科学技术概论第十四章 新材料新能源技术

第十四章新材料新能源技术制作人：12\33\38\4514.1不断发展的新材料技术现代文明的三大支柱什么是新材料？新材料是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能更为优异的一类材料，具有知识和技术密集度高、与新工艺和新技术关系密切的特点，是多种学科相互交叉和渗透的结果。特点？特点：知识与技术密集度高；与新工艺和新技术关系密切；更新换代快；品种式样变化多；多学科相互交叉和渗透的结果，合成、制造与许多极端条件技术相关；表现出综合性和复杂性；表征和评价技术须采用多种基于最新科学技术成就的精密仪器和装置来进行。新型镁合金新型高强度钛合金品种多、重量轻、导电性好，可代替铜用作导电材料。既轻又强，是制造直升飞机某些零件的理想材料。新型铝合金不仅用来制造超音速飞机和宇宙飞船，而且广泛应用于化学工业、电解工业和电力工业，被誉为“未来的钢铁”。14.1.1新型金属材料重要的新型金属材料有铝、镁、钛合金以及稀有金属。形状记忆合金：能够使温度值变化时人为造成的形状变化，在温度恢复到特定值时，形状也自动丝毫不差地恢复到原来的状态，坚韧性极强，可反复变形和复原500万次而不产生疲劳断裂，其广泛应用于卫星、飞船和空间站的大型天线、飞机部件接头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世纪用化学方法制造的一种新型材料。高分子是由碳、氢、氧、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。常用高分子材料的分子量在几百至几百万之间，有的可高达上千万。

高分子材料特点：重量轻、高弹性、强度低、韧性好、粘弹性、耐摩性、绝缘性好，低导热性、耐热性、耐蚀性好、易老化。合成橡胶：将天然乳胶经过硫化处理变成能成型、富有弹力的材料，填补天然橡胶的不足；发展极快。顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡胶等发展前途看好；硅橡胶、氟橡胶能在零下50度不变形，又可耐250度高温，用于制造火箭、导弹、飞机的某些零件。到20世纪70年代末，合成橡胶产量已经是天然橡胶的两倍。最早的合成塑料——酚醛塑料，是1907年美国化学家贝克兰用苯酚和甲醛缩合，再添加木粉等材料制得。

全球总产量在1亿吨左右伦敦科学博物馆展出的塑料制成的新型概念汽车，庆祝塑料诞生100年合成纤维制成的宇航服

合成纤维：涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、氯纶等“六大纶”。20世纪初化学纤维的主要品种是粘胶纤维。1940年美国成功的合成尼龙66，开辟了合成纤维的道路。合成纤维制成的缝纫线合成纤维14.1.3新型无机非金属材料常见的新型无机非金属材料有工业陶瓷、光导纤维和光导体材料。由光导纤维构成的光缆光导纤维是可有效地远距离传导光信号的玻璃或塑料纤维。纯度极高的玻璃纤维制成使现代通信技术发生了革命性的转变，并且在医疗、遥感、遥测等领域也得到越来越广泛的应用。

优点：重量轻，通信容量大，传输损耗低，在很宽的频带内频率能保持稳定。

半导体材料：20世纪40年代发展起来的重要信息材料，通过近几十年来的研究工作，半导体材料种类不断更新，应用领域不断扩展，成为信息技术发展的基础。

硅材料机械强度高、结晶性强、在自然中储量丰富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整单晶，使之成为目前电子信息工业领域的主要半导体材料。半导体材料还可以用来制作晶体管、集成电路、固态激光器和探测器等器件。砷化镓由于电子运动速度快、电子激发后释放能量以发光形式进行等特点，很可能成为继硅之后第二种最重要的半导体电子材料，制成的晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算机（10倍）。砷化镓太阳能电池14.1.4复合材料复合材料是有机高分子、无机非金属和金属等材料复合而成的一种多相材料。特点：不仅能保持其原组分的部分特点，而且还具有原组分所不具有的性能。复合材料制成的座椅和长条凳

