哈工大精密和超精密加工大作业(共8页).docx
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1、精选优质文档-倾情为你奉上精密和超精密加工题目:纳米技术研究及其发展前景 学 院: 班 号: 姓 名: 学 号: 日 期: 纳米技术研究及其发展前景摘要:简要介绍了纳米、纳米结构、纳米材料、纳米装置和纳米技术的概念。通过在纳米尺度上控制物质,材料、器件和系统呈现出新颖的物理、化学和生物特性。纳米技术的目标是开发和利用这些特性和现象。介绍了纳米技术的概念,典型的纳米技术,纳米技术中需要研究的基础科学问题,纳米技术的研究手段,纳米技术的应用,以及纳米技术的前景。关键词:纳米技术、研究前景0导言技术决定材料及由材料形成的器件、装置的性能和功能,巨大地推动着人类社会的发展。20世纪60年代,人们发现处
2、于纳米微观领域的物质具有明显不同于块状固体的物理和化学性能,呈现出量子尺寸效应、表面效应等,引起了科学家们对纳米世界的极大关注。到20世纪90年代,随着纳米研究的深入,有序纳米结构的形成和控制己成为科学领域内的研究热点。人们逐渐认识到从分子层次到纳米、微米、宏观固体层层高度有序的结构,可以导致材料的高性能化和多功能化,其中纳米结构,承上启下,最为关键。纳米技术由于贯穿各个领域,并对旧的传统技术带来根本性的变化1纳米的基本概念介绍1.1纳米纳米是一个微小的尺度单位,1纳米是十亿分之一米(10-9m),大约是单个原子直径的4倍。通过对在纳米尺度上新现象、新过程的观察,纳米技术为人们提供了许多性能独
3、特的工具、材料、器件和系统。当前纳米技术的研究正快速地从观察和发现向设计和制造复杂的纳米尺度集合体转变。纳米技术研究将是系统的、基于多学科的。纳米技术具有巨大的潜能,可望取代现有大多数技术,创造新的工业,并在能源、环境、通信、计算、医药、空间探索、国家安全和基于材料的任何领域中改变基础的科学模型。纳米质世界按照尺度规模可以划分为多个层次,人类的知识和技术已经广泛地深入到宏观的天体和微观的粒子层次。然而,对处于分子、原子和宏观材料的中间过渡区域(1100nm)的关注却是在20世纪60年代。随后,人们逐步认识到处于这一过渡区域的物质具有明显不同于宏观材料和原子、分子的物理和化学特性,其凝聚态结构特
4、征对由其组成的宏观材料的光、电、磁、热、力学性能等有着巨大的影响。物质中的电子和原子交互作用的波动(量子力学)特性受到材料在纳米尺度上变化的影响。通过创造纳米尺度的结构能控制材料的基本特性,如:熔点、磁特性、充电容量,甚至颜色,而不需改变材料的化学成分。由此将出现以前被认为不可能的高性能产品和技术。生物系统的一个重要特性是物质在纳米尺度上有系统的组织。纳米技术将允许元件和集成物通过利用自然界自组装的方法制造新材料。装配所必需的信息在被存储在纳米元件表面。不需要机器人和其它仪器将元件放在一起。材料科学和生物技术的结合将导致全新的加工方法和工业。纳米尺度的材料如纳米颗粒和纳米薄膜有非常高的表面积体
5、积比,使其适于合成材料、化学反应、药物传输和能量存储。与微米尺度的同种材料相比,纳米结构的陶瓷既坚硬又富有韧性。纳米尺度的催化剂将提高化学反应和燃烧的效率,同时显著地减少废物和污染。由于纳米结构非常小,由它们构建的系统的元件密度远高于微米尺度的物体。另外,电子在元件之间运动所需的时间也少得多。因此,通过控制纳米结构的相互作用可获得全新的电子元件,更小和更快的电路,实现更复杂的功能,并大幅度地降低。1.2纳米结构纳米结构可以定义为:至少一维的尺寸在1100nm区域内的结构。纳米结构包括纳米粒子,纳米层,纳米管,纳米棒、纳米须,纳米晶,纳米非晶,纳米簇,纳米机器,纳米装置等。人们通常也将这些纳米结
