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1、精选优质文档-倾情为你奉上纳米在电气工程中的应用与发展摘要：纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米技术目前已成功用于许多领域包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”由此纳米材料将成为最有前途的材料。在电气工程中，纳米技术和纳米材料同样具有广泛应用，并且将在未来有更加长足的发展。关键字：纳米电气工程应用发展一、什么是纳米1、纳米发展小史1959年，著名学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。1991
2、年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。2、何为纳米材料纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，例如：人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。一般认为纳米材料应
3、该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。3、纳米材料的特殊性质（1）力学性质纳米材料的位错密度很低，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。（2）磁学性质纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。（3）电学性质2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下
4、碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。（4）热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。（5）光学性质 纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中广泛。二、纳米在电气工程中的应用1、纳米半导体材料纳米科学技术是上世纪80年代末期诞生的新科学技术，他被公认为是21世纪的三大科学技术之一。经过20多年的发展，现今纳米半导体器件在发展，其组件的特征尺寸在不断减小，小到纳米尺寸将引起质变。晶体管的基础是p-n结，当
5、固体器件的尺寸达到纳米时，一个简单的p-n结两侧在n型和p型区域中都出现了反型层，即耗尽区，通常这个区的尺寸接近微米量级。因为要保持晶态结构，掺杂浓度受到限制，势垒宽度不能无限地小下去，整个p-n结的尺寸将不小于微米级。如果晶体管的尺寸小到仅剩反型区，就将失去p-n结的特性，因此也就失去了微电子器件的基础，这就意味着达到了微电子器件的极限。集成度不断提高的发展趋势，将电子器件逼进了纳米电子器件的领域。纳米半导体器件的出现，给科技发展带来了机遇。其中纳米半导体的制备技术经历了三个阶段：第一阶段：单一材料和单相材料。即纳米晶或纳米相第二阶段：纳米复合材料。通常采用纳米微粒与纳米微粒的复合、纳米微粒
6、同常规块体之间的复合及复合纳米薄膜。第三阶段：纳米组装体系、纳米尺度的图案材料。他的基本内涵是纳米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维及三维空间之中组装排列成具有纳米结构的体系。其中包括纳米阵列体系、介空组装体系、薄膜镶嵌体系。当前半导体纳米技术的研究和应用主要在材料和制备、和计算机技术、医学与健康、和航空、环境和、生物技术等方面。用纳米半导体材料制作的器材重量更轻、硬度更强、寿命更长、维修费更低、设计更方便。利用纳米技术还可以制作出特定性质的材料或自然界不存在的材料，以满足特定的需要。因而，基于纳米半导体材料的固态量子器件的研究受到了重视，而且在光电子器件、量子干涉器件、通信技术、集成电
