材料与社会可持续发展

1北京青少年科技俱乐部－科技名家讲座材料与社会可持续发展2前言一、材料在人类社会发展中的作用二、材料在开发过程中所遇到的问题及对策三、为了可持续发展，当前材料科学技术应重视的几个环节结语报告内容：3前言：当前最关注的三大问题：资源、能源与环境都与材料有密切关系。材料是人类社会进步和人民生活水平提高不可或缺的物质基础。生产材料是消耗资源与能源的大户，也是造成环境污染的主要源头，但是材料又是开发能源和治理环境污染的重要保障。土木工程在社会发展中十分重要，2004年GDP13万亿元，51.3%为全社会固定资产投资拉动的，其中60－65％是土木工程。4一、材料在人类社会发展中的作用1、以材料划分人类发展的历程青铜时代石器时代铁器时代电子材料时代(Si)中国中东欧美公元前公元材料与文明52、以钢铁为主要标志的工业革命(英国)1733年发明了飞梭促进了纺织工业大发展；1735年焦碳炼铁；1750年坩埚炼钢；1760年鼓风机(加速炼铁、炼钢)；1765年蒸汽机；1785年蒸汽机船；1796年蒸汽机车；1856年转炉炼钢；1864年平炉炼钢；1868－1914年各种合金钢出现；6中国3.5亿吨自1870年以来世界粗钢的产量发展报告73、材料在人类社会现代化过程中发挥了关键作用人类社会现代化的主要标志：工农业生产实现电气化和自动化，劳动生产率大幅度提高；人类活动的全球化和立体化；现代农业则是依靠科学技术的进步，逐步从以经验为基础的农业改造为以科学为基础的农业。8为实现交通的立体化，就需要高性能的飞机，一般来说：飞机性能的提高，2/3靠材料。材料对飞机性能的提高所处地位42%294269%29％9航空发动机对材料的依赖程度更高，达到80％以上，除高比强度和高比刚度，还要求耐高温、抗疲劳、抗氧化和腐蚀能力。喷气发动机起源于上世纪40年代初，当时的工作温度在700℃左右，而今民用机接近1500℃，而军用机在2000℃左右。这就要求发展耐高温材料(高温合金)。高温合金的发展，先是锻造铁基或镍基合金，1958年采用铸造，以提高合金元素含量，而后又定向凝固(1965)、单晶(1970)，以消除晶界在高温下强度变低的影响；为了减少偏析，有些大件(如涡轮盘)采用粉末冶金，这些材料再加冷却技术，基本满足了要求。10从民航机的发展历程，说明每座·哩油耗逐年下降的情况，这一方面是设计与机型的扩大所致，另一方面是材料不断改进的结果，PWA客机每减重1kg，多赢利$104。历代民机座·哩的油耗燃油效率(每座·哩/加仑)初始服役年份客机从波音707到747，30年间每座·哩的油耗降低了2.5倍2.5倍11科学技术对农业的增产也是决定性的。利用锇作为催化剂，哈伯(Haber)于1909年合成了氨作为肥料，1940年发明的除草剂，及采取灌溉、农膜育苗及机械化作业等措施，可使粮食大幅度增产。中国历年粮食单产增加情况年度亩产(斤)1949137195217619783371983453目前，再加育种技术，亩产吨级以上，但是化肥用量过大，我国占世界7％的耕地用了1/3化肥，造成资源浪费和环境污染。124、材料将人类社会带入了信息时代19581998晶片直径特征线宽2一个半导体晶体管价格芯片发展历程13此外，光传播、光存储的发展速度更快，也都是材料不断进步的结果。目前，硅半导体占95％，随着频率和性能的提高，化合物半导体GaAs、InP、GaN等成为第二代半导体材料，第三代将是SiC、金刚石等。自工业革命后，人类社会的进步主要是材料推动的结果！