第一篇：熱敏半導(dǎo)體陶瓷的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展

熱敏半導(dǎo)體陶瓷的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)展

摘要：半導(dǎo)體陶瓷是當(dāng)今世界迅速發(fā)展的一項(xiàng)高新技術(shù)領(lǐng)域，熱敏半導(dǎo)體陶瓷作為其中的一類(lèi)，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。本文分別對(duì)正溫度系數(shù)熱敏陶瓷（PTC），負(fù)溫度系數(shù)熱敏陶瓷（NTC）和臨界溫度急變陶瓷（CTR）的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了簡(jiǎn)要敘述，并對(duì)熱敏半導(dǎo)體陶瓷存在的問(wèn)題及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了分析探討。

關(guān)鍵詞： PTC陶瓷；NTC陶瓷；CTR陶瓷；現(xiàn)狀；發(fā)展前景

1.前言

半導(dǎo)體陶瓷是具有半導(dǎo)體性能的無(wú)機(jī)非金屬多晶材料的總稱(chēng)。其電導(dǎo)率約在10-3~108 Ω·cm之間，受外界條件如溫度、光照、電場(chǎng)、氣氛、濕度等影響可能發(fā)生顯著的變化，使得它可以把外界物理化學(xué)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楸阌谔幚淼碾娦盘?hào)，從而制成各種用途的敏感元件[l,2]。

熱敏半導(dǎo)體陶瓷[1]是半導(dǎo)體陶瓷材料的一類(lèi)，其電阻、磁性、介電等性質(zhì)隨環(huán)境溫度變化而變化。熱敏半導(dǎo)體陶瓷敏感元件具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代微電子技術(shù)、光電技術(shù)、通訊技術(shù)等許多高技術(shù)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用，已受到國(guó)防、科技、工農(nóng)業(yè)、特別是材料科學(xué)領(lǐng)域的極大重視。

熱敏半導(dǎo)瓷陶瓷材料主要為各類(lèi)電阻材料，按其溫度特性可分為正溫度系數(shù)熱敏陶瓷（PTC），負(fù)溫度系數(shù)熱敏陶瓷（NTC）和臨界溫度急變陶瓷（CTR）等。下面主要對(duì)這三種熱敏半導(dǎo)體陶瓷研究現(xiàn)狀及應(yīng)用進(jìn)行介紹。

2.國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

2.1 PTC陶瓷材料

2.1.1 PTC陶瓷材料的研究現(xiàn)狀

目前PTC熱敏陶瓷主要有三大類(lèi)[3]：第一類(lèi)是采用BaPbO3基材料制作的PTC熱敏陶瓷，第一類(lèi)是氧化釩（V2O3）基材料，第三類(lèi)是BaTiO3基材料。

BaPbO3基半導(dǎo)體陶瓷的居里溫度約為750℃，這一特性使其在高溫過(guò)流保護(hù)裝置領(lǐng)域很受青睞，但其起跳幅度仍需要提高[4]。BaPbO3基半導(dǎo)體陶瓷具有優(yōu)異的金屬導(dǎo)電性以及較低的室溫電阻率，而且在高溫下還具有正溫度系數(shù)（PTC）特性，通過(guò)摻雜不同元素，其PTC特性可得到顯著改善，現(xiàn)已在陶瓷點(diǎn)擊、導(dǎo)電膠、抗蝕材料及高溫道題上獲得一定的應(yīng)用。Itoh[5]等報(bào)道了在Ba1-xSrPbO3中隨著x的增加，其電導(dǎo)率也隨之增加，同時(shí)其晶體結(jié)構(gòu)也隨之改變。當(dāng)溫度為77K時(shí)，載流子濃度也從BaPbO3的2.7×1020下降到SrPbO3的2×1018cm-3，但晶格畸變程度則相應(yīng)地增加。在摻雜方面，國(guó)內(nèi)主要集中在稀土元素上，蔡偉民[6]等研究了鋪摻雜BaPbO3的EXAFS，發(fā)現(xiàn)稀土鋪摻雜后，BaPbO3結(jié)構(gòu)發(fā)生部分畸變，開(kāi)

始由立方向四方轉(zhuǎn)變，同時(shí)鉛的配位數(shù)也降低了，分別為3.7和4.1，銪的配位也只有4左右，說(shuō)明摻銪后在Pb和Eu周?chē)霈F(xiàn)了氧空位，從而解釋了材料具有高導(dǎo)電性的原因。

V2O3基陶瓷材料的研究起步較晚，近幾十年才逐漸發(fā)展起來(lái)。其PTC效應(yīng)來(lái)源于溫度誘發(fā)的體效應(yīng)，且不受電壓和頻率的影響。該材料具有較低的常溫電阻率和較大大的同流能力，這些特點(diǎn)使得V2O3基PTC陶瓷材料在大電流過(guò)流保護(hù)元件方面具有廣闊的應(yīng)用前景[7]。陳文等[8]研究了淬冷對(duì)V2O3系PTC陶瓷材料阻溫特性的影響，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)液氮淬冷處理后樣品中某些晶粒表面產(chǎn)生了長(zhǎng)度為2~4μm的微裂紋，明顯改善了材料的性能。同時(shí)他們?cè)诓牧现刑砑游⒘康腟nO2，會(huì)使V2O3系PTC陶瓷材料更加致密、常溫電阻率較低，其升阻比得到極大提高。薛榮生[9]研究了以少量、微量Al2O3、SiO2、TiO2的納米超微粒子和BN超微粉體的添加對(duì)PTCR半導(dǎo)體陶瓷材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)少量的納米超微粒子的加入能夠使產(chǎn)品性能得到非常顯著的提高，而B(niǎo)N超微粉體的加入能夠有效消除生產(chǎn)中過(guò)量受主雜質(zhì)Fe的混入而帶來(lái)的PTC特性惡化的影響。V2O3基PTC陶瓷材料作為一種新興的材料和元件正逐漸被人們所關(guān)注，隨著科研、生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展和提高，其PTC的特性將會(huì)不斷發(fā)展和成熟，從而使它的應(yīng)用范圍不斷向廣度和深度發(fā)展。

目前，無(wú)論是理論還是工藝研究的比較成熟的是BaTiO3基PTC陶瓷。由于制備BaTiO3基PTC陶瓷主要以傳統(tǒng)固相反應(yīng)法為主，燒結(jié)溫度在 1200℃以上，純的BaTiO3陶瓷室溫電阻率達(dá)到109??cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)BaTiO3基半導(dǎo)體PTC陶瓷的低室溫電阻率(<104??cm)的應(yīng)用要求，而且純BaTiO3陶瓷的居里點(diǎn)在120℃左右，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際的需要；因此，通常都需要在BaTiO3陶瓷中引入一些摻雜劑來(lái)改善BaTiO3基陶瓷的PTC性[10]。蒲永平[11]等人通過(guò)用不同摻雜濃度Nb2O5摻雜BaTiO3陶瓷，研究發(fā)現(xiàn)：隨著Nb2O5摻雜量的增大，陶瓷的平均晶粒尺寸先增大后減小，室溫電阻率也隨之先減小后增大，這說(shuō)明室溫電阻率有一個(gè)最小值。另外，不同Nb2O5的摻雜方式也會(huì)影響B(tài)aTiO3基陶瓷的PTC性能。潘彬[12]等人利用液相摻雜及低溫固相反應(yīng)的方法制備了Bi摻雜BaTiO3納米晶體，發(fā)現(xiàn)Bi摻雜BaTiO3晶體在常溫下為立方晶系，顆粒基本呈球形，大小均勻，而且在燒結(jié)溫度為1330℃、保溫時(shí)間為20min條件下所制PTC陶瓷性能最佳。寧青菊[13]等人研究了影響B(tài)aTiO3基PTC陶瓷材料的因素，發(fā)現(xiàn)Bi3+取代微量Pb2+可以使BaTiO3半導(dǎo)化，且具有PTC效應(yīng)，但是室溫下其電阻較大；用V5+取代微量Pb2+，不能實(shí)現(xiàn)BaTiO3的半導(dǎo)化；NBT-BaTiO3陶瓷在還原氣氛下燒結(jié)，半導(dǎo)化效果良好，但沒(méi)有PTC效應(yīng)，經(jīng)重氧化試樣的室溫電阻增加，具有PTC效應(yīng)。

綜上所述，一般BaTiO3陶瓷的室溫電阻率首先會(huì)隨著施主摻雜量增大而減

小，當(dāng)施主摻雜量達(dá)到某一值時(shí)，室溫電阻率降達(dá)到最小值，如果施主摻雜量繼續(xù)增大，室溫電阻率則會(huì)急劇增大。對(duì)于摻雜不同種類(lèi)的施主離子，BaTiO3陶瓷的室溫電阻率達(dá)到最小值時(shí)的摻雜量一般也是不同的。2.1.2 PTC陶瓷材料的應(yīng)用

我國(guó)在PTC熱敏陶瓷方面的研究開(kāi)始于20世紀(jì)60年代，之后許多高校和研究所都在對(duì)該方向就行大量的研究，并獲得一定的研究成果。而在國(guó)外，PTC熱敏陶瓷電阻器的實(shí)用化是從上世紀(jì)60年代開(kāi)始的，到七十年代中期得到很大的發(fā)展，相繼研制開(kāi)發(fā)出了不同用途的PTC熱敏電阻元件。世界上最大的電子陶瓷生產(chǎn)公司之一的日本村田制作報(bào)導(dǎo)，其PTC產(chǎn)品的品種規(guī)格已達(dá)169種之多。近年來(lái)，相繼開(kāi)發(fā)出消磁用PTC熱敏電阻器、馬達(dá)啟動(dòng)用PTC熱敏電阻器、限流用PTC熱敏電阻器、加熱用PTC熱敏電阻器、片式PTC熱敏電阻器等，這些電阻器分別在彩電和彩顯、冰箱空調(diào)啟動(dòng)、電子儀器、醫(yī)療加熱器等方面發(fā)揮著特別重要的作用[14]。

2.2 NTC陶瓷材料

2.2.1 NTC陶瓷材料的研究現(xiàn)狀

NTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷是負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏半導(dǎo)體陶瓷的簡(jiǎn)稱(chēng)。NTC熱敏陶瓷種類(lèi)繁多，按材料組成和結(jié)構(gòu)可以分為氧化物系、非氧化物系和單體等[15]，其晶相結(jié)構(gòu)有尖晶石、螢石、鈣鈦礦、金紅石等多種結(jié)構(gòu)類(lèi)型[16]。而應(yīng)用較廣泛的NTC熱敏陶瓷材料大多數(shù)為AB2O4尖晶石結(jié)構(gòu)型氧化物半導(dǎo)體陶瓷，如以MnO、CoO、NiO、Fe2O3和CuO為主要成份的二元或多元氧化物的混晶結(jié)構(gòu)材料。NTC熱敏陶瓷材料因?yàn)槠漭^大的電阻溫度系數(shù)、穩(wěn)定的性能一級(jí)寬廣的使用溫區(qū)而得到快速發(fā)展。這種材料的制備工藝比較簡(jiǎn)單，成本較低廉，但性能在很大程度上受到燒結(jié)工藝、粉體合成、組成、摻雜以及熱處時(shí)間等工藝因素的影響。

首先，燒結(jié)工藝對(duì)于NTC熱敏陶瓷材料的性能有很大的影響。張惠敏等人[17]探討了不同燒結(jié)方法對(duì)CoMnNiO系NTC熱敏半導(dǎo)體陶瓷特性及電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，①采用共沉淀法制備的熱敏電阻超微細(xì)粉體材料燒結(jié)性能好，且成瓷致密、均勻、材料一致性好；②微波燒結(jié)的樣品成瓷均勻、致密，且在同樣溫度下微波燒結(jié)制備的熱敏元件B值、阻值一致性較常規(guī)燒結(jié)方法有較大提高。由此可見(jiàn)，微波燒結(jié)技術(shù)在制備熱敏電阻陶瓷材料方面有潛在的優(yōu)勢(shì)。

粉體合成方法對(duì)于NTC特性影響也很大。楊陽(yáng)等人[18]采用先進(jìn)的半導(dǎo)體陶瓷生產(chǎn)工藝制備出阻值一致性好、抗沖擊性強(qiáng)、穩(wěn)定性好的Sr-Co-O系NTC熱敏陶瓷電阻元件，提高了生產(chǎn)效率和元件的成品率。另通過(guò)控制非化學(xué)計(jì)量比的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)SrCo1-xNixO3-δ材料的反應(yīng)溫度、恒溫時(shí)間、Ni的含量來(lái)控制燒結(jié)后樣品的電阻值和熱敏電阻參數(shù)B值，制備出不同參數(shù)可以在-253℃一下使用的低溫

NTC氧化物熱敏電阻材料。而且還分別運(yùn)用高溫固相法和液相法制備了SrCo1-xNixO3-δ陶瓷粉體，得出液相法制備的粉體陶瓷樣品的燒結(jié)溫度低、阻值和B值的一致性好，降低了燒結(jié)溫度，提高了成品率。

組成不同的NTC熱敏材料，其結(jié)構(gòu)性能有很大的差異。王衛(wèi)民[19]通過(guò)傳統(tǒng)固相法制備Mn-Co-Ni-O基熱敏半導(dǎo)體陶瓷，并研究組成對(duì)其相結(jié)構(gòu)與電性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：①制備具有單一尖晶石結(jié)構(gòu)的Mn-Co-Ni-O系半導(dǎo)體陶瓷材料，是保持熱敏半導(dǎo)瓷良好電性能的前提，加入CuO雖然可以將燒結(jié)溫度降低至1100℃，但是也降低了B值；②V2O5摻雜不能促進(jìn)Mn-Co-Ni-O系半導(dǎo)瓷的燒結(jié)，但可以促進(jìn)Mn-Co-Ni-Cu-O系半導(dǎo)瓷的燒結(jié)。

