材料與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展

1、1材料與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展材料與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展2前言前言一、材料在人類社會(huì)發(fā)展中的作用一、材料在人類社會(huì)發(fā)展中的作用 二、材料在開發(fā)過程中所遇到的問題及對(duì)策二、材料在開發(fā)過程中所遇到的問題及對(duì)策三、為了可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前材料科學(xué)技術(shù)應(yīng)重視三、為了可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前材料科學(xué)技術(shù)應(yīng)重視 的幾個(gè)環(huán)節(jié)的幾個(gè)環(huán)節(jié)結(jié)語結(jié)語 報(bào)告內(nèi)容：報(bào)告內(nèi)容：3前言：前言： 當(dāng)前最關(guān)注的三大問題：資源、能源與環(huán)境都與材料有當(dāng)前最關(guān)注的三大問題：資源、能源與環(huán)境都與材料有密切關(guān)系。密切關(guān)系。 材料是人類社會(huì)進(jìn)步和人民生活水平提高不可或缺的物材料是人類社會(huì)進(jìn)步和人民生活水平提高不可或缺的物質(zhì)基礎(chǔ)。生產(chǎn)材料是消耗資源與能源的大戶，也是

2、造成環(huán)質(zhì)基礎(chǔ)。生產(chǎn)材料是消耗資源與能源的大戶，也是造成環(huán)境污染的主要源頭，但是材料又是開發(fā)能源和治理環(huán)境污境污染的主要源頭，但是材料又是開發(fā)能源和治理環(huán)境污染的重要保障。染的重要保障。 土木工程在社會(huì)發(fā)展中十分重要，土木工程在社會(huì)發(fā)展中十分重要，2004年年gdp13萬億元，萬億元，51.3%為全社會(huì)固定資產(chǎn)投資拉動(dòng)的，其中為全社會(huì)固定資產(chǎn)投資拉動(dòng)的，其中6065是土是土木工程。木工程。4一、材料在人類社會(huì)發(fā)展中的作用一、材料在人類社會(huì)發(fā)展中的作用1、以材料劃分人類發(fā)展的歷程、以材料劃分人類發(fā)展的歷程青銅時(shí)代青銅時(shí)代石器時(shí)代石器時(shí)代鐵器時(shí)代鐵器時(shí)代電子材料電子材料時(shí)代時(shí)代(si)中國中國中東中

3、東歐美歐美9000700060005000400030002000100050005001000150018001900195019902000公元前公元前公元公元 材料與文明材料與文明52、以鋼鐵為主要標(biāo)志的工業(yè)革命、以鋼鐵為主要標(biāo)志的工業(yè)革命(英國英國)1733年發(fā)明了飛梭促進(jìn)了紡織工業(yè)大發(fā)展；年發(fā)明了飛梭促進(jìn)了紡織工業(yè)大發(fā)展；1735年焦碳煉鐵；年焦碳煉鐵；1750年坩堝煉鋼；年坩堝煉鋼；1760年鼓風(fēng)機(jī)年鼓風(fēng)機(jī)(加速煉鐵、煉鋼加速煉鐵、煉鋼)；1765年蒸汽機(jī)；年蒸汽機(jī)；1785年蒸汽機(jī)船；年蒸汽機(jī)船；1796年蒸汽機(jī)車；年蒸汽機(jī)車；1856年轉(zhuǎn)爐煉鋼；年轉(zhuǎn)爐煉鋼；1864年平爐煉鋼；

4、年平爐煉鋼；18681914年各種合金鋼出現(xiàn)；年各種合金鋼出現(xiàn)；6 中國中國3.5億噸億噸 自自1870年以來世界粗鋼的產(chǎn)量發(fā)展報(bào)告年以來世界粗鋼的產(chǎn)量發(fā)展報(bào)告73、材料在人類社會(huì)現(xiàn)代化過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用、材料在人類社會(huì)現(xiàn)代化過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用人類社會(huì)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志：人類社會(huì)現(xiàn)代化的主要標(biāo)志：工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)電氣化和自動(dòng)化，勞動(dòng)生產(chǎn)率大幅度提高；工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)電氣化和自動(dòng)化，勞動(dòng)生產(chǎn)率大幅度提高；人類活動(dòng)的全球化和立體化；人類活動(dòng)的全球化和立體化；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)則是依靠科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，逐步從以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)則是依靠科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，逐步從以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ) 的農(nóng)業(yè)改造為以科學(xué)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)。的農(nóng)業(yè)改造

5、為以科學(xué)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)。8 為實(shí)現(xiàn)交通的立體化，就需要高性能的飛機(jī)，為實(shí)現(xiàn)交通的立體化，就需要高性能的飛機(jī)，一般一般來說：飛機(jī)性能的提高，來說：飛機(jī)性能的提高，2/3靠材料?？坎牧稀?材料對(duì)飛機(jī)性能的提高所處地位材料對(duì)飛機(jī)性能的提高所處地位42%299 航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的依賴程度更高，達(dá)到航空發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料的依賴程度更高，達(dá)到80以上，除高比以上，除高比強(qiáng)度和高比剛度，還要求耐高溫、抗疲勞、抗氧化和腐蝕能力。強(qiáng)度和高比剛度，還要求耐高溫、抗疲勞、抗氧化和腐蝕能力。 噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)起源于上世紀(jì)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)起源于上世紀(jì)40年代初，當(dāng)時(shí)的工作溫度在年代初，當(dāng)時(shí)的工作溫度在700左右，而今民用機(jī)接近左右，而今民

