热敏半导体陶瓷的研究现状及应用进展

第一篇：热敏半导体陶瓷的研究现状及应用进展

热敏半导体陶瓷的研究现状及应用进展

摘要：半导体陶瓷是当今世界迅速发展的一项高新技术领域，热敏半导体陶瓷作为其中的一类，应用也越来越广泛。本文分别对正温度系数热敏陶瓷（PTC），负温度系数热敏陶瓷（NTC）和临界温度急变陶瓷（CTR）的研究现状进行了简要叙述，并对热敏半导体陶瓷存在的问题及发展趋势进行了分析探讨。

关键词： PTC陶瓷；NTC陶瓷；CTR陶瓷；现状；发展前景

1.前言

半导体陶瓷是具有半导体性能的无机非金属多晶材料的总称。其电导率约在10-3~108 Ω·cm之间，受外界条件如温度、光照、电场、气氛、湿度等影响可能发生显著的变化，使得它可以把外界物理化学量的变化转变为便于处理的电信号，从而制成各种用途的敏感元件[l,2]。

热敏半导体陶瓷[1]是半导体陶瓷材料的一类，其电阻、磁性、介电等性质随环境温度变化而变化。热敏半导体陶瓷敏感元件具有灵敏度高、结构简单、使用方便、价格低廉等优点，因此在现代微电子技术、光电技术、通讯技术等许多高技术领域获得了广泛应用，已受到国防、科技、工农业、特别是材料科学领域的极大重视。

热敏半导瓷陶瓷材料主要为各类电阻材料，按其温度特性可分为正温度系数热敏陶瓷（PTC），负温度系数热敏陶瓷（NTC）和临界温度急变陶瓷（CTR）等。下面主要对这三种热敏半导体陶瓷研究现状及应用进行介绍。

2.国内外研究进展

2.1 PTC陶瓷材料

2.1.1 PTC陶瓷材料的研究现状

目前PTC热敏陶瓷主要有三大类[3]：第一类是采用BaPbO3基材料制作的PTC热敏陶瓷，第一类是氧化钒（V2O3）基材料，第三类是BaTiO3基材料。

BaPbO3基半导体陶瓷的居里温度约为750℃，这一特性使其在高温过流保护装置领域很受青睐，但其起跳幅度仍需要提高[4]。BaPbO3基半导体陶瓷具有优异的金属导电性以及较低的室温电阻率，而且在高温下还具有正温度系数（PTC）特性，通过掺杂不同元素，其PTC特性可得到显著改善，现已在陶瓷点击、导电胶、抗蚀材料及高温道题上获得一定的应用。Itoh[5]等报道了在Ba1-xSrPbO3中随着x的增加，其电导率也随之增加，同时其晶体结构也随之改变。当温度为77K时，载流子浓度也从BaPbO3的2.7×1020下降到SrPbO3的2×1018cm-3，但晶格畸变程度则相应地增加。在掺杂方面，国内主要集中在稀土元素上，蔡伟民[6]等研究了铺掺杂BaPbO3的EXAFS，发现稀土铺掺杂后，BaPbO3结构发生部分畸变，开

始由立方向四方转变，同时铅的配位数也降低了，分别为3.7和4.1，铕的配位也只有4左右，说明掺铕后在Pb和Eu周围均出现了氧空位，从而解释了材料具有高导电性的原因。

V2O3基陶瓷材料的研究起步较晚，近几十年才逐渐发展起来。其PTC效应来源于温度诱发的体效应，且不受电压和频率的影响。该材料具有较低的常温电阻率和较大大的同流能力，这些特点使得V2O3基PTC陶瓷材料在大电流过流保护元件方面具有广阔的应用前景[7]。陈文等[8]研究了淬冷对V2O3系PTC陶瓷材料阻温特性的影响，发现经过液氮淬冷处理后样品中某些晶粒表面产生了长度为2~4μm的微裂纹，明显改善了材料的性能。同时他们在材料中添加微量的SnO2，会使V2O3系PTC陶瓷材料更加致密、常温电阻率较低，其升阻比得到极大提高。薛荣生[9]研究了以少量、微量Al2O3、SiO2、TiO2的纳米超微粒子和BN超微粉体的添加对PTCR半导体陶瓷材料性能的影响，发现少量的纳米超微粒子的加入能够使产品性能得到非常显著的提高，而BN超微粉体的加入能够有效消除生产中过量受主杂质Fe的混入而带来的PTC特性恶化的影响。V2O3基PTC陶瓷材料作为一种新兴的材料和元件正逐渐被人们所关注，随着科研、生产技术的不断发展和提高，其PTC的特性将会不断发展和成熟，从而使它的应用范围不断向广度和深度发展。

目前，无论是理论还是工艺研究的比较成熟的是BaTiO3基PTC陶瓷。由于制备BaTiO3基PTC陶瓷主要以传统固相反应法为主，烧结温度在 1200℃以上，纯的BaTiO3陶瓷室温电阻率达到109Ω•cm，远远超过BaTiO3基半导体PTC陶瓷的低室温电阻率(<104Ω•cm)的应用要求，而且纯BaTiO3陶瓷的居里点在120℃左右，无法满足实际的需要；因此，通常都需要在BaTiO3陶瓷中引入一些掺杂剂来改善BaTiO3基陶瓷的PTC性[10]。蒲永平[11]等人通过用不同掺杂浓度Nb2O5掺杂BaTiO3陶瓷，研究发现：随着Nb2O5掺杂量的增大，陶瓷的平均晶粒尺寸先增大后减小，室温电阻率也随之先减小后增大，这说明室温电阻率有一个最小值。另外，不同Nb2O5的掺杂方式也会影响BaTiO3基陶瓷的PTC性能。潘彬[12]等人利用液相掺杂及低温固相反应的方法制备了Bi掺杂BaTiO3纳米晶体，发现Bi掺杂BaTiO3晶体在常温下为立方晶系，颗粒基本呈球形，大小均匀，而且在烧结温度为1330℃、保温时间为20min条件下所制PTC陶瓷性能最佳。宁青菊[13]等人研究了影响BaTiO3基PTC陶瓷材料的因素，发现Bi3+取代微量Pb2+可以使BaTiO3半导化，且具有PTC效应，但是室温下其电阻较大；用V5+取代微量Pb2+，不能实现BaTiO3的半导化；NBT-BaTiO3陶瓷在还原气氛下烧结，半导化效果良好，但没有PTC效应，经重氧化试样的室温电阻增加，具有PTC效应。

综上所述，一般BaTiO3陶瓷的室温电阻率首先会随着施主掺杂量增大而减

小，当施主掺杂量达到某一值时，室温电阻率降达到最小值，如果施主掺杂量继续增大，室温电阻率则会急剧增大。对于掺杂不同种类的施主离子，BaTiO3陶瓷的室温电阻率达到最小值时的掺杂量一般也是不同的。2.1.2 PTC陶瓷材料的应用

我国在PTC热敏陶瓷方面的研究开始于20世纪60年代，之后许多高校和研究所都在对该方向就行大量的研究，并获得一定的研究成果。而在国外，PTC热敏陶瓷电阻器的实用化是从上世纪60年代开始的，到七十年代中期得到很大的发展，相继研制开发出了不同用途的PTC热敏电阻元件。世界上最大的电子陶瓷生产公司之一的日本村田制作报导，其PTC产品的品种规格已达169种之多。近年来，相继开发出消磁用PTC热敏电阻器、马达启动用PTC热敏电阻器、限流用PTC热敏电阻器、加热用PTC热敏电阻器、片式PTC热敏电阻器等，这些电阻器分别在彩电和彩显、冰箱空调启动、电子仪器、医疗加热器等方面发挥着特别重要的作用[14]。

2.2 NTC陶瓷材料

2.2.1 NTC陶瓷材料的研究现状

NTC热敏半导体陶瓷是负电阻温度系数热敏半导体陶瓷的简称。NTC热敏陶瓷种类繁多，按材料组成和结构可以分为氧化物系、非氧化物系和单体等[15]，其晶相结构有尖晶石、萤石、钙钛矿、金红石等多种结构类型[16]。而应用较广泛的NTC热敏陶瓷材料大多数为AB2O4尖晶石结构型氧化物半导体陶瓷，如以MnO、CoO、NiO、Fe2O3和CuO为主要成份的二元或多元氧化物的混晶结构材料。NTC热敏陶瓷材料因为其较大的电阻温度系数、稳定的性能一级宽广的使用温区而得到快速发展。这种材料的制备工艺比较简单，成本较低廉，但性能在很大程度上受到烧结工艺、粉体合成、组成、掺杂以及热处时间等工艺因素的影响。

首先，烧结工艺对于NTC热敏陶瓷材料的性能有很大的影响。张惠敏等人[17]探讨了不同烧结方法对CoMnNiO系NTC热敏半导体陶瓷特性及电性能的影响。实验结果表明，①采用共沉淀法制备的热敏电阻超微细粉体材料烧结性能好，且成瓷致密、均匀、材料一致性好；②微波烧结的样品成瓷均匀、致密，且在同样温度下微波烧结制备的热敏元件B值、阻值一致性较常规烧结方法有较大提高。由此可见，微波烧结技术在制备热敏电阻陶瓷材料方面有潜在的优势。

粉体合成方法对于NTC特性影响也很大。杨阳等人[18]采用先进的半导体陶瓷生产工艺制备出阻值一致性好、抗冲击性强、稳定性好的Sr-Co-O系NTC热敏陶瓷电阻元件，提高了生产效率和元件的成品率。另通过控制非化学计量比的钙钛矿结构SrCo1-xNixO3-δ材料的反应温度、恒温时间、Ni的含量来控制烧结后样品的电阻值和热敏电阻参数B值，制备出不同参数可以在-253℃一下使用的低温

NTC氧化物热敏电阻材料。而且还分别运用高温固相法和液相法制备了SrCo1-xNixO3-δ陶瓷粉体，得出液相法制备的粉体陶瓷样品的烧结温度低、阻值和B值的一致性好，降低了烧结温度，提高了成品率。

组成不同的NTC热敏材料，其结构性能有很大的差异。王卫民[19]通过传统固相法制备Mn-Co-Ni-O基热敏半导体陶瓷，并研究组成对其相结构与电性能的影响。结果发现：①制备具有单一尖晶石结构的Mn-Co-Ni-O系半导体陶瓷材料，是保持热敏半导瓷良好电性能的前提，加入CuO虽然可以将烧结温度降低至1100℃，但是也降低了B值；②V2O5掺杂不能促进Mn-Co-Ni-O系半导瓷的烧结，但可以促进Mn-Co-Ni-Cu-O系半导瓷的烧结。