摻雜元素對(duì)材料性能也有著不同程度的影響。NTC熱敏電阻材料可以通過(guò)添加少量摻雜物，改善材料的性能。楊濤[20]以Mg-Al-Cr-Fe-O系高溫NTC熱敏材料為基礎(chǔ)，研制出一種高溫?zé)Y(jié)體高溫NTC熱敏陶瓷材料，并研究摻雜La2O3、Y2O3、CeO2對(duì)材料體系性能的影響。得到摻雜La2O3與Cr2O3形成高溫穩(wěn)定性好的LaCrO3晶相物質(zhì)，摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%La獲得材料電阻率最大，樣品老化后電阻率、B值均增大，B值達(dá)10000K以上。摻雜Y2O3、CeO2均未與配方中各氧化物形成新物質(zhì)，對(duì)體系樣品電性能影響不大，未能優(yōu)化性能。

不同制備方法使NTC熱敏陶瓷的性能有一定差異。王肖燕[21]BaSnO3陶瓷材料的NTC特性研究用傳統(tǒng)固相法制備了具有良好NTC特性的BaSnO3半導(dǎo)體陶瓷，分析研究其N(xiāo)TC的機(jī)理，認(rèn)為導(dǎo)帶電子由于熱激發(fā)而越過(guò)晶界勢(shì)壘的導(dǎo)電過(guò)程是其具有NTC特性的根本原因，這與傳統(tǒng)NTC材料因極化子導(dǎo)電而具有NTC特性有著本質(zhì)的不同。另外還考察了Mn2+摻雜對(duì)BaSnO3陶瓷NTC特性的影響，發(fā)現(xiàn)在0.5mol%~2.6mol%的摻雜范圍內(nèi)，隨著Mn的摻雜量的增加，材料B值隨之增大，但過(guò)多Mn摻雜會(huì)使材料的室溫電阻率增大。而且采用單面Mn2+的涂覆擴(kuò)散處理方式，可以制備出較低的視在室溫電阻率、高B值及線(xiàn)性度較好的NTC陶瓷材料。楊濤[20]以Mg-Al-Cr-Fe-O系高溫NTC熱敏材料為基礎(chǔ)，研制出一種高溫?zé)Y(jié)體高溫NTC熱敏陶瓷材料，并系統(tǒng)研究了不同工藝參數(shù)對(duì)該體系材料性能的影響。發(fā)現(xiàn)：①預(yù)燒溫度越低，獲得的熱敏電阻的阻值與B值越高；②隨球磨時(shí)間增加熱敏電阻中尖晶石比例越高，B值有所增加，球磨20h獲得電阻值最大；③保溫時(shí)間對(duì)阻值影響較大，樣品保溫6h燒結(jié)得到的樣品阻值最大，保溫時(shí)間過(guò)短或過(guò)長(zhǎng)，樣品電阻率均減小。2.2.2 NTC陶瓷材料的應(yīng)用

由于NTC熱敏電阻的阻溫特性以及伏安特性，NTC熱敏電阻已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及國(guó)防科研等各個(gè)方面。按其所起到的作用分為三類(lèi)[21]：第一，溫度補(bǔ)償作用。主要是在石英振蕩器電路內(nèi)設(shè)置溫度補(bǔ)償電路，可以在相當(dāng)

寬的溫度范圍內(nèi)獲得良好的溫度特性。第二，抑制浪涌電流。開(kāi)關(guān)電源、電機(jī)、變壓器或者照明電流源等在接通時(shí)，有很大的浪涌電流，將NTC熱敏電阻和這些元件串連，可以有效地抑制這種電流，對(duì)元件起到保護(hù)作用。同時(shí)，抑制浪涌電流的 NTC元件也用于電子裝置，如限制熒光燈、探照燈、幻燈、鹵素?zé)舻取５谌琋TC熱敏電阻還可用于溫度檢測(cè)。其在熱水器、空調(diào)、廚房設(shè)備（微波爐、電熱鍋、消毒柜等）、辦公用品（遙控器、無(wú)繩電話(huà)等）、汽車(chē)電控等方面已有廣泛應(yīng)用。

隨著智能化儀器儀表對(duì)高精度熱敏器件需求的日益擴(kuò)大、以及手機(jī)、掌上電腦、筆記本電腦和其它便攜式信息及通信設(shè)備的迅速普及，進(jìn)一步帶動(dòng)了對(duì)熱敏電阻的大量需求，主要表現(xiàn)在大量充電電池、液晶顯示器(LCD)、溫度補(bǔ)償型晶體振蕩器(TCXO)等都必須采用熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以保證器件性能穩(wěn)定。另外，高密度組裝的電路結(jié)構(gòu)對(duì)溫度測(cè)量和控制的要求也就更加迫切[19]。

調(diào)查研究表明目前NTC熱敏元件的銷(xiāo)售額約已經(jīng)占到熱敏元件整體銷(xiāo)售總量的20％左右，所以NTC熱敏材料具有巨大的研究、發(fā)展空間。在工業(yè)和民用 許多領(lǐng)域都需要NTC熱敏電阻及器件，NTC產(chǎn)業(yè)前景非常好[22]。

2.3 CTR陶瓷的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀

臨界溫度系數(shù)熱敏電阻(CTR)是一種具有開(kāi)關(guān)特性的負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻[4]。CTR溫敏器件是利用材料從半導(dǎo)體相轉(zhuǎn)變到金屬相時(shí)電阻的急劇變化而制成，故稱(chēng)為臨界溫度急變溫敏電阻[21]。由于某些材料的轉(zhuǎn)變溫度較低，因此必須在低溫情況下使用。如果需要轉(zhuǎn)變溫度較高一些的CTR熱敏電阻，就必須攙雜一些氧化物(如CaO、SrO、BaO、SiO2、TiO2 等)。利用這種熱敏電阻可以制成固態(tài)無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，具有廣泛的應(yīng)用前景。VO2系臨界溫度熱敏陶瓷已應(yīng)用于恒溫箱溫度控制、火災(zāi)報(bào)警和電路的過(guò)熱保護(hù)等[23]。

國(guó)外對(duì)于CTR半導(dǎo)瓷材料的研究從上世紀(jì)四十年代就開(kāi)始了。1946年, Foex等人首先觀察到V2O3的電阻率在173K時(shí)下降105倍的現(xiàn)象。1959年，Morin又發(fā)現(xiàn)VO2、VO、Ti2O3、NbO2等也有同樣特性，其轉(zhuǎn)變溫度VO2為341K，VO為126K，Ti2O3為450K，NbO2為1070K。1965年，日本日立公司利用這種躍變特性首次制成CTR。它是以VO2為基加上Mg、Ca、Ba、Pb和P、B、Si的氧化物組成的二元系或三元系氧化物，在還原氣氛下燒結(jié)后，在900℃以上淬火制成[24]。發(fā)展到今天，其理論與生產(chǎn)工藝都已經(jīng)相當(dāng)成熟。而我國(guó)從上世紀(jì)80年代開(kāi)始研究CRT半導(dǎo)體陶瓷材料，不過(guò)關(guān)于該方面研究的交流甚少。目前，國(guó)內(nèi)主要研究的是V-P-Fe系CTR電阻。

孫健等人[25]研究了3種樣品的測(cè)量結(jié)果對(duì)應(yīng)的電阻-溫度特性曲線(xiàn)，比較其不同組份的導(dǎo)電特性，得到：①材料組份比的不同，將導(dǎo)致產(chǎn)品性能產(chǎn)生很大差距，它們的多數(shù)不能形成穩(wěn)定的尖晶石結(jié)構(gòu)，只能形成各種多晶氧化物的機(jī)械混合物。隨組份比波動(dòng)大，對(duì)熱處理敏感；②各組分之間相互牽制影響。另外，王惠等人[26]從微觀方面分析了V-P-Fe系CTR組分與材料性能的關(guān)系，得出V-P-Fe系CTR材料的導(dǎo)電模型是：晶粒體-粒界模型。利用該模型對(duì)該材料的實(shí)測(cè)阻溫特性曲線(xiàn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)晶粒體阻值具有臨界特征，且在高溫態(tài)呈金屬性，在低溫態(tài)成為半導(dǎo)體，而粒界的導(dǎo)電則采取“電勢(shì)壘模式”。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于CTR熱敏陶瓷材料的研究交流較少，特別是對(duì)于其制備工藝以及影響其特性的因素方面的報(bào)道。國(guó)內(nèi)的孫健等人[27]曾用燒結(jié)方法制成價(jià)格低廉的多晶VO2的CTR熱敏材料。由于粗粒多晶也和單晶一樣，在反復(fù)相變后性能不穩(wěn)定，他們先使VO2微晶化并在其中摻入一些P2O5酸性氧化物，在弱還原性氣氛中燒結(jié)并急劇冷卻，使氧化物形成的玻璃相將VO2微晶粘結(jié)起來(lái)，以緩和相變引起的變形，同時(shí)又加入一些可以變價(jià)的Fe2O3堿性氧化物，以使CTR在導(dǎo)電中可因這些氧化物原子的變價(jià)而導(dǎo)電。經(jīng)過(guò)反復(fù)篩選摸索工藝條，研制出了取材容易、價(jià)格低廉、體積小、響應(yīng)快、性能良好的V-P-Fe系CTR珠狀元件。

3.熱敏半導(dǎo)體陶瓷存在的問(wèn)題及展望

3.1 存在的問(wèn)題

雖然我國(guó)的熱敏半導(dǎo)體陶瓷材料在理論和應(yīng)用方面的研究均取得了很快的發(fā)展，但是在技術(shù)和生產(chǎn)工藝方面還是與國(guó)外的水平之間存在著一定的差距，主要表現(xiàn)在：

①產(chǎn)品的品種少，種類(lèi)不齊全；

②生產(chǎn)工藝與國(guó)外的水平有一定的差距，自動(dòng)化生產(chǎn)程度相對(duì)較低，產(chǎn)品的一致性和合格率均較低；

③所有原料的一致性和穩(wěn)定性差，這對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)的重復(fù)性都有極大的影響。

④測(cè)試技術(shù)不健全，對(duì)原材料與產(chǎn)品性能的測(cè)試不夠完善，缺乏科學(xué)分析手段，生產(chǎn)者遇到的質(zhì)量問(wèn)題不能及時(shí)解決。

3.2 未來(lái)發(fā)展方向

首先，對(duì)于PTC陶瓷材料，其市場(chǎng)規(guī)模一方面會(huì)隨著消費(fèi)類(lèi)等產(chǎn)品的發(fā)展而同步增長(zhǎng)，另一方面會(huì)隨著PTC陶瓷元件在其他各個(gè)領(lǐng)域（如軍事、航天、汽車(chē)、通訊、家電等領(lǐng)域）的推廣而進(jìn)一步增長(zhǎng)。其中汽車(chē)領(lǐng)域上的應(yīng)用將會(huì)是一個(gè)很大的發(fā)展市場(chǎng)。而在技術(shù)方面，從目前看，主要向三個(gè)方向發(fā)展[28]：①高溫PTC半導(dǎo)體陶瓷：目前，國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的高溫PTC熱敏陶瓷的居里溫度約為300℃，而實(shí)際應(yīng)用中很多時(shí)候要求居里溫度更高，所以發(fā)展高溫PTC陶瓷元件勢(shì)在必得；②V型PTC陶瓷材料：V型PTC陶瓷材料是指在溫度達(dá)到或超過(guò)居里溫度時(shí)

呈現(xiàn)PTC特性，而低于居里溫度時(shí)呈現(xiàn)NTC的特性。這種材料能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)PTC陶瓷的不足，目前已經(jīng)研制開(kāi)發(fā)出來(lái)的V型PTC陶瓷材料主要是(Sr、Pb)TiO3系的V型PTC陶瓷；③低電阻PTC陶瓷材料：對(duì)于PTC陶瓷元件要求較大的起始電流，所以就要求其室溫電阻率越來(lái)越低。

對(duì)于NTC半導(dǎo)體陶瓷：隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，多層片式NTC熱敏陶瓷[20]己經(jīng)成為了國(guó)內(nèi)外研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。它是一種技術(shù)含量高、生產(chǎn)難度大、產(chǎn)品附加值高的新型無(wú)源電子元件，涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：超低電阻率超微細(xì)粉體原料的制備、瓷體微晶結(jié)構(gòu)的控制、高性能坯體綠色成型技術(shù)，以及氣氛燒結(jié)等工藝技術(shù)等。國(guó)外在此技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ覀儑?yán)格保密，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的片式NTC熱敏元件，對(duì)滿(mǎn)足迅速發(fā)展的國(guó)內(nèi)電子信息產(chǎn)業(yè)的需求具有重大意義。另外，NTC熱敏電阻老化特性研究和可控性研究也將是未來(lái)一段時(shí)間重點(diǎn)研究的方向。

