铝镍合金氢化催化剂 探索新材料：从传统到创新，国防建设的关键驱动力

铝镍合金氢化催化剂 探索新材料：从传统到创新，国防建设的关键驱动力

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随着科学技术的发展，人们在传统材料的基础上结合现代科学技术的研究成果，研制出新型材料。新材料分为金属材料、无机非金属材料（如陶瓷、砷化镓半导体等）、有机高分子材料、先进复合材料四大类。按材料性质又分为结构材料和功能材料。结构材料主要利用材料的力学和物理化学性质，满足高强度、高刚度、高硬度、耐高温等要求；而功能材料主要利用材料的电、磁、声、光、热效应，实现一定的功能，如半导体材料、磁性材料、光敏材料、热敏材料、隐身材料以及制造原子弹、氢弹的核材料等。新材料在国防建设中发挥着重要作用。例如，超纯硅和砷化镓的研制成功，导致了大规模和超大规模集成电路的诞生，使计算机运算速度由每秒几十万次提高到每秒一百亿次以上；航空发动机材料的工作温度由每秒一亿次提高到一千亿次；材料性能的提高，使航天器温度提高100℃，推力可增加24%；隐身材料可以吸收电磁波或减弱武器装备的红外辐射，使敌方探测系统难以发现它们，等等。

复合新材料

复合新材料的历史可以追溯到古代，自古以来就被广泛使用的稻草增强粘土，以及使用了几百年的钢筋混凝土，都是由两种材料制作而成的。20世纪40年代，由于航空工业的需要，发展了玻璃纤维增​​强塑料（俗称FRP），这是复合材料的名称。20世纪50年代以后，发展了碳纤维、石墨纤维、硼纤维等高强度、高模量的纤维，20世纪70年代出现了芳纶纤维、碳化硅纤维。这些高强度、高模量的纤维可以与合成树脂、碳、石墨、陶瓷、橡胶等非金属基体或铝、镁、钛等金属基体复合，形成具有各自特点的复合材料。

超高分子量聚乙烯纤维的比强度居各类纤维之首，特别是其优异的耐化学腐蚀和耐老化性能，还具有优异的高频声呐渗透性和耐海水腐蚀性能，许多国家都用它来制造舰船的高频声呐罩，大大提高了舰船的探雷、扫雷能力。在国内，思嘉新材研制的复合新材料代表了国内较高的水平，超高分子量聚乙烯纤维除了军事领域外，在汽车制造、船舶制造、医疗器械、体育器材等领域也有着广阔的应用前景，这种纤维一问世就引起了世界发达国家的极大兴趣和重视。

超导材料

有些材料的温度降到某一临界温度时，它们的电阻就完全消失，这种现象就叫超导，具有这种现象的材料就叫超导材料。超导体的另一个特点是，当电阻消失时，磁感应线将无法穿过超导体，这种现象叫抗磁性。一般金属（如铜）的电阻率随温度的降低而逐渐减小，当温度接近0K时，其电阻达到一定值。1915年，荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银，当温度降到4.2K（-269℃）时，发现水银的电阻完全消失。超导和抗磁性是超导体的两个重要性质。温度为零时的温度叫临界温度（TC）。超导材料研究的难点就是要突破“温度壁垒”，也就是要找到高温超导材料。以NbTi、Nb3Sn为代表的实用超导材料已实现商业化，在核磁共振成像（NMRI）、超导磁体、大型加速器磁体等诸多领域得到应用，SQUID作为超导体弱电流应用的典范，已经在微弱电磁信号测量中发挥重要作用，其灵敏度是其它任何非超导装置所无法达到的。但由于常规低温超导体临界温度太低，必须使用在昂贵而复杂的液氦（4.2K）体系中，严重制约了低温超导应用的发展。高温氧化物超导体的出现突破了温度障碍，将超导应用温度由液氦（4.2K）提高到液氮（77K）。

与液氦相比，液氮是一种非常经济的制冷剂，而且有较高的热容量，给工程应用带来很大的方便。另外，高温超导体具有很高的磁性能，可用来产生20T以上的强磁场。超导材料最吸引人的应用是发电、输电和储能。利用超导材料制作超导发电机的线圈磁体，可使发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，而能量几乎没有损失，与常规发电机相比，超导发电机的单位容量提高5～10倍，发电效率提高50%；超导输电线和超导变压器可以把电能几乎无损耗地输送到用户手中。据统计，铜线或铝线输电中约有15%的电能损耗是在输电线路上，而我国每年的电能损耗就在1000多亿千瓦时。如果把电力输送改成超导，所节省的能源相当于建设几十座大型发电厂。超导磁悬浮列车的工作原理，是利用超导材料的抗磁性，把导电材料放在永久磁铁（或磁场）的上方，由于超导体的抗磁性，磁铁的磁力线不能穿过超导体，磁铁（或磁场）与超导体之间产生排斥力，使超导体悬浮在上面。这种磁悬浮效应，可用来制作高速的超导磁悬浮列车，如上海浦东国际机场的高铁；还可以用在超导计算机中，高速计算机要求集成电路芯片上元器件和连接线排列密集，但密集排列的电路很难实现，运行时会产生大量热量。如果采用电阻接近于零的超导材料制作连接导线或具有超微发热的超导装置，就不会存在散热问题，计算机的速度就可以大大提高。

