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  • 納米材料在化工行業(yè)中的應(yīng)用分析

    時(shí)間:2024-08-14 16:10:05 材料畢業(yè)論文 我要投稿
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    納米材料在化工行業(yè)中的應(yīng)用分析

      論文關(guān)鍵詞:納米材料;化工領(lǐng)域;應(yīng)用

      論文摘要:充滿生機(jī)的二十一世紀(jì),以知識(shí)經(jīng)濟(jì)為主旋律和推動(dòng)力正引發(fā)一場(chǎng)新的工業(yè)革命,節(jié)省資源、合理利用能源、凈化生存環(huán)境是這場(chǎng)工業(yè)革命的核心,納米技術(shù)在生產(chǎn)方式和工作方式的變革中正發(fā)揮重要作用,它對(duì)化工行業(yè)產(chǎn)生的影響是無(wú)法估量的。這里主要介紹納米材料在化工領(lǐng)域中的幾種應(yīng)用。 
       
       
      納米材料(又稱(chēng)超細(xì)微粒、超細(xì)粉末)是處在原子簇和宏觀物體交界過(guò)渡區(qū)域的一種典型系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)既不同于體塊材料,也不同于單個(gè)的原子。其特殊的結(jié)構(gòu)層次使它具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)等,擁有一系列新穎的物理和化學(xué)特性,在眾多領(lǐng)域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應(yīng)用價(jià)值。 
      納米材料在結(jié)構(gòu)、光電和化學(xué)性質(zhì)等方面的誘人特征,引起物理學(xué)家、材料學(xué)家和化學(xué)家的濃厚興趣。80年代初期納米材料這一概念形成以后,世界各國(guó)對(duì)這種材料給予極大關(guān)注。它所具有的獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),使人們意識(shí)到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來(lái)新的機(jī)遇。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊。近年來(lái),它在化工生產(chǎn)領(lǐng)域也得到了一定的應(yīng)用,并顯示出它的獨(dú)特魅力。 
       
      一、納米材料的特殊性質(zhì) 
       
     。ㄒ唬┝W(xué)性質(zhì) 
      高韌、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開(kāi)發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典主題。具有納米結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度與粒徑成反比。納米材料的位錯(cuò)密度很低,位錯(cuò)滑移和增殖符合Frank-Reed模型,其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大,增殖后位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大,所以納迷材料中位錯(cuò)滑移和增殖不會(huì)發(fā)生,這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。 
       
      (二)磁學(xué)性質(zhì) 
      當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬盤(pán)系統(tǒng)的磁記錄密度超過(guò)1.55Gb/cm2,在這情況下,感應(yīng)法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%,已不能滿足需要,而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%,可以用于信息存儲(chǔ)的磁電阻讀出磁頭,具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。 
       
     。ㄈ╇妼W(xué)性質(zhì) 
      由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大,納米材料的電阻高于同類(lèi)粗晶材料,甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變(SIMIT)。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫(kù)侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點(diǎn),有可能在不久的將來(lái)全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。 
       
     。ㄋ模釋W(xué)性質(zhì) 
      納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類(lèi)粗晶材料和非晶體材料的值,這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲(chǔ)熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。 
       
      二、納米材料在化工行業(yè)中的應(yīng)用 
       
     。ㄒ唬┰诖呋矫娴膽(yīng)用 
      催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用,它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低,而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi),使經(jīng)濟(jì)效益難以提高,而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多,為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑,可大大提高反應(yīng)效率,控制反應(yīng)速度,甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高10~15倍。
      納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑,特別是在有機(jī)物制備方面。分散在溶液中的每一個(gè)半導(dǎo)體顆粒,可近似地看成是一個(gè)短路的微型電池,用能量大于半導(dǎo)體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時(shí),半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子——空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下,電子與空穴分離,分別遷移到粒子表面的不同位置,與溶液中相似的組分進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)。 
       
     。ǘ┰谕苛戏矫娴膽(yīng)用 
      納米材料由于其表面和結(jié)構(gòu)的特殊性,具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能,顯示出強(qiáng)大的生命力。表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)。納米材料為表面涂層提供了良好的機(jī)遇,使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù),添加納米材料,可獲得納米復(fù)合體系涂層,實(shí)現(xiàn)功能的飛躍,使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層。結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性;功能涂層是賦予基體所不具備的性能,從而獲得傳統(tǒng)涂層沒(méi)有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層,抗氧化、耐熱、阻燃涂層,耐腐蝕、裝飾涂層等;功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學(xué)涂層,導(dǎo)電、絕緣、半導(dǎo)體特性的電學(xué)涂層,氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料,可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力,實(shí)現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等,在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到殺菌保潔作用。在標(biāo)牌上使用納米材料涂層,可利用其光學(xué)特性,達(dá)到儲(chǔ)存太陽(yáng)能、節(jié)約能源的目的。在建材產(chǎn)品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料,可以達(dá)到減少光的透射和熱傳遞效果,產(chǎn)生隔熱、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料,所應(yīng)用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子,在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性,因而能起到靜電屏蔽作用,而且氧化物納米微粒的顏色不同,這樣還可以通過(guò)復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色,克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變,還具有隨角變色效應(yīng)。在汽車(chē)的裝飾噴涂業(yè)中,將納米TiO2添加在汽車(chē)、轎車(chē)的金屬閃光面漆中,能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果,從而使傳統(tǒng)汽車(chē)面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2,可使涂料的抗老化性能、光潔度及強(qiáng)度成倍地增加。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景,將為涂層技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命,也將推動(dòng)復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。

     。ㄈ┰诰(xì)化工方面的應(yīng)用 
      精細(xì)化工是一個(gè)巨大的工業(yè)領(lǐng)域,產(chǎn)品數(shù)量繁多,用途廣泛,并且影響到人類(lèi)生活的方方面面。納米材料的優(yōu)越性無(wú)疑也會(huì)給精細(xì)化工帶來(lái)福音,并顯示它的獨(dú)特畦力。在橡膠、塑料、涂料等精細(xì)化工領(lǐng)域,納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米SiO2,可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3,和SiO2,加入到普通橡膠中,可以提高橡膠的耐磨性和介電特性,而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料,可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性,而且致密性和防水性也相應(yīng)提高。 
      納米科學(xué)是一門(mén)將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué),主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代,為此,國(guó)家科委、中科院將納米技術(shù)定位為“21世紀(jì)最重要、最前沿的科學(xué)”。納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域,在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生,將對(duì)人類(lèi)社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,并有可能從根本上解決人類(lèi)面臨的許多問(wèn)題,特別是能源、人類(lèi)健康和環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題。 
       
      參考文獻(xiàn): 
      [1]張立德,牟季美,納米材料和納米結(jié)構(gòu),科學(xué)出版社,2001. 
      [2]嚴(yán)東生,馮端,材料新星?納米材料科學(xué),湖南科學(xué)技術(shù)出版社,1998年. 
      [3]H.Gleiter (德)著,崔平,方永,葛庭燧譯,納米材料,原子能出版社,1994年. 
      [4]Dyer P E, Farley R J, Giedl R, et al.. Excimer laser ablation of polymers and glasses for grating

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