纳米科技
摘要: 纳米技术,作为将带来新产业革命的一门科学技术,收到了广泛关注。纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学,主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21 世纪将是纳米技术的时代,随着其制备和改性技术的不断发展,纳米材料在诸多领域将会得到日益广泛的应用,在机械、电子,光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。本文主要介绍纳米材料,纳米科技的基本概念,分类以及各种纳米科技在机械领域的应用。阐述纳米技术的发展趋势。
关键字:纳米技术, 纳米材料,纳米技术在机械领域的应用现状,影响以及发展趋势。
1纳米技术
纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物,纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术,例如纳电子学、纳米材科学、纳米机械学等。技术内容纳米技术包含下列四个主要方面:(1)纳米材料(2)纳米动力学(3)纳米生物学和纳米药物学(4)纳米电子学。
2纳米材料:
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础。纳米材料的用途很广,主要用途有:医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细,并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液,就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。 家电 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用,可用为作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。 电子计算机和电子工业 可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后,可以缩小成为“掌上电脑”。 环境保护 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染,并能够对这些制剂进行过滤,从而消除污染。 机械工业 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
3 纳米技术在机械工业中的应用
3.1 纳米技术在微机械领域中的应用
随着纳米技术应用途径的不断拓宽, 微机械的开发在全世界方兴未艾。例如,进入人体的医疗机械和管道自动检测装置所 需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路 等。制造这些具有特定功能的纳米产品,其 技术路线可分为两种:一是通过微加工和 固态技术,不断将产品微型化;二是以原 子、分子为基本单元,根据人们的意愿进行 设计和组装,从而构筑成具有特定功能的 产品。纳米技术在微机械领域中的应用主要分为两种:1;采用微加工技术制造纳米机械(1)微细加工。(2)微型机器人。(3)微型电机。;2 采用自组装技术制造纳米机械(1)生物器件。(2)纳米分子电动机。
3.2 纳米技术在包装机械领域中的应用
采用纳米材科技术对包装机关键零部 件(如轴承、齿轮、弹簧等)进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高设备的耐磨性、硬度和寿命。碳纳米管还具有较高的机械强度和较高的热导率。由于具有非常大的长度—直径比,可以制造出任何复杂形状的零件,是复合材料理想的增强纤维。目前,用价格低廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已走进企业,开始代替金属材料。现代胶印机上应用着很多传感器.如控制飞达纸堆的自动升降、气泵供气时间检测、合压时间检测、空张检测、墨量控制等。纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的 强度及较强的韧性可用于制造刀具、包装 和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐 磨性和耐蚀性,也可用于制作输送机械和 沸腾干燥床关健部件的表面涂层。
4 纳米技术在机械行业中的发展前景
(1)机械及汽车工业的滑配原件如:轴承、滑轨上应用纳米陶瓷镀膜能产生超底的磨擦界面,大大减低磨损并能提高负载。
(2)塑胶流道的低粘应用:例如T型模、拉丝模,套筒和热胶道,可有效减少积料碳化的产生几率。
(3)射出成型时发生的粘模、包封短射、镜面雾化及拖痕均具有革命性的改善,尤其是在滑块及顶针上所展现的干式润滑,更是任何金属所无法表现的优异性。
(4)IC封装胶、橡胶及发泡塑料由于具有极高的粘着性,因此必须借助大量脱 模剂来帮助脱模,纳米陶瓷的荷叶效应可减少脱模剂的使用及模具清理时间。
(5)纳米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使塑胶在模具内的流动性大幅提升,特别是高精度模具例如薄光板、塑胶镜片、汽车聚 光灯罩等模具应用后对产品的不良率上均有明显的改善。
5纳米机械在机械领域的影响
纳米技术的高速发展对机械行业产生了巨大的影响,首先是纳米材料近 10 年的迅速发展,为机械行业从宏观向微观制造发展提供了可能。目前纳米粉(即纳米颗粒)、纳米复合材料、纳米结构材料体系,创造了很多新材料,为电子、生物、能源、信息新产品的开发,提供了可能,这就给机械行业带来了广泛的市场前景,
需要从事制造的科学工作者去研究如何发挥新材料的特性,根据市场需求,设计制造出新产品。特别是我国纳米材料的研究处于国际先进水平,在某些领域还处于前列,这更为我国在新的产业革命竞争中提供了制胜的机遇。其次,纳米技术还对制造方法,工艺与手段带来巨大冲击。以往的制造模式 是从大往小去做产品,以去除工艺为主。现在,有可能从小往大去做产品,可以从纳米尺度往上增加去做零件或产品。以往是以硬物质为主,现在软物质也占重要地位。软物质就是以微弱作用力就可改变其形状与特性的物质。随着纳米技术在各个领域的深入研究,将会有更多更新的制造方法工艺和手段的出现。
“展望”纳米新生活:我认为最具有发展前景的是纳米机器人。在发生战争是具有特殊使命的纳米间谍被散播到敌方或竞争对手中去,它们的任务是侦察敌情和搜集情报。当然,在治病时纳米机器人也会大显身手。这些机器人比血红细胞还要小,它们各司其职:有的负责监视病情,有的负责向特定的部位传输药物,有的则负责清除病毒、血栓、垃圾等有害物质。在制造某些精密的东西时,纳米机器人也会贡献自己的一份力量,把一切的不可能变为现实。
结束语:随着时间的发展,纳米技术在人类的生活会越4来越广泛,人们在探索纳米世界的过程中也会发现各种各样的奇异事件,我相信,在纳米技术的帮助下,人类社会会因此变得更加美好,但是也会出现一系列的问题,只有各国互相理解,互相帮助,趋利避害,纳米科技才能真正的造福人类。
第二篇:纳米材料与纳米技术论文
纳米材料与纳米技术论文
学校: 西安电子科技大学
专业: 应用化学
姓名: 罗清洪
学号: 07075015
浅谈纳米材料的应用
学号:07075015 姓名:罗清洪
摘 要:纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地概述了纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命科学等方面的主要应用,并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词:纳米材料 纳米技术 应用
有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”,由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继投入巨资进行研究,美国从20xx年启动了国家纳米计划,国际纳米结构材料会议自19xx年以来每两年召开一次,与纳米技术有关的国际期刊也很多。
