第四节 材料和能源

1、第四节 材料和能源一、材料 材料是人类生产活动和生活必需的物质基础，与人类文明和技术进步密切相关。随着科学技术的发展，材料的种类日新月异，各种新型材料层出不穷，在高新技术领域中占有重要的地位。本讲主要介绍两种新型的无机非金属材料。1、异军突起的陶瓷材料知识是一种快乐，而好奇则是知识的萌芽。传统陶瓷主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料为原料，经过配料、成型、烧成等工艺而制成。这类陶瓷也称为硅酸盐陶瓷。随着科学技术的发展，采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，以精确选定的组成配合，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应

2、用范围是传统陶瓷远远不能相比的，这类新型陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷。新型陶瓷有哪些种类？（1）按化学组成不同分类：陶瓷分类主要包括纯氧化物陶瓷氧化铝、氧化锆、氧化镁、氧化铍、氧化锌、氧化钛等非氧化物系陶瓷氮化物陶瓷氮化硅、氮化铝、氮化硼等碳化物陶瓷碳化硅、碳化硼、碳化钨等硼化物陶瓷硼化锆、硼化镧等硅化物陶瓷硅化钼等氟化物陶瓷氟化镁、氟化钙、氟化镧等硫化物陶瓷硫化锌、硫化镉等（2）随着成分、结构和工艺的不断改进，新剂陶瓷层出不穷。按其使用性能来分类，可分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类。典型的结构陶瓷包括：耐高温、高强度、耐磨损陶瓷  包括耐高温的切削工具陶瓷、高强度的氮化硅陶瓷、高温高强

3、耐磨损的碳化硅陶瓷（即“金刚砂”，硬度仅次于金刚石）等。 耐高温、高强度、高韧性陶瓷1975年，澳大利亚首次成功地利用添加氧化锆的方法，大大提高了陶瓷材料的强度和韧性。自那时起，世界各国利用氧化锆增韧这一办法，开发出了种种具有高强度和高韧性的陶瓷材料，掀起了寻求打不碎陶瓷的热潮。氧化锆增韧陶瓷已在工程结构材料研究中取得重大进展，经过增韧的陶瓷品种日益增多。耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷广泛应用于制作电光源。其中，氧化铝陶瓷是高压钠灯极为理想的灯管材料，它在高温下与钠蒸气不发生作用，又能把以上的可见光传送出来。高压钠灯是目前世界上发光效率最高的灯，许多国家正在推广。新型透明氧化铝陶瓷的出现，

4、引起了电光源发展的一次重大飞跃，带来了巨大的社会经济效益。生物陶瓷  生物陶瓷是新型陶瓷的一个重要分支，指用于生物医学及生物化学工程的各种陶瓷材料。生物陶瓷目前主要用于人体硬组织的修复。生物陶瓷作为生物植入材料，与其他材料相比，它和骨组织的化学组成比较接近，生物相容性好，在体内的化学稳定性、生物力学相容性和组织亲和性等也较好，因此越来越受到重视。结构陶瓷以耐高温、高强度、超硬度、耐磨损、抗腐蚀等机械力学性能为主要特征，在冶金、宇航、能源、机械、光学等领域有重要应用。在这些领域中，由于结构陶瓷和陶瓷基复合材料一般比金属材料轻得多，又具有耐高温和高强度的特点，所以用陶瓷替代金属的前景非常

5、诱人。功能陶瓷材料大致包括：导电陶瓷具有良好的导电性能，而且能耐高温，是磁流体发电装置中集电极的关键材料。介电陶瓷具有绝缘电阻高、耐压高、介电常数小、介电损耗低、机械强度高以及化学稳定性好的特点，被广泛用作集成电路的绝缘基板。介电陶瓷包括氧化铝、氧化铍、碳化硅、氮化铝等，以氧化铝的应用最为普遍。压电陶瓷压电陶瓷的晶体结构上没有对称中心，因而具有压电效应，即压电陶瓷具有机械能与电能之间的转换和逆转换的功能。压电陶瓷材料具有成本低、换能效率高、加工成型方便等优点，常用于制作压电器材、滤波器、谐振器和变压器等。 半导体陶瓷指采用陶瓷工艺成型的多晶陶瓷材料。与单晶半导体不同的是，半导体陶瓷存

