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【參與討論即送BB】復合材料納米化
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復合材料是兩種或兩種以上不同物質(zhì)以不同方式組合而成的材料。雖然復合材料從問世至今只有短短數(shù)10年的歷史，但由于它可以發(fā)揮各種組成物質(zhì)的優(yōu)點，克服了單一材料的缺陷，因此得到了廣泛應用。最近，美國麻省理工學院的研究人員錦上添花，成功地研發(fā)出復合材料納米化的設(shè)計模型。通過該模型，人們有望獲得納米復合材料具有其組成物質(zhì)所沒有的、全新的材料特性。 按性能設(shè)計納米復合材料 納米復合材料設(shè)計模型的發(fā)明人為麻省理工學院材料科學和工程系助理教授邁克爾·德姆庫維茨，他期望用自己的模型研制出的納米復合材料能夠耐高溫、抗輻射，并承受超強的機械負載，最終目標是將這些納米復合材料用于包括核電站、燃料電池、太陽能和碳存儲等能源應用領(lǐng)域。 德姆庫維茨表示，能源生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)均需要能夠承受極端條件的材料。他研發(fā)的設(shè)計模型提供了根據(jù)所需的材料性能設(shè)計納米復合材料的新方法。他認為，雖然目前社會上有不少設(shè)計模型能夠構(gòu)建材料的結(jié)構(gòu)并預測材料的特性，但是這類仍需要經(jīng)過反復制造和測試循環(huán)的新材料開發(fā)方法存在著耗資龐大且花費時間長的缺點。 在材料學領(lǐng)域，詳細設(shè)定所需的材料特性，然后預測何種結(jié)構(gòu)能夠具有這些特性被科學家稱為“逆問題”。德姆庫維茨開發(fā)的納米復合材料設(shè)計模型解決了材料科學家面對的“逆問題”，有望極大地加快材料設(shè)計過程。 納米復合材料具有很強的抗輻射能力 德姆庫維茨利用自己的模型進行納米復合材料設(shè)計的首選目標是抗輻射材料，讓它幫助核電廠提高效率和安全。 通常，當金屬材料暴露在輻射環(huán)境中時，中子等高能粒子與金屬中獨立的原子會發(fā)生碰撞，結(jié)果是將原子從晶格中擊出，被擊出的原子又會與其他的原子相撞，導致后者失去自己的原位……如此這般的結(jié)果是金屬中有的區(qū)域出現(xiàn)大量失去原子的“空穴”，有的區(qū)域出現(xiàn)多出原子的“缺陷”，這種缺少和多出原子的缺陷群致使金屬材料易碎和弱化。 據(jù)德姆庫維茨介紹，確保納米復合材料具有抗輻射能力的關(guān)鍵在于組成復合材料的不同物質(zhì)層與層之間的界面。當不同的物質(zhì)層越來越薄時，不同物質(zhì)間的界面就決定了復合材料的特性，也就是說，不同物質(zhì)的界面使得復合材料表現(xiàn)出了原組成物質(zhì)所不具備的新奇特性。 德姆庫維茨表示，在某些納米復合材料中，“空穴”和“缺陷”受到了界面的限制，它們緊緊相貼，因此被高能粒子擊出的原子最終又填充到“空穴”中，金屬的晶體結(jié)構(gòu)恢復至常態(tài)。在某些條件下，復合材料表現(xiàn)得如同沒有受過輻射影響一般。 抗輻射復合材料最終可能用來取代不銹鋼用于核反應堆內(nèi)，有望延長核反應堆的壽命，同時允許核反應堆在更強的輻射劑量下工作。目前反應堆僅僅使用了1%的核燃料，抗輻射復合材料的利用有望讓反應堆使用更高比例的核燃料，減少核廢料量。 德姆庫維茨在利用模型設(shè)計的具有多層界面的抗輻射納米復合材料過程中，發(fā)現(xiàn)銅和鈮組成的復合材料具有抗輻射的能力。2008年，他曾在《物理評論快報》上發(fā)表文章，認為該納米復合材料能吸收中子并轉(zhuǎn)為輻射性材料，因而不能用于核反應堆。此外，德姆庫維茨的設(shè)計模型還可以用于了解其他復合材料是否也擁有這樣的性能。 盡管擁有了納米復合材料設(shè)計模型，但德姆庫維茨表示，在未來確定具有抗輻射的候選納米復合材料后，在新材料被批準用于核反應堆之前，研究人員仍需要數(shù)年的時間對其進行測試。因此，任何具有潛力的新材料大約還需要至少10年的時間才能被啟用。 [ Last edited by 13500558820 on 2011-5-29 at 15:23 ] |
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揮淚天使(金幣+1): 八戒 2011-05-29 19:59:46
揮淚天使(金幣+1): 八戒 2011-05-29 19:59:46
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PS： 一、 納米材料的特性 當材料的尺寸進入納米級，材料便會出現(xiàn)以下奇異的物理性能： 1、尺寸效應 當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或投射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體的邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面附近原子密度減小，導致聲、光電、磁、熱、力學等特性呈現(xiàn)出新的小尺寸效應。如當顆粒的粒徑降到納米級時，材料的磁性就會發(fā)生很大變化，如一般鐵的矯頑力約為80A/m，而直徑小于20nm的鐵，其矯頑力卻增加了1000倍。若將納米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力學性能，甚至還可以賦予其新性能。 2、表面效應 一般隨著微粒尺寸的減小，微粒中表面原子與原子總數(shù)之比將會增加，表面積也將會增大，從而引起材料性能的變化，這就是納米粒子的表面效應。 納米微粒尺寸d（nm） 包含總原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099從表1中可以看出，隨著納米粒子粒徑的減小，表面原子所占比例急劇增加。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，很容易與其它原子結(jié)合。若將納米粒子添加到高聚物中，這些具有不飽和性質(zhì)的表面原子就很容易同高聚物分子鏈段發(fā)生物理化學作用。 3、量子隧道效應 微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。它的研究對基礎(chǔ)研究及實際應用，如導電、導磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意義。 二、高聚物/納米復合材料的技術(shù)進展 對于高聚物/納米復合材料的研究十分廣泛，按納米粒子種類的不同可把高聚物/納米復合材料分為以下幾類： 1、高聚物/粘土納米復合材料 由于層狀無機物在一定驅(qū)動力作用下能碎裂成納米尺寸的結(jié)構(gòu)微區(qū)，其片層間距一般為納米級，它不僅可讓聚合物嵌入夾層，形成“嵌入納米復合材料”，還可使片層均勻分散于聚合物中形成“層離納米復合材料”。其中粘土易與有機陽離子發(fā)生交換反應，具有的親油性甚至可引入與聚合物發(fā)生反應的官能團來提高其粘結(jié)。其制備的技術(shù)有插層法和剝離法，插層法是預先對粘土片層間進行插層處理后，制成“嵌入納米復合材料”，而剝離法則是采用一些手段對粘土片層直接進行剝離，形成“層離納米復合材料”。 2、高聚物/剛性納米粒子復合材料 用剛性納米粒子對力學性能有一定脆性的聚合物增韌是改善其力學性能的另一種可行性方法。隨著無機粒子微細化技術(shù)和粒子表面處理技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來納米級無機粒子的出現(xiàn)，塑料的增韌徹底沖破了以往在塑料中加入橡膠類彈性體的做法。采用納米剛性粒子填充不僅會使韌性、強度得到提高，而且其性價比也將是不能比擬的。 |
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