1什么是能源材料.docx

1什么是新能源材料？答：新能源材料是指那些正在发展的,可能支撑新能源系统的建立,满足各种新能源及节能技术所要求的一类材料,诸如太阳电池材料、储氢材料、燃料电池材料、核能材料、热电转换材料等。2为什么要发展新型能源材料？答：(1) 人类社会对能源的需求不断增加。(2)能源结构发生变化(3) 能源应用形态有所改变(4) 矿物能源面临枯竭，矿物燃烧造成环境污染。 （5）提高效率,降低成本（6）信息技术的发展要求电池小型化、轻型化、长的服务时间和工作寿命。环境保护的呼声愈来愈高。(无毒、无污染)天然能源(石油、煤)在不断消耗。航天领域(如卫星用电)和现代化武器(军事通信设备)对轻质高能二次电池的需求迫切。3举例说明新型能源材料的应用前景1.新型二次电池，储氢材料及金属氢化物镍电池; 锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池; 聚合物电解质锂离子电池。在小型便携式电子器件中获得了广泛应用,在电动工具、电动车、照相机、手机、笔记本电脑等各种电子器件中也正在逐步得到应用。2. 锂电池的应用，航空航天卫星上采用的电源电动飞机电动汽车,燃料电池发电燃料电池用于笔记本电脑，燃料电池用于电动汽车，AIP燃料电池在舰艇上的应用4什么是形状记忆效应答：具有一定初始形状的固体材料，在某一低温状态下经过塑性形变后（另一形状），通过加热到这种材料固有的某一临界温度以上时，材料又恢复初始形状的效应。材料在外力加载过程中，应变随应力增加，将此材料在一定温度下加热，则残余应变降为零，材料全部恢复原状。5形状记忆合金，形状记忆高分子的记忆原理是什么答：形状记忆高分子有固定相和可你相构成，固定相的作用是初始形状的记忆和恢复，第二次变形和固定则是由可逆相来完成。将材料加热使成型以后，再施加外力变形，然后冷却，冻结在变形态，经受热刺激后即可恢复原形。形状记忆合金：材料在外力加载过程中，应变随应力增加，产生弹性形变，卸载时，将此材料在一定温度下加热，则残余应变降为零，材料全部恢复原状。6形状记忆合金可以在哪些领域得到应用答：航空，航天，能源，汽车工业，电子，医疗，机械，建筑，服装，玩具。7形状记忆材料的分类和各自的应用特点 答：形状记忆合金：强度高，形变恢复驱动力大，刚性和强度高，稳定性好，不易燃烧，耐热性好，不易老化，使用寿命长。形状记忆高分子： 形变量大，形变加工方便，形变恢复温度易与调节，保温和绝缘性能好易着色，不锈蚀，质轻和价廉8什么是半导体材料,它与导体、绝缘体得区别是什么？答：绝缘体，价带为满带，禁带较宽，电子很难从满带激发到上面的空带，不能导电；导体，价带被填满，电子在外场作用下，很容易在该能带中由低能态跃迁至高能带，从而形成电流；半导体，价带为满带，禁带较窄，不大的能量即可将电子由满带激发进入空带，从而在满带中留下空穴。9、集成电路中广泛使用得PN结利用了半导体材料得什么性质？单向导电性答：PN结上外加正向电压,即P型接正极,N型接负极,电流便从P型一边流向N型一边,空穴和电子都向界面运动,使空间电荷区变窄,电流可以顺利通过。如果N型接外加电压得正极,P型接负极,则空穴和电子都向缘离界面得方向运动,使空间电荷区变宽,电流不能流过。这就是PN结得单向导电性。大部分半导体器件是不同得PN结组成得。10、太阳能电池材料得基本要求是什么？哪些材料可以制造太阳能电池？答：1、半导体材料得禁带不能太宽2、要有较高得光电转换效律3、材料本身对环境不造成污染4、材料便于工业化生产且材料性能稳定单晶硅，多晶硅，砷化镓，氮化镓，11、有机半导体材料与无机半导体材料得本质区别是什么？答：有机半导体材料是分子型晶体材料,其特征由材料得分子性质决定。有机半导体没有三维晶体点阵,而且它们得分子内和分子间得相互作用、局域结构无序、非晶和结晶区域以及化学杂质也不同,能带结构要比单晶获非晶无机半导体得能带结构复杂得多,并会出现许多新得物理现象。