第一篇：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

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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、可見光、紫外光，以及X射線等。人類生活在光的世界里，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)儀器四大類為主體，建立了光學(xué)工業(yè)。

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

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)光類型，可以把發(fā)光材料分為光致發(fā)光材料、陰極射線發(fā)光材料、電致發(fā)光材料、X射線發(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陰極射線發(fā)光材料

陰極射線發(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。X射線對(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。陰極射線發(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。這是一類在陰極射線激發(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，但卻有陰極射線發(fā)光。

陰極射線發(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)、公用電話亭、加油站、打卡機(jī)、門禁系統(tǒng)、電子秤等產(chǎn)品和設(shè)備的顯示屏。

消費(fèi)類電子產(chǎn)品：主要應(yīng)用有裝飾用品(軟屏)與燈具、各類音響設(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)、各類可視對(duì)講系統(tǒng)(可視電話)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)終端、e-book(電子圖書)等產(chǎn)品的顯示屏。

交通領(lǐng)域:主要應(yīng)用有GPS、車載音響、車載電話、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、車輛、交通信號(hào)等儀器儀表的顯示中。

1.5 X射線激發(fā)發(fā)光材料

在X射線照射下，發(fā)光材料可發(fā)生康普頓效應(yīng)，也可吸收X射線，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射線發(fā)光材料可使X光轉(zhuǎn)換為可見光，并顯示成像。它可將X射線透過(guò)人體或物體后所形成的X射線潛像轉(zhuǎn)換成可見圖像，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射線遠(yuǎn)視及照相還有由X射線像增強(qiáng)器和電視組成的X射線顯示系統(tǒng)，X射線掃描及計(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，并對(duì)不同波長(zhǎng)紅外線具有不同透光率、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，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,又稱激光二級(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，這一特性稱為材料的光色現(xiàn)象。具有光色現(xiàn)象的材料稱為光色材料。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?？刂乒馍Ａе苽渲械臒崽幚頊囟扰c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)?；a(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。二是如何開發(fā)出性能優(yōu)異的無(wú)銀或微銀的色性材料, 以滿足大工業(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)上開辟出一片更廣闊的天地。

第二篇：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)度較大的線狀材料，如納米碳管，可用于微導(dǎo)線、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?？捎糜跉怏w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)為人們打開了希望之門。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。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、抗電磁波和抗可見光的特性，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催化劑選擇性僅為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)周圍環(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)?？茖W(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，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。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，一類是適合于生物體內(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。制造這類計(jì)算機(jī)離不開納米技術(shù)。生物納米計(jì)算機(jī)和納米機(jī)器人的結(jié)合體則是另一類更高層次上的可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的裝置，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?、輕、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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第三篇：石墨烯研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

石墨烯材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

崔志強(qiáng)

（重慶文理學(xué)院材料與化工學(xué)院，重慶

永川

402160）

摘要：近幾年來(lái), 石墨烯材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能, 在化學(xué)、物理和材料學(xué)界引起了轟動(dòng)。本文引用大量最新的參考文獻(xiàn),闡述了石墨烯的制備方法如機(jī)械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法、石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法等，分析了各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)。論述了石墨烯材料在透明電極、傳感器、超級(jí)電容器、能源儲(chǔ)存、復(fù)合材料等方面的應(yīng)用，同時(shí)簡(jiǎn)要分析了石墨烯材料研究的現(xiàn)實(shí)意義，展望了其未來(lái)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：石墨烯材料；制備方法；現(xiàn)實(shí)意義；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用前景 中圖分類號(hào): TQ323

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):

Research status and application prospect of graphene materials

Cui Zhiqiang(Faculty of materials and chemical engineering, Chongqing Academy of Arts and Sciences, Yongchuan, Chongqing 402160)Abstract: In recent years, graphene has caused a sensation in chemical, physical and material science due to its unique structure and excellent properties.Cited in this paper a large number of the latest references, expounds the graphene preparation methods such as layer method, thermal mechanical stripping method, orientation epiphytic method, heating SiC method, explosion, graphite intercalation expansion stripping method, electrochemical method, chemical vapor phase deposition method, graphite oxide reduction method, ball milling method, and analyze the advantages and disadvantages of various preparation methods.This paper discusses the application of graphene materials in transparent electrodes, sensors, super capacitors, energy storage and composite materials, and briefly analyzes the practical significance of the study of graphene materials, and gives a prospect of its future development.Keywords: graphene materials;preparation methods;practical significance;development status;application prospect

0 引言

1985 年英美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)富勒烯和1991 年日本物理學(xué)家Iijima 發(fā)現(xiàn)碳納米管，加之英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家于2004 年成功制備石墨烯之后，金剛石（三維）、石墨（三維）、石墨烯（二維）、碳納米管（一維）和富勒烯（零維）組成了一個(gè)完整的碳系材料“家族”。從理論上說(shuō)，石墨烯是除金剛石外所有碳晶體的基本結(jié)構(gòu)單元，如果從石墨烯上“剪”出不同形狀的薄片，進(jìn)一步就可以包覆成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管，堆疊成三維的石墨，如圖1 所示。由于石墨烯優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，近年來(lái)各國(guó)科研人員對(duì)其的研究日益增長(zhǎng)，已經(jīng)是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉[5-6]