掺杂元素对材料性能也有着不同程度的影响。NTC热敏电阻材料可以通过添加少量掺杂物，改善材料的性能。杨涛[20]以Mg-Al-Cr-Fe-O系高温NTC热敏材料为基础，研制出一种高温烧结体高温NTC热敏陶瓷材料，并研究掺杂La2O3、Y2O3、CeO2对材料体系性能的影响。得到掺杂La2O3与Cr2O3形成高温稳定性好的LaCrO3晶相物质，掺杂质量分数2%La获得材料电阻率最大，样品老化后电阻率、B值均增大，B值达10000K以上。掺杂Y2O3、CeO2均未与配方中各氧化物形成新物质，对体系样品电性能影响不大，未能优化性能。

不同制备方法使NTC热敏陶瓷的性能有一定差异。王肖燕[21]BaSnO3陶瓷材料的NTC特性研究用传统固相法制备了具有良好NTC特性的BaSnO3半导体陶瓷，分析研究其NTC的机理，认为导带电子由于热激发而越过晶界势垒的导电过程是其具有NTC特性的根本原因，这与传统NTC材料因极化子导电而具有NTC特性有着本质的不同。另外还考察了Mn2+掺杂对BaSnO3陶瓷NTC特性的影响，发现在0.5mol%~2.6mol%的掺杂范围内，随着Mn的掺杂量的增加，材料B值随之增大，但过多Mn掺杂会使材料的室温电阻率增大。而且采用单面Mn2+的涂覆扩散处理方式，可以制备出较低的视在室温电阻率、高B值及线性度较好的NTC陶瓷材料。杨涛[20]以Mg-Al-Cr-Fe-O系高温NTC热敏材料为基础，研制出一种高温烧结体高温NTC热敏陶瓷材料，并系统研究了不同工艺参数对该体系材料性能的影响。发现：①预烧温度越低，获得的热敏电阻的阻值与B值越高；②随球磨时间增加热敏电阻中尖晶石比例越高，B值有所增加，球磨20h获得电阻值最大；③保温时间对阻值影响较大，样品保温6h烧结得到的样品阻值最大，保温时间过短或过长，样品电阻率均减小。2.2.2 NTC陶瓷材料的应用

由于NTC热敏电阻的阻温特性以及伏安特性，NTC热敏电阻已经被广泛的应用在工农业生产以及国防科研等各个方面。按其所起到的作用分为三类[21]：第一，温度补偿作用。主要是在石英振荡器电路内设置温度补偿电路，可以在相当

宽的温度范围内获得良好的温度特性。第二，抑制浪涌电流。开关电源、电机、变压器或者照明电流源等在接通时，有很大的浪涌电流，将NTC热敏电阻和这些元件串连，可以有效地抑制这种电流，对元件起到保护作用。同时，抑制浪涌电流的 NTC元件也用于电子装置，如限制荧光灯、探照灯、幻灯、卤素灯等。第三，NTC热敏电阻还可用于温度检测。其在热水器、空调、厨房设备（微波炉、电热锅、消毒柜等）、办公用品（遥控器、无绳电话等）、汽车电控等方面已有广泛应用。

随着智能化仪器仪表对高精度热敏器件需求的日益扩大、以及手机、掌上电脑、笔记本电脑和其它便携式信息及通信设备的迅速普及，进一步带动了对热敏电阻的大量需求，主要表现在大量充电电池、液晶显示器(LCD)、温度补偿型晶体振荡器(TCXO)等都必须采用热敏电阻进行温度补偿，以保证器件性能稳定。另外，高密度组装的电路结构对温度测量和控制的要求也就更加迫切[19]。

调查研究表明目前NTC热敏元件的销售额约已经占到热敏元件整体销售总量的20％左右，所以NTC热敏材料具有巨大的研究、发展空间。在工业和民用 许多领域都需要NTC热敏电阻及器件，NTC产业前景非常好[22]。

2.3 CTR陶瓷的研究及应用现状

临界温度系数热敏电阻(CTR)是一种具有开关特性的负温度系数热敏电阻[4]。CTR温敏器件是利用材料从半导体相转变到金属相时电阻的急剧变化而制成，故称为临界温度急变温敏电阻[21]。由于某些材料的转变温度较低，因此必须在低温情况下使用。如果需要转变温度较高一些的CTR热敏电阻，就必须搀杂一些氧化物(如CaO、SrO、BaO、SiO2、TiO2 等)。利用这种热敏电阻可以制成固态无触点开关，具有广泛的应用前景。VO2系临界温度热敏陶瓷已应用于恒温箱温度控制、火灾报警和电路的过热保护等[23]。

国外对于CTR半导瓷材料的研究从上世纪四十年代就开始了。1946年, Foex等人首先观察到V2O3的电阻率在173K时下降105倍的现象。1959年，Morin又发现VO2、VO、Ti2O3、NbO2等也有同样特性，其转变温度VO2为341K，VO为126K，Ti2O3为450K，NbO2为1070K。1965年，日本日立公司利用这种跃变特性首次制成CTR。它是以VO2为基加上Mg、Ca、Ba、Pb和P、B、Si的氧化物组成的二元系或三元系氧化物，在还原气氛下烧结后，在900℃以上淬火制成[24]。发展到今天，其理论与生产工艺都已经相当成熟。而我国从上世纪80年代开始研究CRT半导体陶瓷材料，不过关于该方面研究的交流甚少。目前，国内主要研究的是V-P-Fe系CTR电阻。

孙健等人[25]研究了3种样品的测量结果对应的电阻-温度特性曲线，比较其不同组份的导电特性，得到：①材料组份比的不同，将导致产品性能产生很大差距，它们的多数不能形成稳定的尖晶石结构，只能形成各种多晶氧化物的机械混合物。随组份比波动大，对热处理敏感；②各组分之间相互牵制影响。另外，王惠等人[26]从微观方面分析了V-P-Fe系CTR组分与材料性能的关系，得出V-P-Fe系CTR材料的导电模型是：晶粒体-粒界模型。利用该模型对该材料的实测阻温特性曲线进行分析，发现晶粒体阻值具有临界特征，且在高温态呈金属性，在低温态成为半导体，而粒界的导电则采取“电势垒模式”。

国内外关于CTR热敏陶瓷材料的研究交流较少，特别是对于其制备工艺以及影响其特性的因素方面的报道。国内的孙健等人[27]曾用烧结方法制成价格低廉的多晶VO2的CTR热敏材料。由于粗粒多晶也和单晶一样，在反复相变后性能不稳定，他们先使VO2微晶化并在其中掺入一些P2O5酸性氧化物，在弱还原性气氛中烧结并急剧冷却，使氧化物形成的玻璃相将VO2微晶粘结起来，以缓和相变引起的变形，同时又加入一些可以变价的Fe2O3碱性氧化物，以使CTR在导电中可因这些氧化物原子的变价而导电。经过反复筛选摸索工艺条，研制出了取材容易、价格低廉、体积小、响应快、性能良好的V-P-Fe系CTR珠状元件。

3.热敏半导体陶瓷存在的问题及展望

3.1 存在的问题

虽然我国的热敏半导体陶瓷材料在理论和应用方面的研究均取得了很快的发展，但是在技术和生产工艺方面还是与国外的水平之间存在着一定的差距，主要表现在：

①产品的品种少，种类不齐全；

②生产工艺与国外的水平有一定的差距，自动化生产程度相对较低，产品的一致性和合格率均较低；

③所有原料的一致性和稳定性差，这对产品的质量和生产的重复性都有极大的影响。

④测试技术不健全，对原材料与产品性能的测试不够完善，缺乏科学分析手段，生产者遇到的质量问题不能及时解决。

3.2 未来发展方向

首先，对于PTC陶瓷材料，其市场规模一方面会随着消费类等产品的发展而同步增长，另一方面会随着PTC陶瓷元件在其他各个领域（如军事、航天、汽车、通讯、家电等领域）的推广而进一步增长。其中汽车领域上的应用将会是一个很大的发展市场。而在技术方面，从目前看，主要向三个方向发展[28]：①高温PTC半导体陶瓷：目前，国内外广泛应用的高温PTC热敏陶瓷的居里温度约为300℃，而实际应用中很多时候要求居里温度更高，所以发展高温PTC陶瓷元件势在必得；②V型PTC陶瓷材料：V型PTC陶瓷材料是指在温度达到或超过居里温度时

呈现PTC特性，而低于居里温度时呈现NTC的特性。这种材料能够弥补传统PTC陶瓷的不足，目前已经研制开发出来的V型PTC陶瓷材料主要是(Sr、Pb)TiO3系的V型PTC陶瓷；③低电阻PTC陶瓷材料：对于PTC陶瓷元件要求较大的起始电流，所以就要求其室温电阻率越来越低。

对于NTC半导体陶瓷：随着信息技术的飞速发展，多层片式NTC热敏陶瓷[20]己经成为了国内外研究和开发的热点。它是一种技术含量高、生产难度大、产品附加值高的新型无源电子元件，涉及多项关键技术，主要包括：超低电阻率超微细粉体原料的制备、瓷体微晶结构的控制、高性能坯体绿色成型技术，以及气氛烧结等工艺技术等。国外在此技术领域对我们严格保密，研制出具有自主知识产权的片式NTC热敏元件，对满足迅速发展的国内电子信息产业的需求具有重大意义。另外，NTC热敏电阻老化特性研究和可控性研究也将是未来一段时间重点研究的方向。

而迄今为止，对于CRT半导体陶瓷的认识还是不够深入，今后应从缺陷化学、熔体化学及粒界形成的热力学方面进一步的深入研究。在这方面 理论和应用研究的进展，都将会极力的促进我国电子陶瓷的生产和电子科学技术的进步。另外，在CTR热敏陶瓷的制备过程中，可以尝试利用计算机来控制预烧和烧结。