14二、材料在开发过程中所遇到的问题及对策资源＋能源材料＋废物科学工程技术应用废品污染物循环经济(4R)ReduceReuseRecycleRemanufacture环境15全球重要金属矿储量及可采年限矿物单位储量可开采年限中国排位Fe矿石(109T)153.41715Mn金属(106T)907.2975Cr富矿(Cr2O335-45%)(106T)105710613Ni金属(106T)52.6685W金属(106T)2.8601Mo金属(106T)5.44552V金属(106T)4.351351Cu金属(106T)340407Zn金属(106T)170261Al铝矾土(109T)212387Ti金属(106T)15511Pt金属(103T)31.11356稀土氧化物(106T)457811资源金属材料有资源枯竭问题16可以看出，目前已探明的金属矿床，多者可用不足200年，少者仅20－30年，可能解决的途径有以下几个方面：1、加强对地球资源深度勘探和采掘地球构造剖面图17世界资源大国，多数矿山开发深度已达到1000米以上，有的达4000米，我国只有几百米。特别随着科学技术的进步，探明储量可大幅度增加，但不可再生的资源，总有枯竭的一天。182、向海洋要金属经过亿万年的地球表面的风化和雨水冲刷，海水溶解各种金属，有的浓度很高，如Mg(1536g/m3)，Li(0.192g/m3)等。金属单位(吨/立方英里)总含量(吨)Mg6,400,0002.1×1015Sr38,00012×1012Li800260×109Zn4716×109Fe4716×109Al4716×109Mo4716×109Sn145×109Cu145×109U145×109Ni93×109V93×109Ti51.5×109Sb2800×106Ag1500×106W0.5150×106Au0.026×106A：海水中溶解金属含量19海底锰瘤总量3×1012吨，其成分：Mn:7.9-50.1%Fe:2.4-26.6%Co:0.01-2.3%Ni:0.16-2.0%Cu:0.03-1.6%Pb:0.02-0.36%B：锰瘤2020世纪初，有机合成材料的出现也是人类社会现代化重要标志之一。1975年按体积计算，世界合成树脂产量与粗钢体积比达1.18:1，美、德分别达2.85:1和1.94:1。对合成有机材料来说，目前以石油为主要原料，正在研究以天然气或煤为原料的流程，但是从全世界范围来看，它们可供开采的年限有限(石油40年，天然气62年，煤225年)。当然，近年来对甲烷水化物颇受重视，其储量可超过现有化石燃料资源的总和，但距实用化还很远，而且CH4和燃烧产物CO2都加剧温室效应。一个可行的有机物来源是通过光合作用，在地球上产生绿色植物和海藻类，每年可贮存6×1017kcal，合成有机物约2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍；生物质能是固定CO2的产物，每产一吨生物质能，可减少相当于化石能源2吨温室气体的排放。有机材料21有些无机非金属资源也是有限的，如水泥所需原料在中国仅供30-40年之用，因此开发新型建材也是当务之急。至于工程陶瓷如Si3N4、SiC等，资源丰富，但需提高韧性，降低成本，扩大应用。近年来岩石的用途不断扩大，如玄武岩、蒙脱土等，为材料的开发开辟了途径。无机非金属材料22能源形势：UNDP估计的能源两种可能的变化现代能源主要出自化石能源(80%)，一直到本世纪中叶，化石能源仍占主导地位，因此提高燃烧效率，减少污染仍为最主要课题。从长远看UNDP估计到本世纪末有两个可能结构变化。能源23氢能氢有三个问题需要解决：氢源：电解水，热化工转化细菌分解水等储氢与氢的运输不同储氢材料能量密度与汽油的对比不同储氢材料的能量密度最近美国研制出锂硼氢化物有可能满足要求24燃料电池：效率高，无污染，用于汽车，但质子交换膜与催化剂太贵，目前为$125/kw，内燃机为$30/kw。今后可能会便宜，因无转动部件，构造简单。但可用于电网的大型装置，还有不少问题。25太阳能辐射于地面的太阳能1万倍于目前人类所需能源，取之不尽，用之不竭。但密度低(1kw/m2)，受地域和气候影响大。太阳能可分为光伏能和太阳炉，光电转换效率不高！