[4]

[3]

[1]

[2]之后，人們對(duì)石墨烯的研究和關(guān)注越來(lái)越多，新的發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)。在不斷深入研究石墨烯的制備方法和性質(zhì)的過(guò)程中，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。由于石墨烯缺乏帶隙以及在室溫下的超高電子遷移率、低于銀銅的電阻率、高熱導(dǎo)率等，在光電晶體管、生化傳感器、電池電極材料和復(fù)合材料方面有著很高[7]的應(yīng)用價(jià)值；由于它很低的電阻率和極大的載流子遷移率，人們很快發(fā)現(xiàn)了石墨烯在光電探測(cè)領(lǐng)域的潛能，并且認(rèn)為將會(huì)是很具發(fā)展前途的材料之一。石墨烯材料的制備方法

1.1 石墨烯制備方法

目前，石墨烯的制備手段通常可以分為兩種類型，化學(xué)方法和物理方法。物理方法，是從具有高晶格完備性的石墨或者類似的材料來(lái)獲得，獲得的石墨烯尺度都在80 nm 以上。而化學(xué)方法是通過(guò)小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度在10 nm 以下。物理方法包括：機(jī)械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法；化學(xué)方法包括石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法。

這些制備方法有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如機(jī)械剝離法簡(jiǎn)單，可獲得高品質(zhì)的石墨烯，但重復(fù)性差、產(chǎn)量和產(chǎn)率很低;溶液液相剝離法制備過(guò)程簡(jiǎn)單且未破壞石墨烯面內(nèi)原子結(jié)構(gòu)，但該法效率低，而且單片層和多層石墨烯共存，很難將單片層石墨烯分離出來(lái);外延生長(zhǎng)法可制備得到大面積的單層石墨烯，但是該方法制備條件苛刻，需要高溫和高真空，且石墨烯難從襯底上轉(zhuǎn)移出來(lái);化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯具有較完整的晶體結(jié)構(gòu)，石墨烯面積大，在透明電極和電子設(shè)備等領(lǐng)域表現(xiàn)出很明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但存在產(chǎn)量較低，成本偏高，石墨烯難轉(zhuǎn)移等缺點(diǎn)。

對(duì)比上述方法，還原氧化石墨烯法是指先將石墨在強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑作用下進(jìn)行氧化，制備氧化石墨烯(GO)，然后再還原除去含氧官能團(tuán)制備石墨烯

［8］

盡管還原氧化石墨烯法制備的石墨烯不能完全消除含氧官能團(tuán)，制備的石墨烯存在缺陷和導(dǎo)電性差等缺點(diǎn)，但是其宏量和廉價(jià)制備為其在聚合物復(fù)合材料等宏量應(yīng)用研究中提供了機(jī)會(huì)。1.2 石墨烯基復(fù)合材料的制備

由于薄層石墨烯片合成方法的潛力巨大、成本低廉，所以石墨烯片作為新興填料在石墨烯復(fù)合材料上會(huì)有廣泛的應(yīng)用。將石墨烯與無(wú)機(jī)物、聚合物等復(fù)合可以形成石墨烯復(fù)合材料。因?yàn)槭┚哂歇?dú)特的優(yōu)異性能，能夠展示良好性能的石墨烯復(fù)合材料令人期待。Ｓ．Ｈ．Ｙｕ等

［9］

證實(shí)：在還原態(tài)石墨烯片上，通過(guò)在聚合醇中高溫分解前驅(qū)體乙酰丙酮鐵就可以成功合成磁性化還原態(tài)石墨烯。通過(guò)有效控制石墨烯片上的表面電荷密度和磁性納米顆粒的尺寸就可以調(diào)節(jié)復(fù)合材料的磁性，其獨(dú)特的性質(zhì)使其在磁共振成像或蛋白質(zhì)分離方面具有一定的應(yīng)用潛力。目前，石墨烯基復(fù)合材料的制備方法主要有化學(xué)耦合法、原位還原－萃取分散技術(shù)、共沉淀法、催化還原反應(yīng)

［10］

等。氧化石墨烯是結(jié)晶性高的石墨強(qiáng)力氧化后加水分解得到的化合物，與氟化石墨一樣可以歸類為有共價(jià)鍵的石墨層間化合物。氧化石墨烯片表面帶有大量親水性酸性官能團(tuán)，具有良好的潤(rùn)濕性能和表面活性，從而使其能在稀堿水和純水中分散，形成穩(wěn)定的膠狀懸浮液，這使得石墨烯與其他材料的復(fù)合形式多樣化。如Graeme等［11］將TiO2吸附在氧化石墨烯上通過(guò)紫外線輔助的催化還原合成了TiO2－石墨烯納米復(fù)合材［12］料；Nethravathi等通過(guò)氧化石墨烯與活性陰離子的復(fù)合，經(jīng)還原制備了石墨烯－無(wú)機(jī)物納米復(fù)合材料，說(shuō)明氧化石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)使得石墨烯基復(fù)合材料的制備更容易以多樣化的過(guò)程實(shí)現(xiàn)。