7、路技术等方面取得了较大的进展。2、纳米电池纳米即10-9米,纳米电池即用纳米材料制作的电池,纳米材料具有特殊的微观结构和物理化学性能(如量子尺寸效应,表面效应和隧道量子效应等。目前国内技术成熟的纳米电池是纳米活性碳纤维电池。主要用于电动汽车，电动摩托，电动助力车上。该种电池可充电循环1000次，连续使用达10年左右一次充电只需20分钟左右，平路行程达400km，重量在128kg，已经超越美日等国的电池汽车水平。它们生产的镍氢电池充电约需6-8小时平路行程300km。 纳米电池由正负电极、电解质、聚合物隔离膜组成，纳米电池的负极材料是纳米化的天然石墨，纳米电池的正极是纳米化材料，采用由PP和PE
8、复合的多层微孔膜作为隔离膜，并在电解质中加入导电的纳米碳纤维。电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，由纳米石墨组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。纳米电池在充电时，正极中的Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。利用嵌入/脱嵌过程，实现电池的反复充放电。采用的是卷绕式，制成14500、18650、26650等型电池。用铝箔收集正极电流并引出，用铜箔收集负极电流并引出。 LINGTH凌世集团公司研发的纳米电池通过特制的大球磨机及特殊工艺，将电池正极材料、负
9、极材料纳米化，使电极材料的粉末粒度从5微米降至150纳米左右，降低了电池材料的体积，提高电池密度，电池的振实密度由1.2g/cm提高到2.4g/cm，从而提高电池的容量，并加入导电性良好的纳米碳纤维，提高电池的充放电性能,使电池容量提高20%左右，充放电性能提高30%.3、纳米发电机发电机是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机。纳米发电机的产能机理是压电效应某些金属，例如氧化锌金属线，能够在屈伸变化间产生电流的一种现象。这些金属丝直径在100至800纳米之间，长度在100至500纳米之间。比如美国乔治亚州理工学院的研究人员已利用纳米技术通过轻叩手指获得电流这使得使用黑莓手机、移动电话及其他掌上设
10、备的用户进一步接近自行供电时代。该大学材料科学与工程专业资深教授王中林说：“通过纳米技术，我们甚至可以将变化多样的生物机械能转变为电能，这项技术可将多种形式的机械能转变为电能。”王中林相信纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用。他说：“这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统，它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；震动能，比如声波和超声波产生的能量；流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自
11、供。” 鞋内装上一个纳米发电机，人们一边走路一边便可给手机或者MP3播放器充电。在不久的将来，这将有望成为现实。 王中林还表示，单个的纳米发电机虽然研发出来了，但其毕竟功率有限。未来真正投入使用的话，必须要有大量的纳米发电机共同工作，组成一个发电机组。因此，课题组下一步的工作便是要想办法研发出多个纳米发电机联合发电的装置。三、纳米在电气工程中的现状总体来看，2004 年，中国纳米新材料市场总体规模达到29.2 亿元，年增长率为 18，已经连续5 年保持了 15以上的增长速度，通过对纳米技术研发状况、材料市场消费变化趋势、产业资本投资最新动向的分析，认为三个方面的因素共同促成了纳米新材料市场的快
12、速增长。首先，科研机构、业内领先企业对纳米材料的研究投入大幅度增加，新的纳米材料不断涌现，这为纳米新材料市场的迅速发展提供了有力的产品技术支撑；其次，消费需求的变化导致市场对经纳米粉体处理，具有更高产品品质的塑料、化工、陶瓷、纺织等改性材料要求日益提高。这一需求变化为纳米粉体等新材料提供了广阔的市场发展空间；此外，纳米材料蕴含的巨大市场投资价值，开始引起资本和实业界的广泛关注，众多的产业基金和材料巨头开始涉足纳米新材料领域，从而加快了纳米新材料市场的快速增长。料有限公司等企业在产品生产、市场销售等方面处于市场前列。而对于电气工程行业而言，纳米科学技术是是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科
