纳米在电气工程中的应用(共5页).docx
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1、精选优质文档-倾情为你奉上纳米在电气工程中的应用与发展摘要:纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米技术目前已成功用于许多领域包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。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。在电气工程中,纳米技术和纳米材料同样具有广泛应用,并且将在未来有更加长足的发展。关键字:纳米电气工程应用发展一、什么是纳米1、纳米发展小史1959年,著名学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品,这是关于纳米科技最早的梦想。1991
2、年,美国科学家成功地合成了碳纳米管,并发现其质量仅为同体积钢的1/6,强度却是钢的10倍,因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年,纳米产品的年营业额达到500亿美元。2、何为纳米材料纳米(nm)是长度单位,1纳米是10-9米(十亿分之一米),对宏观物质来说,纳米是一个很小的单位,例如:人的头发丝的直径一般为7000-8000nm,人体红细胞的直径一般为3000-5000nm,一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小,金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示,1埃相当于1个氢原子的直径,1纳米是10埃。一般认为纳米材料应
3、该包括两个基本条件:一是材料的特征尺寸在1-100nm之间,二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。3、纳米材料的特殊性质(1)力学性质纳米材料的位错密度很低,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。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。(2)磁学性质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。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。(3)电学性质2001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
4、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。(4)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,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。(5)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广泛。二、纳米在电气工程中的应用1、纳米半导体材料纳米科学技术是上世纪80年代末期诞生的新科学技术,他被公认为是21世纪的三大科学技术之一。经过20多年的发展,现今纳米半导体器件在发展,其组件的特征尺寸在不断减小,小到纳米尺寸将引起质变。晶体管的基础是p-n结,当
5、固体器件的尺寸达到纳米时,一个简单的p-n结两侧在n型和p型区域中都出现了反型层,即耗尽区,通常这个区的尺寸接近微米量级。因为要保持晶态结构,掺杂浓度受到限制,势垒宽度不能无限地小下去,整个p-n结的尺寸将不小于微米级。如果晶体管的尺寸小到仅剩反型区,就将失去p-n结的特性,因此也就失去了微电子器件的基础,这就意味着达到了微电子器件的极限。集成度不断提高的发展趋势,将电子器件逼进了纳米电子器件的领域。纳米半导体器件的出现,给科技发展带来了机遇。其中纳米半导体的制备技术经历了三个阶段:第一阶段:单一材料和单相材料。即纳米晶或纳米相第二阶段:纳米复合材料。通常采用纳米微粒与纳米微粒的复合、纳米微粒
6、同常规块体之间的复合及复合纳米薄膜。第三阶段:纳米组装体系、纳米尺度的图案材料。他的基本内涵是纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维及三维空间之中组装排列成具有纳米结构的体系。其中包括纳米阵列体系、介空组装体系、薄膜镶嵌体系。当前半导体纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、和计算机技术、医学与健康、和航空、环境和、生物技术等方面。用纳米半导体材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米技术还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料,以满足特定的需要。因而,基于纳米半导体材料的固态量子器件的研究受到了重视,而且在光电子器件、量子干涉器件、通信技术、集成电
7、路技术等方面取得了较大的进展。2、纳米电池纳米即10-9米,纳米电池即用纳米材料制作的电池,纳米材料具有特殊的微观结构和物理化学性能(如量子尺寸效应,表面效应和隧道量子效应等。目前国内技术成熟的纳米电池是纳米活性碳纤维电池。主要用于电动汽车,电动摩托,电动助力车上。该种电池可充电循环1000次,连续使用达10年左右一次充电只需20分钟左右,平路行程达400km,重量在128kg,已经超越美日等国的电池汽车水平。它们生产的镍氢电池充电约需6-8小时平路行程300km。 纳米电池由正负电极、电解质、聚合物隔离膜组成,纳米电池的负极材料是纳米化的天然石墨,纳米电池的正极是纳米化材料,采用由PP和PE
8、复合的多层微孔膜作为隔离膜,并在电解质中加入导电的纳米碳纤维。电池的正极,由铝箔与电池正极连接,中间是聚合物的隔膜,它把正极与负极隔开,由纳米石墨组成的电池负极,由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质,电池由金属外壳密闭封装。纳米电池在充电时,正极中的Li+通过聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程中,负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。利用嵌入/脱嵌过程,实现电池的反复充放电。采用的是卷绕式,制成14500、18650、26650等型电池。用铝箔收集正极电流并引出,用铜箔收集负极电流并引出。 LINGTH凌世集团公司研发的纳米电池通过特制的大球磨机及特殊工艺,将电池正极材料、负
9、极材料纳米化,使电极材料的粉末粒度从5微米降至150纳米左右,降低了电池材料的体积,提高电池密度,电池的振实密度由1.2g/cm提高到2.4g/cm,从而提高电池的容量,并加入导电性良好的纳米碳纤维,提高电池的充放电性能,使电池容量提高20%左右,充放电性能提高30%.3、纳米发电机发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。纳米发电机的产能机理是压电效应某些金属,例如氧化锌金属线,能够在屈伸变化间产生电流的一种现象。这些金属丝直径在100至800纳米之间,长度在100至500纳米之间。比如美国乔治亚州理工学院的研究人员已利用纳米技术通过轻叩手指获得电流这使得使用黑莓手机、移动电话及其他掌上设
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- 纳米 电气工程 中的 应用
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