石墨烯復(fù)合材料的制備是目前石墨烯研究中的一大熱點(diǎn)，因?yàn)殡m然石墨烯本身的性能很好，但是與實(shí)際應(yīng)用還有較大的距離，許多研究者希望通過(guò)石墨烯的復(fù)合達(dá)到在電學(xué)、電化學(xué)等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的目的。石墨烯材料的應(yīng)用研究

2.1 透明電極

工業(yè)上已經(jīng)商業(yè)化的透明薄膜材料是氧化銦錫(ITO), 由于銦元素在地球上的含量有限, 價(jià)格昂貴,尤其是毒性很大, 使它的應(yīng)用受到限制。作為炭質(zhì)材料的新星, 石墨烯由于擁有低維度和在低密度的條件下能形成滲透電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)被認(rèn)為是氧化銦錫的替代材料, 石墨烯以制備工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)為其商業(yè)化鋪平了道路。Mullen 研究組通過(guò)浸漬涂布法沉積被熱退火還原的石墨烯, 薄膜電阻為900 , 透光率為70% , 薄膜被做成了染料太陽(yáng)能電池的正極, 太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率為0.26%。2009 年, 該研究組采用乙炔做還原氣和碳源, 采用高溫還原方法制備了高電導(dǎo)率(1425S/ cm)的石墨烯,為石墨烯作為導(dǎo)電玻璃的替代材料提供了可能。

2.2 傳感器

電化學(xué)生物傳感器技術(shù)結(jié)合了信息技術(shù)和生物技術(shù), 涉及化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和電子學(xué)等交叉學(xué)科。石墨烯出現(xiàn)以后, 研究者發(fā)現(xiàn)石墨烯為電子傳輸提供了二維環(huán)境和在邊緣部分快速多相電子轉(zhuǎn)移, 這使它成為電化學(xué)生物傳感器的理想材料。Chen 等采用低溫?zé)嵬嘶鸬姆椒ㄖ苽涞氖┳鳛閭鞲衅鞯碾姌O材料, 在室溫下可以檢測(cè)到低濃度NO2 , 作者認(rèn)為如果進(jìn)一步提高石墨烯的質(zhì)量, 則會(huì)提高傳感器對(duì)氣體檢測(cè)的靈敏度。石墨烯在傳感器方面表現(xiàn)出不同于其它材料的潛能, 使越來(lái)越多的醫(yī)學(xué)家關(guān)注它, 目前石墨烯還被用于醫(yī)學(xué)上檢測(cè)多巴胺、葡萄糖等。2.3 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器是一個(gè)高效儲(chǔ)存和傳遞能量的體系, 它具有功率密度大, 容量大, 使用壽命長(zhǎng), 經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于各種電源供應(yīng)場(chǎng)所。石墨烯擁有高的比表面積和高的電導(dǎo)率, 不像多孔碳材料電極要依賴孔的分布, 這使它成為最有潛力的電極材料。Chen 等

[ 13]

以石墨烯為電極材料制備的超級(jí)電容器功率密度為10kW/ kg , 能量密度為28.5Wh/ kg , 最大比電容為205F/ g, 而且經(jīng)過(guò)1200次循環(huán)充放電測(cè)試后還保留90% 的比電容, 擁有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。石墨烯在超級(jí)電容器方面的潛在應(yīng)用受到更多的研究者關(guān)注。2.4 能源存儲(chǔ)

眾所周知, 材料吸附氫氣量和其比表面積成正比, 石墨烯擁有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積的優(yōu)點(diǎn), 使其成為儲(chǔ)氫材料的最佳候選者。希臘大學(xué)Fro udakis 等設(shè)計(jì)了新型3D 碳材料, 孔徑尺寸可調(diào), 他們將其稱為石墨烯柱。當(dāng)這種新型碳材料摻雜了鋰原子時(shí), 石墨烯柱的儲(chǔ)氫量可達(dá)到6.1%(w t)。Ataca 等用鈣原子(Ca)摻雜石墨烯, 利用第一性原理和從頭算起的方法得到石墨烯被Ca 原子摻雜后儲(chǔ)氫量約為8.4%(w t);他們還發(fā)現(xiàn)氫分子的鍵能適合在室溫下吸/ 放氫, Ca 會(huì)留在石墨烯表面, 有利于循環(huán)使用。Ataca 的研究結(jié)果又一次推動(dòng)石墨烯儲(chǔ)氫向前邁進(jìn)一步。2.5 復(fù)合材料

石墨烯獨(dú)特的物理、化學(xué)和機(jī)械性能為復(fù)合材料的開發(fā)提供了原動(dòng)力, 可望開辟諸多新穎的應(yīng)用領(lǐng)域, 諸如新型導(dǎo)電高分子材料、多功能聚合物復(fù)合材料和高強(qiáng)度多孔陶瓷材料等。Fan 等

[14]