6、用機(jī)接近1500，而軍用機(jī)在，而軍用機(jī)在2000左右。左右。這就要求發(fā)展耐高溫材料這就要求發(fā)展耐高溫材料(高溫合金高溫合金)。 高溫合金的發(fā)展，先是鍛造鐵基或鎳基合金，高溫合金的發(fā)展，先是鍛造鐵基或鎳基合金，1958年采年采用鑄造，以提高合金元素含量，而后又定向凝固用鑄造，以提高合金元素含量，而后又定向凝固(1965)、單晶、單晶(1970)，以消除晶界在高溫下強(qiáng)度變低的影響；為了減少偏析，以消除晶界在高溫下強(qiáng)度變低的影響；為了減少偏析，有些大件有些大件(如渦輪盤如渦輪盤)采用粉末冶金，這些材料再加冷卻技術(shù)，采用粉末冶金，這些材料再加冷卻技術(shù)，基本滿足了要求?；緷M足了要求。10 從民航機(jī)的發(fā)

7、展歷程，說明每座從民航機(jī)的發(fā)展歷程，說明每座哩油耗逐年下降的情況，哩油耗逐年下降的情況，這一方面是設(shè)計(jì)與機(jī)型的擴(kuò)大所致，另一方面是材料不斷改這一方面是設(shè)計(jì)與機(jī)型的擴(kuò)大所致，另一方面是材料不斷改進(jìn)的結(jié)果，進(jìn)的結(jié)果，pwa客機(jī)每減重客機(jī)每減重1kg，多贏利，多贏利$104。 歷代民機(jī)座歷代民機(jī)座哩的油耗哩的油耗燃油效率燃油效率 (每座每座哩哩/加侖加侖)初始服役年份初始服役年份客機(jī)從波音客機(jī)從波音707到到747，30年間年間每座每座哩的油耗降低了哩的油耗降低了2.5倍倍2.5倍倍11 科學(xué)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)也是決定性的?？茖W(xué)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)也是決定性的。 利用鋨作為催化劑，哈伯利用鋨作為催化劑，哈

8、伯(haber)于于1909年合成了氨作為年合成了氨作為肥料，肥料，1940年發(fā)明的除草劑，及采取灌溉、農(nóng)膜育苗及機(jī)械年發(fā)明的除草劑，及采取灌溉、農(nóng)膜育苗及機(jī)械化作業(yè)等措施，可使糧食大幅度增產(chǎn)?；鳂I(yè)等措施，可使糧食大幅度增產(chǎn)。 中國歷年糧食單產(chǎn)增加情況中國歷年糧食單產(chǎn)增加情況年度年度畝產(chǎn)畝產(chǎn)(斤斤)1949137195217619783371983453q目前，再加育種技術(shù)，畝產(chǎn)噸級(jí)以上，但是化肥用量過大，目前，再加育種技術(shù)，畝產(chǎn)噸級(jí)以上，但是化肥用量過大， 我國占世界我國占世界7的耕地用了的耕地用了1/3化肥，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。化肥，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。124、材料將人類社會(huì)帶入

9、了信息時(shí)代、材料將人類社會(huì)帶入了信息時(shí)代19581998晶片直徑晶片直徑特征線寬特征線寬2一個(gè)半導(dǎo)體晶體管價(jià)格一個(gè)半導(dǎo)體晶體管價(jià)格 芯片發(fā)展歷程芯片發(fā)展歷程13 此外，光傳播、光存儲(chǔ)的發(fā)展速度更快，也都是材料不斷進(jìn)此外，光傳播、光存儲(chǔ)的發(fā)展速度更快，也都是材料不斷進(jìn)步的結(jié)果。步的結(jié)果。 目前，硅半導(dǎo)體占目前，硅半導(dǎo)體占95，隨著頻率和性能的提高，化合物半，隨著頻率和性能的提高，化合物半導(dǎo)體導(dǎo)體gaas、inp、gan等成為第二代半導(dǎo)體材料，第三代將是等成為第二代半導(dǎo)體材料，第三代將是sic、金剛石等。、金剛石等。自工業(yè)革命后，人類社會(huì)的進(jìn)步主要自工業(yè)革命后，人類社會(huì)的進(jìn)步主要是材料推動(dòng)的結(jié)果！

10、是材料推動(dòng)的結(jié)果！14二、材料在開發(fā)過程中所遇到的問題及對(duì)策二、材料在開發(fā)過程中所遇到的問題及對(duì)策資源能資源能源源材料廢材料廢物物科學(xué)科學(xué)工程技術(shù)工程技術(shù)應(yīng)用應(yīng)用廢品廢品污染物污染物循環(huán)經(jīng)濟(jì)循環(huán)經(jīng)濟(jì)(4r)reduce reuse recycle remanufacture 環(huán)境環(huán)境15全球重要金屬礦儲(chǔ)量及可采年限全球重要金屬礦儲(chǔ)量及可采年限礦物礦物單位單位儲(chǔ)量?jī)?chǔ)量可開采年限可開采年限中國排位中國排位fe礦石礦石(109t)153.41715mn金屬金屬(106t)907.2975cr富礦富礦(cr2o335-45%) (106t)105710613ni金屬金屬(106t)52.6685w金屬

