纳米技术论文纳米技术在汽车行业中的应用.pdf

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1、 大庆师范学院 通识选修课作业 作业题目位置 学 院 化学工程 专 业 化学工程与工艺 学 生 姓 名 陈悦 学 号 201403090421 年 月 日 大庆师范学院通识选修课作业 大庆师范学院通识选修课作业 摘 要 纳米技术（nanotechnology）是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳电子学、纳米材科学、纳机械学等。1 关键词：纳米机械，纳米技术在汽车行

2、业中的应用，纳米材料的制备，扫描隧道显微镜的原理 大庆师范学院通识选修课作业 Abstract Nanotechnology(nanotechnology)is a single atom,molecular manufacturing,material science and technology.Nano science and technology on modern advanced science and technology as the foundation of science and technology,it is modern science(chaos physics,

3、quantum mechanics,mesoscopic physics,Molecular Biology)and modern technology(computer technology,microelectronic technology and scanning tunneling microscope,nuclear analysis technology)the combination of nano science and technology,and will cause a series of the new science and technology,such as n

4、anoelectronics,nano material science,Nano Mechanics etc.Keywords:Nano machine,the application of nanotechnology in the automotive industry,the preparation of nano materials,the principle of scanning tunneling microscope 大庆师范学院通识选修课作业 目 录 第一章 前言 1 纳米技术的应用 2 纳米材料的制备 3 扫描隧道显微镜的原理与应用 4 纳米材料的表征 5 纳米材料的特征

5、与应用 6 纳米效应及其应用 7 纳米机械和纳米电子 参考文献 谢 辞 附 录 大庆师范学院通识选修课作业 纳米机械 一纳米机械概述 人们通常把尺度仅有数十亿分之一米这大约是数十个或者数百个原子的长度的微型机械叫做纳米机械。纳米机械又包括两种概念：一种和已有的机械类似，如一个纳米尺度的潜艇，尺度仅有数十亿分之一米这大约是数十个或者数百个原子的长度，这种机器尽管存在着争议，然而可以应用在医学方面，它可以在血液中穿行，寻找患病的细胞然后杀死它们。另一种是想象的机械所谓的装配工是一个更加激进的主意，它是由未来学家K.Reic Drexler提出的。这种机器没有与宏观物体的相似性（这是考虑其最终实用性

6、的非常重要的一个事实）。它将是一种新型的机械一种万用制造者。它可以制造任何结构，包括它自身，通过原子尺度的“抓取和放置”：一套纳米尺度的钳子将会从环境中抓取单个原子，然后把它放在适当的位置。Drexler的设想预示着社会将因为微型机械而永远改变，这些机械可以在几个小时内制造一台电视机或者一台电脑，而根本不花一分钱。然而它也有危险的一面。装配工自我复制的潜力导致了所谓的“灰色粘质”产生的可能性：无数的自我复制纳米装配工制造了无数它们自身的复制品，这个过程毁灭了地球。早在2002年就有报道：德国科学家研究出使用超短电脉冲进行电解的新技术，并成功地在纳米尺度上切 割金属材料，加工微型机械。制造纳米机

7、械手 纳米技术能做很多事：由单个分子打造的电子装置，超强，超轻材料，将药物送到身体特定器官或细胞的药丸。但在这种尺寸上使用材料，研究者需要接触并推动不可见的小样本。现在的纳米机械手成本高达数十万美元 3 二纳米机器人结构与特点 在理论上，纳米机器可以构建所有的物体。当然从理论到真正实现应用是不能等同的，但纳米机械专家已经表明，实现纳米技术的应用是可行的。在扫描隧道电子显微镜帮助下，纳米机械专家已经能将独立的原子安排成自然界从未有大庆师范学院通识选修课作业 的结构。此外，纳米机械专家还设计出了只由几个分子组成的微小齿轮和马达。（切勿将这些齿轮和马达与那些由数以百万计分子组成的用传统技术构建的微小

8、齿轮和马达相混淆，这些机器同未来制造的机器相比较实在是太巨大了）。25年内，纳米技术学家期望实现这些存在于科学陈列室中的想法，创造出真实的、可以工作的纳米机器。这些纳米机器有微小的“手指”可以精巧地处理各种分子；有微小的“电脑”来指挥“手指”如何操作。“手指”可能由碳纳米管制造，它的强度是钢的100倍，细度是头发丝的五万分之一。“电脑”可能由碳纳米管制造，这些碳纳米管既能做晶体管又能做连接它们的导线。“电脑”也可能由DNA制造，用适当的软件和足够的灵巧性进行武装的纳米机器人可以构建任何物质。纳米机器人执行任何任务包括自身复制都必须动用大量的纳米机器。血液里可能存在数以百万计的纳米机器人；在每一