利用石墨烯的高比表面積和高的電子遷移率, 制備了以石墨烯為支撐材料的聚苯胺石墨烯復(fù)合物, 該復(fù)合物擁有高的比電容(1046F/ g)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純聚苯胺的比電容115F/ g。石墨烯的加入提高了復(fù)合材料的多功能性和復(fù)合材料的加工性能等, 為復(fù)合材料提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。圖3 對(duì)比了幾種納米填料對(duì)橡膠增強(qiáng)效率，可以看到石墨烯具有更顯著的增強(qiáng)效果

[15]

。展望

石墨烯自2004年以穩(wěn)定的形態(tài)出現(xiàn)以來(lái)，因其獨(dú)特的性能和二維納米結(jié)構(gòu)受到科學(xué)界的普遍關(guān)注。無(wú)論在理論還是實(shí)驗(yàn)研究方面，石墨烯都展示出重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，石墨烯的研究不斷取得重要進(jìn)展，在石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的結(jié)構(gòu)、性能、制備等方面也已經(jīng)取得了很多的研究成果，但也存在不少問(wèn)題。由于制作大面積石墨烯薄膜時(shí)會(huì)混入雜質(zhì)，產(chǎn)生缺陷，因此大多數(shù)以石墨烯薄膜為器件的導(dǎo)電性及透明性都未達(dá)到ITO的水平。為了使石墨烯透明導(dǎo)電薄膜達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平，還需要繼續(xù)探索透明導(dǎo)電薄膜的制備方法以實(shí)現(xiàn)大面積化及量產(chǎn)化；開發(fā)有效的摻雜技術(shù)以使石墨烯薄膜具有理想的載流子密度；研究更有效的還原與結(jié)構(gòu)修復(fù)方法以制備不含缺陷及雜質(zhì)的高品質(zhì)石墨烯薄膜。

理論上看，石墨烯是一種理想的太陽(yáng)電池透明電極材料。然而，目前以石墨烯作透明電極的太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化效率都低于ITO/FTO基太陽(yáng)電池。這是由于采用各種方法制備的石墨烯電阻較大，影響了電池的光電轉(zhuǎn)化效率。所以石墨烯作透明電極的研究重點(diǎn)主要集中在如何采用合適的制備方法，獲得電性能、透光性、力學(xué)性能等綜合性能好的石墨烯。對(duì)石墨烯內(nèi)部的位錯(cuò)、晶界、應(yīng)變等缺陷進(jìn)行理論模擬計(jì)算，并用來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究，最終通過(guò)控制位錯(cuò)、晶界等缺陷的運(yùn)動(dòng)，使其性能得到有效控制，實(shí)現(xiàn)理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論、理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合。這是獲得大面積、高性能石墨烯的新的著眼點(diǎn)。另外，石墨烯作透明電極時(shí)，也會(huì)與太陽(yáng)電池其它部分直接接觸。在未來(lái)的研究中，制備高性能石墨烯的同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注太陽(yáng)電池中石墨烯與其它部分的界面情況。

目前，關(guān)于石墨烯材料的制備和其在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍在如火如荼地進(jìn)行。人們的研究主要集中于３個(gè)方面：一是石墨烯的低成本大規(guī)模制備的基礎(chǔ)研究，二是石墨烯基復(fù)合材料的制備與性能研究，三是石墨烯材料在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。隨著人們對(duì)石墨烯及其復(fù)合材料研究的深入以及制備方法的改進(jìn)，石墨烯及其復(fù)合材料在電化學(xué)中的應(yīng)用將會(huì)得到更為廣泛的關(guān)注。以下幾方面研究較少，值得關(guān)注：(1)石墨烯在鋰離子電池正極材料研究方面（如石墨烯／磷酸亞鐵鋰）；(2)含氮或硼石墨烯在電化學(xué)中的應(yīng)用；(3)氧化石墨烯復(fù)合材料在燃料電池中的應(yīng)用；(4)氧化石墨烯復(fù)合材料在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用。與碳納米管的發(fā)現(xiàn)與研究應(yīng)用過(guò)程類似，在今后的若干年里石墨烯的研究會(huì)越來(lái)越深入，其最終進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段是必然的。石墨烯材料是當(dāng)今世界新材料科技發(fā)展的又一制高點(diǎn)，對(duì)其深入研究與開發(fā)將給許多領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)巨大機(jī)會(huì)。

參考文獻(xiàn)

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第四篇：圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用

圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)及其應(yīng)用

尹建堂

一、圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)

圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)源于它的切線和法線的性質(zhì)，因而為正確理解與掌握其光學(xué)性質(zhì)，就要掌握其切線、法線方程的求法及性質(zhì)。

設(shè)P（上一定）為圓錐曲線點(diǎn)，則

在該

點(diǎn)

處的切

（A、B、C不同時(shí)為零）線

方

程

為

：

。（該方程與已知曲線方程本身相比，得到的規(guī)律就是通常所說(shuō)的“替換法則”，可直接用此法則寫出切線方程）。

該方程的推導(dǎo)，原則上用“△法”求出在點(diǎn)P處的切線斜率斜式寫出切線方程，進(jìn)而用點(diǎn)，則在點(diǎn)P處的法線方程為。

1、拋物線的切線、法線性質(zhì)

