第七章-纳米科技现状及展望

纳米世界的科学与艺术（II）材料科学与工程学院吴俊书junshuwu@2

§7.1纳米科技发展现状

§7.2纳米科技带来的潜在风险第七章纳米科技现状与展望3§7.1纳米科技发展现状3D打印机（3DPrinters）简称（3DP）是一位名为恩里科·迪尼（EnricoDini）的发明家设计的一种神奇的打印机，它不仅可以“打印”一幢完整的建筑，甚至可以在航天飞船中给宇航员打印任何所需的物品的形状。新技术之一：3D打印新技术之一：3D打印53D打印机：打印一切?房子、器官、汽车、衣服、机器人……你能想象这些东西都可以打印出来吗？3D打印的概念起源于19世纪末的美国，“上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场”。而3D打印机的出现，将颠覆这一生产思路，任何复杂形状的设计均可以通过3D打印机来实现。….7超强3D打印陶瓷可耐1700度高温陶瓷拥有很多有用特性，如高强度、高硬度以及耐腐蚀、耐磨损等，但也有一个“阿喀琉斯之踵”——无法轻易制成复杂形状。3D打印技术能使陶瓷拥有复杂的形状，但陶瓷极高的熔点又限制了这一方法的使用由硅、氮和氧组成的树脂配方，在一台3D打印机内用一束紫外线照射这种树脂，会使其变硬。这种被称为陶瓷前体的树脂能被3D打印成各种形状和大小的零件，打印出来的材料过火后会转化为一种高强度、完全致密的陶瓷。8美国波特兰州立大学MarkWeislogel教授及其团队利用3D打印设计出一种杯子，依据液体毛细流动原理，不需要重力。宇航员在太空也可以端起杯子喝饮料，告别塑料袋。

“润湿条件以及这个杯子特殊的几何设计产生了一个毛细管压力梯度，可以驱使液体流向口中。

这些杯子形状复杂并且证明在低重力环境下可以保持对液体的特殊控制，运用了毛细管界面结构、稳定性、流速、瞬态等流体学原理93D打印技术让碳纤维变得便宜10碳纤维让所有的汽车更轻能效更高。不过，目前它们的价格还是太贵，只能应用于高端汽车和航空上,3D打印让碳纤维部件变得更便宜应用更广在电脑里设计好部件，点击按钮，几个小时后就部件就出来新工艺避免打印碳纤维，而从碳纤维布开始。在碳纤维布的上方，打印机根据数字指令精准地喷涂清洗液，然后根据设计加入树脂；将碳纤维布堆积并加热，使树脂融化，与碳纤维结合；最后，将未能与树脂结合的碳纤维去除113D打印技术：看上去是美还是不美？实现工业化生产应用必须克服以下几个难题：一是成本问题，低成本是实现市场规模化生产的前提，3D打印设备自身所需要的昂贵费用，3D打印材料种类丰富，但是每一种材料的售价一直居高不下。二是环保与安全问题，市场上流行的3D打印产品多聚集在PLA和ABS材质，这些不可降解的材料不但加重了对地球的危害。三是版权问题。随着3D打印技术的流行，相关专利的申请也越来越多，版权纠纷案件的发生也越发的明显。12新技术之二：材料轻量化致敬军人的守护层——坦克装甲材料1915年世界上第一辆坦克诞生，坦克装甲作为各国机密中的机密，也走过了一百个年头，从最初10mm厚的锅炉钢装甲，发展到如今等效厚度相当于1000mm轧制均质钢装甲，整整提高了100倍！13装甲1.0时代——低碳钢低碳钢的硬度和强度不足以抵挡反坦克武器的攻击，专门研制的综合性能更好的坦克合金钢投入使用，钢装甲的全盛时代由此开启。14第二次世界大战期间，坦克被誉为“陆战之王”，同前一时期发生了很大变化：装甲厚度达到45-100mm，装甲材料以优质轧制钢装甲和合金钢装甲为主，同时抛弃了原先的铆接装甲，转而采用焊接和整体铸造成型的结构。此外，钢铁冶炼技术也有提升，装甲材料中杂质成分降低，防御力量大大提升。15