材料类型材料转化效率%硅多晶9－12非晶（膜）6－9单晶～20化合物半导体GaAs（晶）18－30CdS，CdTe（膜）10－12CuInSe2（膜）10－12敏化纳米染料薄膜（大面积）5有机太阳能转换膜5几种成熟和正开发的光伏转换材料最近美国加州大学开发出多波段半导体光电转换材料，其转换率高达37%26光伏转换电能价高，约10倍于火电。另外一种是用聚焦技术的太阳加热炉，用以加热水或气体来发电，其电价每度5－13美分，接近火力发电。还有民用太阳热能的直接利用，对中国广大农村来说更为实用。27包括太阳能在内，水电、风能和生物质能等可以并称为可再生能源。可再生能源资源世界中国太阳能陆地每年接受能量相当于标煤1.3×106亿吨2.4×104亿吨水能(万亿千瓦时)技术可开发经济可开发13.944.962.221.27生物质能(亿吨标煤)657风能(亿千瓦)技术可开发96陆上2.5，近海7.5地热(亿吨标煤)总资源量技术可开发1400500110－潮汐能(亿千瓦)理论资源量技术资源量76664－1.89世界和中国可再生能源资源状况28世界光伏电能、风能、生物质能(酒精)的发展趋势世界电能分布光伏电能风能生物质能29中国生物质能有更大的发展前景：1、中国秸秆7亿吨/每年2、高产作物，如玉米、薯类、速生林等3、乡镇大力发展沼气4、沙漠地区的改造：蒙脱土＋生根剂(保水植木)若尔盖(长征水草地)采用治沙技术的效果30中国可能采取固沙措施的地区31核能核能仍是重要能源，也是未来能源希望之所在。压水堆、轻水堆及快中子堆：1、无CO2排放2、安全性正在提高3、资源丰富全世界产生裂变能的原料U和Th的资源储量分别为330万吨和400－600万吨，可提供600ZJ(1ZJ=1021J)能量，是目前世界能源年需求量的1500倍。我国铀储量不够丰富，但钍的储量仅次于印度，看来核裂变能仍不失为今后的重要能源。4、海水中有40万亿吨氘(一升海水中氘的聚变能相当于300升汽油)，称作永恒能源，但难度太大，物理证明可行，工程问题难解决(耐高温、高通量中子辐射材料)，预计50－100年后实现，目前已组织国际合作。322002年美国工程院在讨论工程前沿时，盛赞核能。在美国建一个100万千瓦核电厂的核燃料费每年4000万美元，而同规模煤电厂为1.1亿美元，天然气2.2亿美元，电厂每度电成本分别为1.83、2.07及3.52美分，但建设成本远高于天然气，每千瓦分别为1500和500美元。33材料在制备过程中的污染是另一个严重问题。如2004年我国水泥产量约10亿吨，排放8亿吨CO2，80万吨SO2，160万吨NOx和800万吨粉尘，还有大量污水。此外，一吨钢出2吨CO2，炼焦和有色金属冶炼排放更多的SO2、固体废渣、粉煤灰、煤矸石、尾矿等，每年都以亿吨计，累计起来已有百亿吨，占地面积几百万亩。固体废渣目前在水泥工业用量很大，SO2一般可回收制硫酸，当前人们最关心的是CO2，因为它是造成温室效应的祸首。环境污染34温室气体CO2CH4N2OCFCO3工业革命前浓度(×10-9)280,000790288010当前浓度(×10-9)353,00017203100.2820-40当前年增长率(%)0.50.90.340.2-0.5在大气中寿命(年)50-2001015060-100数周到数月对温室效应相对贡献(%)60155128几种温室气体35该图为包括中国在内的几个国家和地区不同年代CO2排放量的预测。From“InterdisciplinaryScienceReviews”,Vol26,No4,2001,P25436由于温室气体不断增加，到本世纪末温升2.5ºC(冰河期与目前温差5－6ºC)，人居环境灾难频发，陆地缩小。解决办法：减少化石能源利用地球绿化面积扩大CO2泵入地下(废矿井、含砂层、页岩)，一座100万千瓦电厂10年内可贮存6000万吨CO2通过催化剂与生物工程CO2＋H2O粮食37三、为了可持续发展，当前材料科学技术应重视的几个环节1、自然资源的有效利用2、传统材料的升级换代3、开发资源丰富的新材料体系4、现有材料性能的提高与新材料的开发5、环境材料是循环经济