經(jīng)過(guò)拋物線

上一點(diǎn)作一條直線平行于拋物線的軸，那么經(jīng)過(guò)這一點(diǎn)的法

。線平分這條直線和這一點(diǎn)的焦半徑的夾角。如圖1中

事實(shí)上，設(shè)

為拋物線

上一點(diǎn)，則切線MT的方程可由替換法則，得，即，斜率為，于是得在點(diǎn)M處的法線方程為

令，得法線與x軸的交點(diǎn)N的坐標(biāo)為，所以

又焦半徑 所以，從而得

即

當(dāng)點(diǎn)M與頂點(diǎn)O重合時(shí)，法線為x軸，結(jié)論仍成立。所以過(guò)M的法線平分這條直線和這一點(diǎn)的焦半徑的夾角。

也可以利用點(diǎn)M處的切線方程求出，從而得也可以利用到角公式來(lái)證明，則，又故拋物線的這個(gè)性質(zhì)的光學(xué)意義是：“從焦點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)拋物線上的一點(diǎn)反射后，反射光線平行于拋物線的軸”。

2、橢圓的切線、法線性質(zhì)

經(jīng)過(guò)橢圓上一點(diǎn)的法線，平分這一點(diǎn)的兩條焦點(diǎn)半徑的夾角。如圖2中

證明也不難，分別求出，然后用到角公式即可獲證。

橢圓的這個(gè)性質(zhì)的光學(xué)意義是：“從橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)橢圓反射后，反射光線交于橢圓的另一個(gè)焦點(diǎn)上”。

3、雙曲線的切線、法線性質(zhì)

經(jīng)過(guò)雙曲線上一點(diǎn)的切線，平分這一點(diǎn)的兩條焦點(diǎn)半徑的夾角，如圖3中可利用到角公式獲證。

。仍

這個(gè)性質(zhì)的光學(xué)意義是：“從雙曲線的一個(gè)焦點(diǎn)發(fā)出的光線，經(jīng)過(guò)雙曲線反射后，反射光線是散開的，它們就好像是從另一個(gè)焦點(diǎn)射出的一樣”。

二、圓錐曲線光學(xué)性質(zhì)的應(yīng)用

光學(xué)性質(zhì)在生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)上有著廣泛地應(yīng)用。這里僅舉例說(shuō)明這些光學(xué)性質(zhì)在解圓錐曲線的有關(guān)問(wèn)題中的應(yīng)用。

應(yīng)用圓錐曲線光學(xué)性質(zhì)解題，特別是切線問(wèn)題是十分方便的。其間要注意一個(gè)基本關(guān)系式的應(yīng)用，即“過(guò)投射點(diǎn)的曲線的切線與入射線、反射線成等角”。如圖4，MN切曲線C于點(diǎn)P，則∠APM＝∠BPN。這是很容易由物理學(xué)的“入射角等于反射角”及平面幾何中“等角的余角相等來(lái)證明的。

例1 求證：橢圓和雙曲線在交點(diǎn)處的切線互相垂直。

分析：如圖5，用圓錐曲線光學(xué)性質(zhì)證明∠1＋∠3＝90°即可。

證明：如圖5，兩曲線的公共焦點(diǎn)PR分別為橢圓、雙曲線的切線，連∠2；由雙曲線光學(xué)性質(zhì)，得∠3＝∠4。，并延長(zhǎng)，設(shè)P為兩曲線的一個(gè)交點(diǎn)，PQ、，由橢圓光學(xué)性質(zhì)，推得∠1＝ 又∠2＝∠5，∠4＝∠6（對(duì)頂角相等），所以∠1＝∠5，∠3＝∠6（等量代換）。

又∠1＋∠3＋∠5＋∠6＝180°，所以∠1＋∠3＝90°，即PQ⊥PR，命題得證。

評(píng)注：（1）本題也可采用代數(shù)運(yùn)算證出的方法來(lái)證明，但比較復(fù)雜。這里采用光學(xué)性質(zhì)證明法則直觀簡(jiǎn)捷。（2）由本題得到一個(gè)一般性命題：焦點(diǎn)相同的一個(gè)橢圓與一雙曲線在交點(diǎn)處的切線互相垂直，于是有定義：兩圓錐曲線在交點(diǎn)處的兩條切線互相垂直，叫做這兩曲直交。

