第四節(jié) 材料和能源

1、第四節(jié) 材料和能源一、材料 材料是人類生產(chǎn)活動(dòng)和生活必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，與人類文明和技術(shù)進(jìn)步密切相關(guān)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，材料的種類日新月異，各種新型材料層出不窮，在高新技術(shù)領(lǐng)域中占有重要的地位。本講主要介紹兩種新型的無機(jī)非金屬材料。1、異軍突起的陶瓷材料知識(shí)是一種快樂，而好奇則是知識(shí)的萌芽。傳統(tǒng)陶瓷主要采用天然的巖石、礦物、粘土等材料為原料，經(jīng)過配料、成型、燒成等工藝而制成。這類陶瓷也稱為硅酸鹽陶瓷。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，采用人工合成的高純度無機(jī)化合物為原料，以精確選定的組成配合，在嚴(yán)格控制的條件下經(jīng)成型、燒結(jié)和其他處理而制成具有微細(xì)結(jié)晶組織的無機(jī)材料。它具有一系列優(yōu)越的物理、化學(xué)和生物性能，其應(yīng)

2、用范圍是傳統(tǒng)陶瓷遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能相比的，這類新型陶瓷又稱為特種陶瓷或精細(xì)陶瓷。新型陶瓷有哪些種類？（1）按化學(xué)組成不同分類：陶瓷分類主要包括純氧化物陶瓷氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂、氧化鈹、氧化鋅、氧化鈦等非氧化物系陶瓷氮化物陶瓷氮化硅、氮化鋁、氮化硼等碳化物陶瓷碳化硅、碳化硼、碳化鎢等硼化物陶瓷硼化鋯、硼化鑭等硅化物陶瓷硅化鉬等氟化物陶瓷氟化鎂、氟化鈣、氟化鑭等硫化物陶瓷硫化鋅、硫化鎘等（2）隨著成分、結(jié)構(gòu)和工藝的不斷改進(jìn)，新劑陶瓷層出不窮。按其使用性能來分類，可分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。典型的結(jié)構(gòu)陶瓷包括：耐高溫、高強(qiáng)度、耐磨損陶瓷  包括耐高溫的切削工具陶瓷、高強(qiáng)度的氮化硅陶瓷、高溫高強(qiáng)

3、耐磨損的碳化硅陶瓷（即“金剛砂”，硬度僅次于金剛石）等。 耐高溫、高強(qiáng)度、高韌性陶瓷1975年，澳大利亞首次成功地利用添加氧化鋯的方法，大大提高了陶瓷材料的強(qiáng)度和韌性。自那時(shí)起，世界各國(guó)利用氧化鋯增韌這一辦法，開發(fā)出了種種具有高強(qiáng)度和高韌性的陶瓷材料，掀起了尋求打不碎陶瓷的熱潮。氧化鋯增韌陶瓷已在工程結(jié)構(gòu)材料研究中取得重大進(jìn)展，經(jīng)過增韌的陶瓷品種日益增多。耐高溫、耐腐蝕的透明陶瓷廣泛應(yīng)用于制作電光源。其中，氧化鋁陶瓷是高壓鈉燈極為理想的燈管材料，它在高溫下與鈉蒸氣不發(fā)生作用，又能把以上的可見光傳送出來。高壓鈉燈是目前世界上發(fā)光效率最高的燈，許多國(guó)家正在推廣。新型透明氧化鋁陶瓷的出現(xiàn)，

4、引起了電光源發(fā)展的一次重大飛躍，帶來了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。生物陶瓷  生物陶瓷是新型陶瓷的一個(gè)重要分支，指用于生物醫(yī)學(xué)及生物化學(xué)工程的各種陶瓷材料。生物陶瓷目前主要用于人體硬組織的修復(fù)。生物陶瓷作為生物植入材料，與其他材料相比，它和骨組織的化學(xué)組成比較接近，生物相容性好，在體內(nèi)的化學(xué)穩(wěn)定性、生物力學(xué)相容性和組織親和性等也較好，因此越來越受到重視。結(jié)構(gòu)陶瓷以耐高溫、高強(qiáng)度、超硬度、耐磨損、抗腐蝕等機(jī)械力學(xué)性能為主要特征，在冶金、宇航、能源、機(jī)械、光學(xué)等領(lǐng)域有重要應(yīng)用。在這些領(lǐng)域中，由于結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料一般比金屬材料輕得多，又具有耐高溫和高強(qiáng)度的特點(diǎn)，所以用陶瓷替代金屬的前景非常

