纳米技术在水处理中的应用 55页

概念对资源和能源消耗最小、生态影响最小、再生循环率最高，或可分解使用的具有优异使用性能的新型材料。特点先进性：能为人类开拓更为广泛活动空间范围和环境。环境协调性：使人类的活动与外部环境尽可能相适应。舒适性：使人类生活环境更繁荣、更舒适。第一节概念1\n生态材料及生态产品生物降解材料材料再生及再循环利用降低环境负担性的材料加工工艺、技术环境工程材料环境负荷评价第二节研究内容2\n第三节现代材料新技术纳米材料超导材料生物材料特种陶瓷高分子材料半导体材料光通信材料磁记录材料航天复合材料金刚石和超硬材料超晶格和非晶态材料3\n纳米(nanometer)长度单位，用nm表示，1nm=10-9m。纳米材料物质在超微粒状态（100nm以下）时，许多特性会产生奇异的变化。称颗粒尺寸在1～100nm的微粒为超微粒，该种物质是纳米材料。纳米技术(nano-ST)在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创制新物质的技术。纳米材料的特殊现象表面效应、小尺寸效应、量子效应、隧道效应和介电限域效应。概念1.纳米材料4\n纳米微粒的表面效应金属超微粒的尺寸越小，微粒表面原子所占的百分数越大。当超微粒的尺寸为10nm(假定球形微粒)时，总原子数为30000个，表面原子占20%，尺寸为lnm时，总原子数为30个，表面原子占100%，全部都处在微粒的表面。利用高分辨率电子显微镜，对尺寸小于10nm的金属超微粒进行观测，发现微粒没有固定形态，随着时间的推移，会自动形成多种形态，而表面原子在电子束的照射下，处于剧烈运动状态，好像“沸腾”起来似的。纳米材料表面具有很高的活性，金属超微粒在空气中会很快自燃起来。利用其表面高活性，超微粒做高效催化剂，提高化工厂的生产效率。5\n在一定条件下，随着颗粒尺寸的量变，会使纳米微粒发生性质的改变称为尺寸效应。金属材料当被细分到小于光波波长时，便失去原有的金属色泽成为黑色。在军事上把超微粒材料涂在兵器上就成为飞机、火炮的隐身材料。晶态物质的熔点是一定的，但细分成超微粒后，其熔点明显下降。金的熔点1064℃，2nm时，熔点为327℃。银的熔点是670℃，而其超微粒熔点仅为100℃。在钨颗粒原料中附加0.1％～0.5％的镍超微粒后，其烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，大大降低了对设备条件的苛刻要求，从而大幅度降低了产品成本。纳米微粒的尺寸效应6\n量子效应超微粒材料的尺寸范围在1～100nm，电子在这样的小空间的能量状态与在大块材料中的能量状态有很大的不同，超微粒材料的性质会发生反常变化，产生量子效应。在微电子技术中，当尺寸减小到l00nm以下就会产生量子效应，电子会穿过量子隧道从器件中逃走。科学家利用量子隧道效应研制成功新一代量子器件，使微电子技术得到了了新的发展。7\n晶粒尺寸为8nm的铜材料，自扩散系数比晶体铜增大1019倍，在110～293K，纳米铜的热膨胀比晶体铜增大了2倍。陶瓷通常是脆性材料，而纳米陶瓷却可变为韧性材料。纳米TiO2陶瓷在室温下可以弯曲，塑性形变高达100％。纳米硅薄膜则具有一系列不同于非晶硅、微晶硅和单晶硅的特点。在可见光和红外光范围内，光吸收系数α值明显高于其他结构的硅材料，甚至提高数十倍。电导率比单晶硅高100倍，比非晶硅高106倍，压阻效应显著，也是重要特性。纳米材料结构的特殊性导致与结构密切相关的特性的奇异性。纳米材料的特性8\n纳米材料的制备方法惰性气体淀积法沉淀法水解法化学气相淀积法9\n纳米技术的应用1.在陶瓷领域的应用纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都在纳米级的陶瓷材料。Tatsuki等人对制得的A12O3-SiC纳米复相陶瓷进行拉伸蠕变实验，结果发现伴随晶界的滑移，Al2O3晶界处的纳米SiC粒子发生旋转并嵌入A12O3晶粒中，从而增强了晶界滑动阻力，提高了蠕变能力。