9物质的磁性可分为哪几类,请简要说明各自的特点;答：1.某些物质当它们受到外磁场H作用后,感生出与(H)方向相反的磁化强度(M),磁化率cx0,但数值很小,仅显示微弱磁性。这种磁性称为顺磁性。顺磁性物质:稀土金属和铁族元素的盐类、除Be以外的碱金属和碱土金属以及在居里温度以上的铁磁元素Fe、Ni、Co。3. 铁磁性物质只要在很小的磁场作用下就能被磁化到饱和,不但磁化率0,而且数值大到10-106数量级,其磁化强度M与磁场强度H之间的关系是非线性的复杂函数关系。这种类型的磁性称为铁磁性。磁性很强,通常所说的磁性材料主要是指这类物质。4. 反铁磁性H M c=当TT N 时,顺磁性当T5%的材料称为塑性材料,d5%的材料称为脆性材料。零件具有一定塑性时,过载可引起材料塑性变形,导致材料强度增加而抵抗突然断裂。(4)硬度材料抵抗其他物体压入其表面的性能,称为硬度。硬度是材料的重要力学性能之一,表示材料表面抵抗局部塑性变形和破坏的能力,是材料强度的又一种表现形式。加工工具(车刀、挫刀等)的材料硬度应该比被加工零件硬度高工具不磨损金属物体上打钢印,被打钢印的物体的硬度要求较低硬度测定在工程上被广泛使用,其原因有如下:()硬度值与其他机械性能如强度耐磨性能切削性能等存(a)、在一定关系(b)硬度测定后不会造成零件的损坏;(c)硬度测定方式较多,测定范围可大可小.可应用在各种硬度的材料上。(5)韧性()材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力,称为冲击韧性(简称韧性) 。材料受载荷作用时.不待改变形状就立即破坏的性能,称为脆性。脆性是与韧性相反的一种性能。用于制造结构和机器零件的材料应具有较高的韧性。(6)疲劳工程上许多零件如转动轴、连杆、弹簧,在工作过程中承受大小(和方向)发生周期性重复变化载荷(即交变载荷)的作用在零件内部产生周期重复变化的应力(即交变应力) ,使材料产生裂纹,裂纹逐渐发展而突然断裂的现象。引起材料疲劳的应力常小于材料的抗拉强度甚至小于屈服,强度。经多次重复交变作用而不至于引起疲劳破坏的最大应力,称为材料的疲劳强度.二物理性能(1)相对密度相对密度是材料密度与水密度的比值。是选用零件材料的依据之一飞机、汽车、火箭、卫星-减轻自重,节省燃料,相对密度较小的材料深海潜水器、平衡重捶-为了性能的稳定,相对密度较大的材料(2)熔点高温下工作希望材料熔点较高,制备中,希望材料熔点较低,降低设备要求,节约能源,改善加工条件(3)热膨胀系数工况中常常伴随着温度的变化由此产生的材料,体积变化可能影响到材料正常效能的发挥测量(量块块规) 热膨胀系数小的金属材料制造减小误差工具、: ,焊接或者镀不同材料: 一般要求材料的热膨胀系数彼此相近。(4)导热率在不同场合导热性能的要求不同保温材料:希望导热率尽可能小电脑材料导热率越高越好散热问题是制约电脑发展的瓶颈:。三化学性能材料受其他物质化学作用而反映出来的性能称为化学性能。其中,材料抵抗酸、碱、盐、水、空气及各种溶液、润滑油等介质侵蚀的能力称为耐蚀性材料在高温下防止与周围,。的氧作用而石被损坏的能力,称为抗氧化性。第三节材料的性能对使用的影响冲击改变了横梁承受的载荷大火弱化了横梁的强度并使其扭曲结构单元开始失效,使钢管失去支撑某些楼层地板横梁发生弯曲坠落的楼层地板横梁冲击下面的楼层多米诺骨牌效应,一层接一层坍塌,最终引起大厦垂直坍塌结构材料的失效脆性断裂金属材料受力后没有发生明显的塑性变形就突然发生断裂。脆性断裂一般发生在高强度或低延展性、低韧性的金属和合金上。另一方面,即使金有较好的性在属延展,下列情况下,也会发生脆性断裂如低温厚截面高应,变率(如冲击),或是有缺陷。脆性断裂引起材料失效英国二战时期自由号补给船在北大西洋断裂一般是因为冲击,而非过载。