5、誘人。功能陶瓷材料大致包括：導(dǎo)電陶瓷具有良好的導(dǎo)電性能，而且能耐高溫，是磁流體發(fā)電裝置中集電極的關(guān)鍵材料。介電陶瓷具有絕緣電阻高、耐壓高、介電常數(shù)小、介電損耗低、機(jī)械強(qiáng)度高以及化學(xué)穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，被廣泛用作集成電路的絕緣基板。介電陶瓷包括氧化鋁、氧化鈹、碳化硅、氮化鋁等，以氧化鋁的應(yīng)用最為普遍。壓電陶瓷壓電陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)上沒有對(duì)稱中心，因而具有壓電效應(yīng)，即壓電陶瓷具有機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換和逆轉(zhuǎn)換的功能。壓電陶瓷材料具有成本低、換能效率高、加工成型方便等優(yōu)點(diǎn)，常用于制作壓電器材、濾波器、諧振器和變壓器等。 半導(dǎo)體陶瓷指采用陶瓷工藝成型的多晶陶瓷材料。與單晶半導(dǎo)體不同的是，半導(dǎo)體陶瓷存

6、在大量晶界，晶粒的半導(dǎo)體化是在燒結(jié)工藝過程中完成的，因此具有豐富的材料微結(jié)構(gòu)狀態(tài)和多樣的工藝條件，特別適用于作為敏感材料。除半導(dǎo)體晶界層陶瓷電容器外，目前已使用的敏感材料，主要有熱敏材料、電壓敏材料、光敏材料、氣敏材料、濕敏材料等。功能陶瓷以電、磁、光、熱和力學(xué)等性能及其相互轉(zhuǎn)換為主要特征，在通信電子、自動(dòng)控制、集成電路、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理等方面的應(yīng)用日益普及。功能陶瓷是電子材料中最重要的一個(gè)分支，其產(chǎn)值約占整個(gè)新型陶瓷產(chǎn)值的。當(dāng)前，功能陶瓷正向著高可靠、微型化、薄膜化、多功能和高效能方向發(fā)展，應(yīng)用前景十分廣闊。精密陶瓷氮化硅代替金屬制造發(fā)動(dòng)機(jī)的耐熱部件，能大幅度提高工件溫度，從而提高熱效率

7、，降低燃料消耗，節(jié)約能源，減少發(fā)動(dòng)機(jī)的體積和重量，而且又代替了如鎳、鉻、鈉等重要金屬材料，所以，被人們認(rèn)為是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的一場(chǎng)革命。氮化硅可用多種方法制備。、工業(yè)上普遍采用高純硅與純氮在1600K反應(yīng)后獲得： 3Si2N2 Si3N4（條件1600K） A、用化學(xué)氣相沉積法，使SiCl4和N2在H2氣氛保護(hù)下反應(yīng)，產(chǎn)物Si3N4積在石墨基體上，形成一層致密的Si3N4層。此法得到的氮化硅純度較高，其反應(yīng)如下： SiCl42N26H2=Si3N412HCl B請(qǐng)運(yùn)用你已掌握的化學(xué)知識(shí)解答問題：（填符號(hào)或化學(xué)式） 氮化硅的摩爾質(zhì)量是 ； 在A、B兩個(gè)反應(yīng)中，屬于化合反應(yīng)的是 ，屬于氧化還原反應(yīng)的是 ；

8、 由于在通常情況下，N2的化學(xué)性質(zhì) ，因此常用作 ，如食品包裝時(shí)充氮以 。但在以上反應(yīng)中N2參加了反應(yīng)，且從化合價(jià)的變化來看，N2作為 劑，有 性，被 ， 發(fā)生 反應(yīng)，得到 產(chǎn)物。超細(xì)氧化鋁是一種重要的功能陶瓷原料。（1）實(shí)驗(yàn)室常以NH4Al(SO4)2和NH4HCO3為原料，在一定條件下先反應(yīng)生成沉淀NH4AlO(OH)HCO3該沉淀高溫分解即得超細(xì)Al2O3。NH4AlO(OH)HCO3熱分解的化學(xué)反應(yīng)方程式 。（2） NH4Al(SO4)2·12H2O的相對(duì)分子質(zhì)量為453。欲配制100mLPH為2、濃度約為0.1mol-1的NH4Al(SO4)2溶液，配制過程為用托盤天平稱量

9、NH4Al(SO4)2·12H2O固體 g；將上述固體置于燒杯中 。(3) 在0.1mol·L-1NH4Al(SO4)2溶液中，鋁各形態(tài)的濃度(以Al3計(jì))的對(duì)數(shù)（lgc）隨溶液PH變化的關(guān)系見右圖 用NaOH溶液調(diào)節(jié)（2）中溶液PH至7，該過程中發(fā)生反應(yīng)的離子方程式有 。請(qǐng)?jiān)诖痤}卡的框圖中，畫出0.01mol·L-1NH4Al(SO4)2溶液中鋁各形態(tài)的濃度的對(duì)數(shù)lgc隨溶液PH變化的關(guān)系圖，并進(jìn)行必要的標(biāo)注。2、光導(dǎo)纖維-光通信的“神經(jīng)”20世紀(jì)40年代，材料科學(xué)家發(fā)明了玻璃纖維。但能透光的玻璃纖維，由于其光損耗太大，無法在光纖通信中使用。1970年，美國(guó)康寧

