第一篇第七章材料技术和能源技术

1、第七章材料技术和能源技术，第一节新材料应用第二节，新能源开发，第七章材料技术和能源技术，现代文明的三大支柱章节内容新材料应用新能源开发，能源信息材料、材料和能源是产业的基础，是现代高新技术开发的追击。材料是高新技术产业的物质载体，能源是高新技术产业系统运行的动力。在人类发展史上，可支配的材料和能源的种类和性质代表着不同的生产力发展水平，因此开发新材料、使用新能源是人类文明前进的强大动力。材料科学技术的第一节，新石器时代青铜时代铁器时代(硅时代)，历史阶段：人类使用工具的材料划分，各重要材料的发现和发明极大地促进了社会发展。材料是用于制造机器、组件和料件，尤其是生产工具的料号，因此，由于新材料的

2、应用，生产工具的改进是生产力进一步发展的关键因素。18世纪炼钢技术广泛普及，人类进入了工业时代。20世纪半导体技术的进步使人类进入了网络时代。材料分类、结构材料和功能材料结构材料利用材料的机械特性(例如强度、塑料、弹性、韧性等)制造机械零件。功能材料利用物理或化学、生物学特性、声音、光、电、磁、热等执行特定功能。按材料分类，应用领域分类信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等，成分和特性，金属材料陶瓷复合材料高分子材料纳米材料.在材料分类、新金属材料储氢金属、储氢合金中，一种金属原子能与2-3个或更多氢原子相结合，产生金属氢化物。因此储氢合金具有很强的储氢能力。一单位体积的储氢合

3、金能储存1000-1300单位体积的氢。(2/x)m H2=(2/x)mhx qx=1:2m H2=2 MH qx=2:m H2=mh2 q，金属储氢与传统储氢的比较优势，气体-150大气压气缸，普通贮氢合金，吸氢容量与贮氢容量相等，其重量只有氢气瓶的三分之一，体积小于氢气瓶的十分之一。新金属材料形状记忆合金，T1(形状)1恢复T2(形状)2，形状记忆合金记忆原理，在一些材料中，由相同材料构成的晶体中也可能存在不同的晶体结构，这种现象称为同素性。钻石和石墨是碳的同塑性异构体。石墨的晶体结构、铁有两种基本晶体结构：体心立方铁和面心立方铁。由相同原子组成的这种不同的晶体结构在材料学中也称为不同的“

4、相”。体心立方铁和面心立方铁是不同的“相”，后者称为-Fe(铁氧体)，后者称为-Fe(奥氏体)。前者存在于室温下，后者存在于高温下，其特性不同，如硬度、密度和塑性变形功能。应用1)记忆合金铆钉2)紧固件3)卫星自扩展天线(镍钛)4)形状记忆合金引擎.紧固件连接管，室温下形状记忆合金套管，内径比连接管的外径约4%，液体N2中膨胀管约8%，连接管两端插入，室温，套管收缩形成固定密封，超塑性合金在适当的温度下(相当于熔点温度的一半)这种高延伸率性能很薄的容器，容易加工成薄壁，在航空航天内制造钛合金零件时成型一次。非晶合金，晶体中的原子和分子周期性排列，非晶原子和分子排列是混乱的。在非常高冷却速度的新

5、技术条件下制造的。在一千分之一秒内冷却成固体。非常薄，但具有高硬度、高强度、耐腐蚀性。电子工业广泛使用。磁头(长寿命，好音频)、薄膜光盘(记录密度为4-5倍)。，陶瓷材料开发，传统陶瓷原料：天然矿物(岩石、沙子、粘土.)准备：塑料示例，例如水泥、玻璃、砖和耐火材料.主要成分是硅酸盐，耐热性低，易碎。新型(精密，高级)陶瓷原料：精致，高纯度化学原料制备：高级成型，烧结技术等制备工艺，特性：优良性能：可经受高温、高负荷、耐蚀、耐磨。金属和高分子材料不能相提并论。新型陶瓷材料高温结构陶瓷、原料：氧化铝陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和多相陶瓷等3361400 烧结用途：机械零件、集成电路和基板、电子设备

6、的理想材料。汽车、飞机引擎、工作温度1300 ，轻便，陶瓷刀具(超薄)磨损程度只有合金工具的十分之一，智能陶瓷，特性：是对温度、湿度、气体浓度等敏感的用途的：传感器，1 .定义由两种或多种成分材料组成的新材料。2.特性强度、轻量、刚性、抗疲劳、减振、耐热性3。组成和用途，复合，复合三元素基材料增强剂复合方法，高分子材料，特性：弹性，可塑性，电绝缘。高分子合成材料可分为合成橡胶、塑料、化学纤维。一般用途：以美国塑料为例，27%的塑料用于建筑和结构材料，25%的医药用于包装，4.4%的医药用于运输、电子产品、家具、仪器等。已经在一定程度上代替了钢铁、木材、棉等天然材料。纳米技术，诞生：20世纪末，