脆性断裂特点:很小的预先形变,断裂面平齐而光亮,且与正应力垂直;应力集中导致在低于材料的强度值时就发生断裂材料不是毫无缺陷的连续均匀介质。材料内部在冶炼、轧制、热处理等各种制造过程中不可避免地产生某种微裂纹,而且在无损伤检验是又没有被发现。在使用过程中由于应力集中、疲,劳、腐蚀等原因,裂纹会进一步扩展。当裂纹尺寸达到临界尺寸时,就会发生低应力脆断的事故。疲劳失效90%的材料失效是由疲劳引起的特点:反复的加载/卸载,但最大应力低于材料的强度通常失效的构件中都存在尖角(如飞机的安全舱门,窗户等)金属零件产生疲劳断裂的原因:表面状态疲劳断裂绝大多数起源于构件的表面1、2、零件的几何形状及尺寸3、装配与连接效应对零件的疲劳寿命有很大影响4、载荷特性5、材料的组织和性能6 使用环境、第四节常用材料的特征一、金属材料的特征金属一般是晶体,主要以金属键结合,大多数金属晶体具有比较高的对称性和高的配位数,典型晶体结构为面心立方、体心立方和密排六方。金属材料中元素的价电子因其电离能低电子很容易电离,为整个晶体所公有。由于外层电子可以在金属正离子组成的晶格内“自由“运动故金属材料具有不同于其他材料,的许多特征。1. 优良的力学性能。金属材料在具有较高强度的同时,有很好的塑性、韧性广泛应用于工程结构材料。,2. 高的弹性模量与高的结合能。因此使得金属材料具有较高的熔点、刚度、强度等特性。3. 某些理化性能。优良的导电、导热性等,有的金属材料减摩(如钢)、耐蚀(铝材、铜及合金以及高耐蚀的镍基合金等)。4 性能范围广泛从轻金属到重金属从碱金属贵金属到过渡. 。、金属,它们的密度、弹性模量、强度以及抗氧化能力(氧化形成能)等,均可在数倍、数十倍乃至数百倍范围变动,这样为各种工程应用提供很大的选择余地。5. 优良的加工性能。包括塑性成形性、铸造性、切削加工及电加工等性能。6. 可热处理性及其他表面改性。钢材和不少有色金属材料(铝合金、铜合金、钛合金等)都可以通过一定的加热与冷却方法大幅度(一般可成倍地)有目的地改善、提高材料的性能;还可以通过化学热处理、表面强化以及其他表面处理方法(如表面激光处理、离子注入、气相沉积等)明显改变工件表层的性能39。7. 一般金属材料价格比较便宜并且容易获得。金属材料具有较好的综合性能,用途最为广泛,历史也悠久缺点:一、地上限(某些金属如铜,其矿藏开采年限只有球资源有几十年)二、在特高温度(大于1050)及某些特殊介质中金属材料不能胜任工作。在工程材料中,金属材料(尤其是钢铁)使用最广。机器制造产品中钢铁材料占95%,有色金属占4.5%,塑料占0.5%汽车制造业中,有色金属与塑料占的比例稍微多些。钢铁占72%,铝合金占5 3%,塑料占8 5%.-美国福特汽车公司某年统计资价格便宜和容易获得,而且能够提供多种性能、多种用途的材料。40-钢铁被用来大量制造机械产品二、无机非金属材料的特征无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氯化物、卤化物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料,是除金属材料和有机材料以外的所有材料的统称。无机非金属材料是20世纪40年代以后,随着现代科学技术的发展从传统的硅酸盐材料演变而来的,其典型代表就是陶瓷材料。1 陶瓷材料的元素之间的结合键主要为离子键共价键或. 、离子-共价键。化学键的特点是高的键能、键强,它们赋予一料高化学稳定性耐高温耐腐蚀高强这大类材、度等基本属性。2. 陶瓷材料的弹性模量是各类材料中最高的要高24个数24量级。3. 陶瓷属脆性材料。陶瓷断裂前无塑件变形,冲击韧性极41低,抗拉强度比抗压强度低得多。4. 硬度高。