6、构形象地称之为纳米构筑单元,如果这些构筑单元具有某一方面的特定功能,也称之为纳米功能单元。1.3纳米材料纳米材料指的是纳米结构按一定方式堆积或在一定基体中分散形成的宏观材料,包括纳米块体材料和纳米复合材料。1.4纳米技术纳米的研究范围涉及非常广泛,因而纳米技术种类繁多。纳米技术是指形成纳米材料和纳米装置的技术,包括形成纳米构筑单元和纳米构筑单元按一定方式组成宏观纳米材料的技术,如分散技术、成型加工技术等。2典型的纳米技术2.1铁磁流体铁磁流体是由磁性纳米颗粒(直径10nm)组成的胶体,纳米颗粒是独立的永磁体,当它们处于悬浮状态时,铁磁流体的净磁场为零,直至有外加磁场出现才发生改变。铁磁流体与其
7、它流体不同,在外加磁场时,力和力矩产生于铁磁流体内部,由此导致特殊的流体力学现象。铁磁流体当前已用于仪器的密封,如PC机软盘驱动器,硅晶生长的炉子,MRI(核磁共振成像)和CAT扫描设备。2.2硬质材料纳米结构的硬质材料正在进入商业领域。20世纪90年代,已能生产固化的碳纳米合成物,如WC/Co和TiC/Fe.WC和Co组成的纳米材料在三维尺度上互相连接,形成双连续纳米结构,可获得优异的材料性能。与传统颗粒尺度的参照物相比,硬度、断裂韧性和耐磨性都有显著提高。几家硬金属公司正在利用这种粉末生产高性能部件。2.3纳米涂料纳米涂料的热喷技术提供了一种将纳米结构材料卓越的机械和物理特性应用于商业的途
8、径。当晶粒尺寸达到纳米尺度时,晶界和晶内的原子数目是可比的。由于特殊晶粒边界面积的增加,每单位晶界的杂质数量要比大晶粒材料少。晶粒边界的纯净导致与大晶粒材料相比更为统一的腐蚀形态和更高的晶粒间抗腐蚀能力。纳米晶粒不仅具有天然的热稳定性,而且还能有效地抵抗位错的发生,由此得到超高的硬度,在某些情况下还能得到超高的韧性。纳米颗粒尺寸的涂料还能减小涂料的残余应力状态,加大涂层厚度。该技术的应用包括涡轮叶片的阻热和旋转部件的耐磨。2.4生物监测纳米尺度上汇合生物学、化学和物理学可使生化传感器的性能显著提高。有两项技术已趋于成熟,并有望应用于医学。一个是色度传感器,它能选择性地检测生物媒DNA;由于对炭
9、疽病和肺结核的成功检测,它正处于商业开发中。当炭疽病目标存在时,成对的纳米颗粒通过DNA的细丝聚集在一起,并改变颜色。另一项成果是基于原子力显微镜的分析器,覆盖抗体的磁珠被吸附到对微小位移敏感的悬臂梁以进行测定。该项技术比传统测定方法灵敏1001000倍2.5碳纳米管碳纳米管是由碳原子构成的空心圆柱状结构,碳原子在管壁上呈六边形排列,两端由五边形或七边形碳环组成的端冒封口,形成凹或凸的结构。碳纳米管具有直径小(0。730nm)、中空形状和高长径比(100)的特点,是一种特殊界面、准一维的纳米功能材料。碳纳米管是最强和最柔韧的分子材料。碳纳米管有着广泛的应用,如:高强复合物,索、链、梁,多功能材
10、料,增强塑料,热交换、阻热,辐射罩,滤膜,防弹服、太空衣,互连量子线,二极管,晶体管,电容,数据储存,场发射器,平面显示,THz谐振器,AFM、STM显微镜,力、压力、化学传感器,生物传感器,分子齿轮、分子马达、分子驱动器,储氢、储锂电池,纳米尺度反应堆、离子通道,体内实时健康检查,芯片实验室,药物传送,DNA排序2.6纳晶对晶粒尺寸分别为10和100nm的纳晶镍以及传统的复晶材料进行机械性能的比较。随着晶粒尺寸的减小,硬度、屈服强度和极限拉伸强度都有显著提高,但冷作硬化系数却下降了,并且在晶粒尺寸为10nm时完全降至零。材料的延展性也随着晶粒尺寸的下降而下降,传统材料在拉伸失效时有50%的延
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