TWI287521B - A ship propeller made of a shock-absorbing and strength-reinforced nano-plastics material - Google Patents

Description

1287521 使用奈米粉體之新用途的基礎上。 材料大小縮小至奈米尺 案發明人認為，奈米體—旦:才f面原子的面積比率甚高。本 關係，會出現缺少共價電面;:生JJff因曝露於外界 此時亟需向外界捕捉雷 面殘鍵，而處於極不安定狀態， 還原力，所以以下稱夺乎夺面、p=態奈米體具有極強烈的化學 球，因受曰照而使。環顧人類居住的地 相摩擦生電結果，水靜彳;、^^上升過程中，水汽與空氣 米表面自由基具有極強U力電3!3面大氣帶負電。由於奈 周遭帶負電的大氣奪取電3成，就立即向其 實奈米表：:ίί:的奈米體即可證 料具結晶結構，則奈米處縛狀態。設若材 最高能位0稍高的能隙⑶中，如第!^戶;^。a就在比價帶⑵ ，，體+的表面吸著電子可視同N型半導體 體），但兩者有著明顯的區別，其一是争 兩 n型半導體不帶電，其次是奈纽著負電= 半導體的電子(施體)卻存在於獅内部。 Ϊ於第材^表中面i易從外界吸收能量並提升其能位。例 著電子的rt 所獲得能量大於(糾)時，表面吸 ^電子的此位就進入傳導帶（1);如第二圖表示，表 可脫離奈料才料表面成為游離狀 ί畚^成為表面自由基，然後表面自由基又向其周遭物 ϊϊίΐ子並？放能ί。根據本案發明人研究顯示，奈米表面吸 耆電子有下列多種方式吸收能並發生能位變化： (1) 光子撞擊引起導電或游離作用； (2) 低頻光反射及高頻光透射作用； (3) 粒子撞擊引起導電或游離作用； 1287521 (4) 吸收電磁波生熱作用； (5) 傳導熱和幅射熱引起導電或游離作用； (6) 電場牽引起導電或游離作用； (7) 吸收震波(超音速壓力波）引起導電或游離作用； (8) 吸收稀釋波(超音速拉力波）引起導電或游離作用； (9) 受劇變磁場感應引起導電或游離作用； (10) 受互為垂直的靜態電場和磁場之感應引起導電增強作用; (11) 吸收彈性波(音波和超音波）引起導電或游離作用；，

(12) 摩擦引起導電或游離作用。 ’ 、奈，材料之所以具有諸多奇異特性，均因帶負電的表面吸著 電子、f容易吸收上述各種不同型態能並起能位變遷或游離化所引 起這些可異特性包括：（1)光觸媒作用;(2)化學觸媒作用;(3)雙親 表面現，;(4)雙疏表面現象;(5)分散作用;(6)高折光率;(7’）高誘電 率;(8)遠紅外^反射性;(9)反射遮光作用隨材料粒徑變小而^藍 移現象；（10)高電導率；（⑴高熱導率;(⑵高比熱；⑽防火 性;（14)乾式研磨起黏聚現象;〇5)低熔點;〇6)韌性增加;（17)蒸氣 壓上升;（18)對電磁波吸收性;（19)吸音性;毛細管現 太 ，粉體和塑膠等共混起架橋作用併使強度增加、導電率上’升二 ^變佳;(22)非磁性材料出現強磁性;⑽奈来磁性體的迴異磁 二Ξΐ;(24)巨磁電阻現象;(25)生物晶片的工作原理;⑽活ί生炭 作用;(27)性質奇異的奈米碳管；（28)奈米金屬粉體呈黑 尖端(奈米）放電現象；（32)強力的摩擦去污殺菌作用;(33) =(34)吸震作用;(35)奈米線具強力網捕功能;⑽)奈米導 f官严超導f财。此外，尚有許錯助奈米現象的應】 食口：介^口電子^牛蔽微機電、能源、環保、生物、醫學、保健、 食口口、化妝口口、古傳療法以及自然界現象等不勝牧舉。 和總上述奈米材料37項特性中編號第㈤號吸震作用 、扁諕第（21)號共混起架橋作用的原理為依據。 7 1287521 夺又不米材料單位表面積上 懸鍵均可捕捉到個一個歿=Ns個配位不足的懸鍵，並假設每 命,ΗΗ—— 耆電子，則球狀奈米材料之吸著電子