一、纳米材料的特殊性质
纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径,导致了高扩散率,它对蠕变,超塑性有显著影响,并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质,往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比,纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。
(一)力学性质
高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低,位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大,所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生,这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史,由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时,其韧性、强度、硬度大幅提高,使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。
(二)磁学性质
当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2,在这情况下,感应法读出磁头和
普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%,已不能满足需要,而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%,可以用于信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系,所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率,对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多,而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级,磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级,从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
(三)电学性质
由于晶界面上原子体积分数增大,纳米材料的电阻高于同类粗晶材料,甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变(SIMIT)。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点,有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。20xx年用碳纳米管制成的纳米晶体管,表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性,成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展,已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。 (四)热学性质
纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值,这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用,从而有效地将太阳光能转换为热能。
(五)光学性质
纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用,光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制,在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应,纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象,其光吸收率很大,所以可应用于红外线感测器材料。 (六)生物医药材料应用
纳米粒子比红血细胞(6~9nm)小得多,可以在血液中自由运动,如果利用纳米粒子研制成机器人,注入人体血管内,就可以对人体进行全身健康检查和治疗,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物等,还可吞噬病毒,杀死癌细胞。在医药方面,可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。
二、纳米技术现状
目前在欧美日上已有多家厂商相继将纳米粉末和纳米元件产业化,我国也在国际环境影响下创立了一(下转第37页)(上接第26页)些影响不大的纳米材料开发公司。美国20xx年通过了“国家纳米技术启动计划(National Technology Initiative)”,年度拨款已达到5亿美圆以上。美国科技战略的重点已由过去的国家通信基础构想转向国家纳米技术计划。布什总统上台后,制定了新的发展纳米技术的战略规划目标:到20xx年在全国培养80万名纳米技术人才,纳米技术创造的GDP要达到万亿美圆以上,并由此提供200万个就业岗位。20xx年,在美国政府支持下,英特尔、蕙普、IBM及康柏4家公司正式成立研究中心,在硅谷建立了世界上第一条纳米芯生产线。许多大学也相继建立了一系列纳米技术研究中心。在商业上,纳米技术已经被用于陶瓷、金属、聚合物的纳米粒子、纳米结构合金、着色剂与化妆品、电子元件等的制备。
目前美国在纳米合成、纳米装置精密加工、纳米生物技术、纳米基础理论等多方面处于世界领先地位。欧洲在涂层和新仪器应用方面处于世界领先地位。早在“尤里卡计划”中就将纳米技术研究纳入其中,现在又将纳米技术列入欧盟2002——2006科研框架计划。日本在纳米设备和强化纳米结构领域处于世界先进地位。日本政府把纳米技术列入国家科技发展战略4大重点领域,加大预算投入,制定了宏伟而严密的“纳米技术发展计划”。日本的各个大学、研究机构和企业界也纷纷以各种方式投入到纳米技术开发大潮中来。
中国在上世纪80年代,将纳米材料科学列入国家“863计划”、和国家自然基金项目,投资上亿元用于有关纳米材料和技术的研究项目。但我国的纳米技术水平与欧美等国的差距很大。目前我国有50 多个大学20多家研究机构和300多所企业从事纳米研究,已经建立了10多条纳米技术生产线,以纳米技术注册的公司100多个,主要生产超细纳米粉末、生物化学纳米粉末等初级产品。
三、前景展望
经过几十年对纳米技术的研究探索,现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子,纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测:不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生;用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用;分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。
纳米技术目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段,但从历史的角度看:上世纪70年代重视微米科技的国家如今都已成为发达国家。当今重视发展纳米技术的国家很可能在21世纪成为先进国家。纳米技术对我们既是严峻的挑战,又是难得的机遇。必须加倍重视纳米技术和纳米基础理论的研究,为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个人类社会将因纳米技术的发展和商业化而产生根本性的变革。
【参考文献】
[1]邵刚勤,魏明坤,等.超细晶粒WC硬质合金研制动态[J].武汉理工业大学学报,1999,21(6).