科學(xué)技術(shù)概論第十四章 新材料新能源技術(shù)

第十四章新材料新能源技術(shù)制作人：12\33\38\4514.1不斷發(fā)展的新材料技術(shù)現(xiàn)代文明的三大支柱什么是新材料？新材料是指那些新近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具有比傳統(tǒng)材料性能更為優(yōu)異的一類材料，具有知識和技術(shù)密集度高、與新工藝和新技術(shù)關(guān)系密切的特點(diǎn)，是多種學(xué)科相互交叉和滲透的結(jié)果。特點(diǎn)？特點(diǎn)：知識與技術(shù)密集度高；與新工藝和新技術(shù)關(guān)系密切；更新?lián)Q代快；品種式樣變化多；多學(xué)科相互交叉和滲透的結(jié)果，合成、制造與許多極端條件技術(shù)相關(guān)；表現(xiàn)出綜合性和復(fù)雜性；表征和評價技術(shù)須采用多種基于最新科學(xué)技術(shù)成就的精密儀器和裝置來進(jìn)行。新型鎂合金新型高強(qiáng)度鈦合金品種多、重量輕、導(dǎo)電性好，可代替銅用作導(dǎo)電材料。既輕又強(qiáng)，是制造直升飛機(jī)某些零件的理想材料。新型鋁合金不僅用來制造超音速飛機(jī)和宇宙飛船，而且廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、電解工業(yè)和電力工業(yè)，被譽(yù)為“未來的鋼鐵”。14.1.1新型金屬材料重要的新型金屬材料有鋁、鎂、鈦合金以及稀有金屬。形狀記憶合金：能夠使溫度值變化時人為造成的形狀變化，在溫度恢復(fù)到特定值時，形狀也自動絲毫不差地恢復(fù)到原來的狀態(tài)，堅(jiān)韌性極強(qiáng)，可反復(fù)變形和復(fù)原500萬次而不產(chǎn)生疲勞斷裂，其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船和空間站的大型天線、飛機(jī)部件接頭以及骨科整形等方面。

14.1.2高分子合成材料高分子合成材料是20世紀(jì)用化學(xué)方法制造的一種新型材料。高分子是由碳、氫、氧、氮、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機(jī)化合物。常用高分子材料的分子量在幾百至幾百萬之間，有的可高達(dá)上千萬。

高分子材料特點(diǎn)：重量輕、高彈性、強(qiáng)度低、韌性好、粘彈性、耐摩性、絕緣性好，低導(dǎo)熱性、耐熱性、耐蝕性好、易老化。合成橡膠：將天然乳膠經(jīng)過硫化處理變成能成型、富有彈力的材料，填補(bǔ)天然橡膠的不足；發(fā)展極快。順丁橡膠、異戊橡膠、乙丙橡膠等發(fā)展前途看好；硅橡膠、氟橡膠能在零下50度不變形，又可耐250度高溫，用于制造火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)的某些零件。到20世紀(jì)70年代末，合成橡膠產(chǎn)量已經(jīng)是天然橡膠的兩倍。最早的合成塑料——酚醛塑料，是1907年美國化學(xué)家貝克蘭用苯酚和甲醛縮合，再添加木粉等材料制得。

全球總產(chǎn)量在1億噸左右倫敦科學(xué)博物館展出的塑料制成的新型概念汽車，慶祝塑料誕生100年合成纖維制成的宇航服

合成纖維：滌綸、錦綸、晴綸、維綸、丙綸、氯綸等“六大綸”。20世紀(jì)初化學(xué)纖維的主要品種是粘膠纖維。1940年美國成功的合成尼龍66，開辟了合成纖維的道路。合成纖維制成的縫紉線合成纖維14.1.3新型無機(jī)非金屬材料常見的新型無機(jī)非金屬材料有工業(yè)陶瓷、光導(dǎo)纖維和光導(dǎo)體材料。由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜光導(dǎo)纖維是可有效地遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)光信號的玻璃或塑料纖維。純度極高的玻璃纖維制成使現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)生了革命性的轉(zhuǎn)變，并且在醫(yī)療、遙感、遙測等領(lǐng)域也得到越來越廣泛的應(yīng)用。

優(yōu)點(diǎn)：重量輕，通信容量大，傳輸損耗低，在很寬的頻帶內(nèi)頻率能保持穩(wěn)定。

半導(dǎo)體材料：20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的重要信息材料，通過近幾十年來的研究工作，半導(dǎo)體材料種類不斷更新，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，成為信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