纳米陶瓷克服了原陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔应用前景。10\n2.微电子学上的应用纳米电子学是利用纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件，包括纳米有序(无序)阵列体系、纳米微粒与微孔固体及纳米超结构组装体系。最终目标是进一步减小集成电路，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。已经研制成功各种纳米器件，如单电子晶体管，红、绿、蓝三基色可调谐的纳米发光二极管以及利用纳米丝、巨磁阻效应制成的超微磁场探测器已经问世。具有奇特性能的碳纳米管研制成功，可广泛用于大规模集成电路、超导线材等领域。IBM公司利用隧道扫描显微镜上的探针，成功移动了氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母。日本Hitachi公司成功研制出单个电子晶体管，通过控制单个电子运动状态完成特定功能，即一个电子就是一个具有多功能的器件。日本的NEC研究所在GaAs衬底上，成功制作了具有开关功能的量子点阵列。美国已研制成功尺寸只有4nm具有开关特性的纳米器件，可由激光驱动，并且开、关速度很快。11\n3.生物工程上的应用生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可设计量子计算机。美国南加州大学应用基于DNA分子计算技术有效地解决了目前计算机无法解决的问题—“哈密顿路径问题”，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。细菌视紫红质用来制造计算机组件最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，且其奇特的光学循环特性可用于储存信息，起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用。Birge等研究表明，细菌视紫红质的三维存储器可提供比二维光学存储器大得多的存储空间。美国锡拉丘兹大学已经利用细菌视紫红质蛋白质制作出了光导“与”门，利用发光门制成蛋白质存储器。并用其研制模拟人脑联想能力的中心网络和联想式存储装置。可以预言，未来纳米计算机的问世，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。12\n4.化工领域上的应用纳米粒子作为光催化剂，有着许多优点。纳米粒子粒径小，比表面积大，光催化效率高，而且生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合，因此，电子、空穴能够到达表面的数量多，则化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。工业上利用纳米TiO2-Fe2O3作光催化剂，用于废水处理，已经取得了很好的效果。用沉淀溶出法制备出的粒径约30～60nm的白色球状钛酸锌粉体，比表面积大，化学活性高，用它作吸附脱硫剂，较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高。纳米静电屏蔽材料，是纳米技术的另一重要应用。日本松下公司研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料。利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料能起到静电屏蔽作用。氧化物纳米微粒的颜色各种各样，因而可通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色。13\n将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。体系中只需含纳米TiO20.5％～1%，即可充分屏蔽紫外线。日本等国已有纳米二氧化钛的化妆品问世。