11、金屬(106t)2.8601mo金屬金屬(106t)5.44552v金屬金屬(106t)4.351351cu金屬金屬(106t)340407zn金屬金屬(106t)170261al鋁礬土鋁礬土(109t)212387ti金屬金屬(106t)15511pt金屬金屬(103t)31.11356q 資源資源金屬材料有資源枯竭問題金屬材料有資源枯竭問題16 可以看出，目前已探明的金屬礦床，多者可用不足可以看出，目前已探明的金屬礦床，多者可用不足200年，年，少者僅少者僅2030年，可能解決的途徑有以下幾個(gè)方面：年，可能解決的途徑有以下幾個(gè)方面：1、加強(qiáng)對(duì)地球資源深度勘探和采掘、加強(qiáng)對(duì)地球資源深度勘探和

12、采掘 地球構(gòu)造剖面圖地球構(gòu)造剖面圖17 世界資源大國，多數(shù)礦山開發(fā)深度已達(dá)到世界資源大國，多數(shù)礦山開發(fā)深度已達(dá)到1000米以上，有米以上，有的達(dá)的達(dá)4000米，我國只有幾百米。特別隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，探米，我國只有幾百米。特別隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，探明儲(chǔ)量可大幅度增加，但不可再生的資源，總有枯竭的一天。明儲(chǔ)量可大幅度增加，但不可再生的資源，總有枯竭的一天。182、向海洋要金屬、向海洋要金屬 經(jīng)過億萬年經(jīng)過億萬年的地球表面的風(fēng)的地球表面的風(fēng)化和雨水沖刷，化和雨水沖刷，海水溶解各種金海水溶解各種金屬，有的濃度很屬，有的濃度很高，如高，如mg(1536g/m3)，li(0.192g/m3)等。等。金屬

13、金屬單位單位(噸噸/立方英里立方英里)總含量總含量(噸噸)mg6,400,0002.11015sr38,000121012li800260 109zn4716 109fe4716 109al4716 109mo4716 109sn145 109cu145 109u145 109ni93 109v93 109ti51.5 109sb2800 106ag1500 106w0.5150 106au0.026 106a：海水中溶解金屬含量：海水中溶解金屬含量19海底錳瘤總量海底錳瘤總量31012噸，其成分：噸，其成分：mn:7.9-50.1% fe:2.4-26.6% co:0.01-2.3% ni:

14、0.16-2.0% cu:0.03-1.6% pb:0.02-0.36%b：錳瘤：錳瘤20 20世紀(jì)初，有機(jī)合成材料的出現(xiàn)也是人類社會(huì)現(xiàn)代化重要標(biāo)志之一。世紀(jì)初，有機(jī)合成材料的出現(xiàn)也是人類社會(huì)現(xiàn)代化重要標(biāo)志之一。1975年年按體積計(jì)算，世界合成樹脂產(chǎn)量與粗鋼體積比達(dá)按體積計(jì)算，世界合成樹脂產(chǎn)量與粗鋼體積比達(dá)1.18:1，美、德分別達(dá)，美、德分別達(dá)2.85:1和和1.94:1。 對(duì)合成有機(jī)材料來說，目前以石油為主要原料，正在研究以天然氣或煤為對(duì)合成有機(jī)材料來說，目前以石油為主要原料，正在研究以天然氣或煤為原料的流程，但是從全世界范圍來看，它們可供開采的年限有限原料的流程，但是從全世界范圍來看，它

15、們可供開采的年限有限(石油石油40年，天年，天然氣然氣62年，煤年，煤225年年) 。當(dāng)然，近年來對(duì)甲烷水化物頗受重視，其儲(chǔ)量可超過現(xiàn)有。當(dāng)然，近年來對(duì)甲烷水化物頗受重視，其儲(chǔ)量可超過現(xiàn)有化石燃料資源的總和，但距實(shí)用化還很遠(yuǎn)，而且化石燃料資源的總和，但距實(shí)用化還很遠(yuǎn)，而且ch4和燃燒產(chǎn)物和燃燒產(chǎn)物co2都加劇溫室都加劇溫室效應(yīng)。效應(yīng)。 一個(gè)可行的有機(jī)物來源是通過光合作用，在地球上產(chǎn)生綠色植物和海藻類，一個(gè)可行的有機(jī)物來源是通過光合作用，在地球上產(chǎn)生綠色植物和海藻類，每年可貯存每年可貯存61017kcal，合成有機(jī)物約，合成有機(jī)物約2200億噸，相當(dāng)于人類當(dāng)前每年全部能耗億噸，相當(dāng)于人類當(dāng)前每年

16、全部能耗的的10倍；生物質(zhì)能是固定倍；生物質(zhì)能是固定co2的產(chǎn)物，每產(chǎn)一噸生物質(zhì)能，可減少相當(dāng)于化石能的產(chǎn)物，每產(chǎn)一噸生物質(zhì)能，可減少相當(dāng)于化石能源源2噸溫室氣體的排放。噸溫室氣體的排放。有機(jī)材料有機(jī)材料21 有些無機(jī)非金屬資源也是有限的，如水泥所需原料在中國僅供有些無機(jī)非金屬資源也是有限的，如水泥所需原料在中國僅供30-40年之用，因此開發(fā)新型建材也是當(dāng)務(wù)之急。至于工程陶瓷如年之用，因此開發(fā)新型建材也是當(dāng)務(wù)之急。至于工程陶瓷如si3n4、sic等，資源豐富，但需提高韌性，降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用。等，資源豐富，但需提高韌性，降低成本，擴(kuò)大應(yīng)用。近年來巖石的用途不斷擴(kuò)大，如玄武巖、蒙脫土等，為材料的

