材料技术和能源技术

1、第十章 材料技术和能源技术第一节第一节 新材料的应用新材料的应用第二节、新能源的开发第二节、新能源的开发第十章 材料技术和能源技术o 现代文明的三大支柱现代文明的三大支柱o 本章内容本章内容1. 新材料的应用2. 新能源的开发能源能源信息信息材料材料第一节第一节 新材料的应用新材料的应用 新石器时代新石器时代 青铜器时代青铜器时代 铁器时代铁器时代硅时代硅时代 历史分期：历史分期：以人类使用工具以人类使用工具的材料划分的材料划分按按成成分分和和特特性性金属材料金属材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料高分子材料高分子材料纳米材料纳米材料 材料的分类新型金属材料新型金属材料贮氢金属贮氢金属o 在储

2、氢合金中，一个金属原子能与在储氢合金中，一个金属原子能与2- 3个甚至更个甚至更多个氢原子结合，生成金属氢化物。所以储氢合金多个氢原子结合，生成金属氢化物。所以储氢合金的储氢能力很强。的储氢能力很强。o 一单位体积的储氢合金能储存一单位体积的储氢合金能储存10001300单位单位体积的氢。体积的氢。 (2/x) M + H2 = (2 /x) MHx + Q X=1： 2M + H2 = 2 MH + Q X= 2： M + H2 = MH 2 + Q金属贮氢和传统贮氢的比较优势金属贮氢和传统贮氢的比较优势o 气态气态 - 150 - 150 大气压大气压 钢瓶钢瓶 贮氢的传统方法贮氢的传统方

3、法 液态液态 - - 253 253 液化液化 钢瓶钢瓶 o 贮氢金属或合金贮氢金属或合金 能吸收能吸收 H H2 2 的金属或合金。的金属或合金。 一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相等的氢气，其重量只有氢气瓶的等的氢气，其重量只有氢气瓶的1/31/3，而体积，而体积却不到氢气瓶的却不到氢气瓶的1/101/10。新型金属材料新型金属材料形状记忆合金形状记忆合金 T1 ( 形状形状)1 恢复恢复 T2 (形状形状)2形状记忆合金记忆原理形状记忆合金记忆原理o 在有些材料中，即使是同一材料组成的晶在有些材料中，即使是同一材料组成的晶体中，也可能存在不同的晶体结

4、构，这种体中，也可能存在不同的晶体结构，这种现象称为同素异构。金刚石和石墨就是炭现象称为同素异构。金刚石和石墨就是炭的同素异构体。的同素异构体。 石墨的晶体结构石墨的晶体结构铁也有两种不同的基本晶体铁也有两种不同的基本晶体结构，即体心立方铁和面心立结构，即体心立方铁和面心立方铁。方铁。这种由相同的原子这种由相同的原子 组成的组成的不同的晶体结构，在材料学中不同的晶体结构，在材料学中又称为不同的又称为不同的“相相”。体心立方铁和面心立方铁属体心立方铁和面心立方铁属不同的不同的“相相”，前者称为，前者称为 - -Fe ( Fe ( 铁素体铁素体) )，后者称为，后者称为-Fe(Fe(奥氏体奥氏体)

5、 )。前者是常温下存在，而后者是高温下存在，它们在前者是常温下存在，而后者是高温下存在，它们在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。 应用应用 1 1）记忆合金铆钉）记忆合金铆钉 2 2）紧固件）紧固件 3 3）卫星自展天线（镍）卫星自展天线（镍 钛）钛） 4 4）形状记忆合金发动机）形状记忆合金发动机 紧固件紧固件 待连接管待连接管 室温下室温下形状记忆合金套管，内径比待连接管外径小约4% 液液N2中中 扩管约8% 待连接管从两端插入待连接管从两端插入 室温室温 套管收缩形成紧固密封件陶瓷材料的发展陶瓷材料的发展 传统陶瓷传统陶瓷 原料原料: 天

6、然矿物天然矿物( 岩石、沙子、粘土岩石、沙子、粘土) 制备制备 ： 烧制烧制 例如：水泥、玻璃、砖瓦、耐火材料例如：水泥、玻璃、砖瓦、耐火材料 主要成分是硅酸盐，其耐热性低，易碎。主要成分是硅酸盐，其耐热性低，易碎。 新型（精细、先进）陶瓷新型（精细、先进）陶瓷 原料原料: 精致、高纯的精致、高纯的 化工原料化工原料 制备制备: 先进成型、烧结技术等制备工艺，先进成型、烧结技术等制备工艺， 特点：特点： 具有优异性能具有优异性能新型陶瓷材料新型陶瓷材料高温结构陶瓷高温结构陶瓷o 原料原料: 氮化硅、碳化硅氮化硅、碳化硅o 制备制备: 1400 烧结烧结o 用途用途:汽车、飞机发动机汽车、飞机发