添加0.1%～0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装材料包装食品，既可以防止紫外线对食品的破坏作用，还可以使食品保持新鲜。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。可用作印刷油墨，制作固体润滑剂等。可利用纳米碳管独特的孔状结构、大的比表面(表面积高达几百平方米/克)、较高的机械强度做成纳米反应器。用金属醇化合物和羧酸反应，可合成具有一定孔径的大环化合物。利用嵌段和接枝共聚物会形成微相分离，可形成不同的“纳米结构”作为纳米反应器。14\n5.医学上的应用生物体内的RNA蛋白质复合体，其线度在15-20nm之间，并且生物体内的多种病毒，也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，因而可以在血管中自由流动。如将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已取得突破性进展，现在已用于临床动物实验，估计不久即可服务于人类。研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的艾滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命。15\n6.光电领域的应用纳米技术在光电信息传输、存储、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。科学家发现，将光调制器和光探测器相结合的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。美国桑迪亚国家实验室的Paul等发现：纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。研究发现，纳米激光器工作时只需约100μA的电流。科学家们把光子导线缩小到只有1/5μm3体积内，在这一尺度上，此结构的光子状态数少于10个，接近了无能量运行所要求的条件。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送人激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。16\n7．纳米技术在其他方面的应用利用先进的纳米技术，在不久的将来，可制成含有纳米电脑的可人-机对话并具有自我复制能力的纳米装置，它能在几秒钟内完成数十亿个操作动作。在军事方面，利用昆虫作平台，把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报。利用纳米技术还可制成各种分子传感器和探测器。利用纳米羟基磷酸钙为原料，可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。将药物储存在碳纳米管中，并通过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。另外，还可利用碳纳米管来制作储氢材料，用作燃料汽车的燃料“储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器；利用具有强红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料，都是很具有应用前景的技术开发领域。17\n在水处理方面的应用：生产纳滤膜用于废水处理；絮凝剂中混入一定的纳米粉体，改善絮凝效果。如纳米TiO2-Fe2O3作光催化剂，用于废水处理；生产纳米冷却剂代替循环冷却水，节约水资源。冶金炉渣生产纳米粉体用于生产水泥、涂料、陶瓷、玻璃等。纳米碳管作储氢材料用于代替煤炭、石油资源，减少二氧化碳排放量等。钛酸锌粉体用作吸附脱硫剂。