硅材料機(jī)械強(qiáng)度高、結(jié)晶性強(qiáng)、在自然中儲量豐富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整單晶，使之成為目前電子信息工業(yè)領(lǐng)域的主要半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料還可以用來制作晶體管、集成電路、固態(tài)激光器和探測器等器件。砷化鎵由于電子運(yùn)動速度快、電子激發(fā)后釋放能量以發(fā)光形式進(jìn)行等特點(diǎn)，很可能成為繼硅之后第二種最重要的半導(dǎo)體電子材料，制成的晶體管可以制造出速度更快、功能更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)（10倍）。砷化鎵太陽能電池14.1.4復(fù)合材料復(fù)合材料是有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬和金屬等材料復(fù)合而成的一種多相材料。特點(diǎn)：不僅能保持其原組分的部分特點(diǎn)，而且還具有原組分所不具有的性能。復(fù)合材料制成的座椅和長條凳

現(xiàn)代科技的發(fā)展，對材料的性能提出高標(biāo)準(zhǔn)、多樣化，甚至是相互矛盾的要求，因此，任何一種單一的材料都難以滿足上述需要，于是各種高性能的復(fù)合材料便應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合材料的出現(xiàn)？有壓電型功能復(fù)合材料、吸波、屏蔽性能功能復(fù)合材料、導(dǎo)電功能復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料在某些特定場合存在耐熱性與傳熱性差、不導(dǎo)電等特點(diǎn)金屬基材料耐疲勞、耐磨、不吸潮、不放氣等特點(diǎn)新材料&新能源新材料簡介新能源概述目錄CONTENT1201Part新材料簡介光電子材料納米材料定義光電子材料是以光子、電子為載體，能產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理、存儲光電信號的材料種類激光晶體、LD用材料、LED生產(chǎn)用原材料、液晶顯示器（LCD）用材料、新型非線性光學(xué)材料等光電子材料硅微電子材料1硅基高效發(fā)光材料2寬帶隙半導(dǎo)體材料3納米半導(dǎo)體材料4其它信息作用材料5新型光電子材料定義納米材料——顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的材料。微觀結(jié)構(gòu)至少在一維方向上受納米尺度（1nm~100nm）調(diào)制的各種固體超細(xì)材料，或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料最早的納米材料：——中國古代銅鏡的保護(hù)層：納米氧化錫——中國古代的墨級染料上世紀(jì)七十年代末至八十年代初，開始較系統(tǒng)的研究。1985年，發(fā)現(xiàn)了C60。1990年7月，在美國巴爾的摩召開第一屆納米科技會議1994年，在波士頓召開的MRS秋季會議上正式提出納米材料工程發(fā)展納米材料納米組裝體系納米固體納米微粒納米材料的種類030201納米微粒，又被稱作超微粒，是指線度處于1~100nm之間的粒子的聚合體，它是處于該幾何尺寸的各種粒子聚合體的總稱.納米固體是由納米微粒聚集而成的凝聚體。從幾何形態(tài)的角度可將納米固體劃分為納米塊狀材料、納米薄膜材料和納米纖維材料。由人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的體系稱為納米組裝體系，也叫納米尺度的圖案材料。02Part新能源概述信息能源材料當(dāng)今社會科技發(fā)展的三大支柱：目前，世界主要能源物質(zhì)：煤A石油B天然氣C化石染料D2001年世界能源結(jié)構(gòu)我國能源結(jié)構(gòu)什么是新能源？新能源又稱非常規(guī)能源，是指傳統(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。又稱非常規(guī)能源，是指傳統(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。定義太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。種類新能源概述不含碳或含碳量較少，對環(huán)境影響小。03能量密度低，開發(fā)利用需要較大空間。02資源豐富，普遍具備可再生特性，可供人類永續(xù)利用。01新能源特點(diǎn)目前除水電外，可再生能源的開發(fā)利用成本較化石能源高。06間斷式供應(yīng)，波動性小，對繼續(xù)供能不利。05分布廣，有利于小規(guī)模分散利用。04脫硫標(biāo)桿電價。07新能源特點(diǎn)14.3核能的開發(fā)與利用什么是核能？核能（指原子核能，又稱原子能）是原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時釋放出的能量。在使用上指重元素的原子核發(fā)生聚合反應(yīng)（又稱聚變）時所釋放出的巨大能量。它們分別被稱為裂變能和聚變能。核能的發(fā)現(xiàn)與軍事利用1核電站的發(fā)展2受控?zé)岷司圩兡?19世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)1895189618971.核能的發(fā)現(xiàn)