7、动机工作温度工作温度 1300 不水冷不水冷 重量轻重量轻陶瓷刀具（陶瓷刀具（ 超薄超薄 ） 智能陶瓷智能陶瓷o 特点特点: 对温度、湿度、气体浓度等有敏感性对温度、湿度、气体浓度等有敏感性o 用途用途: 传感器传感器 1. 定义定义由两种或两种以上的组份材料组成的新材料。由两种或两种以上的组份材料组成的新材料。2. 特点特点 强度高、重量轻、刚性大、强度高、重量轻、刚性大、 抗疲劳、减振性、耐温性好抗疲劳、减振性、耐温性好3.构成及用途构成及用途 复合材料复合材料复合材料三要素复合材料三要素 基体材料基体材料 增强剂增强剂 复合方式复合方式高分子材料1.特点：弹性、可塑性、电绝缘性。2.高分

8、子合成材料可分为合成橡胶、塑料、化学纤维。3.常见的用处：以美国塑料为例，27%的塑料用于建筑和结构材料，25%用于包装，4.4%医用，其余用于交通运输、电子电器、家具、仪器等等。已经在一定程度上取代了钢材、木材、棉花等天然材料。纳米材料纳米材料纳纳 米米 长度单位长度单位 1nm= 10-9 m（十亿分之一米）（十亿分之一米） 纳米颗粒纳米颗粒 尺寸在尺寸在 1100nm 之间的颗粒之间的颗粒类型类型纳米颗粒与粉体纳米颗粒与粉体纳米碳管和一维纳米材料纳米碳管和一维纳米材料纳米薄膜纳米薄膜纳米块材纳米块材纳米材料纳米材料 是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平

9、并且具有特殊性能的材料。并且具有特殊性能的材料。第二节 新能源技术本节教学目的与要求：本节教学目的与要求：o 了解和掌握能源的概念和分类；o 了解当今世界人类所面临的能源问题；o 了解和熟悉新能源技术。人类能源利用三个时期o 柴草时期从人类开始用火到18世纪中叶。o 煤炭时期从18世纪中到18、19世纪之交 。o 石油时期从18、19世纪之交到现在 。能源问题煤炭石油作为能源面临的三个问题煤炭石油作为能源面临的三个问题：o储量有限;o浪费化工原料;o燃烧污染环境。能源消耗 2004年世界石油消费量达到8075.7万桶/日,仅够用40年。 2004年世界煤炭消费量为1523万吨/日,供开采和使用

10、的年限为162年左右。一、能源及其分类一、能源及其分类1 1 、能源、能源能源是指人类用来获取能量的自然资源。2 2 、能源的分类、能源的分类o 按来源不同分三类按来源不同分三类o 形成条件不同分两类形成条件不同分两类o 按能否反复利用分两类按能否反复利用分两类o 按开发使用的程度不同分两类按开发使用的程度不同分两类二、新能源技术o 核能；o 太阳能；o 地热能；o 风能；o 海洋能；o 生物能；o 氢能。（一）核能1、核能特点o定义：核能又称原子能。它是指原子核结构发生变化（核裂变、核聚变）时释放出的能量。o核能比化石燃料燃烧放出的能量大得多。 1kg铀235 = 1800 t 石油或280

11、0 t 标准煤。原子弹爆炸情景2、核裂变反应o它是指一个重原子核分裂成2个较轻的新原子核的过程；o用来进行核裂变反应并连续释放能量的物质，称核裂变燃料。 铀 = 铀238（99.28%）+ 铀235（0.714%） + 铀234（0.006%）2、核裂变反应o如果核裂变反应中产生的中子再引起其它的铀核裂变，就可使核裂变反应不断地进行下去，称为“链式反应”。链式反应的速度极快，两次反应间隔时间只有2x10-14秒。o在链式反应中，后一代中子数与前一代中子数之比称为倍增系数（k）。3、核电站o利用核能来发电的装置称为核电站，目前大多数核电站是利用核裂变能来发电的；o核电站的核心是核反应堆，核反应堆