在环保及生态工程上的应用18\n纳米技术在水处理中的应用光催化法:半导体纳米粒子光照实现降解光电催化氧化：加电极及偏压，提高催化活性纳滤膜法：介于RO和UF之间的膜，过滤去除杂质絮凝法：絮凝剂中添加纳米颗粒，提高絮凝效果微生物法：通过高效微生物的驯化降解有害物质消毒灭菌法：将具有杀毒功能的纳米粉投入水体实现杀毒功能磁化法：利用纳米粒子的磁致胶体效应，达到除垢的目的19\n2.超导材料超导体的研究从1911年荷兰科学家翁涅斯(H.K.Onnes)发现超导体开始，到1986年缪勒(K.A.Muler)和贝德诺茨(J.G.Bednorz)研制成功超导转变温度为35K的氧化物超导体而荣获1987年诺贝尔物理学奖，经历了75年不平凡的路程，进入了发展的黄金时代，在全世界范围内掀起了“超导热”浪潮。20\n1986年下半年，日本东京大学、美国贝尔实验室和中国科学院物理研究所，以锶(Sr)置换Ba-La-Cu氧化物中的Ba超导转变温度可高达40K以上。1987年初，中国科学院物理研究所，70K；1987年2月，日本，东京大学，85K；1987年2月15日，美国休斯敦大学，98K；1987年2月20日，中国，科学院物理研究所，100K；1987年3月4日，日本科学技术厅金属研究所，123K；1987年3月4日，中国，北京大学，123K；1987年3月，德国，125K。1987后，科学家进行液氮温度区以上的高温超导体系研究：转变温度在90K的钇系，转变温度在110K的铋系，转变温度在120K的铊系，转变温度在150K的汞系等氧化物超导体等。同时探索超导体的高技术应用。高温超导体的研究21\n近年来，随着高温超导体研究的深入发展，超导体在高新技术领域的应用有大的进展。超导体在信息系统和兵器领域的应用前景十分激动人心；超导体在交通领域越来越广泛的应用更加与人们息息相关；高温超导体为人类奉献大量能源的设想是人类长期以来的梦想。超导体高新技术应用22\n信息系统包括信息的获取、传输、存储和处理等过程。超导体在微弱信息的获取方面具有独特的优势。利用约瑟夫逊效应制作超导磁场获得成功。这种仪器可以探测很微弱的磁场，因而可侦察遥远的目标，如潜艇、坦克活动目标。而超导体开关对某些辐射非常敏感，可探测微弱的红外辐射，为军事指挥做出正确判断提供直接的依据，为探测天外飞行器，如卫星或宇宙不明飞行物提供高灵敏度的信息系统。利用溅射技术或蒸发技术将高温超导体材料(如铅系、铌系等)在极薄的绝缘体上形成薄膜，可制成约瑟夫逊器件。这种器件具有高速开关特性，是制作超高速计算机不可多得的元件。使电子计算机体积大大缩小，功耗大大降低，计算速度大大提高。把超导数据处理器与外存储芯片组装成约瑟夫逊式电子计算机，可获得高速处理能力，在1s内可进行10亿次的高速运算，这是现有大型电子计算机运算速度的15倍。1.超导体在信息技术方面的应用23\n(1)火箭无声发射。用于核潜艇的超轻型推进系统能使核潜艇速度和武器装载量增加l倍，自身重量减小一半。火箭发射的初期必须在发射架上滑行，由于机械接触，速度越快，振动越激烈，容易损坏发射架，因此必须限制速度。若把超导无声推进系统用于导弹弹头，可使弹头以20000km/h的速度摧毁敌方处于发射升空的弹道导弹，使敌方导弹在其本土爆炸。(2)航天飞机自动升空。利用超导悬浮技术，将航天飞机置于水平台车上，台车沿悬浮列车轨道作直线运动。台车以3.234m/s2的加速度加速，当速度上升到300km/h，航天飞机引擎点火，开始工作。当航天飞机以9.8m/s2的加速度加速到500km/h，飞机靠电磁力脱离水平台车，自动升空。估计台车滑行距离为4km。若航天飞机在点火后几秒内发生故障，引擎停止工作，飞机仍可停在台车上，使得发射期间的安全得到保证。2.超导体在航天与兵器技术中的应用24\n(1)列车悬空飞驰:超导磁悬浮列车悬浮在超导“磁垫”路基上，时速高达400-500km/h，约为目前我国普通特快列车速度的5倍，北京到上海3个多小时。通过改变铝线圈中电流的大小来控制列车运行速度，十分方便。(2)汽车的革新：一般电动汽车是由蓄电池组和电动机组成，一次行程较短。利用高温超导体可极大减少蓄电池功率损失，提高储电容量，增加供电能力。对减少大气污染和简化汽车结构十分有利。(3)超导电车：供电线路用超导电缆，埋在道路表层里。电车底部安装若干超导线圈。