陶瓷也是各类材料中硬度最高的,达也是它的最大特点之一尽管陶瓷的硬度也随温度的升高而降低但在高温下,仍有较高的数值,硼化物、碳化物在1000仍可具有400Hv(维氏硬度)以上硬度。熔点高高温强度好是很有前途的高温材料用陶瓷材料制5. 、,。造的发动机体积小,热效率高。许多陶瓷材料高温下不氧化、抗熔融金属的侵蚀性高,可用来制作坩埚等。6. 导电能力在很大范围内变化,大部分陶瓷可作绝缘材料,有的可作半导体材料,还可以作压电材料、热电材料和磁性材料等。此外利用陶瓷的光学特件可作激光材料光学纤维等有,、。的陶瓷在人体内无特殊反应,可作人造器官(称为生物陶瓷)。缺点性脆加工性能差可靠性尚未很好解决属新型而年:、,轻的材料,主要用于某些特殊场合(先进陶瓷)和一般日常用途(传统陶瓷)。陶瓷材料具有优良的理化性能和极好的耐高温、耐腐蚀性能,原料来源广泛作为高温结构材料和功能材料以及其他某些特殊领42,域材料,具有极其重要的应用前景。三、高分子材料的特征高分子材料是由成千上万个小分子单体通过聚合反应以共价键结合起来的长链分子而构成的。与晶体材料(金属、陶瓷)相比较,高分子材料的性能具有一系列不同的特点:1 密度小高分子材料比金属和陶瓷的密度都小000-2000kg/. 。,m3;聚丙烯为910kg/m3,而泡沫塑料只有10kg/m3。塑料比钢铁、铜轻得多,与铝、镁相当,对产品轻量化有利;2. 强度低,但比强度高。一般高分子材料的抗拉强度只有几十兆帕,比金属低得多;但是由于密度小,其比强度(单位质量的强度)却很高某些塑料的比强度比钢铁还高某些工程塑料能够代替部分金,。属材料制造多种机器零部件;3. 低的弹性模量和高弹性。弹性模量约2一20MPa,比金属低得多,它的弹件变形量可达100%一1000%,而金属只有0.1%左右;4. 优良的电(绝缘)性能。对电机、电器、仪器仪表、电线电缆的绝缘43起着重要的推进作用。而添加适当导电填料又可成为特殊导电材料;5. 优良的减摩、耐磨和自润滑性能。许多高分子材料可在液体介质中或少油、无油干摩擦条件下运行性能优于金属;,6. 优良的耐腐蚀性能。对酸、碱和某些化学药品一般都具有良好的耐蚀性能。在一些质中,如含氯离子的酸性介质,特殊介其耐腐蚀能力胜过金属,甚至胜过一般的不锈钢;7. 优良的透光性。不少塑料是透明的,如有机玻璃、聚苯乙烯的透光率可达90%以上。不少高分子材料还具有优良的隔热、隔音性,是很好的轻型建筑材料;8. 可加工性好,可用各种方法成形与加工,单件生产成本低廉。因此,高分子材料具有高弹性、绝缘性、抗腐蚀性以及自润滑减摩耐磨性能,还具有质量轻、容易加工成形、原料丰富及价格低廉等特点。高分子材料可以用做一般结构材料电绝缘材料耐腐蚀材料减摩耐磨自润滑材,、料,密封材料,胶黏材料及各种功能材料。缺点绝对强度刚度水(低于300)44:、平低,不耐热、可燃和易老化四复合材料的特征复合材料是由两种或两种以上材料组成,它具有任何单、一材料所不具备的性能。混凝土,胶合板和玻璃钢玻璃纤维增强复合材料(俗称玻璃钢)是将玻璃纤维(丝)嵌入聚合物(多为树脂)而制成,由玻璃纤维获得强度,树脂保证塑性用复合材料可以生产出其他材料所不及的质轻。、强度高、延展性好和耐高温的材料,还可以生产出既硬又耐冲击的切削工具。现在许多新发展的材料都与复合材料有关,如美国先进战斗机中,碳纤维复合材料占40%一50%,垂直起飞(包括直升机)的飞机中可达65%。当然这些先进复合材料是相当昂45贵的。汽车工业涉及十一大类材料:钢板、塑料、橡胶、涂料、有色金属合金、铸件、陶瓷和玻璃、金属复合材料等节能、安全、轻质、高速、舒适、美观车用材料的要求汽车塑料件20世纪60年代以安全为目的的内饰件(通用塑料为主);年代后期发到以安全节件(以70 展、能为目的的外装工程塑料和复合材料为主);80年代以后节能安全为目的的功能件汽车上的原材料结构组成、,发生较大的变化。