而迄今為止，對(duì)于CRT半導(dǎo)體陶瓷的認(rèn)識(shí)還是不夠深入，今后應(yīng)從缺陷化學(xué)、熔體化學(xué)及粒界形成的熱力學(xué)方面進(jìn)一步的深入研究。在這方面 理論和應(yīng)用研究的進(jìn)展，都將會(huì)極力的促進(jìn)我國(guó)電子陶瓷的生產(chǎn)和電子科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步。另外，在CTR熱敏陶瓷的制備過(guò)程中，可以嘗試?yán)糜?jì)算機(jī)來(lái)控制預(yù)燒和燒結(jié)。

參考文獻(xiàn)

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第二篇：潔凈煤技術(shù)的研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

摘要：我國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó),大力開(kāi)發(fā)應(yīng)用和推廣適合我國(guó)國(guó)情的潔凈煤技術(shù)是我國(guó)能源發(fā)展

戰(zhàn)略的主要內(nèi)容，具有重要的意義。闡述了潔凈煤技術(shù)的研究背景及其概念，介紹和分析了國(guó)內(nèi)、外潔凈煤技

術(shù)的研究和發(fā)展現(xiàn)狀, 重點(diǎn)論述了我國(guó)目前在潔凈煤研究領(lǐng)域的情況，如煤炭地下氣化技術(shù)、工業(yè)型煤技術(shù)、水煤漿技術(shù)、煤液化技術(shù)、潔凈煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)等的情況，列出了潔凈煤技術(shù)的特點(diǎn),指出了我國(guó)發(fā)展?jié)?/p>

凈煤技術(shù)應(yīng)加強(qiáng)的工作。

關(guān)鍵詞：煤炭；潔凈煤技術(shù)；研究現(xiàn)狀

煤炭是世界上最豐富的化石燃料資源，占世界化石燃料貯量的70%以上。世界煤的儲(chǔ)量也十分豐富，計(jì)有可采煤6 369 億t[1]。我國(guó)煤的儲(chǔ)量居世界第三位（有可采煤989 億t）僅次于美國(guó)（1 776 億t），獨(dú)聯(lián)體國(guó)家（前蘇聯(lián)1 099 億t）

[2]。目前煤炭約占世界一次能源消費(fèi)的30%，按世界能源會(huì)議預(yù)測(cè)，煤炭作為一次能源的重要組成部分的地位將在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)改變，預(yù)計(jì)2020 年煤炭將占世界一次能源消費(fèi)的33.7%。中國(guó)是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，目前煤炭提供了我國(guó)一次能源的70%左右，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)幾十年內(nèi)，煤炭仍將是我國(guó)主要的一次能源。煤炭作為能源對(duì)人類(lèi)的發(fā)展作出了巨大的貢獻(xiàn)，但在煤炭的開(kāi)發(fā)與利用過(guò)程中也產(chǎn)生了一系列污染問(wèn)題，危及生態(tài)平衡與人類(lèi)生存。

潔凈煤技術(shù)旨在最大限度地發(fā)揮煤作為能源的潛能利用，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)最少的污染物釋放，達(dá)到煤的高效，清潔利用目的。潔凈煤技術(shù)是一項(xiàng)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)工程，包含從煤炭開(kāi)發(fā)到利用的所有技術(shù)領(lǐng)域，主要研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目包括煤炭的加工、高效燃燒、轉(zhuǎn)化和污染控制等[3]。為解決美國(guó)和加拿大的越境酸雨問(wèn)題, 美國(guó)于1986 年率先提出潔凈煤技術(shù)（Clean Coal Technology），并制訂出潔凈煤技術(shù)示范計(jì)劃。此后10 年中，潔凈煤技術(shù)已引起國(guó)際社會(huì)普遍重視，目前已成為世界各國(guó)解決環(huán)境問(wèn)題的主導(dǎo)技術(shù)之一。國(guó)外潔凈煤技術(shù)的進(jìn)展

美國(guó)是最早制定和實(shí)施潔凈煤技術(shù)的國(guó)家[3]。美國(guó)“潔凈煤技術(shù)示范計(jì)劃”共制訂了5 輪計(jì)劃的實(shí)施。共有40 個(gè)CCT 項(xiàng)目，分布于美國(guó)的18 個(gè)州。項(xiàng)目類(lèi)型共分為以下4 類(lèi)：（1）先進(jìn)發(fā)電技術(shù):包括常壓循環(huán)流化床燃燒發(fā)電、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電等共11 個(gè)項(xiàng)目。目前已完成Nucla 常壓循環(huán)流化床鍋爐示范項(xiàng)目和Tidd 增壓流化床鍋爐示范項(xiàng)目。幾項(xiàng)煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電示范項(xiàng)目如Pinon Pine 示范項(xiàng)目、Tampa 示范項(xiàng)目、WabashRiver 示范項(xiàng)目等也分別于1996 年和1997 年投入運(yùn)行。（2）環(huán)境控制設(shè)備：主要包括各種低NOX 燃燒器、燃料脫硫技術(shù)、煙氣脫硫裝置等共19 個(gè)項(xiàng)目，到1996 年底已完成11 個(gè)示范項(xiàng)目。（3）清潔煤制備技術(shù): 包括選煤、煤質(zhì)專(zhuān)家系統(tǒng)、煤溫和氣化技術(shù)、煤液化技術(shù)等共5 項(xiàng)。（4）工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目：包括在鋼鐵工業(yè)、水泥工業(yè)等的應(yīng)用性示范項(xiàng)目共5 項(xiàng)。上述項(xiàng)目中，總投資超過(guò)60 億美元, 其中美國(guó)政府投資約為1/3，工業(yè)界投資約為2/3。如此規(guī)模巨大的潔凈煤示范計(jì)劃被譽(yù)為是繼原子彈計(jì)劃、航天計(jì)劃、星球大戰(zhàn)計(jì)劃后美國(guó)政府組織的又一大全國(guó)性計(jì)劃。歐洲[3]，[4]也積極推動(dòng)潔凈煤技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。歐共體制訂了“兆卡”

計(jì)劃（Thermic Program），旨在促進(jìn)歐洲能源利用新技術(shù)的開(kāi)發(fā)，減少對(duì)石油的依賴(lài)和煤炭利用造成的環(huán)境污染，確定經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展。歐洲特別是德國(guó)等國(guó)在選煤、型煤加工、煤炭氣化和液化、循環(huán)流化床燃燒技術(shù)、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、煙氣脫硫技術(shù)等方面都取得了很大的進(jìn)展。日本于1991 年開(kāi)始向潔凈煤技術(shù)發(fā)起了挑戰(zhàn)[5]，1993 年在“新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)”（NEDO）內(nèi)成立“潔凈煤技術(shù)中心”（CCTC）負(fù)責(zé)全日本的新能源和潔凈煤炭技術(shù)的規(guī)劃、管理、協(xié)調(diào)和實(shí)施。作為“陽(yáng)光計(jì)劃”的一部分，日本已在流化床燃燒技術(shù)、煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)、煤液化技術(shù)、水煤漿技術(shù)、煙氣凈化技術(shù)、煤氣化燃料電池發(fā)電技術(shù)等方面開(kāi)展了研究開(kāi)發(fā)工作[4]。從以上可看出，世界上主要發(fā)達(dá)國(guó)家為適應(yīng)其能源政策和環(huán)境政策以及開(kāi)拓國(guó)際市場(chǎng)的需要，不惜投入巨資，積極發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)。國(guó)內(nèi)潔凈煤技術(shù)的研究?jī)?nèi)容及進(jìn)展

基于我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以及環(huán)境狀況，為實(shí)現(xiàn)環(huán)境、資源與發(fā)展的合諧統(tǒng)一，中國(guó)已把發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)作為重大的戰(zhàn)略措施，列入“中國(guó)21 世紀(jì)議程”。潔凈煤是中國(guó)能源的未來(lái)已被越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí)。

下面分別介紹潔凈煤技術(shù)的研究?jī)?nèi)容和進(jìn)展[6]~[16]。

2.1 煤炭地下氣化技術(shù)

煤炭地下氣化技術(shù)是原蘇聯(lián)、美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)等國(guó)家已從事數(shù)十年研究的一項(xiàng)高難技術(shù)，是將地下煤炭有控制燃燒、產(chǎn)生可燃?xì)怏w的一種開(kāi)發(fā)清潔能源與化工原料的新技術(shù)[17]，[18]，以上國(guó)家的研究至今尚未達(dá)到工業(yè)應(yīng)用階段。我國(guó)地下煤氣化專(zhuān)家提出的大斷面、長(zhǎng)通道、兩階段氣化的新工藝技術(shù)方案堪稱(chēng)第二代采煤方法[19]。它將建井、采煤、氣化三大工藝合而為一，可以使地下煤炭在原地轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇細(xì)怏w，由常規(guī)的物理采煤方法轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)采煤，具有安全好、投資少、效益高、見(jiàn)效快、污染少等特點(diǎn)。近期有關(guān)專(zhuān)家[20]指出，我國(guó)的煤炭地下氣化工藝已達(dá)到了世界先進(jìn)水平，這種技術(shù)用于回收礦井中的報(bào)廢資源利用是一個(gè)行之有效的方法，它將成為我國(guó)煤炭開(kāi)采技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要途徑。

2.2 工業(yè)型煤技術(shù)

與原煤燃燒相比, 型煤是提高燃燒效率和減少污染的最有效的方法之一。型煤主要分工業(yè)型煤和民用型煤兩大類(lèi)，目前我國(guó)有集中成型和爐前成型兩種工藝路線(xiàn)。民用型煤主要用于民用爐具。型煤的品種較多，目前已進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)階段

[21]。工業(yè)型煤是依據(jù)生產(chǎn)潔凈煤的煤質(zhì)原料而定。我國(guó)一般是以無(wú)煙塊煤為原料為宜，但一般煤礦開(kāi)采的無(wú)煙煤其塊煤率都很低，這就需要把粉煤開(kāi)發(fā)成氣化型煤來(lái)代替無(wú)煙塊煤。工業(yè)型煤現(xiàn)尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，它將根據(jù)各地用煤原料而定。例如日本是用的機(jī)車(chē)型煤，德國(guó)是用褐煤磚，也都是要經(jīng)過(guò)技術(shù)處理加工成工業(yè)型煤方可使用。1971 年日本機(jī)車(chē)型煤達(dá)到用煤總量的79%，1992 年德國(guó)褐煤磚產(chǎn)量達(dá)0.121 億t。我國(guó)化肥、化工、冶金等領(lǐng)域多以塊煤為原料,用煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)合成氣及工藝燃?xì)狻H化肥一項(xiàng)每年就需要無(wú)煙煤約0.35 億t。然而隨著機(jī)械化程度的提高、塊煤率下降, 塊煤率僅占采煤量的20%左右[19]，這就造成塊煤供不應(yīng)求,粉煤大量積壓的矛盾。因此急需利用粉煤開(kāi)發(fā)氣化型煤代替無(wú)煙 塊煤。這樣可以緩解塊煤供求矛盾,降低造氣成本,提高粉煤資源的利用率。目前關(guān)鍵是研制來(lái)源廣、適應(yīng)性強(qiáng)的廉價(jià)防水粘結(jié)劑和提高型煤的熱態(tài)性能。

2.3 水煤漿氣化技術(shù)

水煤漿是20 世紀(jì)70 年代世界石油危機(jī)中發(fā)展起來(lái)的一種以煤代油的新型燃料

[22]。把灰分很低而揮發(fā)分很高的煤研磨成250 ～ 300 μm 的微細(xì)煤粉,按煤約

70%、水約30%的比例，加入適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)添加劑配制而成。目前我國(guó)在煤炭成漿性研究及評(píng)價(jià)、難制漿低價(jià)煤的制漿技術(shù)、級(jí)配技術(shù)、制水煤漿專(zhuān)用磨機(jī)、磨礦過(guò)程的模擬預(yù)測(cè)及優(yōu)化、添加劑技術(shù)等的研制處于國(guó)際前沿水平[23]。在水煤漿氣化技術(shù)方而，華東理工大學(xué)[16]對(duì)自主開(kāi)發(fā)的新型水煤漿氣化技術(shù)進(jìn)行了放大，并在兗礦建成了1 150 t/d 新型水煤漿氣化爐工業(yè)示范裝置，完成了l68 h 連續(xù)運(yùn)行考核試驗(yàn)，目前該氣化爐已投入試運(yùn)行。通過(guò)工業(yè)化規(guī)模的氣化爐的示范運(yùn)行，我國(guó)在水煤漿氣流床氣化技術(shù)方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。通過(guò)積累在氣流床氣化技術(shù)方面的開(kāi)放和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為該技術(shù)在我國(guó)大規(guī)模的推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2.4 煤液化技術(shù)

煤炭通過(guò)液化將其中的有害元素硫等以及灰分加以脫除，是一種徹底的高級(jí)潔凈煤技術(shù)[24]。我國(guó)自1980 年重新開(kāi)展煤炭直接液化技術(shù)研究，其目的是由煤生產(chǎn)潔凈的優(yōu)質(zhì)輕、中質(zhì)運(yùn)輸燃料和芳烴化工原料。煤炭直接液化對(duì)原料煤質(zhì)量有一定的要求，選出適合液化的原料煤，對(duì)我國(guó)煤液化的工藝和經(jīng)濟(jì)性方面都有重要意義。

2.5 潔凈煤聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)