之體密度（單位體積之數目 3NS

Nd- r )Nd為 ⑴ 奈米5二式表示表面吸著電子體密度怪與 度愈大。 卩材料顆粒愈小，表面吸著電子體密 已知在溫度T之熱平衡愔形π杜处曰n 率倾為Fermi-Dirac ^函^為持月E之表面吸著電子的機 烟e<E儀τ ⑵ 1 _ 2me 3/2 (3)

娜)dE= i [下](E_Eg)1/2dE 式中me為電子之有效質量，h = h/27r，h為Plank常數。傳 導帶單位體積之電子數Nc為

Nc= £ 切(E)/(E)dE=2(27cmekT/h2)3/V(Eg-_T

Nc = n〇e

-(E^)/kT η〇 = 2(27tmekTh -2x3/2 (4) (5) 8 1287521 今假設進入傳導帶1電子全部來自表面吸著電子。令Nd代表總表 面吸著電子密度；N〗分別代表已進入傳導帶和處於原有 基態能位之表面吸著電子密度。由於基態能位EpEg-Ed，所以

1 +e(Eg_Ed,)/kT NJ = Nd/CEg-Ed-μ) = d

Nd Nd - Nd - Nd |^_g"(Eg-Ed^)/kT 因為e("_Eg+Ed)/kT >>卜所以⑹式可簡化為 C Nd Nd = e-(Eg-Ed^)/kT 注意N:= Nc關係，於是合併(4)和⑺二式得 g-(Eg^)/kT =(Nd/n〇)1/2e-Ed/2kT ⑹ ⑺ ⑻ (9)

將(8)式代入(4)式，即得表面傳導電子密度為 Ncs(n〇Nd)1/2e-Ed/kT (9)式說明：奈米尺寸的絕緣體 粒愈：d愈大)和溫度(τ)較高(n◦較= 面積之電子發射率為 朝X方向（垂直於表面）單位 9 1287521 vxn(iT〇di>xdi>y(〇>z = n(^) dedi>ydi>z 〇〇) 式中ε為動能，n(P，r)為單位相空間電子數，可用Fermi-Dirac 分布函數/表示為 η(ίΓ〇= -\f (ll) h3 於是表面發射電流密度為 卜JeVxn茂，7)5 J-oo i: Je二叫此扣 h3

q (e-Ef)/kT (12) 式中e為電子之荷電量，Ef為金屬之Fermi能。利用（e-Ef) > >kT條件，簡化後積分之，得 j = AT2e 0/kT (13) A = 4^mekT2h~3 = 120 amp/cm2-deg2 (14) Φ = E〇 -Ef (15) Ef = h' ( 3tt2Nc)2/3 2m (16) 綜觀(13)〜（16)諸式結果’即知溫度τ愈高、奈米材料顆粒 愈小(Nc愈大）時，熱放射電流密度愈大。 熱放射電流的發生’乃表示表面吸著電子脫離表面，並遺 表面自由基。 塑料是由分子比較小的單體行強鍵共價結合，成為線性 狀分子，惟線性鏈間的侧鍵較不易發生’或為弱鍵結合，所以 時間受熱力或外力作用’側鍵就車=容易受破壞或引起塑性變形。 1287521 本案奈米基材雖是塑料，惟因其中混有奈米顆粒材料，此共混物 在其加工流動過程會摩擦生熱，致使奈米顆粒表 離，並遺留表面自由基，強力吸引線性長鏈，而成為長鍵間= 橋物，遂使塑料材質結構起變化，由長鏈結構變成為網狀聚合物， 使材料的強度大幅提升。

