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

11、伸率，而纳晶镍的晶粒尺寸为100nm时为15%，晶粒尺寸为10nm时接近1%。在干燥空气中进行针与盘的摩擦实验，纳晶镍与常规复晶镍相比，磨损率急剧减小，摩擦系数也降低了。纳晶结构超强的机械特性已广泛用于工业。在核能气体发生器套管内壁电铸上纳晶镍(100nm)，可对结构开裂的地方实现彻底修复。纳晶材料对于颗粒间的破裂过程(包括爬行破裂)有很强的抑制作用。可用于高循环寿命的铅酸电池铅板和锋利的弹头。3几种前沿纳米技术3.1STM，AFM基的纳米技术即通过先进的物理工具如STM，AFM操纵原子，得到有序的纳米结构的技术。3.2量子幻像利用电子的波动性替代传统的导线可在原子尺度上传递信息。这一新现象被

12、称作“量子幻像”效应，未来的纳米尺度电路由于尺寸太小而无法使用导线，有望利用该效应来传递数据。3.3分子自组装纳米技术即通过分子间特殊的相互作用，如静电吸引、氢键、疏水性缔合等，组装成有序的纳米结构，实现高性能化和多功能化。如层层组装技术，包括聚阴离子电解质和聚阳离子电解质的层层组装、聚电解质和无机纳米粒子的层层组装等。FendleJH等发展了一种叫生物膜模拟自组装技术，该技术的实质是在两亲表面活性剂自聚集形成的有序结构如层状，球状，囊泡状微空间内发展有序纳米结构，这些由合成表面活性剂构成的有序微空间类似于生物体内卵磷酯的各种有序组装体。3.4微乳液技术微乳液是一种热力学稳定的分散体系，分为两

13、类，一类是正相微乳液，即水包油；另一类是反相的微乳液即油包水，正相微乳液可用来制备聚合物纳米粒子，如聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PSt等聚合物。反相微乳液可制备金属、无机纳米粒子和聚合物纳米粒子2，可通过调节乳化剂和水的摩尔比即w值来控制粒径的大小。微乳液获得的粒子一般比较均匀，且因乳化剂的分散稳定作用阻碍了粒子之间的团聚。3.5溶胶-凝胶技术广泛应用于制备无机氧化物纳米粒子如TiO2，SiO2等以及聚合物/无机纳米粒子复合材料或杂化材料。近年来溶胶-凝胶法制备聚合物/无机纳米粒子复合材料引起人们极大的重视。通常的方法是在有机金属化合物或含Si的有机物溶液中引入有机相聚合物，在适当的条件

14、下(如水解)形成稳定的溶胶，然后转化成凝胶，或在无机物溶胶中加入单体，在聚合过程中形成凝胶，通过这一过程使聚合物在纳米水平或分子水平均匀地分散在无机物形成的网络中。4纳米技术的研究方法为材料加工提供了一种新的模式，通过亚微米尺度的组装(理想情况利用自组织和自装配)以“由下往上(bottom-up)”的方式创造实体，而不是从大结构上砍凿去小结构，“从上向下(top-down)”方法的极小化。IBM研究中心用低温扫描隧道显微镜首次安放单原子，并用35个氙原子拼写出IBM3个字母。“Bottom-up”是利用分子、原子进行组装，组成分子线、膜和其它结构，再由纳米结构与功能单元集成系统。它反映了纳米技

15、术的目标，即理性地设计和制作材料、结构和系统。然而，目前分子自组装等基础理论和重复性的研究有待深入，“Bottom-up”还无法用于大批量纳米结构和器件的制作，仍处于化学家和材料学家的实验室研究阶段。“Top-down”用光刻等微加工方法，将大的材料分割，形成结构或器件，并与电路集成，实现系统微型化。近年来，微电子和微机械技术中高分辨率光刻技术快速发展，其最小尺度目前已达到10nm6。高分辨率光刻具有可重复性、可靠性和可批量生产的优点。因此，“Top-down”是目前制作实用的纳米器件和系统的现实途径。5纳米技术的应用5.1材料工业纳米技术与新材料密切相关，纳米技术可使材料的构筑单元在纳米尺度