17、開近年來巖石的用途不斷擴(kuò)大，如玄武巖、蒙脫土等，為材料的開發(fā)開辟了途徑。發(fā)開辟了途徑。無機(jī)非金屬材料無機(jī)非金屬材料22能源形勢(shì)：能源形勢(shì)： undp估計(jì)的能源兩種可能的變化估計(jì)的能源兩種可能的變化 現(xiàn)代能源主要出自化石能源現(xiàn)代能源主要出自化石能源(80%)，一直到本世紀(jì)中葉，一直到本世紀(jì)中葉，化石能源仍占主導(dǎo)地位，因此提高燃燒效率，減少污染仍為化石能源仍占主導(dǎo)地位，因此提高燃燒效率，減少污染仍為最主要課題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看最主要課題。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看undp估計(jì)到本世紀(jì)末有兩個(gè)可能結(jié)估計(jì)到本世紀(jì)末有兩個(gè)可能結(jié)構(gòu)變化。構(gòu)變化。q 能源能源23氫能氫能氫有三個(gè)問題需要解決：氫有三個(gè)問題需要解決：氫源氫源：電解水，

18、熱化工轉(zhuǎn)化：電解水，熱化工轉(zhuǎn)化 細(xì)菌分解水等細(xì)菌分解水等儲(chǔ)氫與氫的運(yùn)輸儲(chǔ)氫與氫的運(yùn)輸不同儲(chǔ)氫材料能量密度與汽油的對(duì)比不同儲(chǔ)氫材料能量密度與汽油的對(duì)比 不同儲(chǔ)氫材料的能量密度不同儲(chǔ)氫材料的能量密度最近美國研制出最近美國研制出鋰鋰硼氫化物硼氫化物有可能滿有可能滿足要求足要求24燃料電池燃料電池：效率高，無污染，用于汽車，但：效率高，無污染，用于汽車，但質(zhì)子交換膜與催化劑太貴，目前為質(zhì)子交換膜與催化劑太貴，目前為$125/kw，內(nèi)燃機(jī)為內(nèi)燃機(jī)為$30/kw。今后可能會(huì)便宜，因無轉(zhuǎn)動(dòng)。今后可能會(huì)便宜，因無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，構(gòu)造簡(jiǎn)單。但可用于電網(wǎng)的大型裝置，部件，構(gòu)造簡(jiǎn)單。但可用于電網(wǎng)的大型裝置，還有不少問題。

19、還有不少問題。25太陽能太陽能 輻射于地面的太陽能輻射于地面的太陽能1萬倍于目前人類所需能源，取之不萬倍于目前人類所需能源，取之不盡，用之不竭。但密度低盡，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和氣候影響大。，受地域和氣候影響大。 太陽能可分為光伏能和太陽爐，光電轉(zhuǎn)換效率不高！太陽能可分為光伏能和太陽爐，光電轉(zhuǎn)換效率不高！材料類型材料類型材料材料轉(zhuǎn)化效率轉(zhuǎn)化效率%硅硅多晶多晶912非晶（膜）非晶（膜）69單晶單晶20化合物半導(dǎo)化合物半導(dǎo)體體gaas（晶）（晶）1830cds，cdte（膜）（膜）1012cuinse2（膜）（膜）1012敏化納米染料薄膜（大面積）敏化納米染料薄膜（大面積）5

20、幾種成熟和正開發(fā)的光伏轉(zhuǎn)換材料幾種成熟和正開發(fā)的光伏轉(zhuǎn)換材料最近美國加最近美國加州大學(xué)開發(fā)州大學(xué)開發(fā)出多波段半出多波段半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料，其換材料，其轉(zhuǎn)換率高達(dá)轉(zhuǎn)換率高達(dá)37%26 光伏轉(zhuǎn)換電能價(jià)高，約光伏轉(zhuǎn)換電能價(jià)高，約1010倍于火電。倍于火電。 另外一種是用聚焦技術(shù)的太陽加熱爐，用以加另外一種是用聚焦技術(shù)的太陽加熱爐，用以加熱水或氣體來發(fā)電，其電價(jià)每度熱水或氣體來發(fā)電，其電價(jià)每度5 51313美分，接近美分，接近火力發(fā)電?；鹆Πl(fā)電。 還有民用太陽熱能的直接利用，對(duì)中國廣大農(nóng)還有民用太陽熱能的直接利用，對(duì)中國廣大農(nóng)村來說更為實(shí)用。村來說更為實(shí)用。27 包括太陽能在內(nèi)，包括太陽能在