参考文献

[1] 周东祥，张旭礼，李标荣.半导体陶瓷及应用.武汉:华中理工大学出版社,1991.1-223.[2] 莫以豪，李标荣，周国良.半导体陶瓷及其敏感元件.上海:上海科学技术出版社,1983.1-271.[3] 蒋悦清.BaTiO3基无铅PTC热敏电阻材料的制备与研究[D].成都:成都理工大学, 2013.[4] K T.Jacob , K P.Jaydevan.Phase Relations, Chemical Potentials and Thermodynamic Properties of Interoxide Compounds in the System BaPbO[J].Mater.Sci.Eng.B, 1998, 52:134-144.[5] M.Itoh, T.Sawada, I.S.Kim,Y.lmaguma, et al.Composition dependence of carrier concentration and conductivity in Ba1-xSrPbO3 system[J].Solid State Common, 1992, 83(1): 33-36.[6] 蔡伟民, 冯玉杰, 周定等.铺掺杂BaPbO3的EXAFS研究[J].中国稀土学报, 1997, 15(1): 83-85.[7] 张兆刚, 陈敏, 李建军等.V2O3系PTC陶瓷材料的研究进展[J].稀有金属, 2011, 35(4):581-586.[8] 陈文, 徐庆, 崔万秋等.Cr2O3, Al2O3掺杂V2O3系PTC陶瓷的制备与特性[J].武汉工业大学学报,1994, 16(2):18.[9] 薛荣生.纳微超细粉体对PTCR半导体陶瓷材料性能的影响[D].南京:南京工业大学,2005.[10] M.Viviani, M.T.Buscaglia, V.Buscaglia, et al.Analysis of conductivity and PTCR effect in Er-doped BaTiO3 ceramics[J].Journal of the European Ceramic Society, 2004, 24(6): 1221-1225.[11] 蒲永平, 吴海东, 韦继锋.Nb2O5掺杂方式对BaTiO3基无铅PTCR陶瓷性能的影响[J].中国陶瓷,2011,47(6):10-13.[12] 潘彬, 丁世文, 邓睿君等.Bi掺杂BaTiO3基PTC陶瓷的制备、微结构和电性能[J].电子元件与材料, 2012, 31(2): 11-14.[13] 宁青菊, 李艳洁, 章春香等.影响BaTiO3基PTC陶瓷基材料性能因素的分析[J].陕西科技大学学报, 2008, 26(1): 75-79.[14] 朱盈权.PTC热敏电阻的现状与发展趋势[J].电子元件与材料，2002, 8:22-25.[15] 李言荣, 挥正中.电子材料导论[M].北京: 清华大学出版社，2001: 384-388.[16] Guillemet-Friteschs, Jaouads, Josephs, et al.Mechanical properties of nickel manganites-based ceramics used as negative temperature coefficient thermistors(NTC)[J].Mater Res Bull,2004, 39(12):1957-1965.[17] 张惠敏, 常爱民, 赵青.CoMnNiO系NTC热敏半导体陶瓷烧结特性与电性能研究[J].功能材料, 2007, 3: 102-104.[18] 杨阳, 妥万禄, 常爱民等.Co-Ni-Sr-O系低温热敏陶瓷材料研究[J].微纳电子技术, 2007,7(8): 91-94, 107.[19] 王卫民.Mn-Co-Ni-O基热敏半导体陶瓷的低温烧结与电性能研究[D].X西安：西北工业大学,2006.[20] 杨涛.高温NTC热敏陶瓷材料的研究[D].成都: 电子科技大学，2013.[21] 王肖燕.BaSnO3陶瓷材料的NTC特性研究[D].广州: 广州大学，2007.[22] 余红, 杨兰荪.NTC热敏电阻的应用开发[J].国外建材科技, 1995, 11.[23] K.Park.Improvement in electrical stability by addition of SiO2 in Mn1.2Ni0.78CuO0.87Cu0.15SixO4 NTC thermistors.Scripta Materiallia, 2004, 50: 551~554.[24] 徐翠艳, 王文新, 李成等.半导体陶瓷的研究现状与发展前景[J].辽宁工学院学报, 2005.25(4): 247-249.[25] 孙健,甘朝钦,刘英等.V-P-Fe系临界温度电阻的组份比分析[J].传感器与微系统, 2006, 25(1): 25,26.[26] 王惠, 甘朝钦, 吴宗汉等.V-P-Fe系CTR的导电模型[J].南京师范大学学报(工程技术版), 2005,5(40):38~41.[27] 孙健, 甘朝钦, 刘英等.V-P-Fe系CTR的研制[J].应用科学学报, 2000, 18(2):186~188.[28] 车佩佩.低电阻率PTC热敏电阻器的优化研究[D].西安：西安电子科技大学, 2013.

第二篇：洁净煤技术的研究现状及进展

摘要：我国是煤炭生产和消费大国,大力开发应用和推广适合我国国情的洁净煤技术是我国能源发展

战略的主要内容，具有重要的意义。阐述了洁净煤技术的研究背景及其概念，介绍和分析了国内、外洁净煤技

术的研究和发展现状, 重点论述了我国目前在洁净煤研究领域的情况，如煤炭地下气化技术、工业型煤技术、水煤浆技术、煤液化技术、洁净煤联合循环发电技术等的情况，列出了洁净煤技术的特点,指出了我国发展洁

净煤技术应加强的工作。

关键词：煤炭；洁净煤技术；研究现状

煤炭是世界上最丰富的化石燃料资源，占世界化石燃料贮量的70%以上。世界煤的储量也十分丰富，计有可采煤6 369 亿t[1]。我国煤的储量居世界第三位（有可采煤989 亿t）仅次于美国（1 776 亿t），独联体国家（前苏联1 099 亿t）

[2]。目前煤炭约占世界一次能源消费的30%，按世界能源会议预测，煤炭作为一次能源的重要组成部分的地位将在相当长时间内不会改变，预计2020 年煤炭将占世界一次能源消费的33.7%。中国是煤炭生产和消费大国，目前煤炭提供了我国一次能源的70%左右，在可预见的未来几十年内，煤炭仍将是我国主要的一次能源。煤炭作为能源对人类的发展作出了巨大的贡献，但在煤炭的开发与利用过程中也产生了一系列污染问题，危及生态平衡与人类生存。

洁净煤技术旨在最大限度地发挥煤作为能源的潜能利用，同时又实现最少的污染物释放，达到煤的高效，清洁利用目的。洁净煤技术是一项庞大复杂的系统工程，包含从煤炭开发到利用的所有技术领域，主要研究开发项目包括煤炭的加工、高效燃烧、转化和污染控制等[3]。为解决美国和加拿大的越境酸雨问题, 美国于1986 年率先提出洁净煤技术（Clean Coal Technology），并制订出洁净煤技术示范计划。此后10 年中，洁净煤技术已引起国际社会普遍重视，目前已成为世界各国解决环境问题的主导技术之一。国外洁净煤技术的进展

美国是最早制定和实施洁净煤技术的国家[3]。美国“洁净煤技术示范计划”共制订了5 轮计划的实施。共有40 个CCT 项目，分布于美国的18 个州。项目类型共分为以下4 类：（1）先进发电技术:包括常压循环流化床燃烧发电、增压流化床联合循环发电、煤气化联合循环发电等共11 个项目。目前已完成Nucla 常压循环流化床锅炉示范项目和Tidd 增压流化床锅炉示范项目。几项煤气化联合循环发电示范项目如Pinon Pine 示范项目、Tampa 示范项目、WabashRiver 示范项目等也分别于1996 年和1997 年投入运行。（2）环境控制设备：主要包括各种低NOX 燃烧器、燃料脱硫技术、烟气脱硫装置等共19 个项目，到1996 年底已完成11 个示范项目。（3）清洁煤制备技术: 包括选煤、煤质专家系统、煤温和气化技术、煤液化技术等共5 项。（4）工业应用项目：包括在钢铁工业、水泥工业等的应用性示范项目共5 项。上述项目中，总投资超过60 亿美元, 其中美国政府投资约为1/3，工业界投资约为2/3。如此规模巨大的洁净煤示范计划被誉为是继原子弹计划、航天计划、星球大战计划后美国政府组织的又一大全国性计划。欧洲[3]，[4]也积极推动洁净煤技术的研究和开发。欧共体制订了“兆卡”

计划（Thermic Program），旨在促进欧洲能源利用新技术的开发，减少对石油的依赖和煤炭利用造成的环境污染，确定经济持续发展。欧洲特别是德国等国在选煤、型煤加工、煤炭气化和液化、循环流化床燃烧技术、煤气化联合循环发电、烟气脱硫技术等方面都取得了很大的进展。日本于1991 年开始向洁净煤技术发起了挑战[5]，1993 年在“新能源产业技术综合开发机构”（NEDO）内成立“洁净煤技术中心”（CCTC）负责全日本的新能源和洁净煤炭技术的规划、管理、协调和实施。作为“阳光计划”的一部分，日本已在流化床燃烧技术、煤气化联合循环发电技术、煤液化技术、水煤浆技术、烟气净化技术、煤气化燃料电池发电技术等方面开展了研究开发工作[4]。从以上可看出，世界上主要发达国家为适应其能源政策和环境政策以及开拓国际市场的需要，不惜投入巨资，积极发展洁净煤技术。国内洁净煤技术的研究内容及进展

基于我国的能源结构以及环境状况，为实现环境、资源与发展的合谐统一，中国已把发展洁净煤技术作为重大的战略措施，列入“中国21 世纪议程”。洁净煤是中国能源的未来已被越来越多的人所认识。

下面分别介绍洁净煤技术的研究内容和进展[6]~[16]。

2.1 煤炭地下气化技术

煤炭地下气化技术是原苏联、美国、英国、德国等国家已从事数十年研究的一项高难技术，是将地下煤炭有控制燃烧、产生可燃气体的一种开发清洁能源与化工原料的新技术[17]，[18]，以上国家的研究至今尚未达到工业应用阶段。我国地下煤气化专家提出的大断面、长通道、两阶段气化的新工艺技术方案堪称第二代采煤方法[19]。它将建井、采煤、气化三大工艺合而为一，可以使地下煤炭在原地转变为可燃气体，由常规的物理采煤方法转变为化学采煤，具有安全好、投资少、效益高、见效快、污染少等特点。近期有关专家[20]指出，我国的煤炭地下气化工艺已达到了世界先进水平，这种技术用于回收矿井中的报废资源利用是一个行之有效的方法，它将成为我国煤炭开采技术发展的一个重要途径。

2.2 工业型煤技术

与原煤燃烧相比, 型煤是提高燃烧效率和减少污染的最有效的方法之一。型煤主要分工业型煤和民用型煤两大类，目前我国有集中成型和炉前成型两种工艺路线。民用型煤主要用于民用炉具。型煤的品种较多，目前已进入商业化生产阶段