能源材料

能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等，太阳能电池材料属于新能源材料，IBM研制的多层复合太阳能电池，转换率可达40%以上。

氢气是一种无污染、高效的理想能源，氢气利用的关键是它的储存和运输，美国能源部将其全部氢能研究经费的50%左右拨给储氢技术。氢气对一般材料有腐蚀作用，造成氢脆、泄漏，在运输过程中也容易发生爆炸。储氢材料能与氢气结合形成氢化物，需要时加热释放氢气，释放后可再次充电。储氢材料多为金属化合物，如Ti1.2Mn1.6H3等。固体氧化物燃料电池的研究十分活跃，关键是电池材料，如固体电解质膜和电池正极材料，以及质子交换膜燃料电池的有机质子交换膜等。

智能材料

智能材料是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高科技新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研究开发上已取得许多技术突破，如用金属线传感器来测试飞机蒙皮的应变和温度等；英国研制出快速响应形状记忆合金，其寿命可达数百万次循环，输出功率大，用作刹车时，反应时间仅为10分钟；形状记忆合金在卫星天线、医学等领域也得到成功应用；此外，还有压电材料、磁致伸缩材料、导电高分子材料、电流变液和磁流变液等智能材料驱动元件及其它功能材料。

磁性材料

磁性材料可分为两大类：软磁材料和硬磁材料。

1.软磁材料

指易于磁化并能反复磁化，但当磁场撤去时，磁性就消失的材料，该类材料的特征标志是：磁导率高（μ=B/H），即很容易被磁化，并很快达到很高的磁化强度；但当磁场消失时，其剩磁很小。这种材料在电子技术中，高频技术中得到广泛的应用。如磁芯、磁头、存储器磁芯等；在强电技术中，可用来制作变压器、开关继电器等。常用的软磁材料有铁硅合金、铁镍合金、非晶态金属等。

Fe-(3%~4%)Si铁硅合金是最常用的软磁材料，常用作低频变压器、电动机和发电机的铁芯；铁镍合金的性能优于铁硅合金。典型代表材料有坡莫合金（），其成分为79%Ni-21%Fe，具有较高的磁导率（磁导率μ是铁硅合金的10~20倍），损耗小；且在弱磁场中具有较高的磁导率和较低的矫顽力，在电信、计算机和控制系统中得到广泛的应用，是重要的电子材料。非晶态金属（金属玻璃）与一般金属的区别在于其结构为非晶态，是由Fe、Co、Ni和半金属元素B、Si构成的。其生产工艺要点是将熔融的金属以极快的速度冷却，使固态金属获得原子无序排列的非晶态结构。非晶态金属具有非常好的磁性能，在低能变压器、磁传感器、录音磁头等方面得到了广泛的应用，另外有些非晶态金属具有优良的耐腐蚀性能，有些非晶态金属强度高，韧性好。

2.永磁材料（硬磁材料）

永磁材料经磁化后，在撤去外磁场后仍然保留磁性，其性能特点是剩磁高、矫顽力高，利用这一特性可制造永久磁铁，可作为磁源使用，例如常见的指南针、仪器仪表、微电机、电动机、录音机、电话及医疗上的应用等。永磁材料有铁氧体和金属永磁材料。铁氧体用量大，应用广泛，价格便宜，但磁性能一般。一般要求制造永久磁铁。金属永磁材料中，最早使用高碳钢，但其磁性能较差。高性能永磁材料的品种有铝镍钴（Al-Ni-Co）和铁铬钴（Fe-Cr-Co）；稀土永磁体，如较早出现的稀土钴（Re-Co）合金（主要品种有SmCo5）、钕铁硼稀土永磁体等，都广泛地应用于粉末冶金技术。钕铁硼磁体不仅具有优异的性能，而且不含稀缺元素钴，因此成为高性能永磁材料。代表作有高性能扬声器、电子水表、核磁共振仪器、微电机、汽车起动电机等。

纳米材料

纳米是一种尺度。纳米科学与技术是集尖端高科技于一体的完整体系。其基本含义是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和排列原子、分子来创新材料。纳米科学与技术主要包括纳米系统物理、纳米化学、纳米材料、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工和纳米力学七个方面。

