新材料新能源技術(shù)課件

1、第十四章 新材料新能源技術(shù)制作人：14.1 不斷發(fā)展的新材料技術(shù)新材料信息新能源現(xiàn)代文明的三大支柱什么是新材料？新材料是指那些新近發(fā)展或正在發(fā)展之中的具有比傳統(tǒng)材料性能更為優(yōu)異的一類材料，具有知識和技術(shù)密集度高、與新工藝和新技術(shù)關(guān)系密切的特點(diǎn)，是多種學(xué)科相互交叉和滲透的結(jié)果。特點(diǎn)？特點(diǎn)：知識與技術(shù)密集度高；與新工藝和新技術(shù)關(guān)系密切；更新?lián)Q代快；品種式樣變化多；多學(xué)科相互交叉和滲透的結(jié)果，合成、制造與許多極端條件技術(shù)相關(guān)；表現(xiàn)出綜合性和復(fù)雜性；表征和評價技術(shù)須采用多種基于最新科學(xué)技術(shù)成就的精密儀器和裝置來進(jìn)行。新材料新型金屬材料高分子合成材料新型無機(jī)非金屬材料復(fù)合材料光電子材料納米材料 新型鎂合

2、金新型高強(qiáng)度鈦合金品種多、重量輕、導(dǎo)電性好，可代替銅用作導(dǎo)電材料。既輕又強(qiáng)，是制造直升飛機(jī)某些零件的理想材料。新型鋁合金不僅用來制造超音速飛機(jī)和宇宙飛船，而且廣泛應(yīng)用于化學(xué)工業(yè)、電解工業(yè)和電力工業(yè)，被譽(yù)為“未來的鋼鐵”。14.1.1 新型金屬材料重要的新型金屬材料有鋁、鎂、鈦合金以及稀有金屬。形狀記憶合金：能夠使溫度值變化時人為造成的形狀變化，在溫度恢復(fù)到特定值時，形狀也自動絲毫不差地恢復(fù)到原來的狀態(tài)，堅(jiān)韌性極強(qiáng)，可反復(fù)變形和復(fù)原500萬次而不產(chǎn)生疲勞斷裂，其廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、飛船和空間站的大型天線、飛機(jī)部件接頭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世紀(jì)用化學(xué)方法制

3、造的一種新型材料。高分子是由碳、氫、氧、氮、硅、硫等元素組成的分子量足夠高的有機(jī)化合物。常用高分子材料的分子量在幾百至幾百萬之間，有的可高達(dá)上千萬。高分子材料特點(diǎn)：重量輕、高彈性、強(qiáng)度低、韌性好、粘彈性、耐摩性、絕緣性好，低導(dǎo)熱性、耐熱性、耐蝕性好、易老化。高分子合成材料合成橡膠塑料化學(xué)纖維合成橡膠 ：將天然乳膠經(jīng)過硫化處理變成能成型、富有彈力的材料，填補(bǔ)天然橡膠的不足；發(fā)展極快 。順丁橡膠、異戊橡膠、乙丙橡膠等發(fā)展前途看好；硅橡膠、氟橡膠能在零下50度不變形，又可耐250度高溫，用于制造火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)的某些零件。到20世紀(jì)70年代末，合成橡膠產(chǎn)量已經(jīng)是天然橡膠的兩倍。最早的合成塑料酚醛塑料

4、，是1907年美國化學(xué)家貝克蘭用苯酚和甲醛縮合，再添加木粉等材料制得。合成塑料材料聚乙烯聚苯乙烯聚氯乙烯聚丙烯全球總產(chǎn)量在1億噸左右倫敦科學(xué)博物館展出的塑料制成的新型概念汽車，慶祝塑料誕生100年合成纖維制成的宇航服 合成纖維：滌綸、錦綸、晴綸、維綸、丙綸、氯綸等“六大綸”。20世紀(jì)初化學(xué)纖維的主要品種是粘膠纖維。1940年美國成功的合成尼龍66，開辟了合成纖維的道路。合成纖維制成的縫紉線合成纖維14.1.3 新型無機(jī)非金屬材料常見的新型無機(jī)非金屬材料有工業(yè)陶瓷、光導(dǎo)纖維和光導(dǎo)體材料。由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜光導(dǎo)纖維是可有效地遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)光信號的玻璃或塑料纖維。純度極高的玻璃纖維制成使現(xiàn)代通信技術(shù)發(fā)