我國(guó)每年用于發(fā)電的煤炭占煤炭年產(chǎn)量的1/4。煤炭的潔凈利用已引起煤炭發(fā)電行業(yè)的重視。我國(guó)現(xiàn)階段潔凈煤發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展途徑有常壓循環(huán)流化床燃燒（Circulating Fluidized Bed Combustion，簡(jiǎn)稱(chēng)CF-BC），增壓流化床燃燒（Pressurized Fluidized Bed Combustion Combined Cycle，簡(jiǎn)稱(chēng)PFBC-CC），整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)（Combined Circulation With IntegralGasificaltion, 簡(jiǎn)稱(chēng)IGCC），加脫硫、脫硝裝置（SPB+FGD）的超臨界機(jī)組[25]，都具有高效率、低污染的特點(diǎn)，是很有發(fā)展前景的潔凈煤技術(shù)的發(fā)電方式[23]。在技術(shù)上它們相輔相成,各有特長(zhǎng)；在投資上，IGCC 略高于PFBC-CC。目前IGCC 和PFBC-CC 發(fā)電技術(shù)還處于示范性階段，其技術(shù)復(fù)雜，整體性技術(shù)難點(diǎn)多，比投資費(fèi)用高。但隨著技術(shù)的進(jìn)步，以及從效益、費(fèi)用和環(huán)保的綜合評(píng)價(jià)來(lái)看，IGCC 和PFBC-CC 發(fā)電技術(shù)可望成為本世紀(jì)燃煤發(fā)電的主導(dǎo)技術(shù)[26]。

2.6 采煤廢棄物的綜合利用技術(shù)

由于我國(guó)煤炭資源的大量開(kāi)采和低效利用，有大量煤泥、煤矸石、爐渣、粉煤灰等廢棄物產(chǎn)生。把這些廢棄物當(dāng)作一種有用資源加以利用是潔凈煤技術(shù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。關(guān)于煤泥制水煤漿，煤泥和煤矸石燃燒、混燒技術(shù)，爐渣作水泥原粉，粉煤灰制作各種建材的成型技術(shù)，我國(guó)都已有很多先進(jìn)的應(yīng)用技術(shù)和發(fā)明專(zhuān)利

[27]，關(guān)鍵是推廣和加以利用。潔凈煤技術(shù)的特點(diǎn)

從國(guó)外特別是西方國(guó)家發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)的情況來(lái)看，潔凈煤技術(shù)主要具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)[28]，[29]：

（1）潔凈煤技術(shù)以解決環(huán)境污染問(wèn)題為主導(dǎo)，以

環(huán)境保護(hù)立法為后盾；

（2）潔凈煤技術(shù)開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)跨部門(mén)的巨大的系

統(tǒng)工程，必須各個(gè)部門(mén)之間高效能的管理和協(xié)調(diào)，并

有強(qiáng)有力的組織領(lǐng)導(dǎo)；

（3）潔凈煤技術(shù)難度高，投入巨大，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)；

（4）潔凈煤技術(shù)是一項(xiàng)多層次、多學(xué)科的綜合技術(shù)。

根據(jù)潔凈煤技術(shù)的這些特點(diǎn)，以及中國(guó)仍長(zhǎng)期是一個(gè)以煤為主要能源的發(fā)展中國(guó)家的國(guó)情，我國(guó)的潔凈煤技術(shù)發(fā)展起點(diǎn)低，但應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，從而使得技術(shù)發(fā)展的節(jié)能與環(huán)保效益相當(dāng)可觀。因此我國(guó)潔凈煤技術(shù)的發(fā)展不僅有著強(qiáng)大的客觀動(dòng)力，而且也有著十分廣闊的市場(chǎng)前景[30]。認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)，這對(duì)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有特別重要的意義。發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)應(yīng)該加強(qiáng)的工作

中國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)以煤為主要能源的國(guó)家之一，煤炭在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有極重要的地位。當(dāng)前大力推進(jìn)潔凈煤技術(shù)產(chǎn)業(yè)化是關(guān)鍵，但存在一系列障礙待克服：包括行業(yè)和地區(qū)間協(xié)調(diào)管理力度不足；研究開(kāi)發(fā)力量分散，項(xiàng)目重疊或低水平重復(fù)與節(jié)能項(xiàng)目、環(huán)保項(xiàng)目結(jié)合不夠；技術(shù)政策與環(huán)保政策、能源政策、產(chǎn)業(yè)政策、節(jié)能政策、高新技術(shù)政策等結(jié)合和相互支持不夠；一些先進(jìn)的技術(shù)達(dá)不到國(guó)產(chǎn)化商業(yè)應(yīng)用水平；對(duì)中國(guó)潔凈煤技術(shù)市場(chǎng)需求了解不足；從研究開(kāi)發(fā)、工程示范到商業(yè)化應(yīng)用都存在資金短缺問(wèn)題，特別是在工程示范或產(chǎn)品試制階段。其中政策障礙是主要障礙.若沒(méi)有政府政策的強(qiáng)勁推動(dòng),潔凈煤技術(shù)很難得到快速發(fā)展并克服其它障礙[31]。因此,我們應(yīng)該加強(qiáng)如下方面的工作[32]。

4.1 加強(qiáng)宏觀領(lǐng)導(dǎo)與協(xié)調(diào)

國(guó)家潔凈煤技術(shù)推廣領(lǐng)導(dǎo)小組應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)作用，通過(guò)規(guī)劃的制定和實(shí)施，結(jié)合國(guó)家清潔能源的發(fā)展，結(jié)合行業(yè)和地方產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，將潔凈煤技術(shù)的發(fā)展與各地區(qū)、各行業(yè)的發(fā)展計(jì)劃結(jié)合起來(lái),從宏觀上布局和協(xié)調(diào)潔凈煤技術(shù)的發(fā)展，并從政策、技術(shù)推進(jìn)和資金方面予以一定的支持。

4.2 通過(guò)宏觀政策和措施刺激發(fā)展

（1）技術(shù)引導(dǎo)政策。例如禁止直接銷(xiāo)售和使用原煤，鼓勵(lì)發(fā)展煤炭綜合加工技術(shù)和潔凈燃燒技術(shù)，鼓勵(lì)相關(guān)技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化, 要求工業(yè)鍋爐和窯爐必須燃用洗選煤、固硫型煤、固硫配煤等清潔燃料水煤漿、煤層氣等作為環(huán)保、節(jié)能新型產(chǎn)品,可享受高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的環(huán)保產(chǎn)業(yè)政策等。技術(shù)引導(dǎo)政策的制定應(yīng)使與環(huán)保處罰和利益機(jī)制相互推動(dòng)。在合理的污染物排放收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)與嚴(yán)格的執(zhí)法配合下，形成企業(yè)不采用潔凈煤技術(shù)經(jīng)濟(jì)上就會(huì)受損失，采用潔凈煤技術(shù)就有經(jīng)濟(jì)利益，或可從 國(guó)家得到政策的傾斜，或從市場(chǎng)上得到利益。

（2）金融和稅收優(yōu)惠政策。對(duì)潔凈煤技術(shù)產(chǎn)業(yè)化

項(xiàng)目，國(guó)家應(yīng)當(dāng)在節(jié)能低息貸款、企業(yè)科技創(chuàng)新貸款、環(huán)保產(chǎn)業(yè)貸款、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)貸款等多種渠道向企業(yè)傾斜對(duì)潔凈煤技術(shù)基礎(chǔ)研究、科技攻關(guān)及示范項(xiàng)目的立項(xiàng)和經(jīng)費(fèi)予以?xún)A斜。發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，對(duì)環(huán)保、節(jié)能、資源綜合利用等社會(huì)公益事業(yè)有重大作用，應(yīng)享受差額征稅、過(guò)渡性減征、免征等優(yōu)惠政策。清潔能源發(fā)展和環(huán)境需求給予潔凈煤技術(shù)以新的發(fā)展機(jī)遇，相信在國(guó)家的強(qiáng)有力領(lǐng)導(dǎo)和促進(jìn)下，在市場(chǎng)作用的推進(jìn)下，我國(guó)潔凈煤技術(shù)在今后一段時(shí)間會(huì)邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

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第三篇：光學(xué)材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

光學(xué)材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

姓名： 學(xué)號(hào)： 學(xué)院班級(jí)：

發(fā)光材料已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚牟牧?被廣泛地用在各種顯示、照明和醫(yī)療等領(lǐng)域,如電視屏幕、電腦顯示器、X射線(xiàn)透射儀等,顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡、經(jīng)緯儀、攝像機(jī)等各種光學(xué)儀器,核心部分都是由光學(xué)材料制造的光學(xué)零件。目前發(fā)光材料主要是無(wú)機(jī)發(fā)光材料,從形態(tài)上分,有粉末狀多晶、薄膜和單晶等。

一、引言

光充滿(mǎn)著整個(gè)宇宙,各種星體都在發(fā)光：遠(yuǎn)紅外光、紅外光、可見(jiàn)光、紫外光，以及X射線(xiàn)等。人類(lèi)生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠燈光，夜間還要靠星光。要利用光，就要?jiǎng)?chuàng)造工具，就要有制造工具的材料—光學(xué)材料。

自然中存在一些天然光學(xué)材料：我國(guó)的夜明珠、發(fā)光壁；印度的蛇眼石、敘利亞的孔雀暖玉等。這些材料具有奇異的發(fā)光現(xiàn)象，能在無(wú)光環(huán)境下放出各種色澤的晶瑩光輝。由于這些光學(xué)材料稀有，被視為人間珍寶，成為權(quán)力和財(cái)富的象征。春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)期，墨子就研究光的傳播規(guī)律，出現(xiàn)了最古老的光學(xué)材料—青銅反光鏡。17世紀(jì)，瑞士人紀(jì)南熔制出光學(xué)玻璃，主要用于天文望遠(yuǎn)鏡；隨后，歐洲出現(xiàn)了望遠(yuǎn)鏡和三色棱鏡，人造光學(xué)玻璃成為主要光學(xué)材料。20世紀(jì)初，以望遠(yuǎn)鏡、顯微鏡、光譜儀以及物理光學(xué)儀器四大類(lèi)為主體，建立了光學(xué)工業(yè)。

光學(xué)材料是傳輸光線(xiàn)的材料，這些材料以折射、反射和透射的方式，改變光線(xiàn)的方向、強(qiáng)度和位相，使光線(xiàn)按預(yù)定要求和路徑傳輸，也可吸收或透過(guò)一定波長(zhǎng)范圍的光線(xiàn)而改變光線(xiàn)的光譜成分。

光學(xué)材料包括光纖材料、發(fā)光材料、紅外材料、激光材料和光色材料等。

二、研究現(xiàn)狀及主要應(yīng)用領(lǐng)域

1.發(fā)光材料

發(fā)光是物質(zhì)將某種方式吸收的能量轉(zhuǎn)化為光向外輻射的過(guò)程，是熱輻射外另一種能量輻射現(xiàn)象。光子是電子在受激高能態(tài)返回低能態(tài)時(shí)發(fā)出的,當(dāng)發(fā)出光子能量在1.8-3.1eV時(shí)，便是可見(jiàn)光。而材料發(fā)光所需能量可從較高能量的電磁輻射(如紫外光)中得到，也可從高能電子或熱能、機(jī)械能和化學(xué)能中得到。

發(fā)光材料是指吸收光照，然后轉(zhuǎn)化為光的材料。發(fā)光材料的晶格要具有結(jié)構(gòu)缺陷或雜質(zhì)缺陷，材料才具有發(fā)光性能。結(jié)構(gòu)缺陷是晶格間的空位等晶格缺陷，由其引起的發(fā)光稱(chēng)為自激活發(fā)光，所以制備發(fā)光材料采用合適的基質(zhì)十分重要。如果在基質(zhì)材料中有選擇地?fù)饺胛⒘侩s質(zhì)在晶格中形成雜質(zhì)缺陷，由其引起的發(fā)光叫激活發(fā)光，摻入的微量雜質(zhì)一般都充當(dāng)發(fā)光中心，稱(chēng)為激活劑。我們實(shí)際應(yīng)用的發(fā)光材料大多是激活型發(fā)光材料。

根據(jù)發(fā)光類(lèi)型，可以把發(fā)光材料分為光致發(fā)光材料、陰極射線(xiàn)發(fā)光材料、電致發(fā)光材料、X射線(xiàn)發(fā)光材料、發(fā)光二極管等。

1.1光致發(fā)光材料

發(fā)光就是物質(zhì)內(nèi)部以某種方式吸收能量以后，以熱輻射以外的光輻射形式發(fā)射出多余的能量的過(guò)程。用光激發(fā)材料而產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，稱(chēng)為光致發(fā)光。光致發(fā)光材料一個(gè)主要的應(yīng)用領(lǐng)域是照明光源，包括低壓汞燈、高壓汞燈、彩色熒光燈、三基色燈和紫外燈等。其另一個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域是等離子體顯示。光致發(fā)光粉是制作發(fā)光油墨、發(fā)光涂料、發(fā)光塑料、發(fā)光印花漿的理想材料。光致發(fā)光材料在安全方面上的應(yīng)用是其最為普遍的。在安全方面，光致發(fā)光材料可用作安全出口指示標(biāo)記、撤離標(biāo)記等。其次用光致發(fā)光材料制作精美產(chǎn)品，一些不屬安全標(biāo)志的產(chǎn)品,T恤衫、宣傳品、兒童玩具、小標(biāo)簽等可以利用光致發(fā)光材料進(jìn)行裝飾印刷。