靠电磁感应使超导线圈产生感应电流，推动电车行进。无架空线、轨道，电力耗小的电车供电系统将扩展电车的使用范畴，特别是可能行驶在高速公路上。(4)电磁推进船舶：超导技术设计的电磁推进船，只需改变超导磁场的磁感应强度或电流强度，就可变换船舶的航行速度。具有结构简单、操作方便、噪声小等优点，有望成为船舶改造的重要方向。日本已试制成功长度为30m、航速为8km/h电磁推进船。3.在交通领域的应用25\n(1)超导电缆：超导电缆已有多种，比较成功的超导电缆有圆筒式和多芯式两种。圆筒式超导电缆是由3根管状超导芯线组成。超导芯线安装在具有隔热层的管内。冷却液氮在超导芯线内外同时循环流动，保证超导电缆处于超导电性状态。多芯式超导电缆的结构与普通电缆类似。直径100tμm以下的超导线均匀分布在电绝缘层中，并套上铜管，铜管的直径2mm，在外冷却液氮的作用下电缆处于超导状态，即为超导电缆。(2)超导发电机：超导发电机有许多优点，电流损失小、效率高、电机容量大及体积小等。日本正在研制激磁线圈额定电流容量为70MV·A，临界电流密度为150A／mm的超导发电机。(3)超导变压器：传统变压器由于涡流和磁滞损失，限制了其性能。交流超导线材制作变压器的线圈绕组，可大大减小涡流和磁滞损失，提高变压器输出功率。且可向轻小型变压器发展。日本已用额定电流100A的交流超导线材铌—钛合金制成500kVA的超导变压器。4.在能源技术领域的应用26\n超导材料的特性及特征零电阻与完全抗磁性是超导体的两个最基本的宏观特性，也是判断超导体的依据。高温超导体的研究转变温度在90K的钇系、110K的铋系、120K的铊系及150K的汞系等高温氧化物超导体已出现。超导体高新技术应用在信息技术方面的应用：可侦察遥远的目标，探测天外飞行器等。在航天与兵器技术中的应用：火箭无声发射；航天飞机自动升空；高温超导体电动汽车及超导电车；电磁推进船舶等。在交通领域的应用：超导磁悬浮列车在能源技术领域的应用：超导电缆、电极及变压器。27\n3.生物材料生物材料也称生物工程材料或生物医学材料，是生物体器宫缺损，病变或衰竭的替代材料，即人类器官再造材料。生物体是个复杂系统，其中所有构件要接受温暖潮湿、新陈代谢、腐蚀降解、摩擦扭曲、支撑碰撞等严格苛刻的考验，其替代材料同样也要受到考验。生物材料要具有生物相容性，与人体组织的相容性，体内组织液不会受影响发生变化；排异反应要尽可能小，与血液接触应有抗血栓形成能力；使用寿命要长，有良好的耐老化性；药物缓释材料应能被人体吸收或及时排出等。目前，生物植入材料有金属及合金、生物陶瓷、生物高分子和复合材料。主要介绍生物陶瓷和生物高分子材料。28\n人造生物玻璃(45%SiO2，24.5%Na2O，24.5%CaO，6%P2O)已实现与骨及与软组织的结合，成为一种活性陶瓷。用可与软组织相结合的生物玻璃修补中耳，已获得临床成功，可以使聋耳恢复听觉。为了得到能满足高强度、耐弯曲要求的材料，如作为人工齿和承受重荷的人工脊椎骨，研究人员已开发一类结晶化玻璃，称为玻璃陶瓷，强度高于人骨，而且还可切削加工成各种形状。一种与人骨的钙/磷相一致的羟基磷灰石合成成功，具有优良的生物相容性，而且在生物体内协调化学相互作用会促使骨骼新生，在与人体周围组织的结合上表现出具有主动能力的生物性。生物活性陶瓷29\n骨骼缺损修补、骨骼植人材料的固定和牙齿的修复等，利用磷酸钙细粉为主要材料，在修补过程中，一面硬化，一面产生羟基磷灰石，形状可塑，操作方便，被称为生物化学水泥。研究工作正在就其成分、硬化过程和硬化后的性能进行深入探索，以造福于人类。生物化学水泥30\n把铝还轻的高强度热解碳涂在金属或高分子材料表面，与组织结合牢固，且有良好的生物相容性，可用作人工骨骼和牙齿。热解碳还具有抗血栓性，生物体不吸收，与血液蛋白质的适应性好，可用作人工心脏瓣。用碳纤维涂上热解碳，可以作为韧带的替代材料。利用具有生物活性的羟基磷灰石作为涂层材料，喷涂在铁合金或氧化铝陶瓷表面，从而做到既发挥基体材料的强度，又发挥涂层材料的生物活性。