/6,57,我国的石油储量只占世界石油储量的2；已探明可开采量50亿吨，现每年开采1.7-1.8亿吨；只可用30年！2004年我国世界人口第一位，国民生产总值第六位，但能源消耗却占第二位，2004年进口石油1.4亿吨；预计2020年原油需要4.5亿吨，进口2.5亿吨，对外依存度5660；能源形势不容乐观！,新型能源材料,必要性,2020/6/6,58,当前的能源形式无法适应现代社会要求20世纪所建立起来的庞大能源系统已无法适应未来社会对能源体系的要求：巨量、高效、清洁、经济、安全能源发展正面临着巨大的挑战！,新型能源材料,必要性,2020/6/6,59,地球上的温室效应和全球性的气候变化，同能源的生产与消耗有密切的关系。导致温室效应的原因，-能源体系-含碳燃料燃烧-释放的二氧化碳。含碳燃料所提供的能量约占世界能源的五分之四，而且目前每年还以3的幅度在持续增长。二氧化碳的排放量也以同样的速度递增。,新型能源材料,温室效应,2020/6/6,60,1997在日本京都召开的联合国气候变化框架会议。议定书要求：A.全球工业化国家到2012年将温室气体排放总量在1990年排放总量的基础上削减5.2，每个国家的具体目标由各国根据现状决定。B.限排的温室气体：包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N20)、氢氟碳化物(HFCS)、全氟化碳(PFCS)、六氟化硫(SF6)。,新型能源材料,京都议定书,2020/6/6,61,新型能源材料,必要性,石油战争？,2020/6/6,62,现代社会对电源要求,2020/6/6,63,清洁能源：为适应人类发展的新需要，要不断发展新的能源材料及能源技术，清洁能源是最佳选择。可持续发展：从可持续发展的要求，人类必须保护赖以生存的自然环境与自然资源。资源与能源最充分利用技术和环境最小负担技术。,新型能源材料,对能源的要求,2020/6/6,64,1.太阳能2.煤的转化3.风能利用4.核能5.氢能6.储能设备：包括电池、储氢,新型能源材料,2020/6/6,65,太阳能电池材料,太阳能电池：通过光电效应或光化学效应直接把光能转化为电能的装置。,2020/6/6,66,世博零碳馆,世博中心,2020/6/6,67,绿色能源,低碳生活,全球性环保主题,2020/6/6,68,太阳能电池(SolarCell)的应用,航天领域,照明领域,2020/6/6,69,太阳能电池的工作原理,2020/6/6,70,晶体硅太阳能电池的结构,基片电极P型层PN结N型层SiO2保护膜梳状电极,2020/6/6,71,太阳能电池的种类,2020/6/6,72,1.单晶硅太阳能电池,2.多晶硅太阳能电池,3.非晶硅太阳能电池,2020/6/6,73,4.化合物半导体太阳能电池,5.有机半导体太阳能电池,6.纳米晶化学太阳能电池,2020/6/6,74,锂离子电池材料,锂离子电池锂离子电池是上世纪90年代初发展起来的迄今最先进的可充电电池。工作原理充电时：锂离子从正极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入负极；放电时：锂离子从负极脱嵌，通过电解质和隔膜，嵌入正极。所用材料正极材料负极材料电解质材料隔膜材料,2020/6/6,75,正极材料：嵌锂过渡金属氧化物钴酸锂，锰酸锂，掺杂镍酸锂，镍钴锰酸锂，磷酸亚铁锂等(2)金属硫化物硫化钛，硫化钼，硫化镍，硫化铜等(3)钒氧化物(4)纳米材料纳米硫化铜，纳米锰酸锂，二氧化锰纳米纤维等,锂离子电池材料,2020/6/6,76,负极材料：锂合金负极材料LiPb,LiAl,LiSn,LiIn,LiBi,LiZn,LiCd等(2)碳负极材料石墨材料，硬碳，(3)氧化物负极材料钛酸锂，结晶氧化锡，掺杂氧化锡等(4)氮化物负极材料Li7MnN4,Li3-xCoxN等(5)纳米负极材料纳米碳材料，纳米碳管，纳米合金，纳米炭基复合材料等,锂离子电池材料,2020/6/6,77,电解质材料：液体电解质有机液体电解质，离子液体电解质(2)固体电解质固体聚合物电解质，无机固体电解质(3)固液复合电解质凝胶电解质隔膜材料：多孔性聚烯烃,锂离子电池材料,2020/6/6,78,核能材料,核能：核能是20世纪出现的一种新能源。自世界上第一座核反应堆运行成功(1942年12月2日美国芝加哥大学)，人类开始掌握了核能，从此跨入