1.2陰極射線(xiàn)發(fā)光材料

陰極射線(xiàn)發(fā)光是在真空中從陰極出來(lái)的電子經(jīng)加速后轟擊熒光屏所發(fā)出的光。所以發(fā)光區(qū)域只局限于電子所轟擊的區(qū)域附近。又由于電子的能量在幾千電子伏以上，所以除發(fā)光以外,還產(chǎn)生X射線(xiàn)。X射線(xiàn)對(duì)人體有害,因而在顯示屏的玻璃中常添加一些重金屬(如Pb)，以吸收在電子轟擊下熒光屏所產(chǎn)生的X射線(xiàn)。陰極射線(xiàn)發(fā)光是繼發(fā)光二極管、無(wú)機(jī)電致發(fā)光、有機(jī)電致發(fā)光之后的第四種發(fā)光形式。這是一類(lèi)在陰極射線(xiàn)激發(fā)下能發(fā)光的材料。用電子束激發(fā)時(shí)，其電子能量通常在幾千電子伏特以上甚至幾萬(wàn)電子伏特，而光致發(fā)光時(shí)，紫外線(xiàn)光子能量?jī)H5-6eV甚至更低，而光致發(fā)光材料在電子束激發(fā)下都能發(fā)光，甚至有些材料沒(méi)有光致發(fā)光，但卻有陰極射線(xiàn)發(fā)光。

陰極射線(xiàn)發(fā)光材料一般用于電子束管用熒光粉，它是發(fā)光材料中產(chǎn)量?jī)H次于燈用熒光粉的一種產(chǎn)量較大的熒光粉。它除用于電視、雷達(dá)、示波器、計(jì)算機(jī)終端顯示的熒光屏之外，還用于商用機(jī)器、光學(xué)字體辨認(rèn)、照相排版、醫(yī)學(xué)電子儀器、飛機(jī)駕駛艙表盤(pán)等。

1.3 電致發(fā)光材料

電致發(fā)光(電場(chǎng)發(fā)光，EL)是指電流通過(guò)物質(zhì)時(shí)或物質(zhì)處于強(qiáng)電場(chǎng)下發(fā)光的現(xiàn)象，也就是電能轉(zhuǎn)換為光能的現(xiàn)象，在消費(fèi)品生產(chǎn)中有時(shí)被稱(chēng)為冷光。具有這種性能的物質(zhì)可作為一種電控發(fā)光器件。一般它們是固體元件，具有響應(yīng)速度快、亮度高、視角廣的特點(diǎn)，同時(shí)又具有易加工的特點(diǎn)，可制成薄型的、平面的、甚至是柔性的發(fā)光器件。目前電致發(fā)光的研究方向主要為有機(jī)材料的應(yīng)用。

商業(yè)領(lǐng)域：主要應(yīng)用在POS機(jī)和ATM機(jī)、復(fù)印機(jī)、自動(dòng)售貨機(jī)、游戲機(jī)、公用電話(huà)亭、加油站、打卡機(jī)、門(mén)禁系統(tǒng)、電子秤等產(chǎn)品和設(shè)備的顯示屏。

消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品：主要應(yīng)用有裝飾用品(軟屏)與燈具、各類(lèi)音響設(shè)備、計(jì)算器、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)、便攜式DVD、便攜式電視機(jī)、電子鐘表、掌上游戲機(jī)、各種家用電器(OLED電視)等產(chǎn)品的顯示屏。

工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合：主要應(yīng)用有各類(lèi)儀器儀表、手持設(shè)備等的顯示屏。通信領(lǐng)域;主要應(yīng)用有3G手機(jī)、各類(lèi)可視對(duì)講系統(tǒng)(可視電話(huà))、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端、e-book(電子圖書(shū))等產(chǎn)品的顯示屏。

交通領(lǐng)域:主要應(yīng)用有GPS、車(chē)載音響、車(chē)載電話(huà)、飛機(jī)儀表和設(shè)備等各種指示標(biāo)志性的顯示屏。如微顯示器,這種技術(shù)最早用于戰(zhàn)斗機(jī)飛行員,現(xiàn)在的穿戴式電腦也用它。有了它,移動(dòng)設(shè)備就不再受顯示器體積大、耗電多的限制。

1.4發(fā)光二極管材料

發(fā)光二極管是輻射光的半導(dǎo)體二極管，施加正向電壓時(shí)，通過(guò)pn結(jié)分別把n區(qū)電子注入p區(qū)，p區(qū)空穴注入n區(qū)，電子和空穴復(fù)合發(fā)光，把電能直接轉(zhuǎn)換成光能。

發(fā)光二極管和器件已實(shí)現(xiàn)紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七彩色的生產(chǎn)和應(yīng)用，并拓展到近紅外和近紫外范圍，如發(fā)紅光的GaAsP，發(fā)綠光的Gap等。發(fā)光二極管的發(fā)光效率也提高上千倍。使用GaN基材料的二極管，可發(fā)出高亮度的白光，在20mA的電流下，發(fā)光強(qiáng)度達(dá)到2Cd，能作為強(qiáng)光源使用。

發(fā)光二極管也可做成指示器和數(shù)字顯示器，用于計(jì)算機(jī)、廣告、家用電器、車(chē)輛、交通信號(hào)等儀器儀表的顯示中。

1.5 X射線(xiàn)激發(fā)發(fā)光材料

在X射線(xiàn)照射下，發(fā)光材料可發(fā)生康普頓效應(yīng)，也可吸收X射線(xiàn)，它們都可產(chǎn)生高速光電子。光電子又經(jīng)過(guò)非彈性碰撞，產(chǎn)生下一代電子。當(dāng)這些電子的能量接近發(fā)光躍遷所需能量時(shí)，就可發(fā)出光。

X射線(xiàn)發(fā)光材料可使X光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光，并顯示成像。它可將X射線(xiàn)透過(guò)人體或物體后所形成的X射線(xiàn)潛像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)圖像，既可用肉眼觀察，也可用膠片照相，還可用光電器件將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后再處理。主要用于X射線(xiàn)遠(yuǎn)視及照相還有由X射線(xiàn)像增強(qiáng)器和電視組成的X射線(xiàn)顯示系統(tǒng)，X射線(xiàn)掃描及計(jì)算機(jī)配合組成斷層分析系統(tǒng)也就是常說(shuō)的CT系統(tǒng)。

2.紅外光學(xué)材料 紅外材料是指能透過(guò)紅外線(xiàn)，并對(duì)不同波長(zhǎng)紅外線(xiàn)具有不同透光率、折射率及色散的材料。紅晶體及半導(dǎo)體晶體。紅外材料的用途、紅外光學(xué)材料主要應(yīng)用于以下方面：

輻射測(cè)量、光譜輻射測(cè)量：如非接觸溫度測(cè)量、農(nóng)業(yè)、漁業(yè)、地面勘察，探測(cè)焊接缺陷，微重力下熱流過(guò)程研究；

對(duì)能量輻射物的搜索和跟蹤，如宇航裝置導(dǎo)航，火箭、飛機(jī)預(yù)警，遙控引爆管等；

制造紅外成像器件，夜視儀器、紅外顯微鏡等；用于紅外光學(xué)系統(tǒng)中的窗口、整流罩、透鏡棱鏡、濾光片等，可用于軍事上的偽裝識(shí)別，半導(dǎo)體元件和集成電路的質(zhì)量檢查等；

通信和遙控：宇宙飛船之間進(jìn)行視頻和音頻傳輸，海洋、陸地、空中目標(biāo)的距離和速度測(cè)量，這種紅外通信比其他通信(如無(wú)線(xiàn)電通訊)抗干擾性好，也不干擾其他信息，保密性好，而且在大氣中傳楊，波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，損耗衰減愈小外材料主要包括堿鹵化合物晶體、堿土-鹵族化合物晶體、氧化物晶體、無(wú)機(jī)鹽。

3.固體激光材料

用一個(gè)光子去激發(fā)位于高能級(jí)的電子或離子,使之放出光子,受激發(fā)射產(chǎn)生的光就是激光。如果使材料中多數(shù)能發(fā)生受激輻射的原子或離子都處于激發(fā)狀態(tài),再用外界光感應(yīng),使所有處于激發(fā)狀態(tài)的原子和離子幾乎同時(shí)產(chǎn)生受激輻射而回到低能態(tài)，將發(fā)出具有強(qiáng)大能量密度的光束。

激光材料：激光系統(tǒng)最重要的是激光工作物質(zhì)，分為固體、液體和氣體激光工作物質(zhì)。

固體激光器是最重要的一種，不但激活離子密度大，振蕩頻帶寬，能產(chǎn)生譜線(xiàn)窄的光脈沖而且具有良好的機(jī)械性能和穩(wěn)定的化學(xué)性能。

晶體激光材料：絕大部分激光晶體是含激活離子的熒光晶體，按照晶體組成可分為摻雜型激光晶體和自激活激光晶體兩類(lèi)，前者占現(xiàn)有激光晶體的絕大部分。

紅寶石激光器發(fā)射的波長(zhǎng)為可見(jiàn)紅光，很容易進(jìn)行探測(cè)和定量測(cè)量，在激光器的基礎(chǔ)研究、強(qiáng)光光學(xué)研究、激光光譜研究、激光全息技術(shù)、激光雷達(dá)與測(cè)距方面有廣泛應(yīng)用。

半導(dǎo)體激光材料：受激輻射的激發(fā)方式主要有三種;光輻照、電子轟擊和向p-n結(jié)注入電子,其中pn結(jié)注入電子是半導(dǎo)體產(chǎn)生激光的重要方式。

半導(dǎo)體激光器是固體激光器中重要的一類(lèi),又稱(chēng)激光二級(jí)管,它是利用少數(shù)載流子注入產(chǎn)生受激發(fā)射的器件。

4.光色材料 材料受光照射著色，停止光照射后又可逆地褪色，這一特性稱(chēng)為材料的光色現(xiàn)象。具有光色現(xiàn)象的材料稱(chēng)為光色材料。光學(xué)材料很重要的一個(gè)應(yīng)用就是光學(xué)玻璃。

光色玻璃中含有鹵化銀的玻璃是一種典型的光色材料。它是以普通的堿金屬硼硅酸鹽玻璃的成分為基礎(chǔ)，加入少量鹵化銀，如AgI、AgCl、AgBr或混合物作為感光劑，再加入極微量的敏化劑(如As、Se、Cu、Sb的氧化物)制成。

光色玻璃的性能可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。改變光色玻璃中鹵素離子的種類(lèi)和含量，可調(diào)節(jié)使光色玻璃由透明變暗所需輻照光的波長(zhǎng)范圍，如僅含AgCl晶體的光色玻璃的光譜靈敏范圍為紫外光到紫光；如含AgCl和AgBr晶體，則其靈敏范圍為紫外光到藍(lán)綠光區(qū)域。控制光色玻璃制備中的熱處理溫度與時(shí)間，可控制玻璃中析出的鹵化銀顆粒大小，也可調(diào)節(jié)光色玻璃的光色性能。

三、討論與展望

我國(guó)的發(fā)光材料經(jīng)歷了由進(jìn)口——使用進(jìn)口原料實(shí)現(xiàn)半國(guó)產(chǎn)化——獨(dú)立研制、獨(dú)立生產(chǎn)——與國(guó)外同步發(fā)展，配方中普遍應(yīng)用稀土的規(guī)模化生產(chǎn)四個(gè)階段。超長(zhǎng)余輝夜光粉是國(guó)內(nèi)最先研制成功的特種發(fā)光材料，該材料屬于蓄光性無(wú)機(jī)顏料，可以以1O 一25的比例摻人不同材質(zhì)中，其主要特點(diǎn)是每次吸收普通光線(xiàn)兩小時(shí)后發(fā)出強(qiáng)江，持續(xù)發(fā)光14小時(shí)，無(wú)毒害無(wú)放射性，而耐1200`C高溫，價(jià)格低廉。近年來(lái)，以超長(zhǎng)余輝夜光粉作為原料研究和開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品以及利用超長(zhǎng)余輝夜光粉的防偽功能保護(hù)著名商標(biāo)。成為眾多科研單位和經(jīng)營(yíng)者的有力手段，這一點(diǎn)從中國(guó)專(zhuān)利局的館藏文獻(xiàn)中可得到證明。致力于特種發(fā)光材料的研究和開(kāi)發(fā)有著廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用前景，其發(fā)展歷程必然將由原來(lái)的舊配方、老工藝、高成本生產(chǎn)逐步轉(zhuǎn)化為新配方和先進(jìn)的生產(chǎn)工藝，以至投資降低，成本降低，且產(chǎn)品性能提高銷(xiāo)售價(jià)格合理，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力加強(qiáng)。特種發(fā)光材料生產(chǎn)必將成為一支獨(dú)立的行業(yè)新軍，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮積極的作用。

光色材料和熱色材料作為一種色性材料, 有著其獨(dú)特的地位及廣闊的應(yīng)用前景。而無(wú)機(jī)色性材料由于易于合成, 可逆性好, 耐侯性強(qiáng), 成本低廉, 起著有機(jī)色性材料不可替代的作用。其變色機(jī)理及合成的研究正在得到人們的普遍重視。目前的幾個(gè)研究趨勢(shì)值得注意：一是如何提高這兩種色性材料的應(yīng)答靈敏度, 能夠人為控制所制得的色性材料應(yīng)答時(shí)間、變色溫度及其它特性。二是如何開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的無(wú)銀或微銀的色性材料, 以滿(mǎn)足大工業(yè)生產(chǎn)的緊迫需要, 例如如何才能生產(chǎn)出市場(chǎng)迫切需要的低成本大平面的平板變色玻璃。三是如何進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出具備實(shí)用價(jià)值的新型色性材料, 譬如熱色廣告板, 兒童玩具等四是如何將無(wú)機(jī)色性材料與高分子材料結(jié)合起來(lái)使用, 制造出具有特殊用途的功能材料。

