第一篇第七章材料技术和能源技术

第七章材料技术和能源技术第一节新材料的应用第二节、新能源的开发第七章材料技术和能源技术现代文明的三大支柱本章内容1.新材料的应用2.新能源的开发能源信息材料材料和能源是工业的基础，是当代高新技术赖以发展的追逐。材料是高新产业的物质载体，能源是高新产业系统运转的动力。从人类发展史看，能够支配的材料和能源的种类与性质，代表了不同的生产力发展水平，因此开发新材料、利用新能源是人类文明前进的强大推动力。第一节材料科技新石器时代青铜器时代铁器时代﹝硅时代﹞历史分期：以人类使用工具的材料划分每一种重要材料的发现和发明，都极大地促进和推动了社会的发展。因为材料是用于制造机器、构件和物品尤其是生产工具的物品，新材料应用导致生产工具的改进是生产力前进的关键因素。18世纪炼钢技术的广泛应用，人类进入工业时代。20世纪半导体技术进步，人类进入网络时代。材料分类结构材料和功能材料结构材料利用材料的力学性能，如强度、塑性、弹性、韧性等，制造机械部件。功能材料利用其物理或化学及生物特性，声、光、电、磁及热等，以实现某种功能。材料分类按照应用领域划分信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空航天材料等按成分和特性金属材料陶瓷材料复合材料高分子材料纳米材料……材料的分类新型金属材料——贮氢金属在储氢合金中，一个金属原子能与2-3个甚至更多个氢原子结合，生成金属氢化物。所以储氢合金的储氢能力很强。一单位体积的储氢合金能储存1000—1300单位体积的氢。(2/x)M+H2=(2/x)MHx+QX=1：2M+H2=2MH+QX=2：M+H2=MH2+Q金属贮氢和传统贮氢的比较优势气态--150大气压钢瓶贮氢的传统方法液态--－253℃液化钢瓶贮氢金属或合金——能吸收H2的金属或合金。一般储氢合金，吸收与氢气瓶储氢容量相等的氢气，其重量只有氢气瓶的1/3，而体积却不到氢气瓶的1/10。新型金属材料——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在有些材料中，即使是同一材料组成的晶体中，也可能存在不同的晶体结构，这种现象称为同素异构。金刚石和石墨就是炭的同素异构体。石墨的晶体结构铁也有两种不同的基本晶体结构，即体心立方铁和面心立方铁。这种由相同的原子组成的不同的晶体结构，在材料学中又称为不同的“相”。体心立方铁和面心立方铁属不同的“相”，前者称为α-Fe(铁素体)，后者称为γ-Fe(奥氏体)。前者是常温下存在，而后者是高温下存在，它们在硬度、密度和塑性变形能力等性质上都不相同。应用1）记忆合金铆钉2）紧固件3）卫星自展天线（镍—钛）4）形状记忆合金发动机……紧固件待连接管室温下形状记忆合金套管，内径比待连接管外径小约4%液N2中扩管约8%待连接管从两端插入室温套管收缩形成紧固密封件超塑性合金它在适当的温度(相当于其熔点温度的一半)下，非常柔软，可拉长10倍、20倍，甚至100倍。这种高延伸率性能，容易加工成非常薄容器、薄壁件，一次成型，用来制造航空航天中的钛合金构件。非晶态合金晶体的原子和分子周期性排列，非晶体的原子与分子排列是混乱的。它是在极高的冷却速度新工艺条件下制成的。千分之一秒内冷却为固体。非常薄，却拥有高硬度和高强度，耐腐蚀。电子工业广泛应用。磁头（寿命长，音响佳），薄膜磁盘（纪录密度大4-5倍）。陶瓷材料的发展传统陶瓷原料:天然矿物(岩石、沙子、粘土……)制备：烧制例如：水泥、玻璃、砖瓦、耐火材料……主要成分是硅酸盐，其耐热性低，易碎。新型（精细、先进）陶瓷原料:精致、高纯的化工原料制备:先进成型、烧结技术等制备工艺，特点：具有优异性能：能承受高温、高载荷，耐腐蚀、耐磨损。金属和高分子材料无法比拟。新型陶瓷材料——高温结构陶瓷原料:氧化铝陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和复相陶瓷等制备:1400℃烧结用途:机械零部件、集成电路和基片以及电子器件的理想材料。汽车、飞机发动机工作温度1300℃不水冷重量轻陶瓷刀具（超薄）磨损程度只是合金刀具十二分之一智能陶瓷特点:对温度、湿度、气体浓度等有敏感性用途:传感器1.定义由两种或两种以上的组份材料组成的新材料。2.特点强度高、重量轻、刚性大、抗疲劳、减振性、耐温性好3.构成及用途复合材料复合材料三要素基体材料增强剂复合方式高分子材料1.特点：弹性、可塑性、电绝缘性。2.高分子合成材料可分为合成橡胶、塑料、化学纤维。3.常见的用处：以美国塑料为例，27%的塑料用于建筑和结构材料，25%用于包装，4.4%医用，其余用于交通运输、电子电器、家具、仪器等等。已经在一定程度上取代了钢材、木材、棉花等天然材料。纳米技术(Nanotechnology)诞生：20世纪末，随着一种新型显微镜(STM)的出现，人们能看清1纳米大小的物质，于是出现了纳米技术，又称毫微米技术。纳米结构：是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米技术是指在纳米尺度的范围内，通过直接操纵和安排原子、分子来创造新物质材料的技术。即研究100纳米到0.1纳米范围内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，研究新工艺的方法与手段。纳米技术的提出:费曼提出纳米技术的概念40年前，诺贝尔物理奖得主、量子物理学家费曼作过一次题为《底部还有很大空间》的演讲，被公认为是纳米技术思想的来源人物介绍——费曼费曼对物理学的贡献非常之大，很多物理学家把他称为“新的”物理学之父，而爱因斯坦是“早先的”物理学之父。1965年，费曼和朱利安·薛温格、朝永振一郎共同获得了诺贝尔物理奖，他的主要贡献在于对量子电动力学的理解，这个学科研究的是光和带电粒子之间的相互作用，特别是光和电子之间的相互作用。他在弱核反应和超导研究当中也作出了巨大的贡献。纳米技术的实现与发展直到放大倍率达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门科技技术。从90年代初起，纳米科技得到迅速发展，新名词、新概念不断涌现，像纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学等等。专家预测：未来全球技术发展的9大关键技术之一就是纳米科技的研究与应用。