10、公司首先采用氣相沉積法拉制出長(zhǎng)200米、光耗為20dB/km的石英纖維，這是世界上第一根對(duì)光纖通信有實(shí)用價(jià)值的單模光纖。這也是現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)造的奇跡之一，能使光像電流一樣沿著導(dǎo)線傳輸。人們把這種“導(dǎo)線”稱光導(dǎo)纖維，又叫光學(xué)纖維，簡(jiǎn)稱光纖。此后，光纖材料的研究與生產(chǎn)在世界范圍內(nèi)展開，作為通信材料的石英纖維得到飛速發(fā)展，并形成了一門新興的材料產(chǎn)業(yè)，也從此開始了光纖通信的時(shí)代。各國(guó)相繼興建了大規(guī)模的光纖電話網(wǎng)和長(zhǎng)途干線，并且已經(jīng)鋪設(shè)了數(shù)萬千米長(zhǎng)的越洋洲際通信光纜。通信用的光導(dǎo)纖維主要由兩部分構(gòu)成：一是纖芯，二是包覆纖芯的低折射率的包層。光纖的纖芯，主要由非晶態(tài)的石英玻璃組成，并摻雜了鍺、硼、磷等的氧化物

11、，以改變折射率；光纖的包層，一般由高硅玻璃制成，其折射率低，并要求與纖芯的折射率相匹配，以減少光的散射。為保護(hù)光纖表面不受損傷，還要在它的外面包覆一層薄薄的塑料，一般為硅樹脂或氨基甲酸乙酯。光導(dǎo)纖維具有極高的帶寬，一根直徑不到1.3厘米的由32根光纖組成的光纜，能容許50萬對(duì)用戶同時(shí)通話，或者同時(shí)傳送5000個(gè)頻道的電視節(jié)目。另外，光纖還具有不受電磁干擾、保密性強(qiáng)、耐腐蝕、柔軟易鋪設(shè)、原料充足和成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。信息高速公路的主干線路便是能雙向、快速傳輸多媒體信息的光纜。邀你試試化學(xué)對(duì)物質(zhì)文明有著重要作用。材料無論在傳統(tǒng)工業(yè)還是現(xiàn)代高科技中都占有重要位置，請(qǐng)用線段連接相關(guān)材料和用途： 材料 用途

12、硅 計(jì)算機(jī)芯片氧化鋁陶瓷 制軸承氮化硅陶瓷 通訊光導(dǎo)纖維 高級(jí)耐火材料太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化二、新能源新能源又稱非常規(guī)能源，是傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式。指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。聯(lián)合國(guó)開發(fā)計(jì)劃署（UNDP）把新能源分為以下三大類：大中型水電；新可再生能源，包括小水電、太陽能、風(fēng)能、現(xiàn)代生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽埽ǔ毕埽?；穿透生物質(zhì)能。相對(duì)于傳統(tǒng)能源，新能源普遍具有污染少、儲(chǔ)量大的特點(diǎn)，對(duì)于解決當(dāng)今世界嚴(yán)重的環(huán)境污染問題和資源（特別是化石能源）枯竭問題具有重要意義。同時(shí)，由于很多新能源分布均勻，對(duì)于解決由能源引發(fā)的戰(zhàn)爭(zhēng)也

13、有著重要意義。據(jù)估算，每年輻射到地球上的太陽能為17.8億千瓦，其中可開發(fā)利用5001000億度。但因其分布很分散，目前能利用的甚微。地?zé)崮苜Y源指陸地下5000米深度內(nèi)的巖石和水體的總含熱量。其中全球陸地部分3公里深度內(nèi)、150以上的高溫地?zé)崮苜Y源為140萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，目前一些國(guó)家已著手商業(yè)開發(fā)利用。世界風(fēng)能的潛力約3500億千瓦，因風(fēng)力斷續(xù)分散，難以經(jīng)濟(jì)地利用，今后輸能儲(chǔ)能技術(shù)如有重大改進(jìn)，風(fēng)力利用將會(huì)增加。海洋能包括潮汐能、波浪能、海水溫差能等，理論儲(chǔ)量十分可觀。限于技術(shù)水平，現(xiàn)尚處于小規(guī)模研究階，新能源的利用技術(shù)尚不成熟，故只占世界所需總能量的很小部分，今后有很大發(fā)展前途。 1、生活中常見