21、內(nèi)，水電、風(fēng)能和生物水電、風(fēng)能和生物質(zhì)能等可以并稱為質(zhì)能等可以并稱為可再生能源?？稍偕茉?。可再生能源可再生能源資源資源世界世界中國中國太陽能太陽能陸地每年接受能量相當(dāng)于標(biāo)煤陸地每年接受能量相當(dāng)于標(biāo)煤1.3106億噸億噸2.4104億噸億噸水能水能(萬億千瓦時(shí)萬億千瓦時(shí))技術(shù)可開發(fā)技術(shù)可開發(fā)經(jīng)濟(jì)可開發(fā)經(jīng)濟(jì)可開發(fā)13.944.962.221.27生物質(zhì)能生物質(zhì)能(億噸標(biāo)煤億噸標(biāo)煤)657風(fēng)能風(fēng)能(億千瓦億千瓦)技術(shù)可開發(fā)技術(shù)可開發(fā)96陸上陸上2.5，近海，近海7.5地?zé)岬責(zé)?億噸標(biāo)煤億噸標(biāo)煤)總資源量總資源量技術(shù)可開發(fā)技術(shù)可開發(fā)1400500110潮汐能潮汐能(億千瓦億千瓦)理論資源量理論資源量

22、技術(shù)資源量技術(shù)資源量766641.89世界和中國可再生能源資源狀況28世界光伏電能、風(fēng)能、生物質(zhì)能世界光伏電能、風(fēng)能、生物質(zhì)能(酒精酒精)的發(fā)展趨勢(shì)的發(fā)展趨勢(shì)世界電能分布世界電能分布光伏電能光伏電能風(fēng)能風(fēng)能生物質(zhì)能生物質(zhì)能29中國生物質(zhì)能有更大的發(fā)展前景：中國生物質(zhì)能有更大的發(fā)展前景：1、中國秸稈、中國秸稈7億噸億噸/每年每年2、高產(chǎn)作物，如玉米、薯類、速生林等、高產(chǎn)作物，如玉米、薯類、速生林等3、鄉(xiāng)鎮(zhèn)大力發(fā)展沼氣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)大力發(fā)展沼氣4、沙漠地區(qū)的改造：蒙脫土生根劑、沙漠地區(qū)的改造：蒙脫土生根劑(保水植木保水植木)若爾蓋若爾蓋(長(zhǎng)征水草地長(zhǎng)征水草地)采用治沙技術(shù)的效果采用治沙技術(shù)的效果30中國可

23、能采取固沙措施的地區(qū)中國可能采取固沙措施的地區(qū)31核能核能核能仍是重要能源，也是未來能源希望之所在。核能仍是重要能源，也是未來能源希望之所在。壓水堆、輕水堆及快中子堆：壓水堆、輕水堆及快中子堆：1、無、無co2排放排放2、安全性正在提高、安全性正在提高3、資源豐富、資源豐富 全世界產(chǎn)生裂變能的原料全世界產(chǎn)生裂變能的原料u和和th的資源儲(chǔ)量分別為的資源儲(chǔ)量分別為330萬噸和萬噸和400600萬萬噸，可提供噸，可提供600zj(1zj=1021j)能量，是目前世界能源年需求量的能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我國倍。我國鈾儲(chǔ)量不夠豐富，但釷的儲(chǔ)量?jī)H次于印度，看來核裂變能仍不失為今后的重要

24、鈾儲(chǔ)量不夠豐富，但釷的儲(chǔ)量?jī)H次于印度，看來核裂變能仍不失為今后的重要能源。能源。4、海水中有、海水中有40萬億噸氘萬億噸氘(一升海水中氘的聚變能相當(dāng)于一升海水中氘的聚變能相當(dāng)于300升汽升汽油油)，稱作永恒能源，但難度太大，物理證明可行，工程問題難解，稱作永恒能源，但難度太大，物理證明可行，工程問題難解決決(耐高溫、高通量中子輻射材料耐高溫、高通量中子輻射材料)，預(yù)計(jì)，預(yù)計(jì)50100年后實(shí)現(xiàn)，目前年后實(shí)現(xiàn)，目前已組織國際合作。已組織國際合作。32 2002年美國工程院在討論工程前沿時(shí)，盛贊核能。在美國建年美國工程院在討論工程前沿時(shí)，盛贊核能。在美國建一個(gè)一個(gè)100萬千瓦核電廠的核燃料費(fèi)每年萬千

25、瓦核電廠的核燃料費(fèi)每年4000萬美元，而同規(guī)模煤萬美元，而同規(guī)模煤電廠為電廠為1.1億美元，天然氣億美元，天然氣2.2億美元，電廠每度電成本分別為億美元，電廠每度電成本分別為1.83、2.07及及3.52美分，但建設(shè)成本遠(yuǎn)高于天然氣，每千瓦分別美分，但建設(shè)成本遠(yuǎn)高于天然氣，每千瓦分別為為1500和和500美元。美元。33 材料在制備過程中的污染是另一個(gè)嚴(yán)重問題。如材料在制備過程中的污染是另一個(gè)嚴(yán)重問題。如2004年我國年我國水泥產(chǎn)量約水泥產(chǎn)量約10億噸，排放億噸，排放8億噸億噸co2，80萬噸萬噸so2，160萬噸萬噸nox和和800萬噸粉塵，還有大量污水。此外，一噸鋼出萬噸粉塵，還有大量污水

