新能源材料的發(fā)展

1、新能源材料作業(yè)授課:副教授學(xué)生:張振學(xué)號(hào):導(dǎo)師:教授新能源材料及其發(fā)展能源是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。自工業(yè)革命以來全球煤炭、石油、天然氣等化石能源資源消耗迅速,生態(tài)環(huán)境不斷惡化,特別是溫室氣體排放導(dǎo)致日益嚴(yán)峻的全球氣候變化,人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。可再生能源包括水能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽艿?資源潛力大,環(huán)境污染低,可永續(xù)利用,是有利于人與自然和諧發(fā)展的重要能源。上世紀(jì)70年代以來,可持續(xù)發(fā)展思想逐步成為國(guó)際社會(huì)共識(shí),可再生能源開發(fā)利用受到世界各國(guó)高度重視,各國(guó)將開發(fā)利用可再生能源作為能源戰(zhàn)略的重要組成部分,提出了明確的可再生能源發(fā)展目標(biāo),制定了鼓勵(lì)可再生能源發(fā)

2、展的法律和政策,可再生能源得到迅速發(fā)展。在新技術(shù)基礎(chǔ)上,系統(tǒng)地開發(fā)利用的可再生能源。如核能、太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?、氫能等。新能源新材料是在環(huán)保理念推出之后引發(fā)的對(duì)不可再生資源節(jié)約利用的一種新的科技理念,新能源新材料是指新近發(fā)展的或正在研發(fā)的、性能超群的一些材料,具有比傳統(tǒng)材料更為優(yōu)異的性能,能源材料主要有太陽能電池材料、儲(chǔ)氫材料、固體氧化物電池材料等。一、新能源新材料發(fā)展方向(一、超導(dǎo)材料有些材料當(dāng)溫度下降至某一臨界溫度時(shí),其電阻完全消失,這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性,具有這種現(xiàn)象的材料稱為超導(dǎo)材料。超導(dǎo)體的另外一個(gè)特征是:當(dāng)電阻消失時(shí),磁感應(yīng)線將不能通過超導(dǎo)體,這種現(xiàn)象稱為抗磁性。

3、一般金屬(例如:銅的電阻率隨溫度的下降而逐漸減小,當(dāng)溫度接近于0K時(shí),其電阻達(dá)到某一值。而1919年荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯用液氦冷卻水銀,當(dāng)溫度下降到4.2K(即-269時(shí),發(fā)現(xiàn)水銀的電阻完全消失,超導(dǎo)電性和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性。使超導(dǎo)體電阻為零的溫度稱為臨界溫度(TC。超導(dǎo)材料研究的難題是突破“溫度障礙”,即尋找高溫超導(dǎo)材料。以NbTi、Nb3Sn為代表的實(shí)用超導(dǎo)材料已實(shí)現(xiàn)了商品化,在核磁共振人體成像(NMRI、超導(dǎo)磁體及大型加速器磁體等多個(gè)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用;SQUID作為超導(dǎo)體弱電應(yīng)用的典范已在微弱電磁信號(hào)測(cè)量方面起到了重要作用,其靈敏度是其它任何非超導(dǎo)的裝置無法達(dá)到的。但是,由于常規(guī)低溫

4、超導(dǎo)體的臨界溫度太低,必須在昂貴復(fù)雜的液氦(4.2K系統(tǒng)中使用,因而嚴(yán)重地限制了低溫超導(dǎo)應(yīng)用的發(fā)展。高溫氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn),突破了溫度壁壘,把超導(dǎo)應(yīng)用溫度從液氦(4.2K提高到液氮(77K溫區(qū)。同液氦相比,液氮是一種非常經(jīng)濟(jì)的冷媒,并且具有較高的熱容量,給工程應(yīng)用帶來了極大的方便。另外,高溫超導(dǎo)體都具有相當(dāng)高的磁性能,能夠用來產(chǎn)生20T以上的強(qiáng)磁場(chǎng)。超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能。利用超導(dǎo)材料制作超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的線圈磁體制成的超導(dǎo)發(fā)電機(jī),可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到56萬高斯,而且?guī)缀鯖]有能量損失,與常規(guī)發(fā)電機(jī)相比,超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量提高510倍,發(fā)電效率提高50%;超導(dǎo)輸電線和超導(dǎo)變壓

5、器可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶,據(jù)統(tǒng)計(jì),目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電,約有15%的電能損耗在輸電線上,在中國(guó)每年的電力損失達(dá)1000多億度,若改為超導(dǎo)輸電,節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠;超導(dǎo)磁懸浮列車的工作原理是利用超導(dǎo)材料的抗磁性,將超導(dǎo)材料置于永久磁體(或磁場(chǎng)的上方,由于超導(dǎo)的抗磁性,磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)體,磁體(或磁場(chǎng)和超導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生排斥力,使超導(dǎo)體懸浮在上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車,如已運(yùn)行的日本新干線列車,上海浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)的高速列車等;用于超導(dǎo)計(jì)算機(jī),高速計(jì)算機(jī)要求在集成電路芯片上的元件和連接線密集排列,但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量,若利用