现代科技的发展，对材料的性能提出高标准、多样化，甚至是相互矛盾的要求，因此，任何一种单一的材料都难以满足上述需要，于是各种高性能的复合材料便应运而生。复合材料的出现？有压电型功能复合材料、吸波、屏蔽性能功能复合材料、导电功能复合材料树脂基复合材料在某些特定场合存在耐热性与传热性差、不导电等特点金属基材料耐疲劳、耐磨、不吸潮、不放气等特点新材料&新能源新材料简介新能源概述目录CONTENT1201Part新材料简介光电子材料纳米材料定义光电子材料是以光子、电子为载体，能产生、转换、传输、处理、存储光电信号的材料种类激光晶体、LD用材料、LED生产用原材料、液晶显示器（LCD）用材料、新型非线性光学材料等光电子材料硅微电子材料1硅基高效发光材料2宽带隙半导体材料3纳米半导体材料4其它信息作用材料5新型光电子材料定义纳米材料——显微结构中的物相具有纳米级尺度的材料。微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1nm~100nm）调制的各种固体超细材料，或由它们作为基本单元构成的材料。纳米材料最早的纳米材料：——中国古代铜镜的保护层：纳米氧化锡——中国古代的墨级染料上世纪七十年代末至八十年代初，开始较系统的研究。1985年，发现了C60。1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会议1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程发展纳米材料纳米组装体系纳米固体纳米微粒纳米材料的种类030201纳米微粒，又被称作超微粒，是指线度处于1~100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称.纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。由人工组装合成的纳米结构的体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。02Part新能源概述信息能源材料当今社会科技发展的三大支柱：目前，世界主要能源物质：煤A石油B天然气C化石染料D2001年世界能源结构我国能源结构什么是新能源？新能源又称非常规能源，是指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。又称非常规能源，是指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。定义太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。种类新能源概述不含碳或含碳量较少，对环境影响小。03能量密度低，开发利用需要较大空间。02资源丰富，普遍具备可再生特性，可供人类永续利用。01新能源特点目前除水电外，可再生能源的开发利用成本较化石能源高。06间断式供应，波动性小，对继续供能不利。05分布广，有利于小规模分散利用。04脱硫标杆电价。07新能源特点14.3核能的开发与利用什么是核能？核能（指原子核能，又称原子能）是原子核结构发生变化时释放出的能量。在使用上指重元素的原子核发生聚合反应（又称聚变）时所释放出的巨大能量。它们分别被称为裂变能和聚变能。核能的发现与军事利用1核电站的发展2受控热核聚变能319世纪末物理学的三大发现1895189618971.核能的发现

伦琴—发现X射线汤姆孙—发现电子贝克勒—发现了铀的放射性卢瑟福爱因斯坦

发现了放射性并非铀所特有，镭、钍等也有放射性。发现具有放射性的α、β、γ射线，并通过对铀的放射性研究，提出了原子自然蜕变理论。

居里夫人2.寻找释放核能的钥匙（1）1934年，居里夫人用钋的α粒子轰击铝靶，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，卢瑟福的学生查德威克发现了中子。——打开原子核大门的好钥匙。（3）铀有三种同位素，铀238和铀235，容易吸收中子产生裂变的是铀235.难题：要造成链式反应以获得巨大的能量，首先必须从天然铀中加工提炼出含铀235较多的浓缩铀，而这时意见非常困难困难并且很费钱的工程。如果不是战争的需要，在和平时期要想在短期内由实验室发展到工业规模的实验和应用，是很难想象的。3.战争成了催产婆核裂变能的利用1.罗斯福总统成立了一个“铀顾问委员会”。2.德国，对核物理学家发出了征召入伍令。3.美国加快了原子弹研制的工作计划——成为美国最大规模的一项计划。4.1942年夏，美国、英国、加拿大展开了“曼哈顿工程”。宣告了原子能时代的开始单击添加段落文字单击添加段落文字1942年，美国芝加哥大学建成了第一座原子反应堆。1945年，美国先后将一颗铀弹和一颗钚弹分别投到广岛和长崎。核电站：是利用原子核裂变反应放出的核能来发电的装置。其核心是核反应堆，它是一个能维持和控制核裂变反应的装置，在其中实现核能热能转换。14.3.2核电站的发展因为热中子更容易引起铀235的裂变，因此热中子反应堆比较容易实现和控制，目前大量运行的是热中子反应堆。14.3.3受控热核聚变能核聚变是两个或两个以上的较轻原子核<如氢（H）的两种同位素：氘（D）和氚（T）>在超高温等特定条件下聚合成一个较重的原子核,同时释放出巨大能量。因为这种反应必须在极高的温度下进行，所以叫热核反应。核聚变原料主要是氢、氘、氚。因为实现产生聚变的条件及进行人工控制是非常困难的事，远比核裂变能的利用困难得多。为了实现聚变反应的条件，以获得有意义的聚变能量，目前正在两个主要领域内开展大量的研究工作：（1）磁约束：磁约束就是用一定强度和几何形状的磁场将带电粒子约束在一定的空间范围之内，并保持一段时间。（2）惯性约束：是利用聚变等离子体的惯性进行约束的。聚变能目前尚处于研制阶段，离实用还有相当差距，但基于其取之不尽的资源来源和优越的性能，且没有像裂变堆那样产生大量放射废物，故其远景是很好的。估计到下个世纪中叶可望实现商用。14.4可再生能源63045羅木英石油约40年天然气约50

年煤碳约200年能源危机01Part太阳能简介优缺点利用方式太阳能资源的优点1、总量最大

——取之不尽，用之不竭

2、分布最广

——遍布世界各地既可免费使用，又无需运输3、最清洁

——无任何污染及废弃物……1、能量密度低（1kW/m2）2、是其强度受各种因素影响（季节、地点、气候等）太阳能资源的缺点1、光－热转换原理：利用太阳辐射