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【參與討論即送BB】復(fù)合材料納米化
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復(fù)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(fù)合材料從問(wèn)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(diǎn)，克服了單一材料的缺陷，因此得到了廣泛應(yīng)用。最近，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員錦上添花，成功地研發(fā)出復(fù)合材料納米化的設(shè)計(jì)模型。通過(guò)該模型，人們有望獲得納米復(fù)合材料具有其組成物質(zhì)所沒(méi)有的、全新的材料特性。 按性能設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料 納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型的發(fā)明人為麻省理工學(xué)院材料科學(xué)和工程系助理教授邁克爾·德姆庫(kù)維茨，他期望用自己的模型研制出的納米復(fù)合材料能夠耐高溫、抗輻射，并承受超強(qiáng)的機(jī)械負(fù)載，最終目標(biāo)是將這些納米復(fù)合材料用于包括核電站、燃料電池、太陽(yáng)能和碳存儲(chǔ)等能源應(yīng)用領(lǐng)域。 德姆庫(kù)維茨表示，能源生產(chǎn)的各個(gè)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(jì)模型提供了根據(jù)所需的材料性能設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料的新方法。他認(rèn)為，雖然目前社會(huì)上有不少設(shè)計(jì)模型能夠構(gòu)建材料的結(jié)構(gòu)并預(yù)測(cè)材料的特性，但是這類仍需要經(jīng)過(guò)反復(fù)制造和測(cè)試循環(huán)的新材料開發(fā)方法存在著耗資龐大且花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)。 在材料學(xué)領(lǐng)域，詳細(xì)設(shè)定所需的材料特性，然后預(yù)測(cè)何種結(jié)構(gòu)能夠具有這些特性被科學(xué)家稱為“逆問(wèn)題”。德姆庫(kù)維茨開發(fā)的納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型解決了材料科學(xué)家面對(duì)的“逆問(wèn)題”，有望極大地加快材料設(shè)計(jì)過(guò)程。 納米復(fù)合材料具有很強(qiáng)的抗輻射能力 德姆庫(kù)維茨利用自己的模型進(jìn)行納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)的首選目標(biāo)是抗輻射材料，讓它幫助核電廠提高效率和安全。 通常，當(dāng)金屬材料暴露在輻射環(huán)境中時(shí)，中子等高能粒子與金屬中獨(dú)立的原子會(huì)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(huì)與其他的原子相撞，導(dǎo)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(kù)維茨介紹，確保納米復(fù)合材料具有抗輻射能力的關(guān)鍵在于組成復(fù)合材料的不同物質(zhì)層與層之間的界面。當(dāng)不同的物質(zhì)層越來(lái)越薄時(shí)，不同物質(zhì)間的界面就決定了復(fù)合材料的特性，也就是說(shuō)，不同物質(zhì)的界面使得復(fù)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(kù)維茨表示，在某些納米復(fù)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(fù)至常態(tài)。在某些條件下，復(fù)合材料表現(xiàn)得如同沒(méi)有受過(guò)輻射影響一般。 抗輻射復(fù)合材料最終可能用來(lái)取代不銹鋼用于核反應(yīng)堆內(nèi)，有望延長(zhǎng)核反應(yīng)堆的壽命，同時(shí)允許核反應(yīng)堆在更強(qiáng)的輻射劑量下工作。目前反應(yīng)堆僅僅使用了1%的核燃料，抗輻射復(fù)合材料的利用有望讓反應(yīng)堆使用更高比例的核燃料，減少核廢料量。 德姆庫(kù)維茨在利用模型設(shè)計(jì)的具有多層界面的抗輻射納米復(fù)合材料過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)銅和鈮組成的復(fù)合材料具有抗輻射的能力。2008年，他曾在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表文章，認(rèn)為該納米復(fù)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(yīng)堆。此外，德姆庫(kù)維茨的設(shè)計(jì)模型還可以用于了解其他復(fù)合材料是否也擁有這樣的性能。 盡管擁有了納米復(fù)合材料設(shè)計(jì)模型，但德姆庫(kù)維茨表示，在未來(lái)確定具有抗輻射的候選納米復(fù)合材料后，在新材料被批準(zhǔn)用于核反應(yīng)堆之前，研究人員仍需要數(shù)年的時(shí)間對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。因此，任何具有潛力的新材料大約還需要至少10年的時(shí)間才能被啟用。 [ Last edited by 13500558820 on 2011-5-29 at 15:23 ] |
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PS： 一、 納米材料的特性 當(dāng)材料的尺寸進(jìn)入納米級(jí)，材料便會(huì)出現(xiàn)以下奇異的物理性能： 1、尺寸效應(yīng) 當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或投射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，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(dǎo)致聲、光電、磁、熱、力學(xué)等特性呈現(xiàn)出新的小尺寸效應(yīng)。如當(dāng)顆粒的粒徑降到納米級(jí)時(shí)，材料的磁性就會(huì)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(xué)性能，甚至還可以賦予其新性能。 2、表面效應(yīng) 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(huì)增加，表面積也將會(huì)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(yīng)。 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(xué)作用。 3、量子隧道效應(yīng) 微觀粒子貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。它的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用，如導(dǎo)電、導(dǎo)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(fù)合材料的技術(shù)進(jìn)展 對(duì)于高聚物/納米復(fù)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(fù)合材料分為以下幾類： 1、高聚物/粘土納米復(fù)合材料 由于層狀無(wú)機(jī)物在一定驅(qū)動(dòng)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(jí)，它不僅可讓聚合物嵌入夾層，形成“嵌入納米復(fù)合材料”，還可使片層均勻分散于聚合物中形成“層離納米復(fù)合材料”。其中粘土易與有機(jī)陽(yáng)離子發(fā)生交換反應(yīng)，具有的親油性甚至可引入與聚合物發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)來(lái)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(yù)先對(duì)粘土片層間進(jìn)行插層處理后，制成“嵌入納米復(fù)合材料”，而剝離法則是采用一些手段對(duì)粘土片層直接進(jìn)行剝離，形成“層離納米復(fù)合材料”。 2、高聚物/剛性納米粒子復(fù)合材料 用剛性納米粒子對(duì)力學(xué)性能有一定脆性的聚合物增韌是改善其力學(xué)性能的另一種可行性方法。隨著無(wú)機(jī)粒子微細(xì)化技術(shù)和粒子表面處理技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來(lái)納米級(jí)無(wú)機(jī)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(huì)使韌性、強(qiáng)度得到提高，而且其性價(jià)比也將是不能比擬的。 |
2樓2011-05-29 15:18:51
6樓2011-05-29 15:50:24
11樓2011-05-29 16:23:20
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2011-05-29 16:11
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e52728936813樓
2011-05-29 16:25
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