纳米材料与技术及其在电力行业的应用前景.doc

纳米材料与技术及其在电力行业的应用前景2005年O4月第2期(总第177期)吉林电力JilinElectricPowerApr.2005NO.2(Ser.NO.177);专;综论;述2.-j纳米材料与技术及其在电力行业的应用前景PotentialApplicationofNanometerMaterialstoPowerSystem冯威,田春光,丁永生(1.吉林省电力科学研究院,吉林长春130021;2.大连海事大学,辽宁大连116062)摘要:在论述国内外纳米材料与技术的特性,分类基础上.建设性地提出了纳米材料与技术在电力行业诸如新型清洁能源技术,煤炭洁净燃烧技术,纳米涂层技术,电力环境保护,核电防护等的应用前景.并探讨了纳米技术在电力行业应用的意义.?关键词:纳米材料;分类;煤炭洁净燃烧技术Abstract:Tpertyandclassificationofnanometermaterialswereexpoundedinthispaper.Basedontheargumentation.perspectiveofnanometermaterialsandtechnologyinpowersystemwasproposedconstructively.suchasnovelcleanlyenergyresourcestechnique.cleanlyburningofcoaltechnique.nanocoatingtechnique,powerenvironmentalprotectionandprotectiontechniqueofnuclearpowerplantetc.lhesignificanceofapplicationofnanotechnologyinpowersystemwasalsodiscussed.Keywords:nanometermaterials;classification;cleanlyburningofcoaltechnique中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:10095306(2005)020001-03在进入充满生机与挑战的21世纪,人类正面临着人口,资源,能源和环境问题的严峻考验,以纳米技术,信息技术和生物技术为龙头的新技术的迅速发展为这些问题的解决提供了新的手段和方法.正是因为认识到纳米技术在新的经济中的主宰地位及在新的产业中的革命性作用,近年来在美国,日本和欧洲竞相掀起纳米的研究热潮.纳米技术对社会发展,经济繁荣,国家安全和人民生活水平的提高所产生的影响是无法估量的.纳米材料作为这场产业革命的主角,将对信息,材料,能源,环境,医疗,卫生,生物和农业等诸多学科领域的深入发展起到重要的基础性作用,同时将引发产业结构的重大变化.1纳米材料与技术的特性与分类1.1特性纳米材料具有极佳的力学性能,如高强度,高硬度和良好的塑性.纳米金属材料的晶粒尺寸效应对其光学性质影响很大,最终导致其红外吸收谱带展宽,吸收谱中的精细结构消失以及中红外存在很强的光吸收.纳米材料的颗粒尺寸越小,电子平均自由程越短,偏离理想周期场越严重,导致其导电性发生重大变化,金属通常会表现出非金属的特性.对于磁性材料而言,当材料的晶粒尺寸减小到临界尺寸时,常规的铁磁性材料会转化为顺磁性,甚至是超顺磁性材料.由于纳米材料的比表面积很大,因此它具有相当高的表面化学活性,在催化,敏感和响应等性能方面尤为突出,并有望在新型复合材料,环境污染修复,太阳能电池等领域得到应用.1.2分类材料的某一维,二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时,可将该类材料称为纳米低维材料,如超细粒子为零维材料,纳米管或线为一维材料,纳米厚度薄膜为二维材料.