12、有多种类型，目前运行的核电站以热中子轻水堆居多；压水堆型核电厂示意图一 核燃料元件棒 反应堆堆芯燃料装载 二氧化铀陶瓷芯块 核燃料组件 压水堆型核电厂的简要流程示意图 （二）3、核电站o 1954年，前苏联建成世界上第一座核电站；o 现在世界上有30多个国家的400多座核电站在运行，占世界总电力的20%左右；o 我国秦山核电站、大亚湾核电站已建成和正式发电，秦山二期、三期核电工程、岭澳核电工程、连云港核电工程也将于近年内建成发电。3、核电站o 核电站的安全性 一般来说，如果防范措施得当，核电站是很安全的。历史上曾发生过两次核电站核泄露事故： 一次是1979年3月18日，美国三里岛核电站堆芯熔毁

13、； 另一次是1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸。 核电站的主要问题是放射性核废料的处理、储存和最终处置。4、核电第二代快中子增殖反应堆o热中子反应堆对天然铀的利用率很低（只有0.7%）；o快中子增殖反应堆以钚239为裂变燃料，组成堆芯，以铀238包围在堆芯周围，作为增殖层。可使天然铀的利用率达到60%70%。5、受控核聚变o 是指两个或两个以上较轻的原子核聚合成一个较重的原子核的反应；o 核聚变燃料主要是氢及其同位素氘和氚。o 受控核聚变具有以下优点：(1)质能比高，是同质量核裂变释放能量的4倍；(2)原料足，从海水中可大量提取氘和氚；(3)无放射性，安全、清洁、不

14、污染。o 核聚变能的和平利用目前尚处于研究阶段。（二）太阳能o 指地球上可以直接接受并利用的太阳辐射能；o 太阳本身的辐射能量只有22亿分之一到达地球大气层；o 太阳辐射能是一种巨大、无污染、洁净、安全的可再生能源，它是取之不尽、用之不竭的。（二）太阳能 利用太阳能的新技术、新材料和新设备不断出现，为太阳能的广泛应用奠定了基础。目前，直接利用太阳辐射能有三种方式：o 光热转换；o 光电转换；o 光化学转换。1、光热转换光热转换就是把太阳辐射能通过各种集热装置（集热器）转变成热能。o 太阳能热发电；o 太阳能高温炉冶炼高温材料；o 太阳能节能建筑太阳房；o 利用太阳能使海水淡化；o 太阳池（盐湖

15、水太阳能发电技术）；o 太阳能热水器。2、光电转换 通过太阳能电池（光电池、光伏电池）将太阳辐射能直接转变成电能。太阳能电池的工作原理是光电效应。o 太阳能电池已广泛应用于宇宙飞行器；o 太阳能电池还用来作为交通工具的能源；o 太阳能电池应用在自动控制领域；o 太阳能电池还可以用来发电（光伏电站）。3、光化学转换 用光和物质相互作用引起化学变化的过程称光化学转换。o 绿色植物的光合作用；o 利用光化学电池制氢。光化学转换到目前为止还只限于实验室试验，没有重大突破。（三）地热能o 地球内部蕴藏着的热能称为地热能，来自(1)高温岩浆，(2)岩石中放射性元素衰变；o 在地球上所有的能源中，地热能仅次

16、于太阳辐射能，排在第二位（火山爆发、地震和其他地壳变动）；o 地热资源按存在形式可分为五大类型：蒸汽型、热水型、地压型、干热岩型和岩浆型。o 地热能廉价、清洁，利用前景十分广阔。（四）风能o 风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均，引起空气运动而产生的能量；o 风能的利用主要靠风力机，风力机是把风能转化为其他形式能量的旋转机械；o 利用风力可以发电、提水、助航、制冷、致热等。（五）海洋能o 海洋能是指海水在运动过程中产生的能为人类利用的能量，它包括潮汐能、波浪能、海流能、温差能、盐差能等。o 海洋中除有巨大的海洋能外，还有丰富的海洋矿物资源、海水资源和海洋生物资源。人类有可能在21世纪进入全面、综合、立体开发海洋的“海洋经济时代”。（六）生物能o 生物能也叫生物质能，它是指绿色植物通过光合作用将太阳能转化为化学能而储存在生物质内部的能量；o 生物质能的种类繁多，目前可被利用的大致有六大类：(1)木材和森林工业废弃物（树枝、树