装甲1.5时代——铝合金、钛合金铝合金比钢铁轻，铝的比重为2.7g/cm3，钢7.9g/cm3，也具有一定的机械强度，其中典型的两种合金为5083铝镁合金和5039铝锌合金。铝合金刚度较高，可省去一些结构部件，防破弹能力好；但熔点低，高温易软化，防穿弹能力稍差，铝颗粒容易燃烧16钛合金也曾涉足坦克装甲领域，一度被称为“理想的装甲材料”，结构强度和钢差不多，韧性优于铝合金，可以说兼具了钢和铝的优势。但是有一点不容忽视：在某些荷载条件下，不导热剪切过程中，钛合金容易失效。弹丸只需消耗极少的能量便能导致剪切失效裂纹形成致命的底结。再者钛合金装甲成本高于同等防护性能的钢装甲的10-20倍，因此钛合金装甲最终也是不了了之，反而这种“贵金属”在天上达到了广泛应用，比如F22的机身和航空发动机。17装甲2.0时代——复合装甲复合装甲一般包含两层以上的不同性能的防护材料，例如金属、塑料、陶瓷，甚至空气，其“软硬兼施”，以“钢铁三明治”结构著称，达到了1+l+l>>3的效果，即一层钢装甲加上一层陶瓷装甲再加上一层钢装甲的抗弹能力，远远大于三层等重钢装甲的抗弹能力。一些著名的装甲均是采用复合式结构，例如英国“乔巴姆”装甲、美国以铀合金为主体的贫铀复合装甲、“豹”2坦克的间隔式装甲、以及M系、“挑战者”坦克装甲等。18中国新的主战坦克车体和炮塔均采用焊接结构，可以更换新型复合装甲，其中正面重要部位采用叠型陶瓷复合装甲加强；中国新型主战坦克的车体首上装甲板为多层复合装甲，具体结构为钢-玻璃纤维板-超硬钢-玻璃纤维板-钢1920“新材料之王”碳纤维Prodrive公司在2013年4月公布的彩色碳纤维阿斯顿•马丁(AstonMartin)特性的钴蓝色碳纤维碳纤维通常是黑色，那么彩色碳纤维究竟是怎么得来的呢？碳纤维织物采用其他种类纤维来实现染色功能：银纤维是一种金属涂层玻璃纤维织物，喷涂大约200埃厚度的铝涂层纤维织物。苹果公司2007年申请的专利使用了一层额外的“scrim”层来使碳纤维表层上色。21宝马——碳纤维汽车生产的推动者碳纤维材料还是太昂贵，对于较小的零部件和较小的车型，它可能不具备较强的竞争力未来的碳纤维制造汽车将会更加廉价。它将使汽车比以往任何时候都更轻、更高效、更快、强度更高，甚至更安全。它可再生性更高，可以更容易地由可回收材料制成，甚至更容易进行回收再利用纳米科技的战略地位

21世纪前20年，是发展纳米技术的关键时期，纳米技术将成为推动社会经济各领域快速发展的主导技术。目前，纳米技术已经成为全世界非常关注的技术，纳电子代替微电子，纳加工代替微加工，纳米材料代替微米材料，纳米生物技术代替微米尺度的生物技术。只有认识它、发展它，才有可能在未来经济竞争的格局中占据主动。纳米技术对竞争力的提升能源领域：石油、煤等不可再生资源。环保领域：解决水污染的问题、解决空气污染的问题。微电子：纳米电子器件、纳米线、纳米传感器。信息领域：光纤、发光器件。纳米技术对竞争力的提升功能性涂料、薄膜：防静电涂料、特殊视觉涂料、紫外线吸收涂层、耐磨、防腐、耐高温、耐冲刷涂层。机械：纳米结构单元和纳米机械结构陶瓷：增强、增韧、助烧结美国F22猛禽战机中国歼20隐形战机纳米机器人纳米技术对竞争力的提升化学化工：催化剂、助催化剂、阻燃剂等。塑料和橡胶：制品成型剂、补强剂、抗老化剂。办公领域：复印机和激光打印机的墨粉，喷墨打印机墨水、高级墨水。国际纳米技术发展的态势美国启动纳米技术促进计划

克林顿说：“我正在支持一项对美国未来经济和发展将产生深远影响的纳米技术，它是21世纪最重要、应该优先发展的计划……”。科学技术主席助理（1984年4月）NealLane说：“如果人们问我哪个科学和工程领域最有可能在未来产生突破性成就，我认为会是纳米科学和工程。”威廉姆斯说：“……纳米技术对经济社会的影响将超过计算机……”全球纳米技术产业的年产值已经接近1000亿美元，据估计，到2010年美国要培养80万真正懂纳米科技的人才，纳米科技对美国国民生产总值（GDP）的贡献要达到1万亿美元，并提供200万个就业机会。科技革命带来的必然结果是引起新的产业革命，而产业革命又必然带来经济的巨大变化和迅速发展。随着纳米科技的产生和发展，一场新的工业革命即将发生。纳米科技在21世纪的经济舞台上将扮演举足轻重的角色。“纳米经济”“钱”途广——纳米科技对经济发展的影响纳米技术在美国2010年:80万纳米科技人才,GDP1万亿美元,200万个就业机会能源部的8项优先研究中，6项有关纳米材料本世纪前10年几个关键领域之一，制定了“国家纳米技术倡议”:纳米材料纳米电子学、光电子学和磁学纳米医学和生物学军工:隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料日本和德国出台了相应的研究计划日本政府和国会作出决定：要向抓微电子那