5、生了革命性的轉(zhuǎn)變，并且在醫(yī)療、遙感、遙測等領(lǐng)域也得到越來越廣泛的應(yīng)用。優(yōu)點(diǎn)：重量輕，通信容量大，傳輸損耗低，在很寬的頻帶內(nèi)頻率能保持穩(wěn)定。 半導(dǎo)體材料：20世紀(jì)40年代發(fā)展起來的重要信息材料，通過近幾十年來的研究工作，半導(dǎo)體材料種類不斷更新，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，成為信息技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。 硅材料機(jī)械強(qiáng)度高、結(jié)晶性強(qiáng)、在自然中儲量豐富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整單晶，使之成為目前電子信息工業(yè)領(lǐng)域的主要半導(dǎo)體材料。半導(dǎo)體材料還可以用來制作晶體管、集成電路、固態(tài)激光器和探測器等器件。砷化鎵由于電子運(yùn)動速度快、電子激發(fā)后釋放能量以發(fā)光形式進(jìn)行等特點(diǎn)，很可能成為繼硅之后第二種最重要的半導(dǎo)體電子材料，

6、制成的晶體管可以制造出速度更快、功能更強(qiáng)的計(jì)算機(jī)（10倍）。砷化鎵太陽能電池14.1.4復(fù)合材料復(fù)合材料是有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬和金屬等材料復(fù)合而成的一種多相材料。特點(diǎn)：不僅能保持其原組分的部分特點(diǎn)，而且還具有原組分所不具有的性能。復(fù)合材料制成的座椅和長條凳 現(xiàn)代科技的發(fā)展，對材料的性能提出高標(biāo)準(zhǔn)、多樣化，甚至是相互矛盾的要求，因此，任何一種單一的材料都難以滿足上述需要，于是各種高性能的復(fù)合材料便應(yīng)運(yùn)而生。復(fù)合材料的出現(xiàn)？復(fù)合材料結(jié)構(gòu)復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料金屬基復(fù)合材料功能復(fù)合材料有壓電型功能復(fù)合材料、吸波、屏蔽性能功能復(fù)合材料、導(dǎo)電功能復(fù)合材料樹脂基復(fù)合材料在某些特定場合存在耐熱性與傳熱性差

7、、不導(dǎo)電等特點(diǎn)金屬基材料耐疲勞、耐磨、不吸潮、不放氣等特點(diǎn)新材料 & 新能源新材料簡介新能源概述目 錄CONTENT1201Part新材料簡介 光電子材料 納米材料定義光電子材料是以光子、電子為載體，能產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理、存儲光電信號的材料種類激光晶體、LD用材料、LED生產(chǎn)用原材料、液晶顯示器（LCD）用材料、新型非線性光學(xué)材料等光電子材料硅微電子材料1硅基高效發(fā)光材料2寬帶隙半導(dǎo)體材料3納米半導(dǎo)體材料4其它信息作用材料5新型光電子材料定義納米材料顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的材料。微觀結(jié)構(gòu)至少在一維方向上受納米尺度（1nm100nm）調(diào)制的各種固體超細(xì)材料，或由它們作為基本單元構(gòu)成的

8、材料。納米材料最早的納米材料：中國古代銅鏡的保護(hù)層：納米氧化錫中國古代的墨級染料上世紀(jì)七十年代末至八十年代初，開始較系統(tǒng)的研究。1985年，發(fā)現(xiàn)了C60。1990年7月，在美國巴爾的摩召開第一屆納米科技會議1994年，在波士頓召開的MRS秋季會議上正式提出納米材料工程發(fā)展納米材料納米組裝體系納米固體納米微粒納米材料的種類030201納米微粒，又被稱作超微粒，是指線度處于1100nm之間的粒子的聚合體，它是處于該幾何尺寸的各種粒子聚合體的總稱.納米固體是由納米微粒聚集而成的凝聚體。從幾何形態(tài)的角度可將納米固體劃分為納米塊狀材料、納米薄膜材料和納米纖維材料。由人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的 體系稱為納米

9、組裝體系，也叫納米尺度的圖案材料。02Part新能源概述信息能源材料當(dāng)今社會科技發(fā)展的三大支柱：目前，世界主要能源物質(zhì)：煤A石油B天然氣C化石染料D2001年世界能源結(jié)構(gòu)我國能源結(jié)構(gòu)什么是新能源？新能源又稱非常規(guī)能源，是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式，指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源。又稱非常規(guī)能源，是指傳統(tǒng)能源之外的各種能源形式，指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源。定義太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、海洋能、生物質(zhì)能和核聚變能等。種類新能源概述不含碳或含碳量較少，對環(huán)境影響小。03能量密度低，開發(fā)利用需要較大空間。02資源豐富，普遍具備可再生特性，可供人類永續(xù)利用。01新能源特

