新材料与人类文明课程论文

自己蛋疼的东西,不能留着让别人蛋疼!

课 程：新材料与人类文明

题 目： 膜结构材料的产生发展与前景

姓 名： 金 阳

学 号： 100606209

院 系： 机 电 工 程

专 业： 机械设计制造及其自动化

平时成绩__________ 论文成绩_____________

总分_____________

自己蛋疼的东西,不能留着让别人蛋疼!

题目： 膜结构材料的产生发展及其展望

前言：

在新材料与人类文明课上，讲师向我们展示了新材料对人们的生活、生产、发展做出了不朽的功绩。

我看到了国内首次采用ETFE膜结构的建筑物“水立方”，他是国际上面积最大、功能要求最复杂的膜结构系统。当初它的设计方案一出笼，国外建筑学家就用“令人惊叹”来形容它。当去年底膜结构的施工完成后，伫立在人们面前的“水立方”如同披上了一件水的外衣，亦真亦幻，风姿动人。我还看到世博会上日本馆展示的膜结构淡水净化系统，在水资源日益短缺的当今社会，我认为这个十分有发展前景。

由此我们不能不意识到在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。所以我作此文和大家一起讨论一下膜结构材料的产生发展及其展望！

摘要：

膜结构材料的产生的原因、种类、发展、未来在我们生活中的应用和展望

正文：

膜结构材料的产生：

众所周知，在浩瀚的自然界中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜可以将一些分子拦在细胞内，小分子可以毫不费力从膜中穿过。细胞膜的膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的可以载分子，有的可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。 人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，就这样膜结构材料应运而生。

膜结构材料的发展： 膜结构材料的一个很重要的应用就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界已经处于水资源匮乏的困境。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。

淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,其中反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。所以这与当今“低碳”这一全球生活主题不谋而合。具有非常好的发展前景。

利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。

自己蛋疼的东西,不能留着让别人蛋疼!

工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。

更重要的，医学上研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率，为无数在绝望中的患者带来了福音。

膜材料的种类：

近年来,随着成膜技术的飞速发展,各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。

薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。 目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。

3.1金刚石薄膜

金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔。

金刚石薄膜有很多优异的性质：硬度高、耐磨性好、摩擦系数效、化学稳定性高、热导率高、热膨胀系数小,是优良的绝缘体。

利用它的高导热率,可将它直接积在硅材料上成为既散热又绝缘的薄层,是高频微波器件、超大规模集成电路最理想的散热材料。 利用它的电阻率大,可以制成高温工作的二极管,微波振荡器件和耐高温高压的晶体管以及毫米波功率器件等。

金刚石薄膜的许多优良性能有待进一步开拓,我国也将金刚石薄膜纳入863新材料专题进行跟踪研究并取得了很大进展。

3.2铁电薄膜

铁电薄膜的制备技术和半导体集成技术的快速发展,推动了铁电薄膜及其集成器件的实用化。铁电薄膜的制作方法一般采用溶胶-凌胶法、离子束溅射法、磁控溅射法、有机金属化学蒸汽沉积法、准分子激光烧蚀技术等.已经制成的晶态薄膜有铌酸锂、 铌酸钾、钛酸铅、钛酸钡、钛酸锶、氧化铌和锆钛酸铅等,以及大量的铁电陶瓷薄膜材料。

3.3氮化碳薄膜

1985年美国伯克利大学物理系的M.L.Cohen教授以b-Si3N4晶体结构为出发点,预言了一种新的C-N化合物b-C3N4,进过不同的计算方法均显示b-C3N4具有比金刚石还高的硬度,不仅如此, b-C3N4还具有一系列特殊的性质,引起了科学界的高度重视,目前世界上许多著名的研究机构都集中研究这一新型物质.

b-C3N4的制备方法只要有激光烧蚀法、溅射法、高压合成、等离子增强化学气相沉积、真空电弧沉积、离子注入法等多种方法。在CNx膜的诸多性能中，最吸引人的当属其可能超过金刚石的硬度，尽管现在还没有制备出可以直接测量其硬度的CNx晶体，但对CNx膜硬度的研究已有许多报道。

3.4半导体薄膜复合材料

20世纪80年代科学家们研制成功了在绝缘层上形成半导体（如硅）单晶层组成复合薄膜材料的技术。这一新技术的实现，使材料器件的研制一气呵成，不但大大节省了单晶材料，更重要的是使半导体集成电路达到高速化、高密度化，也提高了可靠性，同时为微电子工业中的三维集成电路的设想提供了实施的可能性。

这类半导体薄膜复合材料，特别使硅薄膜复合材料已开始用于低功耗、低噪声的大规模集成电路中，以减小误差，提高电路的抗辐射能力。

3.6多层薄膜材料

多层薄膜材料已成为新材料领域中一支新军。所谓多层薄膜材料，就是在一层厚度只有钠米级的材料上，再铺上一层或多层性质不同的其他薄层材料，最后形成多层固态涂层。由于各层材料的电、磁及化学性质各不相同，多层薄膜材料会用有一些奇异的特性。目前，这种制造工艺简单的新型材料正受到各国关注，已从实验室研究进入商业化阶段，可以广泛应用于防腐涂层、燃料电池及生物医学移植等领域。

由于多层薄膜材料的制造可采用重复性工艺，人们可利用机器人来完成，因此这种自动化工艺很容易实现商业化。目前，研究人员已经或即将开发的多层薄膜材料主要有以下几种：①制造具有珍珠母强度的材料。②新型防腐

自己蛋疼的东西,不能留着让别人蛋疼!

蚀材料。③可使燃料电池在高温条件下工作的多层薄膜材料。

展望

迄今为止，人们已经设计和开发出了多种不同结构和不同功能的薄膜材料，这些材料在化学分离、化学传感器、人工细胞、人工脏器、水处理等许多领域具有重要的潜在应用价值，被认为将是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一。同时我也坚信，随着膜结构材料的日益高功能化，多功能化，制备简易化，膜结构材料必将引领我们的世界进入环保，节能，健康，安全，信息高速化的新纪元！