例2 如圖6，已知是橢圓的焦點(diǎn)，為定值；（2）求

分別是在橢圓任一切線CD上的射影。（1）求證：的軌跡方程。

分析：（1）欲證質(zhì)推得

為定值，即證），從而知應(yīng)用余弦定理于分別為定值即知其軌跡，易得軌跡方程。

證明：（1）設(shè)Q為切線，由橢圓光學(xué)性質(zhì)推知

所以又，則在 中，設(shè)為，則為定值（由光學(xué)性即可獲證。）（2）求出

則所以

為常數(shù)，即定值。

（2）設(shè)點(diǎn)O在CD上的射影為M，則OM是直角梯形的中位線，于是有。

在中，同理所以

例3 設(shè)拋物線的焦點(diǎn)為F，以F與A（4，4）為焦點(diǎn)作橢圓，使其與已知拋物 的軌跡是以O(shè)為圓心，a為半徑的圓，其方程為

線有公共點(diǎn)（如圖7），當(dāng)長(zhǎng)軸最短時(shí)，求橢圓方程。

分析：求解的關(guān)鍵是光線FP的反射線PA平行于x軸。

解：設(shè)以點(diǎn)A（4，4）、F（4，0）為焦點(diǎn)的橢圓為長(zhǎng)）。①

再設(shè)P 為拋物線與橢圓的公共點(diǎn)，由橢圓第一定義知： ②

（a為長(zhǎng)半軸 即長(zhǎng)軸長(zhǎng)2a等于拋物線上一點(diǎn)P到兩定點(diǎn)A、F距離之和，若2a最小，當(dāng)且僅當(dāng)橢圓與拋物線相切。此時(shí)，由圓錐曲線的光學(xué)性質(zhì)知，光線FP的反射線PA平行于x軸。

所以P（1，4）。由②知

所以所求的橢圓方程為

例4 如圖8，已知探照燈的軸截面是拋物線，平行于對(duì)稱軸的光線于此拋物線上的入射點(diǎn)、反射點(diǎn)分別為P、Q，設(shè)點(diǎn)P的縱坐標(biāo)為點(diǎn)P到反射點(diǎn)Q的路程PQ最短？，當(dāng)a為何值時(shí)，從入射

分析：設(shè)函數(shù)，由拋物線光學(xué)性質(zhì)知PQ過(guò)焦點(diǎn)，求出最小值條件a即可。，故可用弦長(zhǎng)公式建立目標(biāo) 解：由拋物線光學(xué)性質(zhì)知光線PQ必過(guò)其焦點(diǎn)程為，設(shè)點(diǎn)，則直線PQ的方

將方程 ① 代入①，消去x，得

或

故知點(diǎn)Q坐標(biāo)為 則

當(dāng)且僅當(dāng)，即時(shí)，等號(hào)成立。

此刻，即當(dāng)時(shí)，亦即入射點(diǎn)、反射點(diǎn)時(shí)最短，過(guò)時(shí)P、Q恰好關(guān)于x軸對(duì)稱。

第五篇：應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)研究現(xiàn)狀及學(xué)科建設(shè)思考論文

摘要：人生不可或缺的元素是語(yǔ)言。在歷史上，很多文獻(xiàn)我們做了非常深入的分析研究。作為日常生活中非常重要的象征性通信系統(tǒng)的人類語(yǔ)言，其本身的價(jià)值在于內(nèi)部使用的實(shí)踐和功能。因此，應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)正在與社會(huì)發(fā)展相融合。本文將主要從其研究現(xiàn)狀和學(xué)科建設(shè)兩個(gè)方面進(jìn)行分析，旨在不斷增強(qiáng)人們對(duì)應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的認(rèn)識(shí)，加快中國(guó)應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)發(fā)展的步伐。

關(guān)鍵詞：應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)；學(xué)科建設(shè)；課程設(shè)置

作為語(yǔ)言學(xué)的重要組成部分，應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)已成為語(yǔ)言圈的重要學(xué)科之一，具有重大的創(chuàng)新意義和巨大的發(fā)展前景。我國(guó)把應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)作為獨(dú)立學(xué)科發(fā)展，是在上個(gè)世紀(jì)60年代。我國(guó)距美國(guó)、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家的應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)仍然存在很大距離。但作為一個(gè)自身就有很強(qiáng)生命力的學(xué)科，應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)有很大的發(fā)展空間，有發(fā)展空間就會(huì)有很多議論，人們對(duì)它的研究方法，發(fā)展方向，性質(zhì)等諸多問(wèn)題存在不同的看法和理解。本文將主要從其研究現(xiàn)狀和學(xué)科建設(shè)兩個(gè)方面進(jìn)行分析，旨在不斷增強(qiáng)人們對(duì)應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的認(rèn)識(shí)，加快中國(guó)應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)發(fā)展的步伐。

一應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的定義和研究范疇

（一）應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的定義

應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)是一門由多邊緣學(xué)科交叉組成，在現(xiàn)實(shí)生活中為人們解決各種語(yǔ)言問(wèn)題和語(yǔ)言教學(xué)問(wèn)題。我們的學(xué)者長(zhǎng)期以來(lái)一直關(guān)心這個(gè)問(wèn)題，基于交際語(yǔ)言學(xué)理論是建立和語(yǔ)言學(xué)科，進(jìn)一步完善理論體系，是語(yǔ)言學(xué)習(xí)方法，原理與一般法律。應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的最終目標(biāo)是指導(dǎo)語(yǔ)言在社會(huì)實(shí)踐中的應(yīng)用，滿足不同領(lǐng)域的發(fā)展需要。應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)是一門新學(xué)科，獨(dú)立于其他學(xué)科，涉及范圍廣泛的不同領(lǐng)域。應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)研究主要針對(duì)語(yǔ)言教學(xué)，規(guī)劃，語(yǔ)言本體論，學(xué)科建設(shè)和廣義社會(huì)語(yǔ)言學(xué)等方面。應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)獨(dú)立于其他學(xué)科，但與其他新興學(xué)科相互關(guān)聯(lián)，所以在這一點(diǎn)上應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)有一定的擴(kuò)展。