10、點(diǎn)目前除水電外，可再生能源的開發(fā)利用成本較化石能源高。06間斷式供應(yīng)，波動性小，對繼續(xù)供能不利。05分布廣，有利于小規(guī)模分散利用。04脫硫標(biāo)桿電價。07新能源特點(diǎn)14.3核能的開發(fā)與利用什么是核能？核能（指原子核能，又稱原子能）是原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時釋放出的能量。在使用上指重元素的原子核發(fā)生聚合反應(yīng)（又稱聚變）時所釋放出的巨大能量。它們分別被稱為裂變能和聚變能。核能的發(fā)現(xiàn)與軍事利用1核電站的發(fā)展2受控?zé)岷司圩兡?19世紀(jì)末物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)1895189618971. 核能的發(fā)現(xiàn) 倫琴發(fā)現(xiàn)X射線湯姆孫發(fā)現(xiàn)電子貝克勒發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性 盧瑟福 愛因斯坦 發(fā)現(xiàn)了放射性并非鈾所特有，鐳、釷等也有放射性。

11、發(fā)現(xiàn)具有放射性的、射線，并通過對鈾的放射性研究，提出了原子自然蛻變理論。居里夫人2.尋找釋放核能的鑰匙（1）1934年，居里夫人用釙的粒子轟擊鋁靶，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，盧瑟福的學(xué)生查德威克發(fā)現(xiàn)了中子。打開原子核大門的好鑰匙。（3）鈾有三種同位素，鈾238和鈾235，容易吸收中子產(chǎn)生裂變的是鈾235. 難題：要造成鏈?zhǔn)椒磻?yīng)以獲得巨大的能量，首先必須從天然鈾中加工提煉出含鈾235較多的濃縮鈾，而這時意見非常困難困難并且很費(fèi)錢的工程。如果不是戰(zhàn)爭的需要，在和平時期要想在短期內(nèi)由實(shí)驗(yàn)室發(fā)展到工業(yè)規(guī)模的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用，是很難想象的。3.戰(zhàn)爭成了催產(chǎn)婆受控核裂

12、變建設(shè)性的新能源非受控核裂變原子彈核裂變能的利用1.羅斯?？偨y(tǒng)成立了一個“鈾顧問委員會”。2.德國，對核物理學(xué)家發(fā)出了征召入伍令。3.美國加快了原子彈研制的工作計(jì)劃 成為美國最大規(guī)模的一項(xiàng)計(jì)劃。4. 1942年夏，美國、英國、加拿大展開了“曼哈頓工程”。宣告了原子能時代的開始單擊添加段落文字單擊添加段落文字1942年，美國芝加哥大學(xué)建成了第一座原子反應(yīng)堆。1945年，美國先后將一顆鈾彈和一顆钚彈分別投到廣島和長崎。核電站：是利用原子核裂變反應(yīng)放出的核能來發(fā)電的裝置。 其核心是核反應(yīng)堆，它是一個能維持和控 制核裂變反應(yīng)的裝置，在其中實(shí)現(xiàn)核能熱能轉(zhuǎn)換。14.3.2 核電站的發(fā)展核反應(yīng)堆的種類按引起

13、裂變的中子能量分為熱中子反應(yīng)堆快中子反應(yīng)堆因?yàn)闊嶂凶痈菀滓疴?35的裂變，因此熱中子反應(yīng)堆比較容易實(shí)現(xiàn)和控制，目前大量運(yùn)行的是熱中子反應(yīng)堆。14.3.3 受控?zé)岷司圩兡芎司圩兪莾蓚€或兩個以上的較輕原子核在超高溫等特定條件下聚合成一個較重的原子核,同時釋放出巨大能量。因?yàn)檫@種反應(yīng)必須在極高的溫度下進(jìn)行，所以叫熱核反應(yīng)。核聚變原料主要是氫、氘、氚。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)產(chǎn)生聚變的條件及進(jìn)行人工控制是非常困難的事，遠(yuǎn)比核裂變能的利用困難得多。為了實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)的條件，以獲得有意義的聚變能量，目前正在兩個主要領(lǐng)域內(nèi)開展大量的研究工作：（1）磁約束：磁約束就是用一定強(qiáng)度和幾何形狀的磁場將帶電粒子約束在一定的空間范圍