16、范围内有序，因而可发展高强度轻型结构材料和多功能智能材料。例如，道尔化学公司发展了一种纳米粒子增强的聚合物基纳米复合材料，可望取代汽车工业中的金属材料。5.2环境工业纳米技术可用于监控和治理环境问题，减少副产物和污染物的排放，发展清洁的绿色加工技术。美孚石油公司发展的有序介孔材料MCM-1(孔径为10100nm)被广泛应用除去超细污染物。纳米尺度的无机粘土取代炭黑用于聚合物的增强，可制备耐磨的环境友好的轮胎。纳米机器人可用于环境治理，特别是用于核废料的处理。5.3医学纳米技术广泛地应用于医学领域，如磁性纳米粒子可将异常细胞与生物体内正常细胞分离，如癌细胞的分离，采用纳米技术制成的芯片和微小的纳

17、米机器人可进行分子识别，用于疾病诊断。此外，聚合物纳米粒子还可用于药物缓释。5.4能源工业纳米技术在能源的有效利用、储存和制造方面有潜在的应用前景。Gratzel等，采用染料敏化的纳米二氧化钛粒子制备了太阳能光电极，其光电转换效率达到12%，可取代价格昂贵的非晶硅光伏电池。纳米碳管可以用作储氢材料，制造清洁能源。此外，纳米复合材料的广泛使用可大大减少能源的消耗。5.4军事领域纳米技术在军事领域具有广阔的应用前景，不仅可制备高强性能的材料，而且可提供具有特殊用途的功能材料，如雷达波吸收、微波吸收，远红外吸收、抗电磁干扰、侦察与反侦察，隐形与反隐形等新型材料。在未来的战争中，一种采用纳米技术制备的

18、类似苍蝇、蜻蜒或蚂蚁的侦察物可在敌人毫无防范的情况下深入敌人内部，刺探军事情报，并通过特殊的装置将信号传入控制系统。5.5微电子工业纳米机器可使电子产品缩微化，解决目前微细加工领域不能深入到纳米层次的极限问题，纳米技术可使计算机袖珍化，使今天的笔记本更易携带。纳米粒子的一个重要应用领域是传感器如气敏传感器、湿敏传感器等。6纳米技术的前景纳米技术将在众多方面改变人类的生产和生活。过去几年，纳米技术已经发展了几十亿美元的市场。基础性的新现象和新过程孕育了全新的、高附加值的技术。纳米科学和技术的基础研究和基本设施的投资肯定会有极高的经济和社会回报。预计纳米技术总的社会影响将大于硅集成电路，因为它可以

19、被应用到许多领域。在纳米尺度上进行控制意味着在定义物理、化学和生物特性及现象的尺度上对基本的特性、现象和过程进行精确地设计，因此纳米技术具有改变几乎每一种人造物性质的潜能。然而，当了解纳米技术在未来几十年里可能产生一场工业革命的同时，也应认识到纳米技术的基本发现和发明，以及最终生产所面临的挑战也是非常巨大的。纳米尺度的新研究方法、新科学理论和不同的制作模式将是纳米技术研究的关键。参考文献：1张立德(ZHANG Li-de)，牟季美(MOU Ji-mei).纳米材料学(Nanomaterial)辽宁科学技术出版社(Press of Science & Technology of Liaoning

20、)，1994.2杨勇(YANG Yong)，朱子康(ZHU Zi-kang)，漆宗能(QI Zong-neng)，上海交通大学学报(J. of Shanghai Jiao tong University)，1998，32，130.3The Interagency Working Group on Nan science, Engineering and Technology.Nanotechnology Research Directions: WGN Workshop Report Vision for Nanotechnology R&D in the Next DecadeR.Dordrecht : Kluwer Academic Publishers, 2000, 110.专心-专注-专业