26、。此外，一噸鋼出2噸噸co2，煉焦，煉焦和有色金屬冶煉排放更多的和有色金屬冶煉排放更多的so2、固體廢渣、粉煤灰、煤矸石、固體廢渣、粉煤灰、煤矸石、尾礦等，每年都以億噸計(jì)，累計(jì)起來已有百億噸，占地面積幾百尾礦等，每年都以億噸計(jì)，累計(jì)起來已有百億噸，占地面積幾百萬畝。固體廢渣目前在水泥工業(yè)用量很大，萬畝。固體廢渣目前在水泥工業(yè)用量很大，so2一般可回收制硫一般可回收制硫酸，當(dāng)前人們最關(guān)心的是酸，當(dāng)前人們最關(guān)心的是co2，因?yàn)樗窃斐蓽厥倚?yīng)的禍?zhǔn)住?，因?yàn)樗窃斐蓽厥倚?yīng)的禍?zhǔn)住 環(huán)境污染環(huán)境污染34溫室氣體溫室氣體co2ch4n2ocfco3工業(yè)革命前濃度工業(yè)革命前濃度(10-9) 280,0

27、00790288010當(dāng)前濃度當(dāng)前濃度(10-9)353,00017203100.2820-40當(dāng)前年增長(zhǎng)率當(dāng)前年增長(zhǎng)率(%)0.50.90.340.2-0.5在大氣中壽命在大氣中壽命(年年)50-2001015060-100數(shù)周到數(shù)月數(shù)周到數(shù)月對(duì)溫室效應(yīng)相對(duì)貢獻(xiàn)對(duì)溫室效應(yīng)相對(duì)貢獻(xiàn)(%)60155128幾種溫室氣體幾種溫室氣體35 該圖為包括中國在內(nèi)的幾個(gè)國家和地區(qū)不同年代該圖為包括中國在內(nèi)的幾個(gè)國家和地區(qū)不同年代co2排排放量的預(yù)測(cè)。放量的預(yù)測(cè)。from “interdisciplinary science reviews”, vol26, no4, 2001,p25436 由于溫室氣體不斷

28、增加，到本世紀(jì)末溫升由于溫室氣體不斷增加，到本世紀(jì)末溫升2.5c(冰河期冰河期與目前溫差與目前溫差56c)，人居環(huán)境災(zāi)難頻發(fā)，陸地縮小。，人居環(huán)境災(zāi)難頻發(fā)，陸地縮小。解決辦法：解決辦法：減少化石能源利用減少化石能源利用地球綠化面積擴(kuò)大地球綠化面積擴(kuò)大co2泵入地下泵入地下(廢礦井、含砂層、頁巖廢礦井、含砂層、頁巖)，一座，一座100萬千瓦電廠萬千瓦電廠 10年內(nèi)可貯存年內(nèi)可貯存6000萬噸萬噸co2通過催化劑與生物工程通過催化劑與生物工程co2h2o 糧食糧食37三、三、為了可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前材料科學(xué)技術(shù)應(yīng)為了可持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前材料科學(xué)技術(shù)應(yīng) 重視的幾個(gè)環(huán)節(jié)重視的幾個(gè)環(huán)節(jié)1、自然資源的有效利用、自

29、然資源的有效利用2、傳統(tǒng)材料的升級(jí)換代、傳統(tǒng)材料的升級(jí)換代3、開發(fā)資源豐富的新材料體系、開發(fā)資源豐富的新材料體系4、現(xiàn)有材料性能的提高與新材料的開發(fā)、現(xiàn)有材料性能的提高與新材料的開發(fā)5、環(huán)境材料是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分、環(huán)境材料是循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要組成部分38q從礦石到金屬要經(jīng)過幾道工序從礦石到金屬要經(jīng)過幾道工序采礦采礦鑄錠、軋制鑄錠、軋制選礦選礦提取提取精煉精煉每一工序金屬的回收率不等，如采礦一般每一工序金屬的回收率不等，如采礦一般7095，選礦，選礦5085q礦石的綜合利用：我國多復(fù)合礦，以包頭、礦石的綜合利用：我國多復(fù)合礦，以包頭、 攀枝花為例攀枝花為例q亂采亂挖，不但回采率低，而且破壞了礦

30、亂采亂挖，不但回采率低，而且破壞了礦 區(qū)，以鎢為例區(qū)，以鎢為例39 傳統(tǒng)材料量大面廣，資源消耗多，是重要污染傳統(tǒng)材料量大面廣，資源消耗多，是重要污染源，性能的提高與工藝的改進(jìn)影響大，傳統(tǒng)材料升源，性能的提高與工藝的改進(jìn)影響大，傳統(tǒng)材料升級(jí)的潛力很大，如超級(jí)鋼級(jí)的潛力很大，如超級(jí)鋼(973)，通過晶粒細(xì)化或納，通過晶粒細(xì)化或納米顆粒強(qiáng)化，可使鋼的強(qiáng)度大幅度提高，如：米顆粒強(qiáng)化，可使鋼的強(qiáng)度大幅度提高，如： 碳鋼碳鋼200400mpa 低合金鋼低合金鋼400 800mpa 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼800 1500mpa 現(xiàn)已在大鋼廠生產(chǎn)數(shù)百萬噸，并用于汽車制造現(xiàn)已在大鋼廠生產(chǎn)數(shù)百萬噸，并用于汽車制造和