9、个有毒废物地点可能需要数以万亿计的纳米机器人，要制造一辆汽车可能要调动数以一百亿亿计的纳米机器人同时工作。然而没有一个生产线可以生产如此巨大数量的纳米机器人。但是纳米科学家眼中的纳米机器可以做到这点。他们设计的纳米机器人可以完成两件事情：执行它们的主要任务和制造出它们自身完美的复制体。如果第一个纳米机器人能够制造出两个复制体，这两个复制体每个又可制造出两个自己的复制体，很快就可以获得万亿个纳米机器人。但是，假如纳米机器人忘记停止复制会发生什么？如果没有一些内建的停止信号，纳米机器人忘记停止复制这种灾难的可能后果将会是无法计算的。纳米机器人在人体内快速复制能够比癌症扩散还要快地布满正常组织；一个

10、发疯的制造食物机器人能够把地球的整个生物圈变成一块巨大的奶酪。纳米技术学家没有回避危险，但是他们相信他们能控制灾难的发生。其中一个办法是设计出一种软件程序使纳米机器人在复制数代后自我摧毁。另一种办法是设计出一种只在特定条件下复制的机器人，例如只有在有毒化学物质以较高浓度出现时机器人才能复制，或者在一个很窄的温度和湿度范围内机器人才能复制。就像电脑病毒的传播一样，所有以上这些努力都无法阻止那些不怀好意的人有意释放某种纳米机器人作为害人武器。大庆师范学院通识选修课作业 事实上，一些批评家指出纳米技术可能的危险要大于它的益处。然而，仅仅这些利益就已经太具诱惑力了，纳米技术必将超过电子计算机和基因制药

11、而成为新世纪的技术发展方向。世界可能会需要一个纳米技术免疫系统，这个系统中纳米机器人警察不断地在微观世界中同那些不怀好意的机器人进行战斗。4 三纳米机器人的动力分子马达 分子马达（molecular motor），是美国康奈尔大学研究人员在活细胞内的能源机制启发下，制造出的一种马达。这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷（ATP）为能源。美国科学家正在进行一项新研究，让纳米仪器利用为精子长距离游动提供能量的生物能为动力，用来释放药物，或者在人体内执行机械功能。首先，这些研究人员针对精子的特殊部位，用一个可以粘贴在特殊的金表面的标签取代了己糖激酶(糖酵

12、解的第一个酶)。这种酶即使在受到限制的时候，仍然能产生作用。接着，他们在糖酵解途经的第二个酶葡萄糖-6-磷酸异构酶上作了标记。这种酶在受到限制后，还仍然具有活性。粘附在相同支撑物上的这些酶会依次产生作用，第一个反应的产物成为第二个反应的基础。穆凯和特拉维斯表示，这只是在无机支撑物上复制整个糖酵解途径的最初几步，他们指出，他们的研究从原理上为精子中的糖酵解途径的组织如何在纳米设备上产生三磷酸腺甙提供了一个天然的工程学解决方案。纳米技术在汽车行业中的应用 纳米技术是汽车发展的核心技术。纳米技术能够从汽车车身应用到车轮，几乎涵盖了汽车的全部。纳米技术在汽车上的广泛应用，将降低汽车各部件磨损，降低汽车

13、消耗，减少汽车使用成本；一定程度上，还能消除汽车尾气污染，改善排放。如今不少汽车产品已开始采用纳米技术，小小的纳米将使汽车产生极大的变化。一纳米油漆刮痕更少 漂亮、心爱的汽车如果不小心出现刮痕，可就大煞风景了。汽车制造商戴姆勒大庆师范学院通识选修课作业 克莱斯勒公司日前宣布，从2003年年底起采用一种汽车车身喷涂用的新型纳米油漆，以防止碰撞时小刮痕的出现。据悉，该公司科研人员经过4年多研发出的这种纳米油漆，可以在喷涂后的车身上形成一层致密网状结构，其间含有许多微小陶瓷颗粒。通过对150辆汽车进行的试验表明，这种纳米漆不仅光亮度比传统油漆高出40，而且当车身与其他物体轻微碰撞时，其防止刮痕出现的

14、性能也要比传统油漆好得多。新油漆将于近期在奔驰E、S及SLK等多个系列轿车上采用，并从2004年开始在该公司其它所有系列轿车上均采用这种新型纳米油漆。二纳米塑料强度更高 汽车制造中应用的塑料数量将越来越多。纳米塑料可以改变传统塑料的特性，呈现出优异的物理性能：强度高，耐热性强，比重更小。由于纳米粒子尺寸小于可见光的波长，纳米塑料可以显示出良好的透明度和较高的光泽度，这样的纳米塑料在汽车上将有广泛的用途。经过纳米技术处理的部分材料耐磨性更是黄铜的27倍、钢铁的7倍。除此之外，纳米塑料除了可回收外，还有长期耐紫外线、色泽稳定、质量较轻等优点，在汽车配件中的应用领域相当广泛。在汽车外装件中，主要用于