倫琴—發(fā)現(xiàn)X射線湯姆孫—發(fā)現(xiàn)電子貝克勒—發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性盧瑟福愛因斯坦

發(fā)現(xiàn)了放射性并非鈾所特有，鐳、釷等也有放射性。發(fā)現(xiàn)具有放射性的α、β、γ射線，并通過對鈾的放射性研究，提出了原子自然蛻變理論。

居里夫人2.尋找釋放核能的鑰匙（1）1934年，居里夫人用釙的α粒子轟擊鋁靶，得到了自然界中不存在的人工放射同位素。--人工放射性。（2）1932年，盧瑟福的學(xué)生查德威克發(fā)現(xiàn)了中子。——打開原子核大門的好鑰匙。（3）鈾有三種同位素，鈾238和鈾235，容易吸收中子產(chǎn)生裂變的是鈾235.難題：要造成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以獲得巨大的能量，首先必須從天然鈾中加工提煉出含鈾235較多的濃縮鈾，而這時意見非常困難困難并且很費(fèi)錢的工程。如果不是戰(zhàn)爭的需要，在和平時期要想在短期內(nèi)由實(shí)驗(yàn)室發(fā)展到工業(yè)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，是很難想象的。3.戰(zhàn)爭成了催產(chǎn)婆核裂變能的利用1.羅斯福總統(tǒng)成立了一個“鈾顧問委員會”。2.德國，對核物理學(xué)家發(fā)出了征召入伍令。3.美國加快了原子彈研制的工作計(jì)劃——成為美國最大規(guī)模的一項(xiàng)計(jì)劃。4.1942年夏，美國、英國、加拿大展開了“曼哈頓工程”。宣告了原子能時代的開始單擊添加段落文字單擊添加段落文字1942年，美國芝加哥大學(xué)建成了第一座原子反應(yīng)堆。1945年，美國先后將一顆鈾彈和一顆钚彈分別投到廣島和長崎。核電站：是利用原子核裂變反應(yīng)放出的核能來發(fā)電的裝置。其核心是核反應(yīng)堆，它是一個能維持和控制核裂變反應(yīng)的裝置，在其中實(shí)現(xiàn)核能熱能轉(zhuǎn)換。14.3.2核電站的發(fā)展因?yàn)闊嶂凶痈菀滓疴?35的裂變，因此熱中子反應(yīng)堆比較容易實(shí)現(xiàn)和控制，目前大量運(yùn)行的是熱中子反應(yīng)堆。14.3.3受控?zé)岷司圩兡芎司圩兪莾蓚€或兩個以上的較輕原子核<如氫（H）的兩種同位素：氘（D）和氚（T）>在超高溫等特定條件下聚合成一個較重的原子核,同時釋放出巨大能量。因?yàn)檫@種反應(yīng)必須在極高的溫度下進(jìn)行，所以叫熱核反應(yīng)。核聚變原料主要是氫、氘、氚。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)產(chǎn)生聚變的條件及進(jìn)行人工控制是非常困難的事，遠(yuǎn)比核裂變能的利用困難得多。為了實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的條件，以獲得有意義的聚變能量，目前正在兩個主要領(lǐng)域內(nèi)開展大量的研究工作：（1）磁約束：磁約束就是用一定強(qiáng)度和幾何形狀的磁場將帶電粒子約束在一定的空間范圍之內(nèi)，并保持一段時間。（2）慣性約束：是利用聚變等離子體的慣性進(jìn)行約束的。聚變能目前尚處于研制階段，離實(shí)用還有相當(dāng)差距，但基于其取之不盡的資源來源和優(yōu)越的性能，且沒有像裂變堆那樣產(chǎn)生大量放射廢物，故其遠(yuǎn)景是很好的。估計(jì)到下個世紀(jì)中葉可望實(shí)現(xiàn)商用。14.4可再生能源63045羅木英石油約40年天然氣約50

年煤碳約200年能源危機(jī)01Part太陽能簡介優(yōu)缺點(diǎn)利用方式太陽能資源的優(yōu)點(diǎn)1、總量最大

——取之不盡，用之不竭

2、分布最廣

——遍布世界各地既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸3、最清潔

——無任何污染及廢棄物……1、能量密度低（1kW/m2）2、是其強(qiáng)度受各種因素影響（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）太陽能資源的缺點(diǎn)1、光－熱轉(zhuǎn)換原理：利用太陽輻射