（二）研究范疇

應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)包括一些語(yǔ)言學(xué)科，不僅僅是心理語(yǔ)言學(xué)和社會(huì)語(yǔ)言學(xué)等。社會(huì)語(yǔ)言學(xué)的范圍主要是社會(huì)和語(yǔ)言關(guān)系，在應(yīng)用和區(qū)分理論中，我們也可以被稱為社會(huì)語(yǔ)言學(xué)或社會(huì)語(yǔ)言學(xué)的應(yīng)用。社會(huì)語(yǔ)言學(xué)在現(xiàn)實(shí)生活中有宏觀和微觀點(diǎn)，除了這兩個(gè)區(qū)別之外，還有狹義廣泛的觀點(diǎn)。社會(huì)語(yǔ)言學(xué)包含社會(huì)學(xué)和語(yǔ)言學(xué)，但這種組合不僅僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的機(jī)械添加，而是從相互整合的原則和理論。每個(gè)獨(dú)立學(xué)科都有自己獨(dú)特的研究方法和研究對(duì)象。應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)也是語(yǔ)言學(xué)的重要組成部分。每個(gè)結(jié)構(gòu)都有固定的研究范圍。在此范圍內(nèi)，詳細(xì)分析和討論了研究對(duì)象。

二關(guān)于應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)在當(dāng)前的研究現(xiàn)狀

目前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，語(yǔ)言學(xué)也處于可以開發(fā)的潮流，語(yǔ)言學(xué)的應(yīng)用也進(jìn)入了研究者的廣泛視野。對(duì)于其研究現(xiàn)狀，本文將從以下幾個(gè)方面進(jìn)行描述。首先，文化語(yǔ)言學(xué)和社會(huì)語(yǔ)言學(xué)的研究已經(jīng)成為當(dāng)前應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)研究的主流。社會(huì)崛起以來(lái)，社會(huì)語(yǔ)言學(xué)得到了社會(huì)各界的廣泛認(rèn)可，特別是在我國(guó)特殊的文化背景下，具有非常豐富的現(xiàn)實(shí)意義。一般來(lái)說(shuō)，社會(huì)語(yǔ)言學(xué)的主要研究方向是語(yǔ)言功能和溝通的現(xiàn)象，以及其他社會(huì)條件，如條件和背景。這些研究也擴(kuò)大了研究語(yǔ)言的范圍，從而使語(yǔ)言學(xué)更深入人心。同時(shí)也產(chǎn)生了大量的文化和語(yǔ)言書籍，導(dǎo)致了文化語(yǔ)言學(xué)，以及很多實(shí)踐和研究。目前，隨著文化語(yǔ)言學(xué)和社會(huì)語(yǔ)言學(xué)的不斷發(fā)展，逐漸形成了應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)和主流浪潮。其次，形成一個(gè)獨(dú)立分支學(xué)科的規(guī)劃模式。在應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的過(guò)程中，人類對(duì)社會(huì)語(yǔ)言的干預(yù)遵循社會(huì)發(fā)展和公約制定的一套語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)要符合社會(huì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的一系列客觀規(guī)律。發(fā)展的需求是語(yǔ)言規(guī)則。正是文字改革和語(yǔ)言選擇等方面的相關(guān)管理，一般包括相關(guān)政策的語(yǔ)言調(diào)整研究，制定標(biāo)準(zhǔn)和政策的執(zhí)行情況進(jìn)行監(jiān)督和推廣?？偟膩?lái)說(shuō)，語(yǔ)言規(guī)范的發(fā)展必須以某種語(yǔ)言學(xué)理論為基礎(chǔ)，同時(shí)也要以心理學(xué)，社會(huì)學(xué)等學(xué)科為支撐和指導(dǎo)。目前，語(yǔ)言規(guī)劃已經(jīng)成為應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的獨(dú)立分支，但總的來(lái)說(shuō)屬于新興的跨學(xué)科類，到目前為止，高層次人才培養(yǎng)已進(jìn)入相關(guān)實(shí)施階段，在未來(lái)的實(shí)踐中，我們有理由相信會(huì)更加完善。