14、新能源之一-太陽能廣義上的太陽能是地球上許多能量的來源，如風(fēng)能，化學(xué)能，水的勢(shì)能等由太陽能導(dǎo)致或轉(zhuǎn)化成的能量形式。狹義上的太陽能一般指太陽光的輻射能量。太陽能的主要利用方式有三種：太陽能的光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換以及光化學(xué)轉(zhuǎn)換；具體利用方法主要有：太陽電能池，通過光電轉(zhuǎn)換把太陽光中包含的能量轉(zhuǎn)化為電能；太陽能熱水器，利用太陽光的熱量加熱水，并利用熱水發(fā)電等。太陽能光伏：光伏板組件是一種暴露在陽光下便會(huì)產(chǎn)生直流電的發(fā)電裝置，由幾乎全部以半導(dǎo)體物料(例如硅)制成的薄身固體光伏電池組成。由于沒有活動(dòng)的部分，故可以長(zhǎng)時(shí)間操作而不會(huì)導(dǎo)致任何損耗。簡(jiǎn)單的光伏電池可為手表及計(jì)算機(jī)提供能源，較復(fù)雜的光伏系統(tǒng)可為房屋

15、照明，并為電網(wǎng)供電。太陽能發(fā)電具有布置簡(jiǎn)便以及維護(hù)方便等特點(diǎn)，應(yīng)用面較廣，現(xiàn)在全球裝機(jī)總?cè)萘恳呀?jīng)開始追趕傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電，隨之而來的問題令我們意想不到，太陽能發(fā)電的時(shí)間局限性導(dǎo)致了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，如何解決這一問題成為能源界的一大困惑。太陽熱能：現(xiàn)代的太陽熱能科技將陽光聚合，并運(yùn)用其能量產(chǎn)生熱水、蒸氣和電力。除了運(yùn)用適當(dāng)?shù)目萍紒硎占柲芡?，建筑物亦可利用太陽的光和熱能，方法是在設(shè)計(jì)時(shí)加入合適的裝備，例如巨型的向南窗戶或使用能吸收及慢慢釋放太陽熱力的建筑材料。太陽光合能：植物利用太陽光進(jìn)行光合作用，合成有機(jī)物。因此，可以人為模擬植物光合作用，大量合成人類需要的有機(jī)物，提高太陽能利用效率。邀你試試美國(guó)科

16、學(xué)美國(guó)人雜志在1971年7月刊登的“地球能量資源”一文中提供了如下數(shù)據(jù)： 到達(dá)地球表面的太陽輻射能的幾條主要去路直接反射52000×109kJ·S-1以熱能方式離開地球81000×109kJ·S-1水循環(huán)40000×109kJ·S-1大氣流動(dòng)370×109kJ·S-1光合作用40×109kJ·S-1 請(qǐng)選用以上數(shù)據(jù)計(jì)算： 地球?qū)μ柲艿睦寐始s為_。 通過光合作用，每年約有_kJ的太陽能被轉(zhuǎn)化為化學(xué)能(每年按365天計(jì)算)。2、生活中常見新能源之二-生物質(zhì)能來源于生物質(zhì)，也是太陽能以化學(xué)能形式貯

17、存于生物中的一種能量形式，它直接或間接地來源于植物的光合作用。生物質(zhì)能是貯存的太陽能，更是一種唯一可再生的碳源，可轉(zhuǎn)化成常規(guī)的固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)的燃料。地球上的生物質(zhì)能資源較為豐富，而且是一種無害的能源。地球每年經(jīng)光合作用產(chǎn)生的物質(zhì)有1730億噸，其中蘊(yùn)含的能量相當(dāng)于全世界能源消耗總量的10-20倍，但目前的利用率不到3%。2006年底全國(guó)已經(jīng)建設(shè)農(nóng)村戶用沼氣池1870萬口，生活污水凈化沼氣池14萬處，畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)和工業(yè)廢水沼氣工程2,000多處，年產(chǎn)沼氣約90億立方米，為近8000萬農(nóng)村人口提供了優(yōu)質(zhì)生活燃料。中國(guó)已經(jīng)開發(fā)出多種固定床和流化床氣化爐，以秸稈、木屑、稻殼、樹枝為原料生產(chǎn)燃?xì)狻?006年用于木材和農(nóng)副產(chǎn)品烘干的有800多臺(tái)，村鎮(zhèn)級(jí)秸稈氣化集中供氣系統(tǒng)近600處，年生產(chǎn)生物質(zhì)燃?xì)?，000萬立方米。能源是人類生存和發(fā)展的必要條件，更是可持續(xù)發(fā)展最重要因素之一。以較低的能源消耗支持較高的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、合理利用能源發(fā)揮的巨大作用，它有效地提高了百姓生活質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。邀你試試 1生物質(zhì)能是綠色植物通過葉綠體將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能而貯存在生物體內(nèi)部的能量，它一直是人類賴以生存的重要能源。下列有關(guān)說法不正確的是 （   ） A生物質(zhì)能是可再生性能