13、技，而有纳米技术所产生的半导体纳米材料或者其他纳米电气行业的器件的研究仍处于探索、开发阶段，但它们在多个领域的应用，如新型高效太阳能电池、纳米级电子器件、纳米发光器件、激光技术、波导、化学及生物传感器、化学催化剂等已呈现出诱人的前景,纳米技术的进一步发展必将使得在电气工程中更多地出现纳米材料。四、纳米在电气工程中的发展前景1、影响中国纳米材料市场发展因素（1）有利因素a产业环境趋好，投资吸引力大纳米粉体材料由于技术含量高、产品应用广、具有良好的市场前景和发展空间，是新材料行业中成长性较好的领域之一。由于具有上述特点，纳米粉体材料已经成为各级地方政府重点扶持的行业之一，相关的行业扶持、投资优惠措
14、施陆续出台。b技术渐趋成熟，进入壁垒下降纳米技术是世界各国目前研究的重点领域之一，大型跨国公司和科研机构都投入巨资从事纳米材料的开发和产业化工作。目前纳米粉体材料存在的制造工艺控制复杂、产品生产技术成本高等问题，将在未来 5 到 10 年内逐一得到解决。纳米粉体材料技术进入壁垒将随着生产技术的日益成熟而逐渐降低，今后将会有越来越多的企业投资于该领域。c下游需求旺盛，市场潜力巨大随着中国在世界制造业中心的地位日益确立，汽车、机械、电子设备、包装等行业必将保持持续增长，特别是经过纳米粉体材料改性，有优越产品性能的橡胶、塑料、涂料等产品的国内外需求都将有很大的增长。下游产业的美好发展前景为纳米粉体材
15、料提供了广阔的市场发展空间。（2）、不利因素：a 企业整体规模偏小，研发投入不足纳米粉体材料企业除了处于领先地位的少数几个主力厂商之外，行业内大部分生产企业属于民营性质的中小企业，生产规模小、资金实力弱，大部分企业缺乏自有的科研队伍和新产品开发实力。b风险投资缺乏，技术转化困难目前，我国纳米技术研究处于世界前列，公开发表的纳米技术论文总数位列世界第三。而我国目前的纳米材料产业化程度同科研成果数量之间存在明显的断层，最主要的原因就是缺乏风险投资机构融资和相应的银行信贷支持。c行业鱼龙混杂，市场管理失范目前国内的纳米材料企业层次参差不齐，许多企业名义上从事纳米级材料生产，而实际上只不过是从事微米级
16、材料的加工制造，或者只是用纳米概念来包装原有产品。此外，纳米粉体材料行业没有专门的行业监督管理机构，缺乏统一的行业技术标准及相关的行业发展规划，市场管理失范也是造成目前市场发展较为混乱的原因之一。2、中国纳米材料未来趋势（1）高端纳米产品比重增长，新纳米材料将不断涌现随着纳米粉体材料制备技术的不断提高，高端产品生产的比重将日益提升。此外，纳米粉体新的应用领域将不断出现，对产品的技术及性能指标的要求也将提高。而且纳米粉体材料的生产成本将不断降低。许多处于研制阶段的纳米粉体材料，如广泛应用在电子行业中的纳米碳管等具有特殊性能、在特殊工业领域有重要应用价值的新材料产品将不断涌现。（2）现有产品价格总
17、体走低，新产品价格保持高位随着纳米技术的进步，现有的纳米粉体材料伴随着新产品的的出现和应用的增长，将被取代部分其市场份额，从而导致现有产品价格的下降。新的纳米粉体材料将不断出现。而这些材料或是有特殊的应用领域，或是经纳米技术改造后拥有不同以往的新产品特性将保持高位状态。（3）纳米粉体材料向尺寸更细、纯度更高方向发展在纳米粉体材料领域，未来产品的发展趋势是向尺寸更小、纯度更高的方向发展。有机物、金属、化合物的纳米粉体制备将实现一定的规模生产。此外，纳米粉体材料的包装和粉体团聚等问题将在未来5年得到解决。（4）纳米改性产品需求上涨，产品应用领域不断拓宽随着经济的持续增长，人民的收入和消费水平也将持
18、续提高，具有除菌、防紫外线、耐磨等一系列特殊性能的纺织、家电等纳米改性产品将拥有更大的市场需求。传统塑料、橡胶等建筑材料经过纳米技术改造后也会具有上述特性，因此这类产品的需求也将日益增长。纳米产品除了在传统生活产品领域需求将有大的增长之外，还将在工业应用领域获得很大的发展。随着航天技术、生物医药技术、太阳能技术研究的深入，未来纳米技术和这些热门科研领域的相结合的应用材料也将成为下一个需求热点。目前，电气工程行业使用纳米材料仍然处于起步阶段，大量纳米技术还未成熟，大量纳米材料的应用还未被开发，但是这依旧不能阻挡我们对纳米的期待。同样，未来伴随着用户对技术和器件的高质量、高标准的追求以及纳米科研技术的发展，电气行业对纳米的需求也会带领纳米材料进入飞速发展的时代。专心-专注-专业