扫描隧道显微镜(STM)1981年，美国IBM公司设在瑞士苏黎世的实验室里，物理学家葛·宾尼(G.Binnig)和罗·海雷尔(H.Rohrer)发明了一种前所未有的新式显微镜，他们称其为“扫描隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscope)”简称STM。应用这台显微镜人们可以看到原子大小的东西。STM的出现，使人类第一次能够实时地观察单个原子物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质，被国际公认为80年代世界十大科技成就之一。宾尼希博士(GerdK.Binnig)和罗雷尔博士(HeinrichRohrer)由于扫瞄隧道显微镜(ScanningTunnelingMicroscopy)上的成就，共同获得1986年诺贝尔物理奖。势垒在两块导电物体之间夹一层绝缘体，若在两个导体之间加上一定的电压，通常是不会有电流从一个导体穿过绝缘层流向另一导体的，即：两个导体之间存在着势垒，像隔着一座山一样.隧道效应假如这层势垒的厚度很窄只有几个纳米时，由于电子在空间的运动呈现波性，根据量子力学的计算，电子将穿过而不是越过这层势垒，从而形成电流。形象地看如同在山腰部打通了一条隧道而火车通过隧道那样，这种现象在量子力学中称为隧道效应。STM的工作原理将针尖和样品表面作为两个电极，当两者之间的距离足够小时，在电场的作用下，电子会穿过电极间的绝缘层，形成“隧道电流”，这种效应就是隧道效应。STM工作时的特点利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取图像。STM工作方式恒电流扫描恒高度扫描移动铁原子1993年，美国科学家在低温下，用STM针尖将48个铁原子排成一个圆环，并且直接观察到了电子驻波的图形而后，他们又成功地移动铁原子写成了两个汉字“原子”。纳米材料的奇异特性具有很高的活性特殊的光学性质特殊的热学性质特殊的磁学性质特殊的力学性质量子尺寸效应宏观量子隧道效应具有很高的活性纳米超微颗粒很高的“比表面积”决定了其表面具有很高的活性。在空气中，纳米金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂、贮气材料和低熔点材料。特殊的光学性质所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑。金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料，以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身材料等。特殊的热学性质大尺寸的固态物质其熔点往往是固定的，超细微化的固态物质其熔点却显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为突出。例如，金的常规熔点为1064℃，当其颗粒的尺寸减小到10纳米时，熔点会降低27℃，而减小到2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右。特殊的磁学性质磁性超微颗粒实质上就是一个生物磁罗盘。小尺寸磁性超微颗粒与大块磁性材料有显著不同，大块纯铁的磁矫顽力约为80安/米，而当颗粒尺寸减小到2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加1000倍。若进一步减小其尺寸，大约小于6×10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已制成高储存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成了用途广泛的磁性液体。特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下一般呈现脆性，由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料具有良好的韧性。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。金属-陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质。量子尺寸效应超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小与颗粒中电子是奇数还是偶数有关；比热亦会反常变化；光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。在低温条件下，对超微颗粒必须考虑量子效应，原有的宏观规律已不再成立。宏观量子隧道效应近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将是未来微电子、光电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应纳米材料的应用与展望电子和通讯全媒体存储器；平板显示器；纳米医疗纳米结构药物；微型机器人；化学和材料纳米催化剂；纳米陶瓷；能源新型电池；氢燃料安全存储；制造工业微细加工；微型机器；飞机和汽车无须洗涤的油漆；不燃塑料；航天轻型航天器；环境保护纳米膜；纳米存储器；开关；天梯——碳纳米管绳梯建设天梯（20世纪90年代提出）：同步卫星放下由碳纳米管制作的绳缆到地球。升降机将沿着这个绳缆爬上爬下。集成电路一块用来制作大规模集成电路的芯片，上面有许多的沟槽，这张图片能够清晰的显示出沟槽的深浅和走向。第二节新能源技术本节教学目的与要求：了解和掌握能源的概念和分类；了解当今世界人类所面临的能源问题；了解和熟悉新能源技术。人类能源利用三个时期柴草时期从人类开始用火到18世纪中叶。煤炭时期从18世纪中到18、19世纪之交。石油时期从18、19世纪之交到现在。能源问题煤炭石油作为能源面临的三个问题：储量有限;浪费化工原料;燃烧污染环境。能源消耗2004年世界石油消费量达到8075.7万桶/日,仅够用40年。2004年世界煤炭消费量为1523万吨/日,供开采和使用的年限为162年左右。一、能源及其分类1、能源能源是指人类用来获取能量的自然资源。2、能源的分类按来源不同分三类形成条件不同分两类按能否反复利用分两类按开发使用的程度不同分两类二、新能源技术