[21]。工业型煤是依据生产洁净煤的煤质原料而定。我国一般是以无烟块煤为原料为宜，但一般煤矿开采的无烟煤其块煤率都很低，这就需要把粉煤开发成气化型煤来代替无烟块煤。工业型煤现尚无统一的标准，它将根据各地用煤原料而定。例如日本是用的机车型煤，德国是用褐煤砖，也都是要经过技术处理加工成工业型煤方可使用。1971 年日本机车型煤达到用煤总量的79%，1992 年德国褐煤砖产量达0.121 亿t。我国化肥、化工、冶金等领域多以块煤为原料,用煤气发生炉生产合成气及工艺燃气。仅化肥一项每年就需要无烟煤约0.35 亿t。然而随着机械化程度的提高、块煤率下降, 块煤率仅占采煤量的20%左右[19]，这就造成块煤供不应求,粉煤大量积压的矛盾。因此急需利用粉煤开发气化型煤代替无烟 块煤。这样可以缓解块煤供求矛盾,降低造气成本,提高粉煤资源的利用率。目前关键是研制来源广、适应性强的廉价防水粘结剂和提高型煤的热态性能。

2.3 水煤浆气化技术

水煤浆是20 世纪70 年代世界石油危机中发展起来的一种以煤代油的新型燃料

[22]。把灰分很低而挥发分很高的煤研磨成250 ～ 300 μm 的微细煤粉,按煤约

70%、水约30%的比例，加入适当的化学添加剂配制而成。目前我国在煤炭成浆性研究及评价、难制浆低价煤的制浆技术、级配技术、制水煤浆专用磨机、磨矿过程的模拟预测及优化、添加剂技术等的研制处于国际前沿水平[23]。在水煤浆气化技术方而，华东理工大学[16]对自主开发的新型水煤浆气化技术进行了放大，并在兖矿建成了1 150 t/d 新型水煤浆气化炉工业示范装置，完成了l68 h 连续运行考核试验，目前该气化炉已投入试运行。通过工业化规模的气化炉的示范运行，我国在水煤浆气流床气化技术方面达到了国际先进水平。通过积累在气流床气化技术方面的开放和运行经验，为该技术在我国大规模的推广应用奠定了坚实的基础。

2.4 煤液化技术

煤炭通过液化将其中的有害元素硫等以及灰分加以脱除，是一种彻底的高级洁净煤技术[24]。我国自1980 年重新开展煤炭直接液化技术研究，其目的是由煤生产洁净的优质轻、中质运输燃料和芳烃化工原料。煤炭直接液化对原料煤质量有一定的要求，选出适合液化的原料煤，对我国煤液化的工艺和经济性方面都有重要意义。

2.5 洁净煤联合循环发电技术

我国每年用于发电的煤炭占煤炭年产量的1/4。煤炭的洁净利用已引起煤炭发电行业的重视。我国现阶段洁净煤发电技术的主要发展途径有常压循环流化床燃烧（Circulating Fluidized Bed Combustion，简称CF-BC），增压流化床燃烧（Pressurized Fluidized Bed Combustion Combined Cycle，简称PFBC-CC），整体煤气化联合循环（Combined Circulation With IntegralGasificaltion, 简称IGCC），加脱硫、脱硝装置（SPB+FGD）的超临界机组[25]，都具有高效率、低污染的特点，是很有发展前景的洁净煤技术的发电方式[23]。在技术上它们相辅相成,各有特长；在投资上，IGCC 略高于PFBC-CC。目前IGCC 和PFBC-CC 发电技术还处于示范性阶段，其技术复杂，整体性技术难点多，比投资费用高。但随着技术的进步，以及从效益、费用和环保的综合评价来看，IGCC 和PFBC-CC 发电技术可望成为本世纪燃煤发电的主导技术[26]。

2.6 采煤废弃物的综合利用技术

由于我国煤炭资源的大量开采和低效利用，有大量煤泥、煤矸石、炉渣、粉煤灰等废弃物产生。把这些废弃物当作一种有用资源加以利用是洁净煤技术的一个重要环节。关于煤泥制水煤浆，煤泥和煤矸石燃烧、混烧技术，炉渣作水泥原粉，粉煤灰制作各种建材的成型技术，我国都已有很多先进的应用技术和发明专利

[27]，关键是推广和加以利用。洁净煤技术的特点

从国外特别是西方国家发展洁净煤技术的情况来看，洁净煤技术主要具有以下几个显著特点[28]，[29]：

（1）洁净煤技术以解决环境污染问题为主导，以

环境保护立法为后盾；

（2）洁净煤技术开发是一项跨部门的巨大的系

统工程，必须各个部门之间高效能的管理和协调，并

有强有力的组织领导；

（3）洁净煤技术难度高，投入巨大，开发周期较长；

（4）洁净煤技术是一项多层次、多学科的综合技术。

根据洁净煤技术的这些特点，以及中国仍长期是一个以煤为主要能源的发展中国家的国情，我国的洁净煤技术发展起点低，但应用领域广泛，从而使得技术发展的节能与环保效益相当可观。因此我国洁净煤技术的发展不仅有着强大的客观动力，而且也有着十分广阔的市场前景[30]。认识到这点，这对我国国民经济的发展具有特别重要的意义。发展洁净煤技术应该加强的工作

中国是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一，煤炭在经济发展中占有极重要的地位。当前大力推进洁净煤技术产业化是关键，但存在一系列障碍待克服：包括行业和地区间协调管理力度不足；研究开发力量分散，项目重叠或低水平重复与节能项目、环保项目结合不够；技术政策与环保政策、能源政策、产业政策、节能政策、高新技术政策等结合和相互支持不够；一些先进的技术达不到国产化商业应用水平；对中国洁净煤技术市场需求了解不足；从研究开发、工程示范到商业化应用都存在资金短缺问题，特别是在工程示范或产品试制阶段。其中政策障碍是主要障碍.若没有政府政策的强劲推动,洁净煤技术很难得到快速发展并克服其它障碍[31]。因此,我们应该加强如下方面的工作[32]。

4.1 加强宏观领导与协调

国家洁净煤技术推广领导小组应进一步加强作用，通过规划的制定和实施，结合国家清洁能源的发展，结合行业和地方产业结构的调整，将洁净煤技术的发展与各地区、各行业的发展计划结合起来,从宏观上布局和协调洁净煤技术的发展，并从政策、技术推进和资金方面予以一定的支持。

4.2 通过宏观政策和措施刺激发展

（1）技术引导政策。例如禁止直接销售和使用原煤，鼓励发展煤炭综合加工技术和洁净燃烧技术，鼓励相关技术的国产化, 要求工业锅炉和窑炉必须燃用洗选煤、固硫型煤、固硫配煤等清洁燃料水煤浆、煤层气等作为环保、节能新型产品,可享受高新技术产业的环保产业政策等。技术引导政策的制定应使与环保处罚和利益机制相互推动。在合理的污染物排放收费标准与严格的执法配合下，形成企业不采用洁净煤技术经济上就会受损失，采用洁净煤技术就有经济利益，或可从 国家得到政策的倾斜，或从市场上得到利益。

（2）金融和税收优惠政策。对洁净煤技术产业化

项目，国家应当在节能低息贷款、企业科技创新贷款、环保产业贷款、高新技术产业贷款等多种渠道向企业倾斜对洁净煤技术基础研究、科技攻关及示范项目的立项和经费予以倾斜。发展洁净煤技术，对环保、节能、资源综合利用等社会公益事业有重大作用，应享受差额征税、过渡性减征、免征等优惠政策。清洁能源发展和环境需求给予洁净煤技术以新的发展机遇，相信在国家的强有力领导和促进下，在市场作用的推进下，我国洁净煤技术在今后一段时间会迈上一个新的台阶。

参考文献：

[1]姜殿臣，任宝生，李钟模.洁净煤技术应用现状综述[J].化工矿产地质.2001，23（4）：245.[2][日]科学技术厅.21 世纪的科学技术[C].上海:上海科学技术文献出版社，1983.[3]胡社荣，李岚飞.中国洁净煤技术和若干问题的思考[J].自然杂志，1998，20

（4）：237-238.[4]岑可法，池涌.洁净煤技术的研究和进展[J].动力工程，1997，17（5）：15-16.[5]范维唐.洁净煤技术[J].1995，创刊号：11-15.[6]洪瑞燮，顾少雄.选煤在洁净煤技术中的地位和作用[J].煤炭转化，1994，17

（3）：85－86.[7]胡军，刘炯天，张志刚.我国煤炭脱硫和洁净煤技米的现状与思考[J].中国煤炭，50.[8]俞珠峰，陈贵峰，秦俊杰，等.我国洁净煤技术发展及其影响因素浅析[J].中国煤炭，2000，26（12）：8-9.[9]刘泽常，骆为骐.我国洁净煤技术的现状及其展望[J].煤矿现代化，1995，（2）：23.[10]徐振刚.浅谈我国的洁净煤技术[J].洁净煤技术，30.[11]张全国，周春杰.面向21 世纪解决世界能源与环境问题的主导技术—洁净煤技术的研究与进展[J].资源节约和综合利用，1998，6（2）：19-21.[12]李彦.洁净煤与洁净煤技术的几点思考[J].综合利用，63-64.[13]王洪记.洁净煤在我国的研究进展[J].化工纵横，1996，10（5）：7－10.[14]姜殿臣，任宝生，李钟模.洁净煤应用现状综述[J].化工矿产地质，2001，23（4）：245-247.[15]岑可法，池涌.洁净煤技术的研究和进展[J].动力工程，1997，17（5）：16-20.[16]郑万能.中国洁净煤技术的研究、开放与示范[J].洁净煤技术，2006：16-20.[17]罗吉春.浅谈洁净煤技术的发展[J].化工之友，2007，（13）：11.[18]余力，梁杰，余学东.煤炭资源开发与利用新方法—煤炭地下气化技术[J].科技导报，1999，（13）：33.[19]姜殿臣.探讨无破粘装置鲁奇加压气化用煤的新途径[A].化工科技论坛[C].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，2000.[20]王洪记.洁净煤技术在我国的研究进展[J].化工时刊,1996,10（3）：8.[21]孙孝仁.洁净煤技术发展概述[J].科技情报开发与经