三應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的學(xué)科發(fā)展情況

中國(guó)的應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)研究起步較晚，但發(fā)展較快。近年來(lái)，全國(guó)相應(yīng)的語(yǔ)言課程廣受歡迎，取得了可喜的成績(jī)。目前，在我國(guó)設(shè)立的許多外語(yǔ)學(xué)院和語(yǔ)言學(xué)系已經(jīng)開發(fā)了應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)課程的高需求培訓(xùn)目標(biāo)，受到教學(xué)研究的不同特點(diǎn)和人才結(jié)構(gòu)差異的影響。目前，中國(guó)應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的建設(shè)并不完善，面臨語(yǔ)言不清晰，理論水平不足，教育團(tuán)隊(duì)不健全等問(wèn)題。語(yǔ)言視角包括對(duì)語(yǔ)言學(xué)及其生活和工作的理解，也是應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)理論的核心。應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)是一種動(dòng)態(tài)的學(xué)科，只能在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮潛在的語(yǔ)言功能，因此，充分了解應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，使其適應(yīng)不斷發(fā)展。面對(duì)信息技術(shù)快速發(fā)展的新形勢(shì)，應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)水平的不足是語(yǔ)言學(xué)應(yīng)用的重要影響因素，缺乏應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的理論基礎(chǔ)和思想無(wú)意義，其研究結(jié)果不能作為紀(jì)律施工保證的依據(jù)。另外，應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)學(xué)科的發(fā)展在很大程度上取決于教師學(xué)科的素質(zhì)。目前，許多應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)院專業(yè)教師隊(duì)伍建設(shè)不完善，嚴(yán)重妨礙了語(yǔ)言教育的推廣應(yīng)用。因此，要從各個(gè)角度大力加強(qiáng)應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的建設(shè)。

四關(guān)于應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)在當(dāng)前的學(xué)科建設(shè)建議

在應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的建設(shè)中，語(yǔ)文教育的改善是學(xué)科建設(shè)發(fā)展的重要組成部分。為了促進(jìn)社會(huì)語(yǔ)言學(xué)的整體發(fā)展，必須建立健全的應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)結(jié)構(gòu)分支，增強(qiáng)優(yōu)秀人才培養(yǎng)的力度。本文討論了本文應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的構(gòu)建，旨在培養(yǎng)學(xué)生在應(yīng)用語(yǔ)言教學(xué)中的寫作能力。

（一）深化應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)學(xué)科教育理念

應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)作為具有綜合實(shí)用特點(diǎn)的專題，也具有非常強(qiáng)的及時(shí)性。語(yǔ)言是人類溝通和情感表達(dá)的重要工具，應(yīng)用過(guò)程中包含的內(nèi)容也不時(shí)變化。因此，學(xué)生寫作的內(nèi)容也在很大程度上被賦予了時(shí)代特征。這需要深化語(yǔ)言學(xué)科教育理念的應(yīng)用，使語(yǔ)言學(xué)課程應(yīng)用和學(xué)生寫作指導(dǎo)與時(shí)俱進(jìn)，從根本上改善師生對(duì)語(yǔ)言的理解，隨著發(fā)展不斷調(diào)整，豐富學(xué)生寫作的思維空間。

（二）加強(qiáng)對(duì)學(xué)生語(yǔ)言基本功的訓(xùn)練

應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的基本技能水平直接決定了學(xué)生寫作水平，只有具有扎實(shí)的語(yǔ)言能力才能更好地以寫作的方式表達(dá)語(yǔ)言。因此，在應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)建設(shè)的過(guò)程中，要注意培養(yǎng)學(xué)生的基本技能，提高學(xué)生的語(yǔ)言組織能力，豐富學(xué)生詞匯量的積累，從而提高寫作水平。

（三）豐富課堂教學(xué)的內(nèi)容形式

語(yǔ)言學(xué)科有獨(dú)特的魅力，它可以通過(guò)口頭和書面的表達(dá)形式將隱形的想法變成有形的。因此，寫作的功能在于充分表達(dá)了這種魅力。傳統(tǒng)的教學(xué)方法被廣泛應(yīng)用于各個(gè)學(xué)科，是對(duì)知識(shí)的教學(xué)進(jìn)行解釋和闡述，這不適用于語(yǔ)言學(xué)在寫作教學(xué)課堂學(xué)科中的應(yīng)用。培養(yǎng)學(xué)生的寫作能力不僅可以滿足基礎(chǔ)技能的教學(xué)，更重要的是，對(duì)學(xué)生寫作靈感的啟發(fā)，要求他們幫助學(xué)生開放思想，從各個(gè)角度思考，寫出一定深度和內(nèi)涵的文章。這可以通過(guò)豐富的課堂教學(xué)內(nèi)容實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和自由思維能力，使學(xué)生寫作水平突破瓶頸。

五結(jié)語(yǔ)

應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)是一種以服務(wù)為導(dǎo)向的實(shí)踐科學(xué)，可以直接為社會(huì)服務(wù)，所以分析研究必須與時(shí)俱進(jìn)。從廣泛的觀點(diǎn)或狹義上研究應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)有一定的跨學(xué)科性質(zhì)。正是因?yàn)檫@樣，應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的教學(xué)人員必須跟上時(shí)代的步伐，不斷更新知識(shí)，力爭(zhēng)結(jié)合知識(shí)的不同方面，才能實(shí)現(xiàn)實(shí)踐和理論的創(chuàng)新水平，唯一的方法更好地致力于應(yīng)用語(yǔ)言學(xué)的發(fā)展。

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