31、建筑業(yè)。建筑業(yè)推廣要改規(guī)范。和建筑業(yè)。建筑業(yè)推廣要改規(guī)范。40中國的原鎂產(chǎn)量及出口量中國的原鎂產(chǎn)量及出口量鎂鎂(mg2.3%)是地是地殼表層含量?jī)H次于殼表層含量?jī)H次于al(8%)、fe(5.8%)，占第三位的金屬元占第三位的金屬元素素,特別在海水中有特別在海水中有2.11015噸噸(1.3g/l)，其性質(zhì)與鋁相近，其性質(zhì)與鋁相近，但強(qiáng)度需進(jìn)一步提但強(qiáng)度需進(jìn)一步提高，抗蝕性差，且高，抗蝕性差，且加工困難，有待開加工困難，有待開展基礎(chǔ)研究。展基礎(chǔ)研究。41 通向月球的碳納米管天梯想象圖通向月球的碳納米管天梯想象圖碳系材料：自然間是碳循環(huán)；碳系材料：自然間是碳循環(huán)； 資源豐富資源豐富q同素異型：從柔

32、軟墊圈到同素異型：從柔軟墊圈到 最硬金剛石最硬金剛石q碳纖維：耐高溫碳纖維：耐高溫2500c，高強(qiáng)、高模量高強(qiáng)、高模量qc60、納米碳管，比強(qiáng)度、納米碳管，比強(qiáng)度100倍于高強(qiáng)鋼倍于高強(qiáng)鋼42工程陶瓷工程陶瓷(si3n4、sic)，性能優(yōu)越，資源豐富，性能優(yōu)越，資源豐富性脆，價(jià)高性脆，價(jià)高合成有機(jī)高分子材料：原料可再生、分子設(shè)計(jì)、正在合成有機(jī)高分子材料：原料可再生、分子設(shè)計(jì)、正在向功能材料發(fā)展向功能材料發(fā)展天然無機(jī)非金屬材料：玄武巖、蒙脫土等天然無機(jī)非金屬材料：玄武巖、蒙脫土等43 現(xiàn)有材料性能的提高潛力很大，因?yàn)槟壳安牧系膶?shí)際現(xiàn)有材料性能的提高潛力很大，因?yàn)槟壳安牧系膶?shí)際強(qiáng)度只有理論強(qiáng)度的強(qiáng)

33、度只有理論強(qiáng)度的1乃至乃至1，如碳纖維理論強(qiáng)度為，如碳纖維理論強(qiáng)度為1800gpa，而目前最高只達(dá)到，而目前最高只達(dá)到7.02gpa(t1000)，問題在于，問題在于基礎(chǔ)研究與新工藝的開發(fā)?；A(chǔ)研究與新工藝的開發(fā)。 新材料涉及面更廣，最重要的是信息功能材料、新能新材料涉及面更廣，最重要的是信息功能材料、新能源材料源材料(含節(jié)能技術(shù)含節(jié)能技術(shù))、高性能結(jié)構(gòu)材料、生物醫(yī)用、仿生、高性能結(jié)構(gòu)材料、生物醫(yī)用、仿生及智能材料的探索。及智能材料的探索。44信息材料：硅做為主要信息材料，可能延續(xù)到信息材料：硅做為主要信息材料，可能延續(xù)到2020年，年，但芯片制造難度大，隨特征線寬的縮小而投入劇增，如但芯片制

34、造難度大，隨特征線寬的縮小而投入劇增，如1995年建生產(chǎn)線為年建生產(chǎn)線為$10億，只占年銷量的億，只占年銷量的1%，而到，而到2010年達(dá)到年達(dá)到$500億，約占年銷量的億，約占年銷量的10%，因而必須另辟蹊徑，因而必須另辟蹊徑，如：量子計(jì)算、有機(jī)電子、光電子、生物電子以及如：量子計(jì)算、有機(jī)電子、光電子、生物電子以及nems和和mems等。等。除芯片材料外，還有更多的功能材料是除芯片材料外，還有更多的功能材料是21世紀(jì)世紀(jì)研發(fā)重點(diǎn)，以適應(yīng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的需求。研發(fā)重點(diǎn)，以適應(yīng)知識(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的需求。45 節(jié)能是當(dāng)前我國走出能源困境的重要途徑。節(jié)能是當(dāng)前我國走出能源困境的重要途徑。 我國能源利用率很低

35、，每噸標(biāo)煤產(chǎn)出只相當(dāng)于美國我國能源利用率很低，每噸標(biāo)煤產(chǎn)出只相當(dāng)于美國28.6%，歐盟，歐盟16.8%，日本，日本10.3%，這一方面與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有，這一方面與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)有關(guān)，能源的浪費(fèi)也是主要的，下表為幾種高能耗產(chǎn)品國內(nèi)關(guān)，能源的浪費(fèi)也是主要的，下表為幾種高能耗產(chǎn)品國內(nèi)與國際先進(jìn)水平的對(duì)比，差距很大。與國際先進(jìn)水平的對(duì)比，差距很大。 幾種高能耗產(chǎn)品國內(nèi)外能耗對(duì)比幾種高能耗產(chǎn)品國內(nèi)外能耗對(duì)比(2000年年)單位單位國內(nèi)水平國內(nèi)水平國際先進(jìn)水平國際先進(jìn)水平節(jié)能空間節(jié)能空間(%)火力發(fā)電火力發(fā)電 克克(標(biāo)煤標(biāo)煤/kwh)39231719.1鋼鋼千克標(biāo)煤千克標(biāo)煤/噸噸78162919.5水泥水泥千克標(biāo)煤