6、在大量晶界，晶粒的半导体化是在烧结工艺过程中完成的，因此具有丰富的材料微结构状态和多样的工艺条件，特别适用于作为敏感材料。除半导体晶界层陶瓷电容器外，目前已使用的敏感材料，主要有热敏材料、电压敏材料、光敏材料、气敏材料、湿敏材料等。功能陶瓷以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主要特征，在通信电子、自动控制、集成电路、计算机技术、信息处理等方面的应用日益普及。功能陶瓷是电子材料中最重要的一个分支，其产值约占整个新型陶瓷产值的。当前，功能陶瓷正向着高可靠、微型化、薄膜化、多功能和高效能方向发展，应用前景十分广阔。精密陶瓷氮化硅代替金属制造发动机的耐热部件，能大幅度提高工件温度，从而提高热效率

7、，降低燃料消耗，节约能源，减少发动机的体积和重量，而且又代替了如镍、铬、钠等重要金属材料，所以，被人们认为是对发动机的一场革命。氮化硅可用多种方法制备。、工业上普遍采用高纯硅与纯氮在1600K反应后获得： 3Si2N2 Si3N4（条件1600K） A、用化学气相沉积法，使SiCl4和N2在H2气氛保护下反应，产物Si3N4积在石墨基体上，形成一层致密的Si3N4层。此法得到的氮化硅纯度较高，其反应如下： SiCl42N26H2=Si3N412HCl B请运用你已掌握的化学知识解答问题：（填符号或化学式） 氮化硅的摩尔质量是 ； 在A、B两个反应中，属于化合反应的是 ，属于氧化还原反应的是 ；

8、 由于在通常情况下，N2的化学性质 ，因此常用作 ，如食品包装时充氮以 。但在以上反应中N2参加了反应，且从化合价的变化来看，N2作为 剂，有 性，被 ， 发生 反应，得到 产物。超细氧化铝是一种重要的功能陶瓷原料。（1）实验室常以NH4Al(SO4)2和NH4HCO3为原料，在一定条件下先反应生成沉淀NH4AlO(OH)HCO3该沉淀高温分解即得超细Al2O3。NH4AlO(OH)HCO3热分解的化学反应方程式 。（2） NH4Al(SO4)2·12H2O的相对分子质量为453。欲配制100mLPH为2、浓度约为0.1mol-1的NH4Al(SO4)2溶液，配制过程为用托盘天平称量

9、NH4Al(SO4)2·12H2O固体 g；将上述固体置于烧杯中 。(3) 在0.1mol·L-1NH4Al(SO4)2溶液中，铝各形态的浓度(以Al3计)的对数（lgc）随溶液PH变化的关系见右图 用NaOH溶液调节（2）中溶液PH至7，该过程中发生反应的离子方程式有 。请在答题卡的框图中，画出0.01mol·L-1NH4Al(SO4)2溶液中铝各形态的浓度的对数lgc随溶液PH变化的关系图，并进行必要的标注。2、光导纤维-光通信的“神经”20世纪40年代，材料科学家发明了玻璃纤维。但能透光的玻璃纤维，由于其光损耗太大，无法在光纤通信中使用。1970年，美国康宁

10、公司首先采用气相沉积法拉制出长200米、光耗为20dB/km的石英纤维，这是世界上第一根对光纤通信有实用价值的单模光纤。这也是现代科学创造的奇迹之一，能使光像电流一样沿着导线传输。人们把这种“导线”称光导纤维，又叫光学纤维，简称光纤。此后，光纤材料的研究与生产在世界范围内展开，作为通信材料的石英纤维得到飞速发展，并形成了一门新兴的材料产业，也从此开始了光纤通信的时代。各国相继兴建了大规模的光纤电话网和长途干线，并且已经铺设了数万千米长的越洋洲际通信光缆。通信用的光导纤维主要由两部分构成：一是纤芯，二是包覆纤芯的低折射率的包层。光纤的纤芯，主要由非晶态的石英玻璃组成，并掺杂了锗、硼、磷等的氧化物