济，1997，（3）：13.[22]王俊宏，常丽萍.我国洁净煤节能技术研究进展[J].化工进展，2006，25（增）:597.[23]姜殿臣.煤质变化对气化炉运行的影响及防范措施[A].化工科技论坛[C].哈尔滨: 黑龙江科学技术出版社，2000.[24]唐庆杰，王育华，吴文荣，等.洁净煤技术，中国能源发展的必然选择[J].中国矿业，2007，16（11）:26.[25]陆延昌.大力发展超临界压力机组优化火电结构[J].中国电力，2000，33

（1）:1－5.[26]刘韶林，闫安民，李冠华，等.燃煤联合循环发电技术及其发展前景[J].洁净煤技术，2000，6（3）:41-47.[27]李东武.论影响煤灰分测值的精度[A].化工科技论坛[C].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社，2000.[28]张全国，周春杰.面向21 世纪解决世界能源与环境问

题的主导技术—洁净煤技术的研究与进展[J].资源节

约和综合利用，1998，6（2）：21.[29]唐庆杰，王育华，吴文荣，等.洁净煤技术，中国能源发 展的必然选择[J].中国矿业，2007，16（11）:24.[30]徐振刚.浅谈我国的洁净煤技术[J].洁净煤技术，31.[31]濮洪九.洁净煤技术产业化与我国能源结构优化[J].煤 炭学报，2002，27（1）：4.[32]俞珠峰，陈贵峰，秦俊杰，等.我国洁净煤技术发展及其 影响因素浅析[J].中国煤炭，2000，26（12）：10

第三篇：光学材料的研究现状及应用

光学材料的研究现状及应用

姓名： 学号： 学院班级：

发光材料已成为人们日常生活中不可缺少的材料,被广泛地用在各种显示、照明和医疗等领域,如电视屏幕、电脑显示器、X射线透射仪等,显微镜、望远镜、经纬仪、摄像机等各种光学仪器,核心部分都是由光学材料制造的光学零件。目前发光材料主要是无机发光材料,从形态上分,有粉末状多晶、薄膜和单晶等。

一、引言

光充满着整个宇宙,各种星体都在发光：远红外光、红外光、可见光、紫外光，以及X射线等。人类生活在光的世界里，白天靠日光，黑夜靠灯光，夜间还要靠星光。要利用光，就要创造工具，就要有制造工具的材料—光学材料。

自然中存在一些天然光学材料：我国的夜明珠、发光壁；印度的蛇眼石、叙利亚的孔雀暖玉等。这些材料具有奇异的发光现象，能在无光环境下放出各种色泽的晶莹光辉。由于这些光学材料稀有，被视为人间珍宝，成为权力和财富的象征。春秋战国时期，墨子就研究光的传播规律，出现了最古老的光学材料—青铜反光镜。17世纪，瑞士人纪南熔制出光学玻璃，主要用于天文望远镜；随后，欧洲出现了望远镜和三色棱镜，人造光学玻璃成为主要光学材料。20世纪初，以望远镜、显微镜、光谱仪以及物理光学仪器四大类为主体，建立了光学工业。

光学材料是传输光线的材料，这些材料以折射、反射和透射的方式，改变光线的方向、强度和位相，使光线按预定要求和路径传输，也可吸收或透过一定波长范围的光线而改变光线的光谱成分。

光学材料包括光纤材料、发光材料、红外材料、激光材料和光色材料等。

二、研究现状及主要应用领域

1.发光材料

发光是物质将某种方式吸收的能量转化为光向外辐射的过程，是热辐射外另一种能量辐射现象。光子是电子在受激高能态返回低能态时发出的,当发出光子能量在1.8-3.1eV时，便是可见光。而材料发光所需能量可从较高能量的电磁辐射(如紫外光)中得到，也可从高能电子或热能、机械能和化学能中得到。

发光材料是指吸收光照，然后转化为光的材料。发光材料的晶格要具有结构缺陷或杂质缺陷，材料才具有发光性能。结构缺陷是晶格间的空位等晶格缺陷，由其引起的发光称为自激活发光，所以制备发光材料采用合适的基质十分重要。如果在基质材料中有选择地掺入微量杂质在晶格中形成杂质缺陷，由其引起的发光叫激活发光，掺入的微量杂质一般都充当发光中心，称为激活剂。我们实际应用的发光材料大多是激活型发光材料。

根据发光类型，可以把发光材料分为光致发光材料、阴极射线发光材料、电致发光材料、X射线发光材料、发光二极管等。

1.1光致发光材料

发光就是物质内部以某种方式吸收能量以后，以热辐射以外的光辐射形式发射出多余的能量的过程。用光激发材料而产生的发光现象，称为光致发光。光致发光材料一个主要的应用领域是照明光源，包括低压汞灯、高压汞灯、彩色荧光灯、三基色灯和紫外灯等。其另一个重要的应用领域是等离子体显示。光致发光粉是制作发光油墨、发光涂料、发光塑料、发光印花浆的理想材料。光致发光材料在安全方面上的应用是其最为普遍的。在安全方面，光致发光材料可用作安全出口指示标记、撤离标记等。其次用光致发光材料制作精美产品，一些不属安全标志的产品,T恤衫、宣传品、儿童玩具、小标签等可以利用光致发光材料进行装饰印刷。

1.2阴极射线发光材料

阴极射线发光是在真空中从阴极出来的电子经加速后轰击荧光屏所发出的光。所以发光区域只局限于电子所轰击的区域附近。又由于电子的能量在几千电子伏以上，所以除发光以外,还产生X射线。X射线对人体有害,因而在显示屏的玻璃中常添加一些重金属(如Pb)，以吸收在电子轰击下荧光屏所产生的X射线。阴极射线发光是继发光二极管、无机电致发光、有机电致发光之后的第四种发光形式。这是一类在阴极射线激发下能发光的材料。用电子束激发时，其电子能量通常在几千电子伏特以上甚至几万电子伏特，而光致发光时，紫外线光子能量仅5-6eV甚至更低，而光致发光材料在电子束激发下都能发光，甚至有些材料没有光致发光，但却有阴极射线发光。

阴极射线发光材料一般用于电子束管用荧光粉，它是发光材料中产量仅次于灯用荧光粉的一种产量较大的荧光粉。它除用于电视、雷达、示波器、计算机终端显示的荧光屏之外，还用于商用机器、光学字体辨认、照相排版、医学电子仪器、飞机驾驶舱表盘等。

1.3 电致发光材料

电致发光(电场发光，EL)是指电流通过物质时或物质处于强电场下发光的现象，也就是电能转换为光能的现象，在消费品生产中有时被称为冷光。具有这种性能的物质可作为一种电控发光器件。一般它们是固体元件，具有响应速度快、亮度高、视角广的特点，同时又具有易加工的特点，可制成薄型的、平面的、甚至是柔性的发光器件。目前电致发光的研究方向主要为有机材料的应用。

商业领域：主要应用在POS机和ATM机、复印机、自动售货机、游戏机、公用电话亭、加油站、打卡机、门禁系统、电子秤等产品和设备的显示屏。

消费类电子产品：主要应用有装饰用品(软屏)与灯具、各类音响设备、计算器、数码相机、数码摄像机、便携式DVD、便携式电视机、电子钟表、掌上游戏机、各种家用电器(OLED电视)等产品的显示屏。

工业应用场合：主要应用有各类仪器仪表、手持设备等的显示屏。通信领域;主要应用有3G手机、各类可视对讲系统(可视电话)、移动网络终端、e-book(电子图书)等产品的显示屏。

交通领域:主要应用有GPS、车载音响、车载电话、飞机仪表和设备等各种指示标志性的显示屏。如微显示器,这种技术最早用于战斗机飞行员,现在的穿戴式电脑也用它。有了它,移动设备就不再受显示器体积大、耗电多的限制。

1.4发光二极管材料

发光二极管是辐射光的半导体二极管，施加正向电压时，通过pn结分别把n区电子注入p区，p区空穴注入n区，电子和空穴复合发光，把电能直接转换成光能。

发光二极管和器件已实现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七彩色的生产和应用，并拓展到近红外和近紫外范围，如发红光的GaAsP，发绿光的Gap等。发光二极管的发光效率也提高上千倍。使用GaN基材料的二极管，可发出高亮度的白光，在20mA的电流下，发光强度达到2Cd，能作为强光源使用。

发光二极管也可做成指示器和数字显示器，用于计算机、广告、家用电器、车辆、交通信号等仪器仪表的显示中。

1.5 X射线激发发光材料

在X射线照射下，发光材料可发生康普顿效应，也可吸收X射线，它们都可产生高速光电子。光电子又经过非弹性碰撞，产生下一代电子。当这些电子的能量接近发光跃迁所需能量时，就可发出光。

X射线发光材料可使X光转换为可见光，并显示成像。它可将X射线透过人体或物体后所形成的X射线潜像转换成可见图像，既可用肉眼观察，也可用胶片照相，还可用光电器件将它转换成电信号后再处理。主要用于X射线远视及照相还有由X射线像增强器和电视组成的X射线显示系统，X射线扫描及计算机配合组成断层分析系统也就是常说的CT系统。

2.红外光学材料 红外材料是指能透过红外线，并对不同波长红外线具有不同透光率、折射率及色散的材料。红晶体及半导体晶体。红外材料的用途、红外光学材料主要应用于以下方面：

辐射测量、光谱辐射测量：如非接触温度测量、农业、渔业、地面勘察，探测焊接缺陷，微重力下热流过程研究；

对能量辐射物的搜索和跟踪，如宇航装置导航，火箭、飞机预警，遥控引爆管等；

制造红外成像器件，夜视仪器、红外显微镜等；用于红外光学系统中的窗口、整流罩、透镜棱镜、滤光片等，可用于军事上的伪装识别，半导体元件和集成电路的质量检查等；

通信和遥控：宇宙飞船之间进行视频和音频传输，海洋、陆地、空中目标的距离和速度测量，这种红外通信比其他通信(如无线电通讯)抗干扰性好，也不干扰其他信息，保密性好，而且在大气中传杨，波长愈长，损耗衰减愈小外材料主要包括碱卤化合物晶体、碱土-卤族化合物晶体、氧化物晶体、无机盐。

3.固体激光材料

用一个光子去激发位于高能级的电子或离子,使之放出光子,受激发射产生的光就是激光。如果使材料中多数能发生受激辐射的原子或离子都处于激发状态,再用外界光感应,使所有处于激发状态的原子和离子几乎同时产生受激辐射而回到低能态，将发出具有强大能量密度的光束。

