材料與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展

1、1,北京青少年科技俱樂部科技名家講座,材料與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展,2,前言 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 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) 結(jié)語,報(bào)告內(nèi)容：,3,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)境污染的重要保障。 土木工程在社會(huì)發(fā)展中十分重要，2004年GDP13萬億元，51.3%為全社會(huì)固定資產(chǎn)投資拉動(dòng)的，其中6065是土木工程。,4,一、材料在人類社會(huì)發(fā)展

2、中的作用,1、以材料劃分人類發(fā)展的歷程,材料與文明,5,2、以鋼鐵為主要標(biāo)志的工業(yè)革命(英國(guó)),1733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； 1750年坩堝煉鋼； 1760年鼓風(fēng)機(jī)(加速煉鐵、煉鋼)； 1765年蒸汽機(jī)； 1785年蒸汽機(jī)船； 1796年蒸汽機(jī)車； 1856年轉(zhuǎn)爐煉鋼； 1864年平爐煉鋼； 18681914年各種合金鋼出現(xiàn)；,6,中國(guó)3.5億噸,自1870年以來世界粗鋼的產(chǎn)量發(fā)展報(bào)告,7,3、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： 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； 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)則是依

3、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)。,8,為實(shí)現(xiàn)交通的立體化，就需要高性能的飛機(jī)，一般來說：飛機(jī)性能的提高，2/3靠材料。,材料對(duì)飛機(jī)性能的提高所處地位,42%,29,9,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)40年代初，當(dāng)時(shí)的工作溫度在700左右，而今民用機(jī)接近1500，而軍用機(jī)在2000左右。這就要求發(fā)展耐高溫材料(高溫合金)。 高溫合金的發(fā)展，先是鍛造鐵基或鎳基合金，1958年采用鑄造，以提高合金元素含量，而后又定向凝固(1965)、單晶(1970)，以消除晶界

4、在高溫下強(qiáng)度變低的影響；為了減少偏析，有些大件(如渦輪盤)采用粉末冶金，這些材料再加冷卻技術(shù)，基本滿足了要求。,10,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，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，PWA客機(jī)每減重1kg，多贏利$104。,歷代民機(jī)座哩的油耗,2.5倍,11,科學(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(Haber)于1909年合成了氨作為肥料，1940年發(fā)明的除草劑，及采取灌溉、農(nóng)膜育苗及機(jī)械化作業(yè)等措施，可使糧食大幅度增產(chǎn)。,中國(guó)歷年糧食單產(chǎn)增加情況,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(guó)占世界7的耕地用了1

5、/3化肥，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。,12,4、材料將人類社會(huì)帶入了信息時(shí)代,1958,1998,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)步的結(jié)果。 目前，硅半導(dǎo)體占95，隨著頻率和性能的提高，化合物半導(dǎo)體GaAs、InP、GaN等成為第二代半導(dǎo)體材料，第三代將是SiC、金剛石等。,14,二、材料在開發(fā)過程中所遇到的問題及對(duì)策,資源能源,材料廢物,科學(xué),工程技術(shù),應(yīng)用,廢品,污染物,循環(huán)經(jīng)濟(jì)(4R),Reduce Reuse Recycle Remanufacture,環(huán)境,15,全球重要金屬礦儲(chǔ)量及可采年限,資源,金屬材料有資源枯竭問題,16,可以看出，目前已探

6、明的金屬礦床，多者可用不足200年，少者僅2030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,地球構(gòu)造剖面圖,17,世界資源大國(guó)，多數(shù)礦山開發(fā)深度已達(dá)到1000米以上，有的達(dá)4000米，我國(guó)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。,18,2、向海洋要金屬,經(jīng)過億萬年的地球表面的風(fēng)化和雨水沖刷，海水溶解各種金屬，有的濃度很高，如Mg(1536g/m3)，Li(0.192g/m3)等。,A：海水中溶解金屬含量,19,海底錳瘤總量31012噸，其成分： Mn:7.9-50.1% Fe:2.4-26.6% Co:0.01-2

7、.3% Ni:0.16-2.0% Cu:0.03-1.6% Pb:0.02-0.36%,B：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。1975年按體積計(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)2.85:1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(石油40年，天然氣62年，煤225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CO2都加劇溫室效應(yīng)。 一個(gè)可行的有機(jī)物來源是通過光合

