涂層納米功能材料

1、文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 涂層納米功能材料文章來源 畢業(yè)論文網(wǎng) 摘要：納米復合涂層的結(jié)構和特性是納米科技中的重要研究課題，本文重點討論了制造技術的新觀念，納米材料的完美定律，涂層材料的發(fā)展前景，納米場發(fā)射特性等。進而，討論重要的理論研究的熱點-強關聯(lián)體系和軟凝聚態(tài)問題。展現(xiàn)了涂層材料科學與技術的深刻理論內(nèi)容和重要的發(fā)展前景。關鍵詞：納米涂層；場發(fā)射；電子強關聯(lián)；軟凝聚態(tài)物質(zhì)    2003年在國際和中國都發(fā)生了具有突發(fā)性的災難事件，但中國的gdp仍以9.1的高速度在增長，達到了人民幣11.6萬億元，其中第二產(chǎn)業(yè)貢獻4萬多億元。中國現(xiàn)今的第二產(chǎn)業(yè)主要領域是冶金

2、、制造和信息，在世界的地位是大加工廠，也是大。在國際競爭中所以有優(yōu)勢是中國的勞動力廉價，這個優(yōu)勢我們能保持多久?我們還注意到與化工有關的產(chǎn)品中，我們的生產(chǎn)效率是國際發(fā)達國家的5，能耗是3倍，的破壞是9倍。這就是我們所付出的代價。不論形勢如何嚴峻，21世紀是中華振興的機遇期，制造業(yè)絕對是一個極其重要的領域，是個急速發(fā)展變化的領域。2003年3月國際真空學會執(zhí)委會在北京舉行，會議上討論了將原來的冶金專委會改名為“表面工程專委會”，當時也考慮了另一個名字“涂層專委會”，我想用涂層材料更合適，含有繼承性和變革性。20世紀70年代曾經(jīng)說成是塑料年代，此后塑料科技和迅速崛起，極大地改變了人類。繼而是信息時

3、代，網(wǎng)、網(wǎng)、萬維網(wǎng)、智能網(wǎng)，信息流，日新月異地改變著人類的生活和觀念。我們這個時代是高速發(fā)展的時代，技術和觀念都在與時俱進地改變著。    本世紀初興起了納米科技，促進其到來的是由于微電子小型化的發(fā)展趨勢，推動科技發(fā)展進入納米時代1，不僅電子學將進入納電子學領域，物進入介觀物理領域，各類科技，包括生物等都在探索納米結(jié)構與特性。涂層和表面改性越來越多地增加了納米科技的內(nèi)容，這是一種低維材料的制造和加工科技，將是制造技術的主流，將迅速地改變傳統(tǒng)制造技術的方法、理論和觀念，作為現(xiàn)今國際上的制造大國，世界加工廠，我們更應該注意研究制造技術的發(fā)展和未來。1&nbs

4、p; 突破傳統(tǒng)制造技術的觀念    納米科技研究的內(nèi)容主要是在原子、分子尺度上構造材料和器件，測量表征其結(jié)構和特性，探索、發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象、新規(guī)律和應用領域。與我們熟悉傳統(tǒng)的相比，納米材料和器件具有顯著的維數(shù)效應和尺寸效應。近幾年來，在納米材料制造方面做了大量的研究工作，在納米粒子粉材的制造，以及材料結(jié)構和特性測量、表征上取得了顯著成果27。接下來深入到納米線、納米管和納米帶的研究814，出現(xiàn)了一些成功有效的制造方法，發(fā)現(xiàn)了一些驚人的結(jié)構和特性。在此基礎上，發(fā)展了納米復合材料的研究，展現(xiàn)了非常有希望的應用前景1517。近來人們在納米科技初期成果的基礎

5、上挑戰(zhàn)某些產(chǎn)品的傳統(tǒng)加工技術，比如al組件的快速加工。    t.b.sercombe等人報道了快速加工鋁(al)組件的新方法18，這個方法的主要特征是用快速成型技術先形成樹脂鍵合件，然后在氮氣氛中分解其鍵和第二次滲入鋁合金。在熱處理過程中，鋁與氮反應形成氮化鋁骨架，在滲透過程中得到剛體結(jié)構。與傳統(tǒng)制造工藝相比，這個過程是簡單的快速的，可以制造任何復雜組件，包括聚合物、陶瓷、金屬。圖1是過程示意和原型樣品，(a)是尼龍巾鑲嵌鋁粒子的sem像，中心有結(jié)構細節(jié)的是mg粒子，白色是al粒子，加入少量的mg是為還原氧化鋁，它將不是鑄件中的成分。在尼龍被燒去時，這