纳米材料按照其几何特征大体可分为:a.纳米颗粒与粉体;b.纳米碳管和一维纳米线,纳米管;C.二维纳米带材;收稿日期20041213作者简介:冯威(1972一),男.博士.高级工程师.主要从事电力行业中化学,环保,安全等领域新材料,新工艺的开发工作.?1?2005年04月第2期(总第177期)吉林电力JilinElectricPowerApr.2005NO.2(Ser.NO.177)d.纳米薄膜;e.包括多孔碳和分子筛在内的中孔材料;f.纳米结构材料和有机分子材料.目前,许多化学方法(如气相合成法,溶胶一凝胶法,水热合成法等)和物理方法(如分子束外延,分子气相沉积,等离子等)被应用于制造纳米材料.由于篇幅关系在此不做详细的描述.纳米技术的研究对象是由尺寸在100nm以内的物质组成的体系的性质和规律,并在此基础上实现实际应用的可能.2纳米材料与技术在高科技领域中的应用纳米科技的提出和发展是以社会进步所带来的强烈需求为背景的.纳米技术将在材料与制造,纳米电子学和计算机技术,能源与环境,生物制药,航空航天及国防等方面产生深远影响,其中首当其冲的要属微电子产业.硅类半导体工业的迅猛发展所引起的电子器件的集成度越来越高,由于量子隧穿效应,特征尺寸在50nm以下的器件已经难以工作.纳米生物学已经开始侧重于研究对单个分子行为进行观测和分析,特别是要阐明DNA的工作原理和基因表达.以DNA纳米结构分子为基础的基因工程有可能在生物制药,纳米医学方面具有广泛的应用前景.近期研究成功的DNA发动机,以其特有的自组装性能使得能进行自我复制的纳米机器人的研制成为可能,进而实现进入人体完成清理血管的任务.纳米材料的制备与加工本身就符合节能和环保的时代性主题的要求.在资源日益匮乏的今天,从原子和分子开始制造材料和器件,所消耗的能源较低,造成的污染程度也随之降低.同时,由于纳米环境材料的应用,将会改变传统的环境保护的观念,在大气污染防治,水体污染防治,核污染防治以及噪声污染防治中发挥巨大的作用.航空航天科技的整体水平是一个国家科技发展水平和综合国力的具体体现.纳米材料所具备的高强度,热稳定性和轻质的特性将为轻型航天器的制造提供基础.在高性能的通讯和计算机设备的基础上,装备化学武器,生物武器和核武器的遥感和预警系统,实现对化学武器,生物武器和核武器的感应和预报.通过纳米电子器件实现新型虚拟训练系统.?23纳米材料与技术在电力行业的应用前景由于我国的国民经济基础较为薄弱,GDP总值主要由传统产业提供,高科技产业所占贡献比值很小.如何在我国现有国情的基础上以纳米科技为先导,有效处理当前国民经济发展中支柱产业存在的亟待解决问题是我国纳米科技工作者面临的一项重要课题.电力系统作为国家传统的支柱产业,在人类的科技进入纳米科技时代的今天同样面临挑战和机遇.纳米技术与传统的电力产业的结合需要在选择准确的切人点的基础上,通过基础,技术和应用3个层次来实现传统的电力产业的升级.纳米科技的研究和发展作为一项系统工程,在电力产业的切人和发展必须经过以下几个阶段才能完成.a.基础研究支撑的创新思想和概念;b.工艺,技术研究支撑的技术革命和革新;C.测试和表征,以及标准的建立和完善;d.产业化的组织和实施;e.市场的开拓和发展.当然,培养适应纳米科技挑战性的各种人才是实现电力产业向高科技产业迈进的关键,同时各种新型的纳米材料和技术的开发是实现这一转化的技术基础.根据国内外纳米技术的发展现状,结合电力行业的实际情况,应注重发展以下几个有电力特色的纳米产业.3.1新型光电转化材料及清洁能源的开发即使是科技飞速发展的现在,煤炭依然是全世界范围内用于发电的最合适的原料.煤炭的开采和燃烧造成严重的环境污染,控制或减少煤炭利用过程对环境造成的不利影响是我国乃至世界可持续发展的重大需求.利用纳米半导体材料开发新型的光电转化器件可以适当地缓解经济发展与环境保护之间的矛盾.