7、一种新型显微镜(STM)问世，人们可以看到一纳米大小的物质，出现了纳米技术，纳米技术(也称为纳米技术)。纳米结构：是指大小在100纳米以下的小型结构。纳米技术是在纳米尺度内直接操作和排列原子、分子，制造新材料材料的技术。研究100纳米到0.1纳米范围内的物质所具有的特异现象和特异功能，并在此基础上制造新材料，研究新工艺的方法和方法。纳米技术的提案：提出纳米技术概念的费曼在40年前发表了题为底部还有很大空间的演讲，诺贝尔物理学奖获奖者兼量子物理学家费曼。被公认为纳米技术思想来源的人物介绍了 Feynman，他对物理学的贡献很大。很多物理学家称他为“新”物理之父，爱因斯坦是“旧”物理之父。1965

8、年，费曼和朱利安舒文格、赵永珍伊朗一起获得诺贝尔物理学奖，他的主要贡献在于对量子电动力学的理解，后者研究光和带电粒子之间的相互作用，尤其是光和电子之间的相互作用。他对弱核反应和超导研究也做出了巨大贡献。纳米技术的实现和发展，放大了一千万倍的扫描隧道显微镜(STM)发明后，纳米技术才真正成为一种技术技术。纳米技术从90年代初开始，纳米电子、纳米材料、纳米机械学、纳米生物学等新术语和新概念的迅速发展。专家预测，未来全球技术发展的9大核心技术之一就是纳米技术的研究和应用。1981年，美国IBM的扫描隧道显微镜(STM)、物理学家G . Binnig(G . Binnig)和Rohrer(H . Ro

9、hrer)位于瑞士苏黎世的实验室，他写道：“扫描隧道显微镜应用这个显微镜，人们就能看到原子大小的东西。STM的出现使人类首次能够实时观察单原子物质表面的排列状态及表面的电子行为相关的物理和化学性质，并被国际公认为80年代世界十大科技成果之一。文内希博士(GerdK .Binnig)和劳雷尔博士因扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscopy)的成就，共同获得了1986年诺贝尔物理学奖。，屏障，在两个导电物体之间插入绝缘体，在两个导体之间加上一定的电压，通常可以防止电流从一个导体流到另一个导体。也就是说，两个导体之间有一道屏障，分一座山。隧道效应，如果这个屏障的厚度很窄，

10、只有几纳米，电子由于空间的运动性，根据量子力学的计算，电子通过而不是通过这个屏障，形成电流。就像在山腰上开凿隧道和火车通过隧道一样的现象在量子力学中被称为隧道效应。STM工作方式，针尖和样品表面为两个电极，当两者之间的距离足够大时，由于电场的作用，电子通过电极之间的绝缘层形成“隧道电流”，这种效果就是隧道效应。STM操作的特点是使用针尖扫描样本表面，通过隧道电流获得图像。STM工作方式恒流扫描固定高度扫描，铁原子移动，1993年，美国科学家在低温，STM针端环排列48个铁原子，直接观察电子驻波的图形后，成功地将铁原子移至两个汉字“原子”。纳米材料的特异特性，具有高活性的特殊光学特性，特殊的机械

11、特性量子尺寸效应宏观量子隧道效应，具有高活性，纳米超细粒子的高“比表面积”决定了其表面的高活性。空气中纳米金属粒子迅速氧化燃烧。利用表面活性，金属超细晶将成为下一代高效催化剂、储气材料、低熔点材料。所有金属在超微粒状态下显示为黑色的特殊光学特性。尺寸越小，颜色越暗。金属超微粒子对光的反射率很低，通常不到l%，大约几微米厚的薄膜可以起到完全消失的作用。利用这一特性，可以制作高效的光热、光电转换材料，以高效率将太阳能转化为热、电。也可以应用于红外感应因素或红外隐身材料等。特殊的热特性，大型固体物质的熔点经常是固定的，非常细微的固体物质的熔点明显减少，粒子小于10纳米时尤为明显。例如，金的通常熔点为

12、1064 ，如果其粒子大小减小到10纳米，熔点降低到27 ，减小到2纳米大小，熔点仅为327 。特殊的磁特性，磁超微粒本质上是生物磁罗盘。小型磁性超微粒子是大型纯铁的磁矫顽力约为80a/米，如果粒子大小减少到210-2微米以下，矫顽力可能增加1000倍。如果进一步减小大小，大约小于610-3微米，人为力就会减少到0，从而显示出秒-盒性。利用磁超细颗粒的高密度特性，制成了存储密度高的磁记录磁粉，常用于磁带、光盘、磁卡、磁键等。利用超磁性，人们已经把磁性超微粒变成了广泛使用的磁性液体。特殊机械性能，陶瓷材料一般是易碎的，纳米超细粒子压缩的纳米陶瓷材料具有良好的韧性。有纳米粒子的金属比现有的粗晶金属