激光材料：激光系统最重要的是激光工作物质，分为固体、液体和气体激光工作物质。

固体激光器是最重要的一种，不但激活离子密度大，振荡频带宽，能产生谱线窄的光脉冲而且具有良好的机械性能和稳定的化学性能。

晶体激光材料：绝大部分激光晶体是含激活离子的荧光晶体，按照晶体组成可分为掺杂型激光晶体和自激活激光晶体两类，前者占现有激光晶体的绝大部分。

红宝石激光器发射的波长为可见红光，很容易进行探测和定量测量，在激光器的基础研究、强光光学研究、激光光谱研究、激光全息技术、激光雷达与测距方面有广泛应用。

半导体激光材料：受激辐射的激发方式主要有三种;光辐照、电子轰击和向p-n结注入电子,其中pn结注入电子是半导体产生激光的重要方式。

半导体激光器是固体激光器中重要的一类,又称激光二级管,它是利用少数载流子注入产生受激发射的器件。

4.光色材料 材料受光照射着色，停止光照射后又可逆地褪色，这一特性称为材料的光色现象。具有光色现象的材料称为光色材料。光学材料很重要的一个应用就是光学玻璃。

光色玻璃中含有卤化银的玻璃是一种典型的光色材料。它是以普通的碱金属硼硅酸盐玻璃的成分为基础，加入少量卤化银，如AgI、AgCl、AgBr或混合物作为感光剂，再加入极微量的敏化剂(如As、Se、Cu、Sb的氧化物)制成。

光色玻璃的性能可根据需要进行调节。改变光色玻璃中卤素离子的种类和含量，可调节使光色玻璃由透明变暗所需辐照光的波长范围，如仅含AgCl晶体的光色玻璃的光谱灵敏范围为紫外光到紫光；如含AgCl和AgBr晶体，则其灵敏范围为紫外光到蓝绿光区域。控制光色玻璃制备中的热处理温度与时间，可控制玻璃中析出的卤化银颗粒大小，也可调节光色玻璃的光色性能。

三、讨论与展望

我国的发光材料经历了由进口——使用进口原料实现半国产化——独立研制、独立生产——与国外同步发展，配方中普遍应用稀土的规模化生产四个阶段。超长余辉夜光粉是国内最先研制成功的特种发光材料，该材料属于蓄光性无机颜料，可以以1O 一25的比例掺人不同材质中，其主要特点是每次吸收普通光线两小时后发出强江，持续发光14小时，无毒害无放射性，而耐1200`C高温，价格低廉。近年来，以超长余辉夜光粉作为原料研究和开发新产品以及利用超长余辉夜光粉的防伪功能保护著名商标。成为众多科研单位和经营者的有力手段，这一点从中国专利局的馆藏文献中可得到证明。致力于特种发光材料的研究和开发有着广阔的市场前景和应用前景，其发展历程必然将由原来的旧配方、老工艺、高成本生产逐步转化为新配方和先进的生产工艺，以至投资降低，成本降低，且产品性能提高销售价格合理，市场竞争力加强。特种发光材料生产必将成为一支独立的行业新军，在国民经济建设中发挥积极的作用。

光色材料和热色材料作为一种色性材料, 有着其独特的地位及广阔的应用前景。而无机色性材料由于易于合成, 可逆性好, 耐侯性强, 成本低廉, 起着有机色性材料不可替代的作用。其变色机理及合成的研究正在得到人们的普遍重视。目前的几个研究趋势值得注意：一是如何提高这两种色性材料的应答灵敏度, 能够人为控制所制得的色性材料应答时间、变色温度及其它特性。二是如何开发出性能优异的无银或微银的色性材料, 以满足大工业生产的紧迫需要, 例如如何才能生产出市场迫切需要的低成本大平面的平板变色玻璃。三是如何进一步开发出具备实用价值的新型色性材料, 譬如热色广告板, 儿童玩具等四是如何将无机色性材料与高分子材料结合起来使用, 制造出具有特殊用途的功能材料。

随着技术的进一步完善，随着人们对光学材料认识的不断深入，光学材料必将在市场上开辟出一片更广阔的天地。

第四篇：新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究及进展

新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究进展

Progress in Research Work of Ne w CMC--SiC [ 摘要] 新型碳化硅陶瓷基复合材料具有密度低、高强度、高韧性和耐高温等综合性能已得到世界各国高度重视，本文主要介绍了新型碳化硅陶瓷基复合材料的研究和发展现状 ,阐述了CV I-CMC-SiC 制造技术在我国的研究进展 ,开展了CVI-CMC-SiC的性能与微结构特性的研究和 CV I 过程控制及其对性能影响的研究 ,研制了多种 CMCSiC 微结构 应用研究

碳化硅陶瓷因具有高强度、高硬度、抗腐蚀、耐高温和低密度而被广泛用于高温和某些苛刻的环境中,尤其在航空航天飞行器[1]需要承受极高温度的特殊部位具有很大的潜力。但是,陶瓷不具备像金属那样的塑性变形能力,在断裂过程中除了产生新的断裂表面吸收表面能以外,几乎没有其它吸收能量的机制,这就严重限制了其作为结构材料的应用。碳纤维具有比强度高、比模量大、高温力学性能和热性能良好等优点,在惰性气氛中2000℃时仍能保持强度基本不下降。用碳纤维增强碳化硅复合材料,材料在断裂的过程中通过纤维拔出、纤维桥联、裂纹偏转等增韧机制来消耗能量,使材料表现为非脆性断裂。CMC-SiC复合材料综合了碳纤维优异的高温性能和碳化硅基体高抗氧化性能,受到了世界各国的高度关注,并广泛应用在航空、航天、光学系统、交通工具等领域。

CMC－SiC具有高比强、高比模、耐高温、抗烧蚀、抗氧化和低密度等特点，其密度为2～2.5 g/cm3，仅是高温合金和铌合金的1/3～1/4，钨合金的1/9～1/10。CMC－SiC主要包括碳纤维增韧碳化硅(C/SiC)和碳化硅纤维增韧[2]碳化硅(SiC/SiC)两种，由于碳纤维价格便宜且容易获得，因而C/SiC成为SiC陶瓷基复合材料研究、考核与应用的首选。CMC－SiC的应用可 覆盖瞬时寿命(数十秒～数百秒)、有限寿命(数十分钟～数十小时)和长寿命(数百小时～上千小时)3类服役环境的需求。用于瞬时寿命的固体火箭发动 机，C/SiC的使用温度可达2 800～3 000 ℃；用于有限寿命的液体火箭发动机，C/SiC的使用温度可达2 000～2 200 ℃；用于长寿命航空发动机，C/SiC的使用温度为1 650℃，SiC/SiC为1 450 ℃，提高SiC纤维的使用温度是保证SiC/SiC用于1 650 ℃的关键。由于C/SiC抗氧化性能较SiC/SiC差，国内外普遍认为，航空发动机热端部件最终获得应用的应该是SiC/SiC。

因此CMC－SiC被认为是继碳－碳复合材料(C/C)[3]之后发展的又一新型战略性材料，可大幅度提高现有武器装备和发展未来先进武器装备 性能，发达国家都在竞相发展。此外，CMC－SiC在核能、高速刹车、燃气轮机热端部件、高温气体过滤和热交换器等方面还有广泛应用潜力。

1、我国CVI－CMC－SiC 制造技术的研究进展

CMC－SiC的制造方法有反应烧结(RB)，热压烧结(HP)，前驱体浸渍热解(PIP)，反应性熔体渗透(RMI)以及CVI，CVI－PIP，CVI－RMI和 PIP－HP等。CVI是目前唯一已商业化的制造方法，其适应性强，原理上适用于所有无机非金属材料，可制造多维编织体复合材料的界面层、基体和表面涂层。CVI必须使气 相反应物渗透到纤维预制体的每一根单丝纤维上，而单丝的最小间距仅为1μm左右，因此CVI过程的控制比CVD困难得多。与其他成型方法相比，CVI法制 造CMC具有制备温度低(≈1 000℃)；气相渗透能力强，便于制造大型、薄壁、复杂的近终形构件，能对基体、界面和表面层进行微观尺度的化学成分与结构设计。CVI法的主要缺点是工艺控制难度大，法国从发明CVI法制造CMC－SiC到形成规模生产花费了近20年，其他国家虽然也对CVI法制备CMC－SiC进行了不少研究，但是均 未形成商品化技术。CVI法生产周期比较长，因而一般认为成本高，排放的尾气产物复杂并有污染性，目前国际市场上还没有适用的定型CVI设备出售。

2、CVI过程的控制及其对性能的影响

2.1 CVI过程的评价参数

评价CVI致密化过程可用密度ρ（孔隙率)、致密化速度v(时间)和渗透率Ι等参数来表征。I值越大，预制体内部纤维束上沉积越多，复合材料的密度梯度越小，沉积物分布越均匀；反之,在预制体外部沉积越多，密度梯度越大。致密化速度越快，渗透率越高，材料密度越高，表明CVI技术也越先进。2.2 致密度对CVI－CMC－SiC性能的影响

CVI工艺参数的优化目标是提高致密度、致密化速度和密度均匀性，而致密度是CVI－CMC－SiC性能的决定性影响因素。致密度增加，材料的弯曲强度、断裂韧性和断裂功均有明显增加；致密度增加，基体与纤维之间的载荷传递效果提高，纤维的增韧补强作用得以充分发挥；致密度增加，复合材料应力－位移中线弹 性阶段的斜率增大，弹性模量增加。低致密度的复合材料断裂以纤维束拔出为主，应力－位移曲线表现为经过最大载荷后载荷下降很快；当致密度高时，基体与纤维 之间的载荷传递效果好，以纤维单丝拔出为主，纤维的拔出阻力大，复合材料的强度高，经最大载荷后载荷下降慢，此时增韧效果好。2.3 CVI工艺因素[4]与非工艺参数对CVI－CMC－SiC性能的影响(1)非正常物理场的影响。

非正常物理场对CVI过程的致密度和致密化速度的影响很大。由于非正常物理场严重阻碍了致密化过程的进行，使得SiC不易向纤维预制体内部的孔隙中渗透沉积，C/SiC的密度低，孔隙率高，因而断裂应变很小，断裂功很低。(2)化学场对CVI－SiC－CMC的影响。