6、個結(jié)構基本保持不變。(b)是氮化物骨架，圍繞al粒子的一些環(huán)狀結(jié)構的光學顯微鏡像，再滲入al時將形成密實結(jié)構。(c)是燒結(jié)的氮化鋁和滲鋁組件，小柱的厚為0.5 mm 其密度和強度都達到了傳統(tǒng)鑄造技術的水平。他們還制作了公斤重量多種結(jié)構的樣品。這是一種冶金技術的探索，開辟了一種新的冶金和制造技術途徑。2  納米材料的完美定律    描述材料結(jié)構的常用術語是原子結(jié)構和電子結(jié)構。原子結(jié)構的主要參量是晶格常數(shù)、鍵長、鍵角；電子結(jié)構的主要參量是能帶、量子態(tài)、分布函數(shù)。對于我們熟悉的宏觀體系，這些參量多是確定的常數(shù)，但對于納米體系，多數(shù)參量隨著原

7、子數(shù)量的改變而變化。這是納米材料和器件的典型特征，它決定了納米材料的多樣性。其中有個重要規(guī)律，我們稱之為納米材料的完美定律，用簡單表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了納米晶粒的魔數(shù)規(guī)則，即含有13、55、147等數(shù)量原子的原子團是穩(wěn)定的，對于富勒烯碳60和碳70存在的幾率最大，而對于碳59或碳71等結(jié)構體系根本不存在。這就是為什么斯莫利(smmolley)他們當初能在大量的富勒烯中首先發(fā)現(xiàn)碳60和碳70，從而獲得了諾貝爾獎。對于一維納米結(jié)構，包括納米管和納米線，存在類似的規(guī)則?？梢阅Ｐ蜕险J為是由殼層構成的，每個殼層中更精細的結(jié)構稱為股，每一股是一條原子鏈，中心為1股包裹殼層為7股的

8、表示為7-1結(jié)構，再外殼層為11股的，表示為11-7-1結(jié)構，等等，構成最穩(wěn)定的結(jié)構，這是一維納米結(jié)構的魔數(shù)規(guī)則。對二維納米膜存在類似的缺陷熔化規(guī)則，即不容許存在很多缺陷，一旦超過臨界值，缺陷自發(fā)產(chǎn)生，完全破壞二維晶態(tài)結(jié)構。上述這些低維結(jié)構特征是完美定律的具體表述，進步普遍表述理論是正在研究中的課題。    完美定律是我們討論涂層材料的出發(fā)點，因為納米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造過程中，方法簡單、產(chǎn)額高、低是最有競爭力的?？梢韵胂?，制造成本很高的材料和器件能有市場，一定是不計成本的特殊需要，有背景或短期的社

9、會需求。因此在我們探索納米材料制造時，首先考慮的應是滿足完美定律的技術，如用甲烷電弧法制備納米金剛石粉技術1，電化學沉積法制備金屬納米線陣列技術19，以及電爐燒結(jié)法制造氧化物納米帶技術20等等。3  涂層納米材料將給我們帶來什么?    涂層納米材料是納米科技領域具有代表的材料，或是低維納米材料的有序堆積結(jié)構，或者是低維納米材料填充的復合結(jié)構。兩者都比傳統(tǒng)材料有驚人的結(jié)構和特性。如新型高效光電池21、各向異性結(jié)構材料19、新型面光源材料22等，這里舉例介紹基于熱電效應的新型納米熱電變換材料。   &nbs

10、p;熱電效應器件的代表是熱電偶，即利用不同導體接觸的溫差電現(xiàn)象進行溫度測量的器件?；跓犭娦梢灾瞥蓛深惼骷簾岙a(chǎn)生電和電產(chǎn)生溫差。前者可以用于制造焦電器件，即用熱直接發(fā)電，如將焦電材料涂于內(nèi)燃機缸表面，利用缸體溫度高于環(huán)境幾百度的溫差發(fā)電，將余熱變作電能回收。后者可以做成電致冷器件。這類的直接熱電變換器件具有無污染，沒有活動部件，長壽命，高可靠性等優(yōu)點，但塊體材料制成器件的效率低，限制了它的應用。納米科技興起以后，人們探索利用納米晶或納米線結(jié)構能否解決熱電效應的效率問題。認為用量子點超晶格材料有希望顯著提高熱電器件的效率，這是由于納米材料顯著的能級分裂，有利于載流子的共振輸運和降低晶格熱傳導，從而提高了器件的效率。t.c.harman等人23報告了量子點超晶格結(jié)構的熱-電效應器件，他們制備了pbsetepbte量子點超晶格(qdsl)結(jié)構，用其制造了熱電器件(thermo-electrics，te)，圖2(a)是納米超晶格te致冷器件的結(jié)構和電路圖，(b)電流-溫度曲線。將te超晶格材料，其寬11