作为新一代的清洁能源,太阳能转化材料的工业化生产和大规模的民用化必将为国民经济的可持续发展提供有力支持.3.2煤炭的洁净燃烧技术煤炭主要是由含有C,H,()以及少量S,N元素的有机物和其他无机化合物的矿石组成.与石油和天然气相比,煤炭的高效,洁净转化难度很大.纳米结构煤炭助燃材料的开发为煤炭的洁净燃烧提供保障.在提高煤炭燃烧效率的同时,其特有的催化性能将在燃烧的高温环境下有效地降低因s和N组分2005年O4月第2期(总第177期)Apr.2005NO.2(Ser.NO.177)燃烧引起的环境污染.3.3纳米传感器及纳米检测器有效地对电力设施以及对电力环境下的污染物进行监测和控制是保证电力系统安全运行的重要保障.开发体积小,抗干扰能力强,长使用寿命的纳米监视和传感器件对提高监测工作效率,降低运行成本是有益的.开发水质分析和氮,硫气体氧化物分析的纳米检测器,实现便携式试验室的研究,可以大大提高检测工作的准确性和检测效率,降低检测成本.3.4纳米涂层材料及工艺纳米涂层材料是将纳米材料与表面涂层技术相结合的新型材料与工艺.纳米涂层的实施对象可以是传统的材料基体,也可以是粉末颗粒或纤维,起到表面修饰,包覆,改性的作用.在硬度高的耐磨涂层中添加纳米相可以进一步提高涂层的硬度和耐磨性能,并保持较高的韧性.纳米材料涂层可以提高基体的防腐蚀能力,达到基体表面的防腐和装饰的目的.以纳米材料制备的涂层材料能够耐大气,耐紫外线侵害,实现防止降解,防止变色的功效.将纳米防火材料添加到涂层材料中,对基体可以起到阻燃,隔热和防火的作用.光致变色,电致变色,温致变色和电致发光涂层材料的开发,可以广泛地应用于电力系统的带电警示,驱除鸟害,温度警示等领域,为电力系统的安全生产提供服务.纳米融雪防污涂层材料可以有效地减轻冬季冰害对电力输电线路造成的危害,保证安全生产.3.5纳米环境保护材料及工艺火力发电厂是工业三废污染较为严重的企业.利用纳米材料实现的工业污染在线监测可以将检测精度明显提高,并有可能实现污染物监测的快速高效性.利用环境纳米材料对污染物的控制和治理能达到提高处理效果,降低处理成本的目的.利用纳米催化材料可以实现对烟气中氮和硫氧化物的催化祛除,保证烟气的达标排放.利用纳米絮凝材料和生物纳米技术对发电厂混合废水的治理,可以大幅度地节约处理占地,降低治理费用,提高祛除效率.纳米材料特有的对声,光的吸附性能,有望在治理发电厂噪声污染中发挥作用.纳米微波屏蔽材料可以有效避免电力输电线路对线路周边人群的辐射伤害.3.6耐磨润滑新材料应用技术电力行业是转动设备比较集中的行业之一,转动设备因摩擦引起的能耗和噪声污染随处可见.将纳米材料应用于润滑领域是一种全新的概念.由于纳米粒子的尺寸很小,可以近似为球型,在摩擦表面可以像鹅卵石一样自由地滚动.起到耐磨润滑的作用.同时,由于纳米粒子对摩擦表面进行一定程度的填补和修复,同样起到耐磨润滑的作用.部分试验结果表明,将巴基球或巴基管添加到润滑油中可以大幅度地提高材料的润滑防磨性能.3.7核电站的纳米防护技术及渗漏污染治理技术核能已经被发达国家广泛应用于电力行业.我国的核电建设近年来也呈现上升的势头,如何对核设施进行有效的防护以及如何对核渗漏事故做出快速反应和治理是摆在科研工作者面前的重要课题.发达国家在2O世纪9O年代初期将有较强吸附性能的天然纳米材料应用于核设施及废弃物的处理工程中,并进行了系统的研究工作.我们应在前人工作的基础上,开发实用性较强的纳米核防护技术,使纳米技术在核工程屏蔽中发挥作用.4纳米材料与技术在电力系统应用的意义随着我国西部大开发和振兴东北老工业基地战略的实施,电力行业再次面临机遇和挑战.在电力飞速发展的同时,资源短缺和环境污染也日趋严重.纳米材料与技术在电力系统中应用将有效缓解电力发展与节能环保之间的矛盾,促进电力行业的可持续健康发展.由于纳米技术的应用,可以大幅度地提高运行的安全性和可靠性,提高生产效率,降低能耗和成本,减轻工人劳动强度,改善作业环境,其经济效