隨著技術(shù)的進(jìn)一步完善，隨著人們對(duì)光學(xué)材料認(rèn)識(shí)的不斷深入，光學(xué)材料必將在市場(chǎng)上開(kāi)辟出一片更廣闊的天地。

第四篇：新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究及進(jìn)展

新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究進(jìn)展

Progress in Research Work of Ne w CMC--SiC [ 摘要] 新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料具有密度低、高強(qiáng)度、高韌性和耐高溫等綜合性能已得到世界各國(guó)高度重視，本文主要介紹了新型碳化硅陶瓷基復(fù)合材料的研究和發(fā)展現(xiàn)狀 ,闡述了CV I-CMC-SiC 制造技術(shù)在我國(guó)的研究進(jìn)展 ,開(kāi)展了CVI-CMC-SiC的性能與微結(jié)構(gòu)特性的研究和 CV I 過(guò)程控制及其對(duì)性能影響的研究 ,研制了多種 CMCSiC 微結(jié)構(gòu) 應(yīng)用研究

碳化硅陶瓷因具有高強(qiáng)度、高硬度、抗腐蝕、耐高溫和低密度而被廣泛用于高溫和某些苛刻的環(huán)境中,尤其在航空航天飛行器[1]需要承受極高溫度的特殊部位具有很大的潛力。但是,陶瓷不具備像金屬那樣的塑性變形能力,在斷裂過(guò)程中除了產(chǎn)生新的斷裂表面吸收表面能以外,幾乎沒(méi)有其它吸收能量的機(jī)制,這就嚴(yán)重限制了其作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。碳纖維具有比強(qiáng)度高、比模量大、高溫力學(xué)性能和熱性能良好等優(yōu)點(diǎn),在惰性氣氛中2000℃時(shí)仍能保持強(qiáng)度基本不下降。用碳纖維增強(qiáng)碳化硅復(fù)合材料,材料在斷裂的過(guò)程中通過(guò)纖維拔出、纖維橋聯(lián)、裂紋偏轉(zhuǎn)等增韌機(jī)制來(lái)消耗能量,使材料表現(xiàn)為非脆性斷裂。CMC-SiC復(fù)合材料綜合了碳纖維優(yōu)異的高溫性能和碳化硅基體高抗氧化性能,受到了世界各國(guó)的高度關(guān)注,并廣泛應(yīng)用在航空、航天、光學(xué)系統(tǒng)、交通工具等領(lǐng)域。

CMC－SiC具有高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、抗燒蝕、抗氧化和低密度等特點(diǎn)，其密度為2～2.5 g/cm3，僅是高溫合金和鈮合金的1/3～1/4，鎢合金的1/9～1/10。CMC－SiC主要包括碳纖維增韌碳化硅(C/SiC)和碳化硅纖維增韌[2]碳化硅(SiC/SiC)兩種，由于碳纖維價(jià)格便宜且容易獲得，因而C/SiC成為SiC陶瓷基復(fù)合材料研究、考核與應(yīng)用的首選。CMC－SiC的應(yīng)用可 覆蓋瞬時(shí)壽命(數(shù)十秒～數(shù)百秒)、有限壽命(數(shù)十分鐘～數(shù)十小時(shí))和長(zhǎng)壽命(數(shù)百小時(shí)～上千小時(shí))3類(lèi)服役環(huán)境的需求。用于瞬時(shí)壽命的固體火箭發(fā)動(dòng) 機(jī)，C/SiC的使用溫度可達(dá)2 800～3 000 ℃；用于有限壽命的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，C/SiC的使用溫度可達(dá)2 000～2 200 ℃；用于長(zhǎng)壽命航空發(fā)動(dòng)機(jī)，C/SiC的使用溫度為1 650℃，SiC/SiC為1 450 ℃，提高SiC纖維的使用溫度是保證SiC/SiC用于1 650 ℃的關(guān)鍵。由于C/SiC抗氧化性能較SiC/SiC差，國(guó)內(nèi)外普遍認(rèn)為，航空發(fā)動(dòng)機(jī)熱端部件最終獲得應(yīng)用的應(yīng)該是SiC/SiC。

因此CMC－SiC被認(rèn)為是繼碳－碳復(fù)合材料(C/C)[3]之后發(fā)展的又一新型戰(zhàn)略性材料，可大幅度提高現(xiàn)有武器裝備和發(fā)展未來(lái)先進(jìn)武器裝備 性能，發(fā)達(dá)國(guó)家都在競(jìng)相發(fā)展。此外，CMC－SiC在核能、高速剎車(chē)、燃?xì)廨啓C(jī)熱端部件、高溫氣體過(guò)濾和熱交換器等方面還有廣泛應(yīng)用潛力。

1、我國(guó)CVI－CMC－SiC 制造技術(shù)的研究進(jìn)展

CMC－SiC的制造方法有反應(yīng)燒結(jié)(RB)，熱壓燒結(jié)(HP)，前驅(qū)體浸漬熱解(PIP)，反應(yīng)性熔體滲透(RMI)以及CVI，CVI－PIP，CVI－RMI和 PIP－HP等。CVI是目前唯一已商業(yè)化的制造方法，其適應(yīng)性強(qiáng)，原理上適用于所有無(wú)機(jī)非金屬材料，可制造多維編織體復(fù)合材料的界面層、基體和表面涂層。CVI必須使氣 相反應(yīng)物滲透到纖維預(yù)制體的每一根單絲纖維上，而單絲的最小間距僅為1μm左右，因此CVI過(guò)程的控制比CVD困難得多。與其他成型方法相比，CVI法制 造CMC具有制備溫度低(≈1 000℃)；氣相滲透能力強(qiáng)，便于制造大型、薄壁、復(fù)雜的近終形構(gòu)件，能對(duì)基體、界面和表面層進(jìn)行微觀尺度的化學(xué)成分與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。CVI法的主要缺點(diǎn)是工藝控制難度大，法國(guó)從發(fā)明CVI法制造CMC－SiC到形成規(guī)模生產(chǎn)花費(fèi)了近20年，其他國(guó)家雖然也對(duì)CVI法制備CMC－SiC進(jìn)行了不少研究，但是均 未形成商品化技術(shù)。CVI法生產(chǎn)周期比較長(zhǎng)，因而一般認(rèn)為成本高，排放的尾氣產(chǎn)物復(fù)雜并有污染性，目前國(guó)際市場(chǎng)上還沒(méi)有適用的定型CVI設(shè)備出售。

2、CVI過(guò)程的控制及其對(duì)性能的影響

2.1 CVI過(guò)程的評(píng)價(jià)參數(shù)

評(píng)價(jià)CVI致密化過(guò)程可用密度ρ（孔隙率)、致密化速度v(時(shí)間)和滲透率Ι等參數(shù)來(lái)表征。I值越大，預(yù)制體內(nèi)部纖維束上沉積越多，復(fù)合材料的密度梯度越小，沉積物分布越均勻；反之,在預(yù)制體外部沉積越多，密度梯度越大。致密化速度越快，滲透率越高，材料密度越高，表明CVI技術(shù)也越先進(jìn)。2.2 致密度對(duì)CVI－CMC－SiC性能的影響

CVI工藝參數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)是提高致密度、致密化速度和密度均勻性，而致密度是CVI－CMC－SiC性能的決定性影響因素。致密度增加，材料的彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和斷裂功均有明顯增加；致密度增加，基體與纖維之間的載荷傳遞效果提高，纖維的增韌補(bǔ)強(qiáng)作用得以充分發(fā)揮；致密度增加，復(fù)合材料應(yīng)力－位移中線(xiàn)彈 性階段的斜率增大，彈性模量增加。低致密度的復(fù)合材料斷裂以纖維束拔出為主，應(yīng)力－位移曲線(xiàn)表現(xiàn)為經(jīng)過(guò)最大載荷后載荷下降很快；當(dāng)致密度高時(shí)，基體與纖維 之間的載荷傳遞效果好，以纖維單絲拔出為主，纖維的拔出阻力大，復(fù)合材料的強(qiáng)度高，經(jīng)最大載荷后載荷下降慢，此時(shí)增韌效果好。2.3 CVI工藝因素[4]與非工藝參數(shù)對(duì)CVI－CMC－SiC性能的影響(1)非正常物理場(chǎng)的影響。

非正常物理場(chǎng)對(duì)CVI過(guò)程的致密度和致密化速度的影響很大。由于非正常物理場(chǎng)嚴(yán)重阻礙了致密化過(guò)程的進(jìn)行，使得SiC不易向纖維預(yù)制體內(nèi)部的孔隙中滲透沉積，C/SiC的密度低，孔隙率高，因而斷裂應(yīng)變很小，斷裂功很低。(2)化學(xué)場(chǎng)對(duì)CVI－SiC－CMC的影響。

在CVI過(guò)程中，化學(xué)場(chǎng)對(duì)纖維結(jié)構(gòu)、性能和PyC(熱解碳)界面層結(jié)構(gòu)和形貌影響很大，因而顯著影響了C/SiC的性能。在不合理化學(xué)場(chǎng)下，沉積的PyC 界面層不致密、不均勻且表面粗糙，從而失去了界面層的功能；而且纖維表面受到嚴(yán)重?fù)p傷，這種損傷發(fā)生在活性部位，而不是均勻發(fā)生在纖維表面，使C/SiC 的強(qiáng)度低，韌性差，成為CVI過(guò)程的控制因素。CVI－CMC－SiC的性能與微結(jié)構(gòu)特征

3.1 應(yīng)力應(yīng)變特征

從C/SiC復(fù)合材料和帶缺口SiC/SiC復(fù)合材料的典型彎曲應(yīng)力－位移曲線(xiàn)可以看出，它們都具有類(lèi)似金屬的韌性斷裂特征，對(duì)缺口不敏感。SiC/SiC比C/SiC具有更高的斷裂應(yīng)變，因而具有更高的使用可靠性。3.2 氧化特征

在不同溫度下氧化5 h后，從C/SiC和有涂層C/SiC的氧化特征曲線(xiàn)可以看出，由于碳纖維與SiC基體熱膨脹失配引起的基體裂紋，使C/SiC在700℃左右的低溫下更 容易氧化，因而C/SiC的氧化對(duì)溫度梯度非常敏感。采用陶瓷涂層雖然可以改善C/SiC高溫防氧化性能，但不能有效提高低溫抗氧化性能；采用玻璃封填雖 然可以提高低溫抗氧化性能，但惡化了高溫抗氧化性能。采用玻璃封填和陶瓷涂層相結(jié)合的方法，可以大幅度降低C/SiC抗氧化性能對(duì)溫度梯度的敏感性，實(shí)現(xiàn) 全溫度范圍的防氧化。

與C/SiC相比，SiC纖維與SiC基體之間具有良好的熱膨脹匹配，SiC/SiC具有良好的抗氧化性能，特別是在燃?xì)猸h(huán)境下。但由于SiC/SiC的界面層也是PyC，因此長(zhǎng)壽命SiC/SiC仍然需要防氧化涂層。3.3 抗熱震性

從燃?xì)庀?00～1 300 ℃熱震循環(huán)次數(shù)對(duì)C/SiC強(qiáng)度的影響可以看出，熱震100次后C/SiC的強(qiáng)度下降不明顯，而且主要發(fā)生在熱震50次以前。表明C/SiC具有非常優(yōu)異的抗熱震疲勞性能，這從根本上改變了陶瓷材料抗熱震性能差的弱點(diǎn)。

3.4 抗燒蝕性

C/SiC不僅是一種新型熱結(jié)構(gòu)材料和摩擦材料，也是一種優(yōu)良的抗燒蝕材料。C/SiC和SiC/SiC處于同一水平但C/SiC的抗燒蝕性能比C/C更優(yōu)異。3.5 CVI－CMC－SiC的微結(jié)構(gòu)特征

由于PyC界面層實(shí)現(xiàn)了纖維與基體間的適當(dāng)弱結(jié)合，承載過(guò)程中基體主裂紋沿界面擴(kuò)展，使纖維斷裂后出現(xiàn)脫粘和拔出。大量纖維的脫粘和拔出延緩了裂紋擴(kuò)展，使CVI－CMC－SiC具有很高的斷裂功和較高的斷裂應(yīng)變，從而具有類(lèi)似金屬的斷裂行為。纖維的拔出有纖維絲拔出和纖維束拔出兩種。

CVI－CMC－SiC的界面結(jié)合強(qiáng)度與界面層材料、結(jié)構(gòu)與厚度有關(guān)，而界面結(jié)合強(qiáng)度直接影響CVI－SiC－CMC的性能。界面結(jié)合強(qiáng)度越 高，CVI－CMC－SiC的強(qiáng)度越高，但韌性越差；反之則強(qiáng)度越低，韌性越高。因此，合理控制界面結(jié)合強(qiáng)度是實(shí)現(xiàn)增韌補(bǔ)強(qiáng)的關(guān)鍵。我國(guó)連續(xù)纖維增韌SiC陶瓷基復(fù)合材料的性能與應(yīng)用研究