黑色金属(尤其是铸铁和普通钢材)的比例在下降;而有色金属(尤其是铝合金等轻金属)和非金属材料(尤其是塑料)的比例在增加在塑料中PP(聚丙烯)和高性能塑料的比例增加而PVC(聚氯。,乙烯)和ABS塑料的比例在下降。塑料件在轿车上的用量巳接近120kg。目前汽车用材仍以金属材料为主,塑料、橡胶、陶瓷等非金属材料也占有一定的比例。48二、航空航天器材料用材很广泛金属、工程塑料、橡胶、陶瓷材料几乎应有尽有具有优良的力学性能、工艺性能、较低成本铝合金、钢、钛合金为主(包括金属基复合材料)的金属材料航空航天领域的主体材料、结构材料优异的高比强度和比模量及抗氧化和抗腐蚀性能优良纤维增强金属基复合材料(如铝合金基、钛合金基、镁合金基及镍铝化合物基等)飞机齿轮箱壳体、飞机蒙皮、直升机旋翼桨叶重返大气层运载工具的防护罩、涡轮发动机的压气机叶片、航空发动机叶片(如风扇叶片等)飞机航空器蒙皮的大型壁板49高分子材料在航空航天上的应用:复合材料结构件玻璃纤维增强塑料、碳纤维增强塑料、芳纶纤维增强塑料、混合纤维增强塑料雷达罩、副翼、平尾、垂尾、机翼、机身壁板芳纶纤维增强塑料被称为宇航级复合材料,它的比强度优于其他纤维增强塑料,比刚度优于铝合金,线膨胀系数小,介电性能和耐腐蚀性能优良成形工艺简便可在180以下温度长期使用,。在航空和宇航中使用的纤维增强塑料的基体主要有环氧树脂、酚醛树脂、不饱和树脂和有机硅树脂等类型。透明件、耐烧蚀件及其他结构:具有良好的光学性能足够的结构强度和使用寿命,飞机透明件,包括风挡、座舱盖和窗玻璃等50塑料透明件:有机玻璃、玻璃塑料复合透明件。无机非金属材料(新型的结构陶瓷材料)常用做航空航天中的耐烧蚀件质量轻压缩强度高(接近或超过某些金属材料) 耐高温、,、耐磨性好,硬度高、化学稳定性好,且有很好的耐蚀性、绝缘、绝热性。航天飞机在进入太空或返回大气层时经受剧烈温度变化,在几分钟内从室温达到1000以上,为保护机体不受损伤,采用陶瓷作为热绝缘材料,设计中用SiO 2 纤维编织成2万多个陶瓷片,覆盖机体表面约70%的面积。玻璃主要应用于各种透明件,如玻璃塑料复合透明件,适用于制造各种飞机的防弹玻璃和抗鸟撞击玻璃等。三、机床用材特点广泛应用的机械设备共同特点:工作环境好、受力较小且平稳,对精度和保持精度的寿命要求较高选材的主要目标:保证刚度和摩擦副零件的耐磨性承受一定的工作负荷主要用材:铸铁和碳钢对各种机床进行粗略统计铸铁约占机床自重的%,70,碳钢占20%,合金钢和有色金属占10%。铸铁主要用做床身工作台底座立柱横梁等基础零件碳钢和低合金、,钢主要用做齿轮、轴类等重要零件。近年来,工程塑料已逐步取代有色金属,用于制造某些齿轮、涡轮、垫片、油管、皮带轮以及罩壳等。四、工程机械、矿山机械用材特点矿山、电站港口道路农田水利等建设工程中发挥着重要作用、工作条件特殊:1. 大都是以泥沙、矿石为作业对象,其行走机构和工作装置的零件承受强烈的磨料磨损和冲击磨损;2. 作业工况多变,承受较大的冲击、过载,多数失效是在低频率、高应力下发生的;3. 一般为露天作业、有些在严寒地区使用,工作环境恶劣。选材:耐磨性、高周和低周疲劳强度、低温韧性;某些狭小的工作场地(隧道坑道等) 还件、,要注意机体的小型化、轻量化,并便于更换零。用材:以强度高、韧性好、质量稳定的钢材为主。以日本重型推土机为例钢材(锻轧)占66%铸钢件占20%铸铁件占12%有色金属占,、,1.5%,非金属材料占0.5%。这类机械的机架、箱座类零件,除形状特别复杂的用铸钢外,其余一般采用低合金高强度钢焊接结构。合金结构钢和特殊钢主要用于工作装置和行走结构的耐磨零件。如挖掘机斗齿、球磨机衬板、拖拉机履带板等常用高、中锰铸钢和其他低合金耐磨铸钢近年来也推广应用高铬铸铁。动力传动结构的重要零件,以碳钢和低合金钢为主,广泛采用表面强化处理。当然,对于其他大部分零件,热处理也是提高性能的必要工序。54五、仪器仪表