生物复合材料31\n用于临床的人工器官的高分子材料主要有：聚氨酯、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、聚甲醛、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、硅橡胶、碳纤维等几十种。可以制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等。我国已研制成功人造血液，是具有很高溶氧能力的氟碳高分子液体，已在临床上用于危急病人的抢救和战地救护。高分子材料制成的人工关节和人工乳房已投入临床应用。人工器官在整容和美容方面得到广泛应用。人工器官32\n药物治病需要一定的浓度，浓度低了达不到药效，浓度高了产生副作用。如治疗糖尿病的胰岛素，在血液中要维持一定的浓度，这就需要每天注射几次不断给予补充。如果能以一定的速度释放药物，以实现保持血液中药物的一定浓度，那将是病患者的福音。把药物包裹在膜里是控制释放的最简单方法。关键是制备无害而易分解的高分子材料作为胶囊。聚氨酸就是一种能够满足这个要求的材料，可用来制成抗癌缓释药。使胶囊微型化，埋在癌变肿瘤内部可大幅度提高药效。长效避孕药缓释胶囊的胶膜是用硅橡胶和左旋甲基炔诺酮制成的。把6个各含有36mg避孕药的胶囊埋入上肢适当部位，药效可长达5—6年，取出后2～3个月内可以恢复生育能力，相当方便。控制释放技术33\n生物活性陶瓷：实现与骨及与软组织的结合，在生物体内协调化学相互作用会促使骨骼新生。生物化学水泥：利用磷酸钙细粉为主要材料，骨骼缺损修补、骨骼植人材料的固定和牙齿的修复等。生物复合材料：把铝还轻的高强度热解碳涂在金属或高分子材料表面，用作人工骨骼和牙齿。人工器官：可以制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等。在整容和美容方面得到广泛应用。控制释放技术：无害的胶囊包裹药物,使药物以一定的速度释放，提高疗效。34\n4.特种陶瓷传统瓷器在明、清时代已达很高水平。江西景德镇烧制的瓷器被誉为：洁如玉，明如镜，薄如纸，声如磬。如此高的赞誉，说明了我国陶瓷工艺已经达到了很高的水平。我国传统的陶瓷多在生活器具方面发展，现代陶瓷发生了巨大的变化，在原料、内部结构、工艺技术、性能和应用领域等都有很大的发展。主要介绍功能陶瓷及其应用。35\n通常陶瓷不导电，是良好的绝缘体。如在氧化物陶瓷中，原子的外层电子通常受到原子核的吸引力，被束缚在各自原子的周围，不能自由运动。所以通常氧化物陶瓷是不导电的绝缘体。某些氧化物陶瓷加热时，处于原子外层的电子可获得足够的能量，以便克服原子核对它的吸引力，成为自由电子，这种陶瓷就变成导电陶瓷。现已研制出多种可在高温环境下应用的高温电子导电陶瓷材料，如碳化硅的最高使用温度为1650℃，氧化锆陶瓷的最高使用温度为2000℃，氧化钍陶瓷最高使用温度高达2500℃。离子导电陶瓷和半导体陶瓷，各具功能。导电陶瓷36\n在外加磁场中可被磁化的陶瓷材料称为磁性陶瓷，也称铁氧体。铁氧体分为软磁铁氧体和硬磁铁氧体。软磁铁氧体具有高频损耗小的特点，广泛用于各种高频磁芯。硬磁铁氧体易于加工成各种形状，已经在扬声器、电表和发电机等仪器设备中得到有效应用。此外，铁氧体在磁记录方面有着广阔应用领域。磁性陶瓷37\n压电陶瓷是一种能使机械能与电能互相转换的材料。当压电陶瓷受到压力时，会在两个相对表面之间产生电位差，此时，一个表面出现正电荷，相对的另一个表面出现负电荷，称这种现象为极化；反之，若在材料的某一方向上施加电场，则会发生形变。可见压电效应在机械能与电能之间的转换是可逆的。压电陶瓷38\n压电陶瓷的应用范围很广，如压电点火器-打火机等，利用操作过程中产生火花的现象可以把压电陶瓷安装在炮弹头上，作为压电引爆器。把机械能转换为交流电信号，如压电拾声器、超声波接收探头等。利用逆压电效应，也可将交流电信号转换成机械振动，如超声波发射器和压电扬声器等。具有高转换效率和高灵敏度的超声波发射与接收压电器件，在超声波水深探测、超声波无损探伤、水下声纳、超声诊断、地震和探矿等领域应用广泛。压电陶瓷材料中，钛酸钡和锆钛酸铅固溶体是很有发展前景的材料。