4.1 材料性能

研制了4種牌號(hào)的CVI－CMC－SiC，與國(guó)際材料性能水平相比，除個(gè)別性能指標(biāo)與于國(guó)際先進(jìn)材料水平相當(dāng)外，其余大多數(shù)性能指標(biāo)均高于其他國(guó)際先進(jìn)材 料的最高水平。目前尚未見(jiàn)到國(guó)際上對(duì)CVI－CMC－SiC性能有全面系統(tǒng)的報(bào)道，西北工業(yè)大學(xué)超高溫復(fù)合材料實(shí)驗(yàn)室CVI－CMC－SiC的迅速發(fā)展也 引起國(guó)際同行的極大關(guān)注和高度評(píng)價(jià)，CVI－CMCSiC的發(fā)明者Naslain[5]教授來(lái)函說(shuō)：“你們實(shí)驗(yàn)室在該領(lǐng)域是國(guó)際先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室之一”。4.2 應(yīng)用考核

目前已成功研制了20余種160余件CVI－CMC－SiC構(gòu)件，其中液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)全尺寸C/SiC噴管通過(guò)了高空臺(tái)試車(chē)，CMC－SiC浮壁瓦片模擬件[6]和調(diào)節(jié)片分別通過(guò)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境的短時(shí)間考核，C/SiC固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)流管通過(guò)了無(wú)控飛行考核。結(jié)論

(1)連續(xù)纖維增韌碳化硅陶瓷基復(fù)合材料(CMC－SiC)具有類(lèi)似金屬的斷裂行為，對(duì)裂紋不敏感，不會(huì)發(fā)生災(zāi)難性破壞。其耐高溫和低密度特性，使其成為發(fā)展先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和空天飛行器防熱結(jié)構(gòu)[7]的關(guān)鍵材料。(2)CVI法是制造大型、薄壁、復(fù)雜CMC－SiC構(gòu)件的主要方法，也是唯一已商品化的方法，可以在微觀尺度上設(shè)計(jì)和制備復(fù)合材料的基體、界面層和表面防護(hù)涂 層。實(shí)施變工藝參數(shù)控制可獲得制備周期短、密度高、致密化速率高和密度梯度小的復(fù)合材料，已使我國(guó)成為國(guó)際上第三個(gè)掌握CVI法[8]批量制備構(gòu)件技術(shù)的國(guó)家。

(3)我國(guó)已形成具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CMC－SiC制造技術(shù)和設(shè)備體系[9]，發(fā)展了4種牌號(hào)的CMC－SiC，并具有制備大型、薄壁、復(fù)雜構(gòu)件的能力，多種構(gòu)件通過(guò)了發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境的考核，材料性能和整體研究水平躋身國(guó)際先進(jìn)行列。

（4）堅(jiān)持發(fā)展與環(huán)境的統(tǒng)一 ,實(shí)施綠色制造。綠色制造理念是伴隨著全球綠色革命興起的一種科學(xué)思維和生態(tài)文化 ,其目標(biāo)和宗旨是使制造業(yè)的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用、維護(hù) ,直至報(bào)廢處理和善后處理的整個(gè)產(chǎn)品生命周期中對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響降至最小 ,對(duì)資源的利用效率增至最大。中國(guó)要吸取工業(yè)化國(guó)家在發(fā)展過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn) ,避免走先污染后治理的老路 ,要注意做到發(fā)展與環(huán)境的統(tǒng)一。在建設(shè)生產(chǎn)能力 ,引進(jìn)國(guó)外技術(shù)、確定產(chǎn)品對(duì)象、選擇生產(chǎn)設(shè)備、選用生產(chǎn)材料、產(chǎn)品報(bào)廢和回收處理等所有環(huán)節(jié) ,都要貫徹保護(hù)生態(tài)環(huán)境、有利可持續(xù)發(fā)展、造福人類(lèi)的現(xiàn)代制造文化 ,真正實(shí)現(xiàn)綠色制造 ,這也是新時(shí)代制造強(qiáng)國(guó)必須具備的基本理念和制造文化的核心內(nèi)容之一。（5）注重關(guān)鍵技術(shù)和集成創(chuàng)新 ,不斷增強(qiáng)裝備制造能力 ,中國(guó)必將成為世界制造強(qiáng)國(guó)。“長(zhǎng)風(fēng)破浪會(huì)有時(shí) ,直掛云帆濟(jì)滄海”。中華民族前輩先賢的理想與抱負(fù)將由今天的中華兒女來(lái)實(shí)現(xiàn) ,讓我們團(tuán)結(jié)奮斗 ,開(kāi)拓創(chuàng)新 ,共同營(yíng)造“會(huì)當(dāng)凌絕頂 ,一覽眾山小”的美好前景。我們堅(jiān)信 ,未來(lái)的中國(guó)制造業(yè)更美好!未來(lái)的中國(guó)更美好!參 考 文 獻(xiàn)

1：李成功 ,傅恒志 ,于翹等.航空航天材料.北京 : 國(guó)防工業(yè)出版社 ,2002 2：Evans A G J.Amer Ceram Soc ,1990(73):187 3：Naslain R.Key Eng Mater ,1998(164 ,165):3～8 4：Golecki I ,Hanigofsky J A ,Freeman GB ,et al.J Amer Ce2 ram Soc ,1997(R20):37～124 5：Lakey J , Hanigofsky J A.Amer Ceram Soc Bull , 1995(78):1564～1570 6：Stinton D P ,Besmann T M ,lowden R A.Amer Ceram Soc Bull ,1988 67(2):36 7：Inghels E ,Lamon J J.Mater Sci ,1991(26):5403 8：Xu Y D ,Zhang L T ,Cheng L F.J Amer Ceram Soc Bull , 1997(80):1897 9：Xu Y D , Zhang L T , Cheng L F , et al , Carbon , 1998(36):1051

第五篇：納米材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景要點(diǎn)

納米材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

摘要：文章總結(jié)了納米粉體材料、納米纖維材料、納米薄膜材料、納米塊體材料、納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)的制備方法，綜述了納米材料的性能和目前主要應(yīng)用領(lǐng)域，并簡(jiǎn)單展望了納米科技在未來(lái)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米材料；納米材料制備；納米材料性能；應(yīng)用 0 引言

自從1984年德國(guó)科學(xué)家Gleiter等人首次用惰性氣體凝聚法成功地制得鐵納米微粒以來(lái)，納米材料的制備、性能和應(yīng)用等各方面的研究取得了重大進(jìn)展。納米材料的研究已從最初的單相金屬發(fā)展到了合金、化合物、金屬無(wú)機(jī)載體、金屬 有機(jī)載體和化合物無(wú)機(jī)載體、化合物有機(jī)載體等復(fù)合材料以及納米管、納米絲等一維材料，制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域日新月異。

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，包括納米粉體(零維納米材料，又稱(chēng)納米粉末、納米微粒、納米顆粒、納米粒子等)、納米纖維(一維納米材料)、納米薄膜(二維納米材料)、納米塊體(三維納米材料)、納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)等。納米粉體是一種介于原子、分子與宏觀物體之間的、處于中間物態(tài)的固體顆粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。納米粉體研究開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最成熟，是制備其他納米材料的基礎(chǔ)。納米粉體可用于：高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、微芯片導(dǎo)熱基片與布線(xiàn)材料、微電子封裝材料、光電子材料、先進(jìn)的電池電極材料、太陽(yáng)能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料、抗癌制劑等。納米纖維指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線(xiàn)狀材料，如納米碳管，可用于微導(dǎo)線(xiàn)、微光纖(未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重要元件)材料、新型激光或發(fā)光二極管材料等。納米薄膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒薄膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜；致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜。可用于氣體催化材料、過(guò)濾器材料、高密度磁記錄材料、光敏材料、平面顯示器材料、超導(dǎo)材料等。納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料，主要用途為超高強(qiáng)度材料、智能金屬材料等。納米復(fù)合材料包括納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0 復(fù)合)、納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合(0-3復(fù)合)、納米微粒與薄膜復(fù)合(0-2 復(fù)合)、不同材質(zhì)納米薄膜層狀復(fù)合(2-2 復(fù)合)等。納米復(fù)合材料可利用已知納米材料奇特的物理、化學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的綜合性能，可應(yīng)用于航空、航天及人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造的一種新體系。這些物質(zhì)單元包括納米微粒、穩(wěn)定的團(tuán)簇或人造原子、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞等。

我國(guó)于20世紀(jì)80年代末開(kāi)始進(jìn)行納米材料的研究，近年來(lái)，在納米材料基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，取得了重大的進(jìn)展，已能采用多種方法制備金屬與合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，研制了相應(yīng)的設(shè)備，做到了納米微粒的尺寸可控，并研制了納米薄膜和納米塊體。在納米材料的表征、團(tuán)聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復(fù)合等許多方面有所創(chuàng)新。成功地研制出致密度高、形狀復(fù)雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；在世界上首次發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯晶粒在拉伸疲勞中應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)超塑性形變； 在顆粒膜的巨磁電阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)和自旋波共振等方面做出了創(chuàng)新性的成果；在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)納米類(lèi)鈣鈦礦化合物微粒的磁熵變超過(guò)金屬Gd；發(fā)展了非晶完全晶化制備納米合金的新方法；發(fā)現(xiàn)全致密納米合金中的反常Hall-Petch效應(yīng)等。納米材料制備技術(shù)現(xiàn)狀

納米粉體、納米纖維、納米薄膜、納米塊體、納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)等納米材料的制備方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工藝上有顯著的差異。關(guān)于納米材料的制備方法方面的文獻(xiàn)較多，各種制備方法的工藝過(guò)程、特點(diǎn)及適用范圍在相關(guān)的文獻(xiàn)中均有較詳細(xì)的介紹[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 納米材料的力學(xué)和熱學(xué)性能

納米材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，因而與常規(guī)材料相比，在力學(xué)和熱學(xué)上表現(xiàn)出一些奇異的特性。實(shí)驗(yàn)表明，粒徑達(dá)8nm的鐵的強(qiáng)度為常規(guī)材料的數(shù)倍，其硬度是常規(guī)材料的近千倍。長(zhǎng)期以來(lái)，為解決陶瓷在常溫下的易碎問(wèn)題不斷尋找陶瓷增韌技術(shù)，如今納米陶瓷的出現(xiàn)輕而易舉地解決了這個(gè)難題。實(shí)驗(yàn)證明，納米TiO2在800-1000熱處理后，其斷裂韌性比常規(guī)TiO2多晶和單晶都高，而其在常溫下的塑性形變竟高達(dá)100%。中科院金屬研究所曾成功地將納米鐵經(jīng)反復(fù)鍛壓，其形變高達(dá)300%。

目前各種發(fā)動(dòng)機(jī)采用的材料都是金屬，而人們一直期望能用性能優(yōu)異的高強(qiáng)陶瓷取代金屬，這也是未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。而納米陶瓷的出現(xiàn)為人們打開(kāi)了希望之門(mén)。納米陶瓷的超高強(qiáng)度，優(yōu)異的韌塑性使其取代金屬用來(lái)制作機(jī)械構(gòu)件成為可能。中科院上海硅酸鹽研究所制成的納米陶瓷在800下具有良好的彈性。

納米微粒由于顆粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近鄰配位不全，化學(xué)活性大，因而其燒結(jié)溫度和熔點(diǎn)都有不同程度的下降。常規(guī)Al2O3燒結(jié)溫度在1650以上，而在一定的條件下，納米Al2O3可在1200左右燒結(jié)。利用納米材料的這一特性，可以在低溫下燒結(jié)一些高熔點(diǎn)材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于納米微粒具有低溫?zé)Y(jié)，流動(dòng)性大，燒結(jié)收縮大的特性，可以作為燒結(jié)過(guò)程的活性劑，起到加速燒結(jié)過(guò)程，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間的作用。有人曾作過(guò)實(shí)驗(yàn)，在普通鎢粉中加入0.1%-0.5%的納米鎳粉，其燒成溫度從3000降到1200-1300。復(fù)相材料由于不同相的熔點(diǎn)及相變溫度不同而燒結(jié)困難，但納米粒子的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，不僅使各相熔點(diǎn)降低，各相轉(zhuǎn)變溫度也會(huì)降低。在低溫下就能燒結(jié)成性能良好的復(fù)相材料。納米固體低溫?zé)Y(jié)特性還被廣泛用于電子線(xiàn)路襯底，低溫蒸鍍印刷和金屬陶瓷的低溫接合等。

此外，利用納米微粒構(gòu)成的海綿體狀和輕燒結(jié)體可制成多種用途的器件，廣泛應(yīng)用于各種過(guò)濾器、活性電極材料、化學(xué)成分探測(cè)器和熱變換器，例如備受人們關(guān)注的汽車(chē)尾氣凈化器。有報(bào)道說(shuō)，以色列科學(xué)家成功地用Al2O3制備出耐高溫的保溫泡沫材料，其氣孔率高達(dá)94%，能承受1700的高溫。

2.2 納米材料的光學(xué)特性

納米粒子的一個(gè)明顯特征是尺寸小。當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長(zhǎng)，玻爾半徑以及電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)、甚至更小時(shí)，其量子尺寸效應(yīng)將十分顯著，使得納米材料呈現(xiàn)出與眾不同的光學(xué)特性。