纳米材料是纳米技术领域最具活力、内容最丰富的科学分支。“纳米”一词最早在20世纪80年代用来命名材料，纳米材料是指由纳米颗粒组成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸不超过100纳米～100纳米。纳米材料的制备与合成技术是目前主要的研究方向，虽然在样品的合成方面取得了一些进展，但还不能制备出大量的块体样品，因此纳米材料的制备对其应用起着至关重要的作用。

1. 纳米材料的特性

物理化学性能纳米粒子的熔点和结晶温度比常规粉末低得多，这是因为纳米粒子具有高表面能和高活性，熔化时消耗的能量较少，例如一般铅的熔点为600K，而20nm的铅粒子的熔点低于288K；纳米金属粒子在低温下是电绝缘的；纳米粒子对光的吸收作用较强，因此各类纳米粒子粉末几乎都是黑色的；纳米材料具有奇特的磁性能，主要表现在不同的粒径上，纳米粒子具有不同的磁性能，当粒子尺寸高于某一临界尺寸时，表现出很高的矫顽力，而在某一尺寸以下，矫顽力则很小，例如粒径85nm的镍粒子具有很高的矫顽力，而粒径小于15nm的镍粒子的矫顽力接近于零；纳米粒子具有很大的比表面积，其表面化学活性远大于一般粉末，因此把原来化学惰性的金属铂制成纳米粒子（铂黑）成为活性极高的催化剂。扩散和烧结性能纳米结构材料的扩散速率为一般条件下晶格扩散速率的1014~1020倍，为晶界扩散速率的102~104倍，因此纳米结构材料可以在较低温度下进行有效掺杂。扩散能力的提高可以大大降低纳米结构材料的烧结温度，从而可以在较低温度下烧结致密的材料。达到了掺杂的目的。

力学性能：纳米材料的力学性能与普通材料相比发生了显著变化，部分材料的强度、硬度成倍增加，纳米材料还表现出超塑性状态，即在断裂前发生大量的伸长。

2. 纳米材料的应用

纳米金属：如纳米铁材料，是由6纳米铁晶体构成的，与普通铁相比，其强度高12倍，硬度高2至3个数量级，利用纳米铁材料可制得高强度、高韧性材料。对于熔点高、不易成型的金属，只要将其加工成纳米粉末，便可在较低温度下熔化，制成耐高温部件，用于发展新一代可承受超高温的高速发动机。 “纳米球”润滑剂：全称是“原子自组装纳米球固体润滑剂”，是由具有二十面体原子团簇结构的铝基合金部件，采用独特的纳米制备工艺加工而成的纳米级润滑剂。采用高速气流粉碎技术，精确控制添加剂的粒径，可在摩擦表面形成新的表面，修复机车发动机。其组分设计和制备工艺具有创新性，填补了润滑油合金基添加剂的技术空白。在机车发动机中添加纳米球，有助于节省燃料、修复磨损表面、增强机车功率、降低噪音、减少污染物排放、保护环境。纳米陶瓷：首先，利用纳米粉体可以降低陶瓷的烧结温度，简化生产工艺。同时，纳米陶瓷具有良好的可塑性，甚至可以具有超塑性，解决了普通陶瓷韧性不足的弱点，大大拓展了陶瓷的应用领域。碳纳米管的直径只有1.4nm，仅为计算机微处理器芯片上最细电路线条宽度的1%，其质量是同体积钢的1/6，但强度却是钢的100倍。纳米管将成为未来高能纤维的首选材料，在超细导线、开关和纳米级电子电路的制造中得到广泛应用。纳米催化剂由于纳米材料的表面积大大增加，表面结构发生很大改变，表面活性增强，因此纳米材料可用作催化剂，如超细硼粉、重铬酸铵粉等，可用作炸药的有效催化剂；超细铂粉、碳化钨粉是高效的加氢催化剂；超细银粉可作为乙烯氧化反应的催化剂；超细Fe3O4颗粒可作为催化剂，在低温下将CO2分解为碳和水；在火箭燃料中加入少量镍粉，可使燃烧效率成倍提高。

要制造量子器件，首先要研制量子盒。量子盒是直径约10纳米的微小结构，当电子被囚禁在这样的盒子里时，由于量子效应，它们会表现出异常行为。由此可以制成量子元件。量子元件的工作原理主要是控制电子涨落的相位，从而可以实现更高的响应速度和更低的功耗，此外，量子元件还可以大大缩小元件体积，大大简化电路，因此量子元件的兴起将引发电子技术的一场革命。人们期望在21世纪用量子元件制造出16GB（千兆字节）的DRAM，这样的存储芯片足以存储10亿个汉字的信息。

我国研制出一种利用纳米技术制成的乳化剂，按一定比例添加到汽油中，可使桑塔纳等轿车的油耗降低10%左右。纳米材料在常温下具有优异的储氢能力，在常温常压下，约2/3的氢能可以从这些纳米材料中释放出来，不再需要昂贵的超低温液态储氢装置。