用锆钛酸铅压电陶瓷做成火石，打火次数可达100万次以上，可以制作成性能优秀的电子打火机，满足市场的巨大需求。39\n实用的隔热材料应具有极小的导热系数和密度，也就是导热性能很差又很轻的材料。用二氧化硅气溶胶、硅酸锆、石棉纤维和甲酚醛树脂原料，经过高度分散和混合后热压成型，然后在650℃下加热1h左右，得到微孔陶瓷隔热材料，导热性能比静止空气还要小，而且体密度很小，是优质隔热材料。在氧化硅原料中加入氧化钡和氧化铬配成釉浆，涂在经喷沙清洁的难熔金属表面，经高温熔烧后，就形成器皿表面的搪瓷层，这是我国传统的搪瓷工艺，实际上是一种很好的隔热陶瓷。近年来，应用等离子体喷涂法，利用电弧法产生温度高达5000℃等离子体弧焰喷涂二氧化锆层，可使气轮机的工作温度提高约200℃，达到大幅度节能效果。隔热陶瓷40\n我国景德镇陶瓷达到美如玉、薄如纸的境界，实际上已达到半透明的程度。在氧化铝原料中加入氧化镁，可以促进材料内气孔消除，从而使氧化铝陶瓷呈半透明状,用来制作高压钠灯中性能优异的发光管。科技工作者研制成功多种透明陶瓷，具有透过可见光和红外光的优良性能，成功应用于现代高技术领域。如白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇—氧化钍、氧化钇—氧化锆和锆钛酸镧等，能达到无气孔、晶粒均匀等有利于透光的特点。透明陶瓷的应用领域宽广：光学棱镜、透镜、高温观察窗、红外线窗口、耐高温(1200℃)瓷光管以及长寿命高温激光材料等技术领域。透明陶瓷41\n纳米陶瓷是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都在纳米级的陶瓷材料。纳米陶瓷克服了原陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔应用前景。纳米陶瓷42\n导电陶瓷:高温导电陶瓷材料，如碳化硅1650℃，氧化锆2000℃，氧化钍2500℃等可在高温环境下应用。磁性陶瓷：铁氧体在磁记录方面应用广泛。压电陶瓷：可制成性能优秀的电子打火机。隔热陶瓷：是优质隔热材料。利用电弧法产生高温5000℃等离子体弧焰喷涂二氧化锆层，可使气轮机的工作温度提高约200℃，达到大幅度节能效果。透明陶瓷：光学棱镜、透镜、高温观察窗、红外线窗口、耐高温(1200℃)瓷光管以及长寿命高温激光材料等技术领域。纳米陶瓷：具有优良的力学性能、抗弯强度、断裂韧性，在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面广泛应用，并在超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用。43\n5.高分子材料高分子材料与人们的生活息息相关，从各种器具、衣服面料到工业用工程塑料、农业用塑料薄膜，从打火机、照相机外壳到火箭壳体、航天飞机贮能罐，都成为高分子材料大显身手的场所，与传统材料比较具有无法替代的优点。高分子材料以石油为原料，来源丰富、重量轻、可塑性好、加工方便、成本低廉，所以发展迅速，已经占有巨大的市场。目前全世界高分子材料的年产量已超过1×108t。按体积计算，每年消耗量超过钢、铜和铝的总和，高分子材料到处可见。但目前常用高分子材料存在机械强度差和耐热性能低的缺点。科学技术的飞速进步，对高分子材料也提出了更高的要求，推动高分子材料向着高性能和多功能方向发展。44\n通常人们把高分子材料看成质地较软、强度差的材料。经过多年来的研究、开发，生产出许多可与钢铁相媲美的高分子材料(塑料、纤维)应用于许多领域。高性能的高分子材料45\n10多年前的一天，在多巴海峡上空出现一架人力驱使的戈斯曼•艾伯斯号(CA)飞机，创造了只用人力飞越多巴海峡的光辉纪录。其秘密在于这是一架使用高强度合成纤维和碳纤维制造成的总重量只有25kg的高分子材料飞机。制造飞机所有的合成纤维是芳香聚酰胺纤维。这是一种高性能增强有机纤维。这种纤维的编织物是火箭壳体、航天飞机贮能罐和其他高压容器的理想材料，而特种电缆高性能运动器具、高性能降落伞、防弹背心、头盔和航天加压服等也都用这种高性能高分子材料。