13、硬3到5倍左右。金属-陶瓷复合纳米材料可以在更大范围内改变材料的机械特性。量子尺寸效应，超微粒的小尺寸效应，也出现在超导、介电特性、声学特性和化学性质上。热、电场能量或磁场高于平均能量准位间隔时，显示出一系列与宏观目标明显不同的理想型，这称为量子尺寸效应。例如，导电金属可以是超细晶中的绝缘体，磁矩的大小与粒子的电子是奇数还是偶数有关。比热也会变得异常。谱线在短波长方向运动，这是量子尺寸效应的宏观表现。在低温下，对于超微粒，必须考虑量子效应，现有的宏观规律不再成立。宏观量子隧道效应、近年来，微粒子磁化、量子干涉元件磁通量等一些宏观物理显示出被称为宏观量子隧道效应的隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子

14、隧道效应将确定未来微电子、光电设备的基础或现有微电子设备进一步小型化的限制，当微电子设备进一步小型化时，必须考虑上述量子效应、纳米材料的应用和展望、电子和通信整体媒体内存；液晶显示器；纳米医学纳米结构药物；微机器人化学和材料纳米催化剂；纳米陶瓷；新能源电池；氢燃料安全储存；制造业精细加工；小型机器飞机和汽车不需要清洗的油漆；不连续性塑料；太空轻型飞机；环境保护纳米薄膜；纳米存储器开关阶梯碳纳米管绳阶梯，梯子建设(90年代提出):同步卫星将碳纳米管制成的绳子放在地球上。升降机将沿着这条绳子上升。集成电路，用于制造具有很多凹槽的大规模集成电路的芯片，此图清楚地显示了沟槽的深度和方向。第二节新能源技

15、术，本节的目的和要求：了解和掌握能源的概念和分类；理解当今世界人类面临的能源问题。了解和掌握新能源技术。人类能源利用三个时期，柴火时间从人类开始，到18世纪中期。煤炭时期从18世纪中期交叉到18世纪，19世纪。石油时代从18世纪到19世纪到现在。能源问题、煤炭石油作为能源面临的三个问题：有限储量；浪费化学原料。燃烧污染环境。能源消耗，2004年世界石油消耗为8075万7千桶/日，仅用了40年。2004年世界煤炭消费量为1523万吨/日，用于采矿和使用的年数为162年左右。第一，能源及其分类，第一，能源是人类用来获取能源的自然资源。2、能量的分类取决于来源，取决于三种类型的形成条件。根据两种类型

16、的可重用性，分两类，第二类，新能源技术，核能；太阳能；地热能源；风能海洋能源；生物能源氢能。(a)原子力、原子力、原子力源于原子力结合发生变化时释放的能量。因此也称为核能。人们依靠中核裂变的方法，像核发电一样，制造原子反应堆和原子弹，就是利用核裂变制造巨大的能量，制造高温高压的蒸汽或气体，驱动发电机组。人们用轻核聚变制造了氢弹，可控制的核聚变炉正在开发中。减少核能优势，减少对化石燃料的依赖。产生巨大的能量。只要少量原料。铀储量可以充分长期使用。运营成本低(约三分之一的火力发电)。生产电力时不引起大气污染。原子能的缺点，核电站爆炸的话，会释放出巨大的辐射。切尔诺贝利核电站大爆炸造成近万人死亡，1

17、0万人作为核发射商，直接经济损失数十亿美元，间接经济损失数千亿美元，100多年来，该损失被誉为世界上最大的核事故。切尔诺贝利核事故不仅给前苏联造成了严重的后果，还给国际对外贸易、国际旅游造成了不可估量的损失。一些专家认为，苏联会有2万5000人死于核污染的癌症，这场灾难会随着时间的推移逐渐显露出来。1，核能特性，定义：核能也称为核能。核结构变化时释放的能量(核裂变、核聚变)。核能比化石燃料燃烧所释放的能量大得多。1公斤铀235=1800t石油或2800t标准煤。原子弹爆炸情景，原子弹和氢弹照片，是指中国第一次成功氢弹爆炸的蘑菇云，2，核裂变反应，将一个中核分裂为两个轻型原子核的过程；裂变燃料，是用于进行裂变反应和持续释放能量的物质。铀=铀238(99.28%)铀235(0.714%)铀23