至於本案也利用上述奈米材料37項特性中編號第（34)吸震作 =理，係紐高驗阻抗的奈綠體⑵與較健波阻抗的樹脂 (3)相結合之混合物作為吸震材料體，如第三圖所示。一旦震 波進入吸震材料，則震波（壓力波）就在兩種物質界面行反&作 用。^震波在原物質⑴的震波速度Usi、質點速度&、質點密度 其抵達承接物質（2)時，壓力即由Pl變成P2，質點 射和穿人伽，此時反㈣波速度為κ， 震波速度為US2，如細圖所示。根據f量和動量守怪關係分 別传： pi U S1+ p 01 Usi = 0 (17) P2 - Pi Usi (UP2 » Upi) ? (18) Pl =i〇〇i Usi Upi , (19) P2 - /〇 02 Us2 Up2， (20) 式中Ρΰ1、ρ°2為震波未到時的質量密度 ，運用（17)至（20)式，即 求得： Up2 2p〇iUsi =----— Up丨 poiUsi + p〇2us2 (21) 2p02Us2

(22) 1287521 【圖式簡單說明】 ita為奈米表面吸著電子的能位圖。MM.: (1)—-傳導帶，（2)———價帶，（3) 0 一―價帶最高能位為零， ’、 Ea-一表面吸著電子的基態能位， Eg一—傳導帶的最低能位， E一傳導帶的最高能位，Ed=Eg_Ea。 蓋土匾為：金屬表面傳導電子之能位圖。 邏魂· φ~ -一功函數， E〇 -_〇 傳導帶的最低能位為零，①--~傳導帶，②———直处

Ef —〜-Fermi 能位， -表面傳導電子從最低驗G脫離表面所 需能量 表面 凰為：震動吸收材料體。 遢號上·· 1 一—震動吸收材料體。 粒徑麵_下之金屬、金屬氧化物、 3 較低震波阻抗之樹脂。 陶瓷或 阻抗奈米顆 1一〜樹脂， p01樹脂原有密度， 2 --奈米顆教， 3—界面， P 02〜一奈米顆粒原有密度 1287521 pi-一受震壓後之樹脂密度， P2-一反射後之震波壓力， US1---反射之震波速度’ UP2---反射後質點速度’

Pi---反射前之震波壓力，

Usi-一原有震波速度，

Upi---反射前質點速度，

Us2---奈来顆粒震波速度。 第五圖為:震波從較較高震波阻抗的奈米顆粒進入低震波阻抗的 樹脂時所發生的反射狀態。 圖號： 1—奈米顆粒’ 2—樹脂’ 3—界面’ Ρ οι---奈米顆粒原有密度’ P〇2---樹脂原有密度’ pi-一受震壓後之奈米顆粒密度，朽一-反射前之震波壓力， P2---反射後之震波壓力， Usi 原有震波速度，

Jsl· 反射震波速度’ US2 樹脂内震波速度’

Upi---反射前質點速度 UP2-一反射後質點速度。 【主要元件符號說明】

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Claims (1)

1287521 十、申請專利範圍： 卞月日礓止/ 論，凡奈米吸震、強化塑料螺旋槳，係依據奈米物理理 产之以ί體f塑料之共混體，均具有強力吸震和強化材料強 二物、二Ϊ而侍利用粒徑1000nm以下之適量碳、金屬、金屬氧 半於鶴等奈米健取代歸之強化劑或填充料，將奈 ϋ，_魏??·社之比例與塑料共混，以生成奈米吸震、強化 么船艦用螺旋紫之本體材料，並利用習知之塑料成型法 ϊίϋ其特徵是’當螺旋紫在水中轉動時，其與水撞擊所 冗日有效被吸收，從而得使艙内之®動和蜂音大幅下降， ft質量較輕而轉動慣量較小之關係，使得開船和倒 敏度提升。