1.合成纤维46\n“工程塑料”这个词首先由美国杜邦公司提出，特指可在工业上使用的高性能耐热塑料。它与普通塑料比较，有耐热、抗弯、抗拉、耐冲击和不易变形等优点；它与金属比较有高强度、低密度、电绝缘、耐磨、吸震和消声等特点。所以受到工业界的欢迎，需求量迅速增长，产量和产值大幅度增加。2．工程塑料47\n高分子材料结构千变万化、性能各有千秋的，但不同材料总是各具不同的优缺点，为满足某些特殊需要，人们通过物理或化学的方法将已有的两种或多种材料制成复合材料，借金属合金的名称，称之为高分子合金。3．高分子合金48\n功能高分子材料所具有的功能范围十分宽广，这里只就导电高分子、信息高分子、高分子分离膜、高吸水性树脂等作简要介绍。功能高分子材料49\n高分子塑料具有弹性好、轻巧、便宜、容易加工以及耐腐蚀等优良性能，但人们通常认为塑料是绝缘体，不导电。如果能使塑料具有金属铜的导电能力，加上它自身的优良性能，用这种新型高分子材料制作导线、电缆，就可以使电力系统和电子仪器装置变得既轻巧又价廉，两全其美。通过艰苦的探索，20世纪70年代末，世界上第一种有应用前景的高分子材料聚乙炔研制成功。此后，相继开发了聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯等一系列导电高分子材料。1．导电高分子材料与全塑飞机50\n聚乙炔的导电能力已超过铜。一种锂—聚合物电池，一个电极是锂铝合金，另一个电极是用导电高分子聚苯胺制成的。这种电池只有一个硬币大小，可以反复充电，自放电速度缓慢，充电后能保持很长时间，适合用于计算机的辅助电源。德国已研制成一种薄犁充电锂—聚吡咯电池，有趣的是这种电池可以弯曲。技术发达国家近年来正在研究全塑飞机的可能性，但塑料飞机遇上雷电，有遭雷击的危险。显然使用导电高分子材料是一种好的选择，目前美国落克希德公司正在研究导电聚合物与工程塑料的复合材料来制作飞机骨架。用导电高分子材料编织成导电服，可消除人体静电，适合计算机工作者和医务人员穿着。51\n高分子材料在光电信息方面的应用正日益受到重视。利用高性能的有机玻璃和聚碳酸酯作为基材制成的光盘，满足了信息的大容量和高密度存储的要求。利用高分子材料的能量转换特性，已研制光导电和光致变色材料。高分子材料在信息技术上的应用是多方面的，如高分子压电体、高分子显示材料、高分子光导纤维等。2．信息高分子材料52\n高分子材料具有选择性透过功能，利用这一特性制成高分子半透性薄膜称为高分子分离膜。分离膜以压力差、温度梯度、浓度梯度或电位差为动力，使气体混合物、液体混合物或有机物与无机物的溶液，分离成单一成分。制备分离膜的高分子材料有醋酸纤维素、芳香族聚酰胺、聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚丙烯腈、硅胶和聚碳酸酯等。当前水资源短缺形势严峻，高分子分离膜可实现海水淡化，解决水源短缺问题。采用分离膜的方法，能源消耗只是蒸发法的1/4。采用高分子分离膜技术淡化海水，效益巨大。3．高分子分离膜53\n能够吸取水分的材料不少，但一般只能吸收自身重量20倍左右的水分，而且稍微挤压，水分就大部分排出去了。高吸水性高分子材料可以吸收自身重量几百倍到1000多倍的水分，而且经挤压或加热方法也难于脱水。这种很有趣的高分子材料除用天然淀粉、纤维素作原料外，还可以用合成聚合物作原料，如聚丙烯酸、聚丙烯醇、聚丙烯酰胺等。高吸水高分子材料广泛应用于化妆品、土壤改良、园艺、沙漠绿化、建筑、生物反应器、器官修复。4．高吸水性高分子材料54\n高性能的高分子材料合成纤维：火箭壳体、航天飞机贮能罐、特种电缆高性能运动器具、高性能降落伞、防弹背心、头盔和航天加压服等。工程塑料：在工业上使用的高性能耐热、耐磨塑料。高分子合金：其性能更加优越。功能高分子材料导电高分子:全速飞机、抗静电服信息高分子：高分子压电体、高分子显示材料、高分子光导纤维等。高分子分离膜：用于水处理，淡化海水等高吸水性树脂：化妆品、土壤改良、园艺、沙漠绿化、建筑、生物反应器、器官修复。55