納米材料對(duì)可見(jiàn)光具有反射率低、吸收率高的特性。一般來(lái)說(shuō)，大塊金屬都具有不同顏色的光澤。但實(shí)驗(yàn)證明，金屬納米微粒幾乎都呈黑色。如鉑金納米粒子反射率僅有1%，這表明它們對(duì)可見(jiàn)光的低反射率、高吸收率導(dǎo)致粒子變黑。由于體積效應(yīng)，能級(jí)間距的增大和納米的量子限域效應(yīng)，納米粒子對(duì)光的吸收還表現(xiàn)出藍(lán)移現(xiàn)象。利用納米材料的這一特性，制成紫外吸收材料，可用作半導(dǎo)體器件的紫外線(xiàn)過(guò)濾器。還可在稀土熒光粉中摻入納米粉，吸收掉日光燈發(fā)射出的有害紫外線(xiàn)。將其應(yīng)用在紡織物中，與粘膠纖維相混合，制成的功能粘膠纖維，具有抗紫外線(xiàn)、抗電磁波和抗可見(jiàn)光的特性，可用來(lái)制做宇航服。

2.3 納米材料的化學(xué)活性、敏感性

化學(xué)催化劑是一種不斷接受熱源使化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行的功能材料。催化劑的作用主要有以下幾個(gè)方面:一是提高反應(yīng)速度和效率，縮短反應(yīng)時(shí)間；二是改善反應(yīng)的條件，如降低反應(yīng)溫度、壓強(qiáng)、真空度等；三是在決定反應(yīng)的路徑方面，使化學(xué)反應(yīng)按預(yù)計(jì)的方向進(jìn)行，即具有選擇性。從以上不難看出，人們總是期望單位質(zhì)量催化劑表面能同時(shí)接納盡可能多的反應(yīng)物，納米微粒的表面積效應(yīng)恰好符合了這一點(diǎn)。而且納米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子臺(tái)階，此外原子表面懸鍵多，反應(yīng)活性大。這些都有利于加速化學(xué)反應(yīng)，提高催化劑的反應(yīng)活性。例如采用納米Ni 作為火箭固體燃料的催化劑，燃燒率可提高100倍。納米材料不僅能極大提高催化劑的催化活性，而且還表現(xiàn)出令人驚異的化學(xué)選擇性。這在有機(jī)化學(xué)工業(yè)上有著廣闊的應(yīng)用前景，可用來(lái)提高原料的利用率，降低生產(chǎn)成本。如在環(huán)辛二烯加氫生成環(huán)辛烯的反應(yīng)中，常規(guī)的Ni催化劑選擇性?xún)H為24，而采用粒徑為30nm的Ni時(shí)選擇性提高到210，是原來(lái)的9倍。

納米微粒具有大的比表面積，高的表面活性以及與氣體相互作用強(qiáng)等特性，導(dǎo)致納米微粒對(duì)周?chē)h(huán)境的變化十分敏感。如光、溫度、濕度、氣氛、壓強(qiáng)的微小變化都會(huì)引起其表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子遷移的變化。這正滿(mǎn)足了傳感器功能上所要求的靈敏度高、響應(yīng)速度快以及檢測(cè)范圍廣的要求。目前科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)多種納米材料對(duì)一些特定的物質(zhì)具有敏感反應(yīng)。

2.4 納米材料的電學(xué)、磁學(xué)效應(yīng)

超順磁性是納米微粒的一大磁學(xué)特性。當(dāng)納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)，其磁化率就不再服從經(jīng)典的居里一外斯定律而進(jìn)入超順磁狀態(tài)。科學(xué)家認(rèn)為納米微粒出現(xiàn)超順磁性，其原因在于粒徑小于臨界值，各向異性能減小到與熱運(yùn)動(dòng)能可比擬時(shí)，磁化方向就不在固定的一個(gè)異磁方向。異磁方向作無(wú)規(guī)律的變化，這就導(dǎo)致了超順磁化的出現(xiàn)。磁性液體正是利用納米微粒的這一特性而制成的。磁液體是由具有超順磁性的強(qiáng)磁性微顆粒包一層長(zhǎng)鏈有機(jī)分子的界面活性劑，彌散于一定的基液中形成的膠體，具有固體的強(qiáng)磁性和液體的流動(dòng)性，在工業(yè)廢液處理方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

納米微粒進(jìn)入臨界尺寸呈現(xiàn)出超順磁性，但在粒徑大于臨界尺寸時(shí)，卻表現(xiàn)出高的矯頑力。另外，當(dāng)納米粒子的尺寸小到一定值時(shí)，每個(gè)粒子就是一個(gè)單磁疇，實(shí)際上就成為永久磁鐵。具有上述兩種特性的磁性納米粉是未來(lái)磁記錄材料的發(fā)展趨勢(shì)。磁記錄材料發(fā)展的總趨勢(shì)是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求記錄材料具備每1cm2 記錄信息1000萬(wàn)條以上，這就要求每條信息記錄在幾個(gè)平方微米內(nèi)，只有納米的尺寸才能達(dá)到這一點(diǎn)。磁性納米材料具有尺寸小、單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力高等特性，使得制作的磁記錄材料具有穩(wěn)定性好、圖象清晰、信噪比高、失真十分小等優(yōu)點(diǎn)。日本松下電器公司已成功研制出納米磁記錄材料，我國(guó)也開(kāi)展了這方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。納米材料的主要應(yīng)用[22]-[27]

借助于納米材料的各種特殊性質(zhì)，科學(xué)家們?cè)诟鱾€(gè)研究領(lǐng)域都取得了性的突破，這同時(shí)也促進(jìn)了納米材料應(yīng)用的越來(lái)越廣泛化。3.1特殊性能材料的生產(chǎn)

材料科學(xué)領(lǐng)域無(wú)疑會(huì)是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。高熔點(diǎn)材料的燒結(jié)納米材料的小尺寸效應(yīng)(即體積效應(yīng))使得其在低溫下燒結(jié)就可獲得質(zhì)地優(yōu)異的燒結(jié)體(如SiC、WC、BC等)，且不用添加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結(jié)溫度低、流動(dòng)性大、滲透力強(qiáng)、燒結(jié)收縮大等燒結(jié)特性，所以它又可作為燒結(jié)過(guò)程的活化劑使用，以加快燒結(jié)過(guò)程、縮短燒結(jié)時(shí)間、降低燒結(jié)溫度。例如普通鎢粉需在3 000℃高溫時(shí)燒結(jié)，而當(dāng)摻入0.1%-0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)成形溫度可降低到1200℃-1311℃。復(fù)合材料的燒結(jié)由于不同材料的熔點(diǎn)和相變溫度各不相同，所以把它們燒結(jié)成復(fù)合材料是比較困難的。納米材料的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，不僅使其熔點(diǎn)降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進(jìn)行固相反應(yīng)，得到燒結(jié)性能好的復(fù)合材料。納米陶瓷材料的制備通常的陶瓷是借助于高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的。由于納米材料粒徑非常小、熔點(diǎn)低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產(chǎn)出質(zhì)地致密、性能優(yōu)異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強(qiáng)、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能，它還具有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸收效應(yīng)，這些都將成為材料開(kāi)拓應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，并將會(huì)對(duì)高技術(shù)和新材料的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重要作用。

3.2生物醫(yī)學(xué)中的納米技術(shù)應(yīng)用

從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結(jié)構(gòu)也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細(xì)胞中的細(xì)胞器和其它的結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞就象一個(gè)個(gè)“納米車(chē)間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級(jí)的結(jié)構(gòu)精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過(guò)程已成為啟發(fā)和制造新的納米結(jié)構(gòu)的源泉，研究人員正效法生物特性來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的納米級(jí)控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學(xué)研究提供了新的契機(jī)。目前已得到較好應(yīng)用的實(shí)例有：利用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的技術(shù)，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細(xì)胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進(jìn)行局部定向治療等。

正在研制的生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開(kāi)發(fā)和人類(lèi)遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時(shí)隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動(dòng)態(tài)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類(lèi)，一類(lèi)是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測(cè)和治療。各式納米機(jī)械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。另一類(lèi)是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術(shù)或微制造。

3.3納米生物計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)

生物計(jì)算機(jī)的主要原材料之一是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10倍以至幾萬(wàn)倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質(zhì)分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能、自動(dòng)修復(fù)芯片上發(fā)生的故障，還能使其模仿人腦的機(jī)制等。世界上第一臺(tái)生物計(jì)算機(jī)是由美國(guó)于1994年11月首次研制成功的。

科學(xué)家們預(yù)言，實(shí)用的生物分子計(jì)算機(jī)將于今后幾年問(wèn)世，它將對(duì)未來(lái)世界產(chǎn)生重大影響。制造這類(lèi)計(jì)算機(jī)離不開(kāi)納米技術(shù)。生物納米計(jì)算機(jī)和納米機(jī)器人的結(jié)合體則是另一類(lèi)更高層次上的可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話(huà)的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數(shù)十億次操作，屆時(shí)人類(lèi)的勞動(dòng)方式將產(chǎn)生徹底的變革。

目前納米科學(xué)技術(shù)正處在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界為之震動(dòng)，并引起關(guān)心未來(lái)發(fā)展的全世界科學(xué)家的思索。人們正注視著納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出的奇異現(xiàn)象和新進(jìn)展，這一領(lǐng)域前景十分誘人。它與其它學(xué)科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學(xué)科或?qū)W科群，其有關(guān)發(fā)展將對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防實(shí)力、科技發(fā)展乃至整個(gè)社會(huì)文明進(jìn)步產(chǎn)生巨大影響。

3.4新的國(guó)防科技革命

納米技術(shù)將對(duì)國(guó)防軍事領(lǐng)域帶來(lái)革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和戰(zhàn)場(chǎng)上的實(shí)時(shí)聯(lián)系；對(duì)化學(xué)、生物、核武器的納米探測(cè)系統(tǒng)；新型納米材料可以提高常規(guī)武器的打擊與防護(hù)能力；由納米微機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人可以完成特殊的偵察和打擊任務(wù)；納米衛(wèi)星可用一枚小型運(yùn)載火箭發(fā)射千百顆，按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，監(jiān)視地球上的每一個(gè)角落，使戰(zhàn)場(chǎng)更加透明。而納米材料在隱身技術(shù)上的應(yīng)用尤其引人注目。在雷達(dá)隱身技術(shù)中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關(guān)鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應(yīng)使得電子的能級(jí)分裂，分裂的能級(jí)間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創(chuàng)造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場(chǎng)的輻照下，運(yùn)動(dòng)加劇，增加電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，從而提高對(duì)電磁波的吸收性能。美國(guó)研制的“超黑粉”納米吸波材料對(duì)雷達(dá)波的吸收率達(dá)99％，法國(guó)最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復(fù)合材料，在2-7GHz范圍內(nèi)，其m￠和m￠￠幾乎均大于6。最近國(guó)外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見(jiàn)光等波段的納米復(fù)合材料，并提出了單個(gè)吸收粒子匹配設(shè)計(jì)機(jī)理，這樣可以充分發(fā)揮單位質(zhì)量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時(shí)，普遍兼?zhèn)淞吮　⑤p、寬、強(qiáng)等特點(diǎn)。納米材料中的硼化物、碳化物，鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應(yīng)用都將大有作為。

3.5其他領(lǐng)域

除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航天、環(huán)境能源、微電子學(xué)等其他領(lǐng)域也有著逐漸廣泛的應(yīng)用，納米材料在這些領(lǐng)域都在逐漸發(fā)揮著光和熱。納米材料的應(yīng)用前景展望

在未來(lái)的幾十年中，納米技術(shù)將逐步滲透到科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，并在很大程度上改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活觀念。納米技術(shù)將影響的幾個(gè)領(lǐng)域[ 10][ 22]：

(1)海水脫鹽凈化技術(shù)。由于人口的快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025年，全球?qū)⒂?8 個(gè)

國(guó)家、32%的人口面臨著缺水的困境。而解決缺水困難的根本出路就是海水脫鹽凈化技術(shù)，碳納米管的發(fā)現(xiàn)及納米技術(shù)的發(fā)展為這一技術(shù)提供了一種可能的發(fā)展方向。

(2)照明系統(tǒng)。在照明中用于制造發(fā)光二極管的半導(dǎo)體將逐漸在納米尺寸范圍內(nèi)制作，在納米尺度上制作的發(fā)光二極管的效率現(xiàn)在已經(jīng)可以與可見(jiàn)光譜上白熾光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低發(fā)熱特性，將很快在展覽、汽車(chē)照明燈、普通照明以及指示器中獲得廣泛應(yīng)用。

(3)醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域。納米技術(shù)將使適用于制藥的化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量增加約1 倍；

可用尺寸為50-100nm的納米顆粒對(duì)腫瘤部位進(jìn)行治療，因?yàn)楦蟮牧Ｗ訜o(wú)法穿過(guò)腫瘤上的小孔，納米顆粒卻能輕松進(jìn)入腫瘤內(nèi)部；納米技術(shù)將使癌癥在僅有少量癌細(xì)胞出現(xiàn)的早期即被檢出。

(4)微電子和計(jì)算機(jī)。納米結(jié)構(gòu)的微處理器的效率將提高100萬(wàn)倍，并實(shí)現(xiàn)兆兆比特的存儲(chǔ)器，研制量子計(jì)算機(jī)和光子計(jì)算機(jī)。

(5)環(huán)境和能源。利用納米技術(shù)發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術(shù)，減少污染和恢復(fù)被破壞的環(huán)境；制備孔徑1nm的納米孔材料作為催化劑的載體，用以消除水和空氣中的污染；成倍提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率等。利用納米材料特殊的磁、光、電等性質(zhì)，還可以開(kāi)發(fā)出無(wú)以計(jì)數(shù)的新型材料，21世紀(jì)的納米材料必將在微電子、信息、能源、環(huán)保、通訊、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活等領(lǐng)域中發(fā)揮出巨大的作用，從而促進(jìn)生產(chǎn)力的提高，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)

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