在CVI过程中，化学场对纤维结构、性能和PyC(热解碳)界面层结构和形貌影响很大，因而显著影响了C/SiC的性能。在不合理化学场下，沉积的PyC 界面层不致密、不均匀且表面粗糙，从而失去了界面层的功能；而且纤维表面受到严重损伤，这种损伤发生在活性部位，而不是均匀发生在纤维表面，使C/SiC 的强度低，韧性差，成为CVI过程的控制因素。CVI－CMC－SiC的性能与微结构特征

3.1 应力应变特征

从C/SiC复合材料和带缺口SiC/SiC复合材料的典型弯曲应力－位移曲线可以看出，它们都具有类似金属的韧性断裂特征，对缺口不敏感。SiC/SiC比C/SiC具有更高的断裂应变，因而具有更高的使用可靠性。3.2 氧化特征

在不同温度下氧化5 h后，从C/SiC和有涂层C/SiC的氧化特征曲线可以看出，由于碳纤维与SiC基体热膨胀失配引起的基体裂纹，使C/SiC在700℃左右的低温下更 容易氧化，因而C/SiC的氧化对温度梯度非常敏感。采用陶瓷涂层虽然可以改善C/SiC高温防氧化性能，但不能有效提高低温抗氧化性能；采用玻璃封填虽 然可以提高低温抗氧化性能，但恶化了高温抗氧化性能。采用玻璃封填和陶瓷涂层相结合的方法，可以大幅度降低C/SiC抗氧化性能对温度梯度的敏感性，实现 全温度范围的防氧化。

与C/SiC相比，SiC纤维与SiC基体之间具有良好的热膨胀匹配，SiC/SiC具有良好的抗氧化性能，特别是在燃气环境下。但由于SiC/SiC的界面层也是PyC，因此长寿命SiC/SiC仍然需要防氧化涂层。3.3 抗热震性

从燃气下100～1 300 ℃热震循环次数对C/SiC强度的影响可以看出，热震100次后C/SiC的强度下降不明显，而且主要发生在热震50次以前。表明C/SiC具有非常优异的抗热震疲劳性能，这从根本上改变了陶瓷材料抗热震性能差的弱点。

3.4 抗烧蚀性

C/SiC不仅是一种新型热结构材料和摩擦材料，也是一种优良的抗烧蚀材料。C/SiC和SiC/SiC处于同一水平但C/SiC的抗烧蚀性能比C/C更优异。3.5 CVI－CMC－SiC的微结构特征

由于PyC界面层实现了纤维与基体间的适当弱结合，承载过程中基体主裂纹沿界面扩展，使纤维断裂后出现脱粘和拔出。大量纤维的脱粘和拔出延缓了裂纹扩展，使CVI－CMC－SiC具有很高的断裂功和较高的断裂应变，从而具有类似金属的断裂行为。纤维的拔出有纤维丝拔出和纤维束拔出两种。

CVI－CMC－SiC的界面结合强度与界面层材料、结构与厚度有关，而界面结合强度直接影响CVI－SiC－CMC的性能。界面结合强度越 高，CVI－CMC－SiC的强度越高，但韧性越差；反之则强度越低，韧性越高。因此，合理控制界面结合强度是实现增韧补强的关键。我国连续纤维增韧SiC陶瓷基复合材料的性能与应用研究

4.1 材料性能

研制了4种牌号的CVI－CMC－SiC，与国际材料性能水平相比，除个别性能指标与于国际先进材料水平相当外，其余大多数性能指标均高于其他国际先进材 料的最高水平。目前尚未见到国际上对CVI－CMC－SiC性能有全面系统的报道，西北工业大学超高温复合材料实验室CVI－CMC－SiC的迅速发展也 引起国际同行的极大关注和高度评价，CVI－CMCSiC的发明者Naslain[5]教授来函说：“你们实验室在该领域是国际先进的实验室之一”。4.2 应用考核

目前已成功研制了20余种160余件CVI－CMC－SiC构件，其中液体火箭发动机全尺寸C/SiC喷管通过了高空台试车，CMC－SiC浮壁瓦片模拟件[6]和调节片分别通过了航空发动机环境的短时间考核，C/SiC固体火箭发动机导流管通过了无控飞行考核。结论

(1)连续纤维增韧碳化硅陶瓷基复合材料(CMC－SiC)具有类似金属的断裂行为，对裂纹不敏感，不会发生灾难性破坏。其耐高温和低密度特性，使其成为发展先进航空发动机、火箭发动机和空天飞行器防热结构[7]的关键材料。(2)CVI法是制造大型、薄壁、复杂CMC－SiC构件的主要方法，也是唯一已商品化的方法，可以在微观尺度上设计和制备复合材料的基体、界面层和表面防护涂 层。实施变工艺参数控制可获得制备周期短、密度高、致密化速率高和密度梯度小的复合材料，已使我国成为国际上第三个掌握CVI法[8]批量制备构件技术的国家。

(3)我国已形成具有独立知识产权的CMC－SiC制造技术和设备体系[9]，发展了4种牌号的CMC－SiC，并具有制备大型、薄壁、复杂构件的能力，多种构件通过了发动机环境的考核，材料性能和整体研究水平跻身国际先进行列。

（4）坚持发展与环境的统一 ,实施绿色制造。绿色制造理念是伴随着全球绿色革命兴起的一种科学思维和生态文化 ,其目标和宗旨是使制造业的产品在设计、制造、包装、运输、使用、维护 ,直至报废处理和善后处理的整个产品生命周期中对生态环境的不利影响降至最小 ,对资源的利用效率增至最大。中国要吸取工业化国家在发展过程中的经验和教训 ,避免走先污染后治理的老路 ,要注意做到发展与环境的统一。在建设生产能力 ,引进国外技术、确定产品对象、选择生产设备、选用生产材料、产品报废和回收处理等所有环节 ,都要贯彻保护生态环境、有利可持续发展、造福人类的现代制造文化 ,真正实现绿色制造 ,这也是新时代制造强国必须具备的基本理念和制造文化的核心内容之一。（5）注重关键技术和集成创新 ,不断增强装备制造能力 ,中国必将成为世界制造强国。“长风破浪会有时 ,直挂云帆济沧海”。中华民族前辈先贤的理想与抱负将由今天的中华儿女来实现 ,让我们团结奋斗 ,开拓创新 ,共同营造“会当凌绝顶 ,一览众山小”的美好前景。我们坚信 ,未来的中国制造业更美好!未来的中国更美好!参 考 文 献

1：李成功 ,傅恒志 ,于翘等.航空航天材料.北京 : 国防工业出版社 ,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：纳米材料研究现状及应用前景要点

纳米材料研究现状及应用前景

摘要：文章总结了纳米粉体材料、纳米纤维材料、纳米薄膜材料、纳米块体材料、纳米复合材料和纳米结构的制备方法，综述了纳米材料的性能和目前主要应用领域，并简单展望了纳米科技在未来的应用。

关键词：纳米材料；纳米材料制备；纳米材料性能；应用 0 引言

自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了重大进展。纳米材料的研究已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属无机载体、金属 有机载体和化合物无机载体、化合物有机载体等复合材料以及纳米管、纳米丝等一维材料，制备方法及应用领域日新月异。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米粉体(零维纳米材料，又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒子等)、纳米纤维(一维纳米材料)、纳米薄膜(二维纳米材料)、纳米块体(三维纳米材料)、纳米复合材料和纳米结构等。纳米粉体是一种介于原子、分子与宏观物体之间的、处于中间物态的固体颗粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。纳米粉体研究开发时间最长、技术最成熟，是制备其他纳米材料的基础。纳米粉体可用于：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，如纳米碳管，可用于微导线、微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料、新型激光或发光二极管材料等。纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒薄膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜；致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料，主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合(0-0 复合)、纳米微粒与常规块体复合(0-3复合)、纳米微粒与薄膜复合(0-2 复合)、不同材质纳米薄膜层状复合(2-2 复合)等。纳米复合材料可利用已知纳米材料奇特的物理、化学性能进行设计，具有优良的综合性能，可应用于航空、航天及人们日常生产、生活的各个领域。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。

我国于20世纪80年代末开始进行纳米材料的研究，近年来，在纳米材料基础研究领域，取得了重大的进展，已能采用多种方法制备金属与合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，研制了相应的设备，做到了纳米微粒的尺寸可控，并研制了纳米薄膜和纳米块体。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合等许多方面有所创新。成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化锆晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变； 在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁熵变超过金属Gd；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常Hall-Petch效应等。纳米材料制备技术现状

纳米粉体、纳米纤维、纳米薄膜、纳米块体、纳米复合材料和纳米结构等纳米材料的制备方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工艺上有显著的差异。关于纳米材料的制备方法方面的文献较多，各种制备方法的工艺过程、特点及适用范围在相关的文献中均有较详细的介绍[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 纳米材料的力学和热学性能

纳米材料由于其独特的结构，因而与常规材料相比，在力学和热学上表现出一些奇异的特性。实验表明，粒径达8nm的铁的强度为常规材料的数倍，其硬度是常规材料的近千倍。长期以来，为解决陶瓷在常温下的易碎问题不断寻找陶瓷增韧技术，如今纳米陶瓷的出现轻而易举地解决了这个难题。实验证明，纳米TiO2在800-1000热处理后，其断裂韧性比常规TiO2多晶和单晶都高，而其在常温下的塑性形变竟高达100%。中科院金属研究所曾成功地将纳米铁经反复锻压，其形变高达300%。

目前各种发动机采用的材料都是金属，而人们一直期望能用性能优异的高强陶瓷取代金属，这也是未来发动机发展的方向。而纳米陶瓷的出现为人们打开了希望之门。纳米陶瓷的超高强度，优异的韧塑性使其取代金属用来制作机械构件成为可能。中科院上海硅酸盐研究所制成的纳米陶瓷在800下具有良好的弹性。

纳米微粒由于颗粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近邻配位不全，化学活性大，因而其烧结温度和熔点都有不同程度的下降。常规Al2O3烧结温度在1650以上，而在一定的条件下，纳米Al2O3可在1200左右烧结。利用纳米材料的这一特性，可以在低温下烧结一些高熔点材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于纳米微粒具有低温烧结，流动性大，烧结收缩大的特性，可以作为烧结过程的活性剂，起到加速烧结过程，降低烧结温度，缩短烧结时间的作用。有人曾作过实验，在普通钨粉中加入0.1%-0.5%的纳米镍粉，其烧成温度从3000降到1200-1300。复相材料由于不同相的熔点及相变温度不同而烧结困难，但纳米粒子的小尺寸效应和表面效应，不仅使各相熔点降低，各相转变温度也会降低。在低温下就能烧结成性能良好的复相材料。纳米固体低温烧结特性还被广泛用于电子线路衬底，低温蒸镀印刷和金属陶瓷的低温接合等。

