如何开发新型纳米材料.doc
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1、如何开发新型纳米材料材料是人类社会生活的物质基础,材料的发展导致着时代的变迁,可以这么说,材料的先进就代表着时代进步和物质文明的进步。而新型功能材料正是在引领着材料发展的潮流。一个国家对于各种新型功能材料的个、结构、性能、制备和应用,反映着该国在材料领域的水平。同时也成为衡量一个国家经济和社会发展、国防实力等的重要标志。正是由于新型功能材料对于国家、社会都有着举足轻重的地位和重要性,对起的开发的研究也显得尤为的重要。研究意义功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源技术等高技术领域和国防建设的重要基础材料,而且是改造与提升我国基础工业和传统产业的基础,直接关系到我国资源、环境及社会的可持续
2、发展。 我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运,所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的,必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等,都离不开特种功能材料的支撑。我国国防现代化建设一直受到以美国为首的西方国家的封锁和禁运,所以我国国防用关键特种功能材料是不可能依靠进口来解决的,必须要走独立自主、自力更生的道路。如军事通信、航空、航天、导弹、热核聚变、激光武器、激光雷达、新型战斗机、主战坦克以及军用高能量密度组件等,都离不开特种功能材料的支撑。我国经济的快速增长和社会
3、可持续发展,对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求。能源材料是发展能源技术、提高能源生产和利用效率的关键因素,我国目前是世界上能源消费增长最快的国家,同时也是能源紧缺的国家。发展电动汽车、使用清洁能源、节约石油资源等政策措施使得新型能源转换及储能材料的需求不断增加。我国西部还拥有一些储量丰富的资源,如稀土、钨、钛、钼、钽、铌、钒、锂等,有的工业储量甚至占世界总储量的一半以上,这些资源均是特种功能材料的重要原材料。研究开发与上述元素相关的特种功能材料,拓宽其应用领域,取得自主知识产权,将大幅度地提高我国相关特种功能材料及制品的国际市场竞争力,这对实现西部资源的高附加值利用,将西部的资源优势转化为
4、技术优势和经济优势具有重要意义,将有力地支持国家的西部大开发。材料是现代科技和国民经济的物质基础。一个国家生产材料的品种、数量和质量是衡量其科技和经济发展水平的重要标志。随着新技术将更迅猛地发展,我们对功能材料的需求也日益迫切。因此,我们要加强对功能材料的研制和开发应用,把新成果应用于劳动生产。在未来的五到十年,我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求,功能材料是关系到我国能否顺利实现第三步战略目标的关键新材料。为了使我国纳米科学技术健康快速发展,必须采取有力的措施,推动我国纳米科学技术的繁荣。当前急需要做的几件事情是:1. 媒体要全面正确宣传纳米材料和技术的科学内涵,纠正乱用和炒作纳
5、米概念的不正之风,提倡各领域专家协同创新,促进纳米技术向各个领域交叉渗透。2. 建立纳米技术实用化和产业化基金,加大对纳米技术和产业发展的资金扶持力度。形成政府、企业、金融部门、社会等多面的投资渠道,支持纳米产业的发展。制定优惠税率、贷款贴息等相关政策,引导企业、金融部门、风险投资机构及社会闲散资金投入到纳米技术和产业的发展中。3. 建立一批从事纳米技术研究和产业化开发的重点实验室和工程技术研究中心,并与纳米产业挂钩,增强纳米产业发展的动力。4. 建立国家级纳米技术产业认定、评价中心和纳米技术产品标准制定中心。负责和指导纳米技术的行业标准和产品标准。5. 制定纳米产业核心技术自主知识产权的保护
6、措施,鼓励申请国际发明专利,并予以适当财政补贴。6. 成立非常设纳米产业发展指导协调委员会和咨询专家组,对全国纳米材料和技术的发展进行宏观咨询、指导和协调。7. 建议成立国家纳米技术学会和国家纳米产业协会,促进纳米技术的交流,推进纳米产业健康发展。8. 从现在开始要特别重视纳米技术人才的培养,教育部门要把纳米科学和技术作为重要的学科加强建设,传统学科领域要注意与纳米科学技术相结合,充实纳米科学技术的内涵,使传统学科的知识与国际前沿接轨。实际应用方面的价值新型功能材料是指新近发展起来和正在发展中的具有优异性能和特殊功能,对科学技术尤其是对高技术的发展及新产业的形成具有决定意义的新材料。主要包括电
7、子信息材料、功能陶瓷材料、能源材料、生物医用材料、生态环境材料、超导材料、智能材料、功能高分子材料、先进复合材料、梯度材料等。功能材料种类繁多,用途广泛,正在形成一个规模宏大的高技术产业群,有着十分广阔的市场前景和极为重要的战略意义。它是信息技术、生物工程技术、能源技术、纳米技术、环保技术、空间技术、计算机技术、海洋工程技术等现代高新技术及其产业的先导、基石与支撑。在未来的510年,我国经济、社会及国家安全对功能材料有着巨大的需求。目前,功能材料已成为我国材料科学和工程中最具活力与创新性的热点;有关功能材料的项目已占整个新材料研究项目的70%以上。功能材料不仅是发展我国信息技术、生物技术、能源