8、作用，在地球上產(chǎn)生綠色植物和海藻類，每年可貯存61017kcal，合成有機(jī)物約2200億噸，相當(dāng)于人類當(dāng)前每年全部能耗的10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)于化石能源2噸溫室氣體的排放。,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(guó)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Si3N4、SiC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，為材料的開發(fā)開辟了途徑。,無機(jī)非金屬材料,22,能源形勢(shì)： UNDP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(80%)，一直到本世

9、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)構(gòu)變化。,能源,23,氫能,氫有三個(gè)問題需要解決：,氫源：電解水，熱化工轉(zhuǎn)化 細(xì)菌分解水等 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,24,燃料電池：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$125/kw，內(nèi)燃機(jī)為$30/kw。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，還有不少問題。,25,太陽能,輻射于地面的太陽能1萬倍于目前人類所需能源，取之不盡，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和氣候影響大。 太陽能可分為光伏能和太陽爐

10、，光電轉(zhuǎn)換效率不高！,幾種成熟和正開發(fā)的光伏轉(zhuǎn)換材料,最近美國(guó)加州大學(xué)開發(fā)出多波段半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換材料，其轉(zhuǎn)換率高達(dá)37%,26,光伏轉(zhuǎn)換電能價(jià)高，約10倍于火電。 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513美分，接近火力發(fā)電。 還有民用太陽熱能的直接利用，對(duì)中國(guó)廣大農(nóng)村來說更為實(shí)用。,27,包括太陽能在內(nèi)，水電、風(fēng)能和生物質(zhì)能等可以并稱為可再生能源。,可再生能源,世界和中國(guó)可再生能源資源狀況,28,世界光伏電能、風(fēng)能、生物質(zhì)能(酒精)的發(fā)展趨勢(shì),世界電能分布,光伏電能,風(fēng)能,生物質(zhì)能,29,中國(guó)生物質(zhì)能有更大的發(fā)展前景：,1、中國(guó)秸稈7億噸/每年 2、高產(chǎn)作物，

11、如玉米、薯類、速生林等 3、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(保水植木),若爾蓋(長(zhǎng)征水草地)采用治沙技術(shù)的效果,30,中國(guó)可能采取固沙措施的地區(qū),31,核能,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：,1、無CO2排放 2、安全性正在提高 3、資源豐富 全世界產(chǎn)生裂變能的原料U和Th的資源儲(chǔ)量分別為330萬噸和400600萬噸，可提供600ZJ(1ZJ=1021J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我國(guó)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。 4、海水中有40萬億噸氘(一升海水中氘的聚變能相當(dāng)于300升汽

12、油)，稱作永恒能源，但難度太大，物理證明可行，工程問題難解決(耐高溫、高通量中子輻射材料)，預(yù)計(jì)50100年后實(shí)現(xiàn)，目前已組織國(guó)際合作。,32,2002年美國(guó)工程院在討論工程前沿時(shí)，盛贊核能。在美國(guó)建一個(gè)100萬千瓦核電廠的核燃料費(fèi)每年4000萬美元，而同規(guī)模煤電廠為1.1億美元，天然氣2.2億美元，電廠每度電成本分別為1.83、2.07及3.52美分，但建設(shè)成本遠(yuǎn)高于天然氣，每千瓦分別為1500和500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2004年我國(guó)水泥產(chǎn)量約10億噸，排放8億噸CO2，80萬噸SO2，160萬噸NOx和800萬噸粉塵，還有大量污水。此外，一噸鋼出2噸C

13、O2，煉焦和有色金屬冶煉排放更多的SO2、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?環(huán)境污染,34,幾種溫室氣體,35,該圖為包括中國(guó)在內(nèi)的幾個(gè)國(guó)家和地區(qū)不同年代CO2排放量的預(yù)測(cè)。,From “Interdisciplinary Science Reviews”, Vol26, No4, 2001,P254,36,由于溫室氣體不斷增加，到本世紀(jì)末溫升2.5C(冰河期與目前溫差56C)，人居環(huán)境災(zāi)難頻發(fā)，陸地縮小。,解決辦法：,37,三、

14、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),1、自然資源的有效利用 2、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 4、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,38,1、自然資源的有效利用,從礦石到金屬要經(jīng)過幾道工序,每一工序金屬的回收率不等，如采礦一般7095，選礦5085,礦石的綜合利用：我國(guó)多復(fù)合礦，以包頭、 攀枝花為例,亂采亂挖，不但回采率低，而且破壞了礦 區(qū)，以鎢為例,39,2、傳統(tǒng)材料的升級(jí)換代,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)材料升級(jí)的潛力很大，如超級(jí)鋼(973)，通過晶粒細(xì)化或納米顆粒強(qiáng)