14、之內(nèi)，并保持一段時間。（2）慣性約束：是利用聚變等離子體的慣性進(jìn)行約束的。聚變能目前尚處于研制階段，離實(shí)用還有相當(dāng)差距，但基于其取之不盡的資源來源和優(yōu)越的性能，且沒有像裂變堆那樣產(chǎn)生大量放射廢物，故其遠(yuǎn)景是很好的。估計(jì)到下個世紀(jì)中葉可望實(shí)現(xiàn)商用。14.4 可再生能源63045 羅木英石油約40年天然氣 約50 年煤 碳 約200年能源危機(jī)01Part太陽能簡介 優(yōu)缺點(diǎn) 利用方式太陽能資源的優(yōu)點(diǎn)1、總量最大 取之不盡，用之不竭 2、分布最廣遍布世界各地 既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸3、最清潔無任何污染及廢棄物1、能量密度低（1kW/m2）2、是其強(qiáng)度受各種因素影響（季節(jié)、地點(diǎn)、氣候等）太陽能資源的缺

15、點(diǎn)1、光熱轉(zhuǎn)換 原理：利用太陽輻射能加熱物體而獲得熱能應(yīng)用：太陽能熱水器 反射式太陽灶 高溫太陽爐 地膜、大棚、溫室直接利用太陽能的方式太陽能熱水器太陽灶太陽爐2、光電轉(zhuǎn)換將太陽能用于發(fā)電（1）光熱電轉(zhuǎn)換（2）光電直接轉(zhuǎn)換原理：根據(jù)光電效應(yīng)，利用通過太陽能電池（光電材料做成）將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能應(yīng)用：為無電場所提供電池，包括移動電源和備用電源、太陽能日用電子產(chǎn)品并網(wǎng)發(fā)電大型太陽能發(fā)電美國軍用太陽能發(fā)電帳篷3、光化學(xué)能轉(zhuǎn)換應(yīng)用(1)暖袋用于調(diào)節(jié)室溫原理：當(dāng)白天溫度較高或受日光照射時分解吸熱，可以起到降溫作用。晚上沒有日光或者溫度低時重新化合放熱，起到升溫作用。選擇內(nèi)裝晶體的原則：分解溫度要

16、適中熱效應(yīng)明顯價格便宜芒硝 (2)光解水利用太陽能和催化劑將水分解制氫氣。6H2O + 6CO2 C6H12O6 +6O2光葉綠素4、光生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換原理：通過光合作用，將太陽能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲存在生物質(zhì)中生物質(zhì)能。自然界利用太陽能最成功的例子地球上每年通過光合作用儲藏的太陽能相當(dāng)于全球能源年消耗量的10倍左右。化學(xué)方程式02Part氫能簡介 利用途徑 需要解決的問題氫能的利用途徑燃燒放熱用于燃料電池，釋放電能利用氫的核聚變反應(yīng)釋放的核能1、來源豐富、可再生2、熱值高3、無污染理想的“綠色能源”氫能源的優(yōu)點(diǎn)1、降低制氫氣的能耗目前常用：1)化石燃料在高溫下與水蒸氣反應(yīng)2)化石燃料部分氧化法3)電解水研究方向：4)微生物使水分解5)光解水需要解決的問題1、降低制氫氣的能耗2、氫的儲存和運(yùn)輸需要解決的問題1)常壓儲氫2)高壓儲氫3)液氫儲氫4)儲氫材料(P51)密度高、但能耗大、且不安全1、降低制氫氣的能耗2、氫的儲存和運(yùn)輸3、光解水時還需解決產(chǎn)物分離的問題需要解決的問題03Part生物質(zhì)能簡介 利用方式 生物化學(xué)轉(zhuǎn)換概念來源于植物及其加工產(chǎn)品貯存的能量生物質(zhì)主要包括農(nóng)業(yè)廢棄物（如植物的秸稈、枝葉）、水生植物、油科植物、城市與工業(yè)有機(jī)廢棄物、動物糞便等。1、直接燃燒點(diǎn)燃（C6H10O5)n +6n O26n CO2 +5n H2O缺點(diǎn): 能量利用率低（2040）生物質(zhì)能的