36、千克標(biāo)煤/噸噸181.3124.631.346當(dāng)前節(jié)能熱點(diǎn)之一是開發(fā)半導(dǎo)體照明技術(shù)當(dāng)前節(jié)能熱點(diǎn)之一是開發(fā)半導(dǎo)體照明技術(shù)，電耗僅為傳統(tǒng)照電耗僅為傳統(tǒng)照明明1/10，壽命幾萬小時(shí)，當(dāng)前我國照明用電占總電量的，壽命幾萬小時(shí)，當(dāng)前我國照明用電占總電量的12，如果有如果有1/3改為半導(dǎo)體照明，每年節(jié)電改為半導(dǎo)體照明，每年節(jié)電1000億度億度(三峽年發(fā)電量三峽年發(fā)電量840億度億度)。半導(dǎo)體照明所用材料為。半導(dǎo)體照明所用材料為ingan、alingan外延片，外延片，作成發(fā)光二極管作成發(fā)光二極管(led)，因其技術(shù)復(fù)雜，仍處于開發(fā)階段。，因其技術(shù)復(fù)雜，仍處于開發(fā)階段。q節(jié)能涉及面極為廣泛，有些是材料問題，

37、多數(shù)與管理有關(guān)節(jié)能涉及面極為廣泛，有些是材料問題，多數(shù)與管理有關(guān)。 民生能耗一般占民生能耗一般占1/3左右，僅建筑采暖就占左右，僅建筑采暖就占10，與發(fā)，與發(fā)達(dá)國家相比，中國建筑能耗為國外的達(dá)國家相比，中國建筑能耗為國外的3倍。除設(shè)計(jì)以外，選倍。除設(shè)計(jì)以外，選用低熱導(dǎo)系數(shù)材料與智能玻璃等也是關(guān)鍵，如墻體材料，用低熱導(dǎo)系數(shù)材料與智能玻璃等也是關(guān)鍵，如墻體材料，由實(shí)心改空心，耗能一半，用以建房可節(jié)能由實(shí)心改空心，耗能一半，用以建房可節(jié)能40。47高性能結(jié)構(gòu)材料高性能結(jié)構(gòu)材料 開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)材料一方面節(jié)約資源，減少污染，更重要的開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)材料一方面節(jié)約資源，減少污染，更重要的是提高產(chǎn)品的性能，因

38、此，開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)材料是永恒的主題。是提高產(chǎn)品的性能，因此，開發(fā)高性能結(jié)構(gòu)材料是永恒的主題。 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件來說，要高比強(qiáng)度、高比剛度、耐疲勞；對(duì)發(fā)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件來說，要高比強(qiáng)度、高比剛度、耐疲勞；對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)來說，除上述條件外，還要耐高溫，抗腐蝕，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)工機(jī)來說，除上述條件外，還要耐高溫，抗腐蝕，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作穩(wěn)定每提高作穩(wěn)定每提高100c，推力增加約，推力增加約20；發(fā)電裝置；發(fā)電裝置(燃?xì)廨啓C(jī)、汽燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(jī)輪機(jī))的效率也都隨工作溫度的提高而增加，所以要大力開發(fā)耐的效率也都隨工作溫度的提高而增加，所以要大力開發(fā)耐高溫的材料，如耐熱鋼、高溫合金、鈦及其中間化合物，以及高溫的材料，如耐熱鋼

39、、高溫合金、鈦及其中間化合物，以及c/c復(fù)合材料。復(fù)合材料。48 在結(jié)構(gòu)材料中，鋼和鋁以其高性價(jià)比在在結(jié)構(gòu)材料中，鋼和鋁以其高性價(jià)比在21世紀(jì)上半葉仍占主世紀(jì)上半葉仍占主導(dǎo)地位；輕金屬鈦、鎂將逐年增加。有機(jī)高分子材料仍將不斷增導(dǎo)地位；輕金屬鈦、鎂將逐年增加。有機(jī)高分子材料仍將不斷增加；無機(jī)非金屬材料中的水泥將因資源限制逐步下降；工程陶瓷加；無機(jī)非金屬材料中的水泥將因資源限制逐步下降；工程陶瓷將因其性能不斷改善，成本不斷下降而有更大發(fā)展。碳材料如碳將因其性能不斷改善，成本不斷下降而有更大發(fā)展。碳材料如碳纖維及其復(fù)合材料將因用途不斷擴(kuò)大而有更大發(fā)展。纖維及其復(fù)合材料將因用途不斷擴(kuò)大而有更大發(fā)展。 構(gòu)件的破壞構(gòu)件的破壞(氧化、腐蝕、磨損、疲勞損傷氧化、腐蝕、磨損、疲勞損傷)往往從表面開始，往往從表面開始，因此構(gòu)件的表面改性與強(qiáng)化是提高性能、延長(zhǎng)使用壽命有效而最因此構(gòu)件的表面改性與強(qiáng)化是提高性能、延長(zhǎng)使用壽命有效而最經(jīng)濟(jì)的手段。經(jīng)濟(jì)的手段。49生物醫(yī)用材料、仿生材料與智能材料生物醫(yī)用材料、仿生材料與智能材料 生物醫(yī)用材料隨著人類生活水平的提高和老齡