此外，利用纳米微粒构成的海绵体状和轻烧结体可制成多种用途的器件，广泛应用于各种过滤器、活性电极材料、化学成分探测器和热变换器，例如备受人们关注的汽车尾气净化器。有报道说，以色列科学家成功地用Al2O3制备出耐高温的保温泡沫材料，其气孔率高达94%，能承受1700的高温。

2.2 纳米材料的光学特性

纳米粒子的一个明显特征是尺寸小。当纳米粒子的粒径与超导相干波长，玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当、甚至更小时，其量子尺寸效应将十分显著，使得纳米材料呈现出与众不同的光学特性。

纳米材料对可见光具有反射率低、吸收率高的特性。一般来说，大块金属都具有不同颜色的光泽。但实验证明，金属纳米微粒几乎都呈黑色。如铂金纳米粒子反射率仅有1%，这表明它们对可见光的低反射率、高吸收率导致粒子变黑。由于体积效应，能级间距的增大和纳米的量子限域效应，纳米粒子对光的吸收还表现出蓝移现象。利用纳米材料的这一特性，制成紫外吸收材料，可用作半导体器件的紫外线过滤器。还可在稀土荧光粉中掺入纳米粉，吸收掉日光灯发射出的有害紫外线。将其应用在纺织物中，与粘胶纤维相混合，制成的功能粘胶纤维，具有抗紫外线、抗电磁波和抗可见光的特性，可用来制做宇航服。

2.3 纳米材料的化学活性、敏感性

化学催化剂是一种不断接受热源使化学反应稳定进行的功能材料。催化剂的作用主要有以下几个方面:一是提高反应速度和效率，缩短反应时间；二是改善反应的条件，如降低反应温度、压强、真空度等；三是在决定反应的路径方面，使化学反应按预计的方向进行，即具有选择性。从以上不难看出，人们总是期望单位质量催化剂表面能同时接纳尽可能多的反应物，纳米微粒的表面积效应恰好符合了这一点。而且纳米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子台阶，此外原子表面悬键多，反应活性大。这些都有利于加速化学反应，提高催化剂的反应活性。例如采用纳米Ni 作为火箭固体燃料的催化剂，燃烧率可提高100倍。纳米材料不仅能极大提高催化剂的催化活性，而且还表现出令人惊异的化学选择性。这在有机化学工业上有着广阔的应用前景，可用来提高原料的利用率，降低生产成本。如在环辛二烯加氢生成环辛烯的反应中，常规的Ni催化剂选择性仅为24，而采用粒径为30nm的Ni时选择性提高到210，是原来的9倍。

纳米微粒具有大的比表面积，高的表面活性以及与气体相互作用强等特性，导致纳米微粒对周围环境的变化十分敏感。如光、温度、湿度、气氛、压强的微小变化都会引起其表面或界面离子价态和电子迁移的变化。这正满足了传感器功能上所要求的灵敏度高、响应速度快以及检测范围广的要求。目前科学家已发现多种纳米材料对一些特定的物质具有敏感反应。

2.4 纳米材料的电学、磁学效应

超顺磁性是纳米微粒的一大磁学特性。当纳米微粒尺寸小到一定临界值时，其磁化率就不再服从经典的居里一外斯定律而进入超顺磁状态。科学家认为纳米微粒出现超顺磁性，其原因在于粒径小于临界值，各向异性能减小到与热运动能可比拟时，磁化方向就不在固定的一个异磁方向。异磁方向作无规律的变化，这就导致了超顺磁化的出现。磁性液体正是利用纳米微粒的这一特性而制成的。磁液体是由具有超顺磁性的强磁性微颗粒包一层长链有机分子的界面活性剂，弥散于一定的基液中形成的胶体，具有固体的强磁性和液体的流动性，在工业废液处理方面有着独特的优势和广阔的应用前景。

纳米微粒进入临界尺寸呈现出超顺磁性，但在粒径大于临界尺寸时，却表现出高的矫顽力。另外，当纳米粒子的尺寸小到一定值时，每个粒子就是一个单磁畴，实际上就成为永久磁铁。具有上述两种特性的磁性纳米粉是未来磁记录材料的发展趋势。磁记录材料发展的总趋势是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求记录材料具备每1cm2 记录信息1000万条以上，这就要求每条信息记录在几个平方微米内，只有纳米的尺寸才能达到这一点。磁性纳米材料具有尺寸小、单磁畴结构、矫顽力高等特性，使得制作的磁记录材料具有稳定性好、图象清晰、信噪比高、失真十分小等优点。日本松下电器公司已成功研制出纳米磁记录材料，我国也开展了这方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。纳米材料的主要应用[22]-[27]

借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。3.1特殊性能材料的生产

材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应)使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体(如SiC、WC、BC等)，且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入0.1%-0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1200℃-1311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作用。

3.2生物医学中的纳米技术应用

从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也是生命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。遗传基因序列的自组装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米SiO2微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。

正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程的前沿科技。将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传诊断。植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而被用于其它纳米技术或微制造。

3.3纳米生物计算机开发

生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子，并以此作为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的形式传播，其运算速度要比当今最新一代计算机快10倍以至几万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的几亿分之一，存贮信息的空间仅占百亿分之一。由于蛋白质分子能自我组合，再生新的微型电路，从而使得生物计算机具有生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障，还能使其模仿人脑的机制等。世界上第一台生物计算机是由美国于1994年11月首次研制成功的。

科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来世界产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装置，它一旦研制成功，有可能在1秒钟完成数十亿次操作，届时人类的劳动方式将产生彻底的变革。

目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展，这一领域前景十分诱人。它与其它学科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学科群，其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文明进步产生巨大影响。

3.4新的国防科技革命

纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响。例如：纳米电子器件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制。由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的CoNi纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz范围内，其m￠和m￠￠几乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。

3.5其他领域

除此之外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电子学等其他领域也有着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。纳米材料的应用前景展望

在未来的几十年中，纳米技术将逐步渗透到科学技术的各个领域，并在很大程度上改变人们的生产和生活观念。纳米技术将影响的几个领域[ 10][ 22]：

(1)海水脱盐净化技术。由于人口的快速增长，预计到2025年，全球将有48 个

国家、32%的人口面临着缺水的困境。而解决缺水困难的根本出路就是海水脱盐净化技术，碳纳米管的发现及纳米技术的发展为这一技术提供了一种可能的发展方向。

(2)照明系统。在照明中用于制造发光二极管的半导体将逐渐在纳米尺寸范围内制作，在纳米尺度上制作的发光二极管的效率现在已经可以与可见光谱上白炽光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低发热特性，将很快在展览、汽车照明灯、普通照明以及指示器中获得广泛应用。

(3)医学和生物领域。纳米技术将使适用于制药的化学物质的数量增加约1 倍；

可用尺寸为50-100nm的纳米颗粒对肿瘤部位进行治疗，因为更大的粒子无法穿过肿瘤上的小孔，纳米颗粒却能轻松进入肿瘤内部；纳米技术将使癌症在仅有少量癌细胞出现的早期即被检出。

(4)微电子和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器，研制量子计算机和光子计算机。

(5)环境和能源。利用纳米技术发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；制备孔径1nm的纳米孔材料作为催化剂的载体，用以消除水和空气中的污染；成倍提高太阳能电池的能量转换效率等。利用纳米材料特殊的磁、光、电等性质，还可以开发出无以计数的新型材料，21世纪的纳米材料必将在微电子、信息、能源、环保、通讯、航空航天、工农业生产以及人们的日常生活等领域中发挥出巨大的作用，从而促进生产力的提高，推动社会的发展。参考文献

[1]Mo C M, Li Y H, Liu Y S.Applied Phsics Lett ers,1998,83(8): 4389.[2]张修庆, 朱心昆, 颜丙勇等.材料科学与工程[J].2001, 19(2):95.[3]黄钧声, 任山.材料科学与工程[J].2001, 19(2): 76.[4]刘维平, 黄庆梅.材料科学与工艺[J].1998, 6(1): 100.[5]Eckert J, Halzer J C, Krill C E.J Appl Phys, 1993, 73(6):2794.[6]陈春霞, 钱思明, 宫峰飞等.材料研究学报[J].2000, 14(3):335.[7]Kornmann X, Lindberg H, Berglund L A.Polymer, 2001, 42(1): 893.[8] Carroll D L, Redlich P, Ajayan P M.Phys Rev Let t, 1997, 78(4): 2811.[ 9] Hat t a N, Murata K.Chem Phys Let t, 1994, 217(4): 398.[10] 张立德, 牟季美.纳米材料和纳米结构[ M].北京: 科学出版

[11]曹茂盛.超微颗粒制备科学与技术[ M].哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,1995.[12]张志琨, 崔作林.纳米技术与纳米材料[ M ].北京: 国防工业出版社, 2000.[13]汪奕, 王立新, 张楷量.材料导报, 2001, 15(1): 54.[14]王新庆, 李振华, 何少龙, 等.材料科学与工程.2001, 19(2): 100.[15] SupapanSeraphin.Chem Phys Let t , 1994, 2217(3): 191.[16] Masuda H, Fukuda K.Science.1995, 268(9): 1446.[17] Dvorak M D, Justus B L, Gaskill D K.Applied Physics Letters, 1995, 66(7): 804.[18]王淼.材料科学与工程, 2000, 18(1): 103.[19]朱绍文.科技导报, 1999, 13(12): 7.[20]王听.复合材料学报, 1999, 16(1): 105.[21]李湘洲.新型碳材料, 1997, 12(2): 66.[22]张立德,牟季美,纳米材料和纳米结构[M].北京:科学出版社,20 01.146.[23] Ledenslor N N,Crystalline growth characteristics[J].Mater Porg, 1998,(35):289.[24]刘学东, 卢柯,丁炳哲等.纳米相的晶格畸变[J]科学通报，199 4,(3 9):217-219.[25]齐民,杨大智,朱敏.机械合金化过程的固态相变[J].功能材料,19 95,(26):472-475.[26] R W Siegel,H Hahn.In crrent trends in the physics of materials [M ].Singapore:W orldS cientific.19 87.[27]吴小红.纳米技术及应用展望[J]，技术集市，2003.(8)