11、，以改变折射率；光纤的包层，一般由高硅玻璃制成，其折射率低，并要求与纤芯的折射率相匹配，以减少光的散射。为保护光纤表面不受损伤，还要在它的外面包覆一层薄薄的塑料，一般为硅树脂或氨基甲酸乙酯。光导纤维具有极高的带宽，一根直径不到1.3厘米的由32根光纤组成的光缆，能容许50万对用户同时通话，或者同时传送5000个频道的电视节目。另外，光纤还具有不受电磁干扰、保密性强、耐腐蚀、柔软易铺设、原料充足和成本低廉等优点。信息高速公路的主干线路便是能双向、快速传输多媒体信息的光缆。邀你试试化学对物质文明有着重要作用。材料无论在传统工业还是现代高科技中都占有重要位置，请用线段连接相关材料和用途： 材料 用途

12、硅 计算机芯片氧化铝陶瓷 制轴承氮化硅陶瓷 通讯光导纤维 高级耐火材料太阳能电池的光电转化二、新能源新能源又称非常规能源，是传统能源之外的各种能源形式。指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。联合国开发计划署（UNDP）把新能源分为以下三大类：大中型水电；新可再生能源，包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能（潮汐能）；穿透生物质能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也

13、有着重要意义。据估算，每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿千瓦，其中可开发利用5001000亿度。但因其分布很分散，目前能利用的甚微。地热能资源指陆地下5000米深度内的岩石和水体的总含热量。其中全球陆地部分3公里深度内、150以上的高温地热能资源为140万吨标准煤，目前一些国家已着手商业开发利用。世界风能的潜力约3500亿千瓦，因风力断续分散，难以经济地利用，今后输能储能技术如有重大改进，风力利用将会增加。海洋能包括潮汐能、波浪能、海水温差能等，理论储量十分可观。限于技术水平，现尚处于小规模研究阶，新能源的利用技术尚不成熟，故只占世界所需总能量的很小部分，今后有很大发展前途。 1、生活中常见

14、新能源之一-太阳能广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等由太阳能导致或转化成的能量形式。狭义上的太阳能一般指太阳光的辐射能量。太阳能的主要利用方式有三种：太阳能的光热转换、光电转换以及光化学转换；具体利用方法主要有：太阳电能池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能；太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电等。太阳能光伏：光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋

15、照明，并为电网供电。太阳能发电具有布置简便以及维护方便等特点，应用面较广，现在全球装机总容量已经开始追赶传统风力发电，随之而来的问题令我们意想不到，太阳能发电的时间局限性导致了对电网的冲击，如何解决这一问题成为能源界的一大困惑。太阳热能：现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。太阳光合能：植物利用太阳光进行光合作用，合成有机物。因此，可以人为模拟植物光合作用，大量合成人类需要的有机物，提高太阳能利用效率。邀你试试美国科

16、学美国人杂志在1971年7月刊登的“地球能量资源”一文中提供了如下数据： 到达地球表面的太阳辐射能的几条主要去路直接反射52000×109kJ·S-1以热能方式离开地球81000×109kJ·S-1水循环40000×109kJ·S-1大气流动370×109kJ·S-1光合作用40×109kJ·S-1 请选用以上数据计算： 地球对太阳能的利用率约为_。 通过光合作用，每年约有_kJ的太阳能被转化为化学能(每年按365天计算)。2、生活中常见新能源之二-生物质能来源于生物质，也是太阳能以化学能形式贮

17、存于生物中的一种能量形式，它直接或间接地来源于植物的光合作用。生物质能是贮存的太阳能，更是一种唯一可再生的碳源，可转化成常规的固态、液态或气态的燃料。地球上的生物质能资源较为丰富，而且是一种无害的能源。地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10-20倍，但目前的利用率不到3%。2006年底全国已经建设农村户用沼气池1870万口，生活污水净化沼气池14万处，畜禽养殖场和工业废水沼气工程2,000多处，年产沼气约90亿立方米，为近8000万农村人口提供了优质生活燃料。中国已经开发出多种固定床和流化床气化炉，以秸秆、木屑、稻壳、树枝为原料生产燃气。2006年用于木材和农副产品烘干的有800多台，村镇级秸秆气化集中供气系统近600处，年生产生物质燃气2，000万立方米。能源是人类生存和发展的必要条件，更是可持续发展最重要因素之一。以较低的能源消耗支持较高的经济增长，是优化能源结构、合理利用能源发挥的巨大作用，它有效地提高了百姓生活质量，实现可持续发展。邀你试试 1生物质能是绿色植物通过叶绿体将太阳能转化为化学能而贮存在生物体内部的能量，它一直是人类赖以生存的重要能源。下列有关说法不正确的是 （   ） A生物质能是可再生性能