15、保险杆、散热器、底盘、车身外板、车轮护罩、活动车顶及其它保护胶条、挡风胶条等。在内饰件中，主要用于仪表板和内饰板、安全气囊材料等。相关业内专家预测，在未来的20年内，纳米塑料将大量取代现有的车用塑料制品，有相当大的市场潜力。三纳米润滑剂磨损更小 磨损、疲劳、腐蚀是机械材料失效的三种主要形式。磨损造成的经济损失十分巨大，而纳米润滑剂能够很好地解决机械磨损问题。纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的纯石油产品，它不会对润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂和减磨剂等产品产生不良作用，只是在零件金属表面自动形大庆师范学院通识选修课作业 成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。由于这些微小烃类分子间

16、的相互吸附作用，能够完全填充金属表面的微孔，最大可能地减小金属与金属间微孔的摩擦。与高级润滑油或固定添加剂相比，其极压可增加3至4倍，磨损面减小16倍。由于金属表面得到了保护，减小了磨损，使用寿命成倍增加。四纳米汽油油耗更低 能源、环保一直是汽车业的关键问题。纳米汽油目前已经开始研制，节约能源和减少污染是它的最大优点。该技术是一种利用现代最新纳米技术开发的汽油微乳化剂。它能对汽油品质进行改造，最大限度地促进汽油燃烧，使用时只要将微乳化剂以适当比例加入汽油便可。交通部汽车运输节能技术检测中心的专家经试验后认为，汽车在使用加入该微乳化剂的汽油后，可降低其油耗10%20%，增加动力性能25%，并使尾

17、气中的污染物浮碳、排放降低50%80%。它还可以清除积碳，提高汽油的综合性能。五纳米橡胶轮胎更艳 汽车中橡胶材料的应用以轮胎的用量最大。在轮胎橡胶的生产中，橡胶助剂大部分成粉体状，如炭黑、白炭黑等补强填充剂、促进剂、防老剂等。以粉体状物质而言，纳米化是现阶段橡胶的主要发展趋势。新一代纳米技术已成功运用其它纳米粒子作为助剂，而不再局限于使用炭黑或白炭黑，汽车中最大的改变即是，轮胎的颜色已不再仅限于黑色，而能有多样化的鲜艳色彩。另外无论在强度、耐磨性或抗老化等性能上，新的纳米轮胎均较传统轮胎来得优异，例如轮胎侧面胶的抗裂痕性能将由10万次提高到50万次。纳米材料的制备 纳米粒子的制备方法很多，可分

18、为物理方法和化学方法 一 物理方法(1)真空冷凝法 大庆师范学院通识选修课作业 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。(2)物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。(3)机械球磨法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。二化学方法 (1)气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。(2)沉淀法 把沉淀剂加入

19、到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。(3)水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。(4)溶胶凝胶法 金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和族化合物的制备。(5)微乳液法 两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，族半导体纳米粒子多用此法制备 扫描隧道显微镜的原理 扫描隧道显微镜是根据量子力学中的

20、隧道效应原理，通过探测固体表面原子中大庆师范学院通识选修课作业 电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。用一个极细的、只有原子线度的金属针尖作为探针，将它与被研究物质(称为样品)的表面作为两个电极，当样品表面与针尖非常靠近(距离1nm)时，两者的电子云略有重叠。若在两极间加上电压U，在电场作用下，电子就会穿过两个电极之间的势垒，通过电子云的狭窄通道流动，从一极流向另一极，形成隧道电流 I。隧道电流 I 的大小与针尖

21、和样品间的距离 s 以及样品表面平均势垒的高度 有关，其关系为 ，式中A 为常量。如果s 以 nm为单位，以eV为单位，则在真空条件下，A 1，。由此可见，隧道电流 I 对针尖与样品表面之间的距离 s 极为敏感，如果 s 减小0.1nm，隧道电流就会增加一个数量级。当针尖在样品表面上方扫描时，即使其表面只有原子尺度的起伏，也将通过其隧道电流显示出来。借助于电子仪器和计算机，在屏幕上即显示出样品的表面形貌。结束语 纳米技术作为一种高新技术，它的发展对我们的生活正在逐渐产生越来越大的影响。在文中已经对纳米机械，纳米技术在汽车行业中的应用，纳米材料的制备，做了一些介绍，从中也可以看出纳米技术对产业产生的影响。但是纳米技术还在继续发展，在未来他还能带给我们更大的利益，同时我们也需要注意它潜在的危害，比如纳米机器人在医学的应用，一旦纳米机器人无法停止复制就会对病人产生巨大的危害并且可能无法施救。未来纳米技术还可以在生物医学方面，纳米机械方面有新的突破，到时候我们就真正的活在微观世界了。期待纳米技术的大有可为。参考文献 纳米技术 大庆师范学院通识选修课作业