8、技术等高技术和加强国防建设的重要基础材料;而且对我国基础工业与传统产业的改造和升级,实现跨越式发展起着重要的促进作用;同时还直接关系到我国资源、环境及社会的可持续发展。目前光电信息材料、功能陶瓷材料、生物医用材料、超导材料、功能高分子材料、先进复合材料、智能材料以及生态环境材料等功能材料是世界各国战略高技术竞争的热点和重点,也是我国十二五国家科技计划材料领域的重点。当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破,诸如微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中,发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。国
9、内外的研究现状当前国际功能材料及其应用技术正面临新的突破,诸如微电子材料、光子材料、信息材料、能源转换及储能材料、生态环境材料及材料的分子、原子设计等正处于日新月异的发展之中,发展功能材料技术正在成为一些发达国家强化其经济及军事优势的重要手段。从国内外功能材料的研究动态看,功能材料的发展趋势可归纳为如下方面:(1)开发高技术所需的新型功能材料,特别是尖端领域(如航空航天、分子电子学、高速信息、新能源、海洋技术和生命科学等)所需和在极端条件(如超高压、超高温、超低温、高烧蚀、高热冲击、强腐蚀、高真空、强激光、高辐射、粒子云、原子氧、核爆炸等)下工作的高性能功能材料。(2)功能材料的功能从单功能化
10、向多功能化和复合或综合功能发展,从低级功能(如单一的物理性能)向高级功能(如人工智能、生物功能和生命功能等)发展。(3)功能材料和器件的一体化、高集成化、超微型化、高密积化和超分子化。(4)功能材料和结构材料兼容,即功能材料结构化,结构材料功能化。(5)进一步研究和发展功能材料的新概念、新设计和新工艺。(6)完善和发展功能材料检测和评价方法。(7)加强功能材料的应用研究,扩展功能材料的应用领域,特别是尖端领域和民用高技术领域,并把成熟的研究成果迅速推广,以形成生产力。纳米材料的合成与制备方法物理制备方法1.机械法机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部供给热能,通过球
11、磨让物质使材料之间发生界面反应,使大晶粒变为小晶粒,得到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。利用金属羰基粉高能球磨法获得纳米级的Fe-18Cr-9W合金粉末。机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉,尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度,使相间传质和微观混合得到极大的加强,从而制备纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料,应用超重力技术制备粒径20nm80nm、粒度分布均匀的ZnO纳米颗粒。制备ZnO一维纳米材料通常采用汽固(VS)、汽液固(VLS)等蒸发传质法:在水平放置的
12、铝管管式炉中加热原材料(ZnO粉体)使之气化,通入运载气体(Xr)流使ZnO随运载气体运载到低温区,由于温度的降低,ZnO在底衬(铝板)上沉积并生长得到一维ZnO纳米材料。但是取向生长ZnO纳米线在场电子发射器、新型太阳能电池、紫外激光器等领域应用广泛。由于这些应用与ZnO纳米线生长的空间方向、晶面取向以及ZnO纳米线在纳米线阵列中的密度紧密相关,因此制备方向、取向、密度可控的ZnO纳米线是当今一个热点研究课题。所以为了制备新型ZnO一维纳米材料采用金属纳米粉体或纳米簇为催化剂,配合传统汽一液一固(VLS)法在衬底上则可生长出ZnO纳米线,这是典型的合成位置、取向、密度可控ZnO的新方法。2.
13、气相法气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态,然后在气体介质中冷凝形成高纯度的纳米材料。Takaki等在惰性气体保护下,利用气相冷凝法制备了悬浮的纳米银粉。杜芳林等制备出了铜、铬、锰、铁、镍等纳米粉体,粒径在30nm50 nm范围内可控。魏胜用蒸发冷凝法制备了纳米铝粉。溶液蒸发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发,使组分偏析最小,一般可通过喷雾干燥法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以处理。深度塑性变形法是在准静态压力的作用下,材料极大程度地发生塑性变形,
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