15、化，可使鋼的強(qiáng)度大幅度提高，如： 碳鋼200400MPa 低合金鋼400 800MPa 合金結(jié)構(gòu)鋼800 1500MPa 現(xiàn)已在大鋼廠生產(chǎn)數(shù)百萬噸，并用于汽車制造和建筑業(yè)。建筑業(yè)推廣要改規(guī)范。,40,3、開發(fā)資源豐富的新材料體系,中國(guó)的原鎂產(chǎn)量及出口量,鎂(Mg2.3%)是地殼表層含量?jī)H次于Al(8%)、Fe(5.8%)，占第三位的金屬元素,特別在海水中有2.11015噸(1.3g/l)，其性質(zhì)與鋁相近，但強(qiáng)度需進(jìn)一步提高，抗蝕性差，且加工困難，有待開展基礎(chǔ)研究。,41,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)； 資源豐富,同素異型：從柔軟墊圈到 最硬金剛石 碳纖維：耐高溫250

16、0C，高強(qiáng)、高模量 C60、納米碳管，比強(qiáng)度100倍于高強(qiáng)鋼,42,工程陶瓷(Si3N4、SiC)，性能優(yōu)越，資源豐富 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,43,4、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1乃至1，如碳纖維理論強(qiáng)度為1800GPa，而目前最高只達(dá)到7.02GPa(T1000)，問題在于基礎(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、新能源材料(含節(jié)能技術(shù))、高性能結(jié)構(gòu)材料、生物醫(yī)用、仿生及智能材料的探索。,44,信息材料：硅

17、做為主要信息材料，可能延續(xù)到2020年，但芯片制造難度大，隨特征線寬的縮小而投入劇增，如1995年建生產(chǎn)線為$10億，只占年銷量的1%，而到2010年達(dá)到$500億，約占年銷量的10%，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Nems和Mems等。,除芯片材料外，還有更多的功能材料是21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。,45,節(jié)能是當(dāng)前我國(guó)走出能源困境的重要途徑。 我國(guó)能源利用率很低，每噸標(biāo)煤產(chǎn)出只相當(dāng)于美國(guó)28.6%，歐盟16.8%，日本10.3%，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(guó)內(nèi)與國(guó)際先進(jìn)水平的對(duì)比，差距很大。,幾種高能耗

18、產(chǎn)品國(guó)內(nèi)外能耗對(duì)比(2000年),46,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)照明1/10，壽命幾萬小時(shí)，當(dāng)前我國(guó)照明用電占總電量的12，如果有1/3改為半導(dǎo)體照明，每年節(jié)電1000億度(三峽年發(fā)電量840億度)。半導(dǎo)體照明所用材料為InGaN、AlInGaN外延片，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。 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1/3左右，僅建筑采暖就占10，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，中國(guó)建筑能耗為國(guó)外的3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，由實(shí)心改空心，耗能一半，用以建房可節(jié)能40。,47,高性

19、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)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100C，推力增加約20；發(fā)電裝置(燃?xì)廨啓C(jī)、汽輪機(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)耐高溫的材料，如耐熱鋼、高溫合金、鈦及其中間化合物，以及C/C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21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

20、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。,構(gòu)件的破壞(氧化、腐蝕、磨損、疲勞損傷)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)用材料隨著人類生活水平的提高和老齡化而愈來愈重要。美國(guó)年產(chǎn)值超過500億美元(包括組織工程、藥物與裝置復(fù)合體以及分子藥物等)，目前已研制出除神經(jīng)以外的人的各種器官，通過生物工程還可實(shí)現(xiàn)早期診斷、藥物緩釋或可控釋放、定向治療等。 仿生材料或受生物啟發(fā)而開發(fā)的材料將受到更大的重視。,50,智能材料是隨外界環(huán)境而改變其性能的一類材料(如變色太陽鏡)，也可發(fā)展為具有自適應(yīng)、自預(yù)警、自修復(fù)的材料。實(shí)際上，真正的智能材料很少，一般稱之為機(jī)敏材料。但正在發(fā)展的是“智能系統(tǒng)”，即感知(敏感元件)電腦(指揮) 制動(dòng)(壓電陶瓷、形狀記憶合金、電流變流體等) 。智能系統(tǒng)用于控制飛機(jī)機(jī)翼，可提高可靠性、機(jī)動(dòng)性和安全性，并可降低油耗。,高性能材料的研發(fā)將因納米科學(xué)技術(shù)及計(jì)算材料科學(xué)的進(jìn)展而加速發(fā)展。材料的制備過程，目前以自上而下為主，而納米技術(shù)開