6、電阻接近于零的超導(dǎo)材料制作連接線或超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件,則不存在散熱問題,可使計(jì)算機(jī)的速度大大提高。(二、能源材料(三、智能材料智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料,是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一。國(guó)外在智能材料的研發(fā)方面取得很多技術(shù)突破,如英國(guó)宇航公司的導(dǎo)線傳感器,用于測(cè)試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況;英國(guó)開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金,壽命期具有百萬次循環(huán),且輸出功率高,以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間僅為10分鐘;形狀記憶合金還已成功在應(yīng)用于衛(wèi)星天線等、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。另外,還有壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動(dòng)組件材料等功能材料

7、。(四、磁性材料磁性材料可分為軟磁材料和硬磁材料二類。1.軟磁材料軟磁材料是指那些易于磁化并可反復(fù)磁化的材料,但當(dāng)磁場(chǎng)去除后,磁性即隨之消失。這類材料的特性標(biāo)志是:磁導(dǎo)率(=B/H高,即在磁場(chǎng)中很容易被磁化,并很快達(dá)到高的磁化強(qiáng)度;但當(dāng)磁場(chǎng)消失時(shí),其剩磁很小。這種材料在電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用于高頻技術(shù)。如磁芯、磁頭、存儲(chǔ)器磁芯;在強(qiáng)電技術(shù)中可用于制作變壓器、開關(guān)繼電器等。目前常用的軟磁體有鐵硅合金、鐵鎳合金、非晶金屬。Fe-(3%4%Si的鐵硅合金是最常用的軟磁材料,常用作低頻變壓器、電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)的鐵芯;鐵鎳合金的性能比鐵硅合金好,典型代表材料為坡莫合金(Permalloy,其成分為79%Ni-

8、21%Fe,坡莫合金具有高的磁導(dǎo)率(磁導(dǎo)率為鐵硅合金的1020倍、低的損耗;并且在弱磁場(chǎng)中具有高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力,廣泛用于電訊工業(yè)、電子計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)方面,是重要的電子材料;非晶金屬(金屬玻璃與一般金屬的不同點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)為非晶體。它們是由Fe、Co、Ni及半金屬元素B、Si 所組成,其生產(chǎn)工藝要點(diǎn)是采用極快的速度使金屬液冷卻,使固態(tài)金屬獲得原子無規(guī)則排列的非晶體結(jié)構(gòu)。非晶金屬具有非常優(yōu)良的磁性能,它們已用于低能耗的變壓器、磁性傳感器、記錄磁頭等。另外,有的非晶金屬具有優(yōu)良的耐蝕性,有的非晶金屬具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)。2.永磁材料(硬磁材料永磁材料經(jīng)磁化后,去除外磁場(chǎng)仍保留磁性,其性能特點(diǎn)

9、是具有高的剩磁、高的矯頑力。利用此特性可制造永久磁鐵,可把它作為磁源。如常見的指南針、儀表、微電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、錄音機(jī)、電話及醫(yī)療等方面。永磁材料包括鐵氧體和金屬永磁材料兩類。鐵氧體的用量大、應(yīng)用廣泛、價(jià)格低,但磁性能一般,用于一般要求的永磁體。金屬永磁材料中,最早使用的是高碳鋼,但磁性能較差。高性能永磁材料的品種有鋁鎳鈷(Al-Ni-Co和鐵鉻鈷(Fe-Cr-Co;稀土永磁,如較早的稀土鈷(Re-Co合金(主要品種有利用粉末冶金技術(shù)制成的SmCo5和Sm2Co17,以及現(xiàn)在廣泛采用的鈮鐵硼(Nb-Fe-B稀土永磁,鈮鐵硼磁體不僅性能優(yōu),而且不含稀缺元素鈷,所以很快成為目前高性能永磁材料的代表,已

10、用于高性能揚(yáng)聲器、電子水表、核磁共振儀、微電機(jī)、汽車啟動(dòng)電機(jī)等。(五、納米材料納米本是一個(gè)尺度,納米科學(xué)技術(shù)是一個(gè)融科學(xué)前沿的高技術(shù)于一體的完整體系,它的基本涵義是在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然,通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)新物質(zhì)。納米科技主要包括:納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)七個(gè)方面。納米材料是納米科技領(lǐng)域中最富活力、研究?jī)?nèi)涵十分豐富的科學(xué)分支。用納米來命名材料是20世紀(jì)80年代,納米材料是指由納米顆粒構(gòu)成的固體材料,其中納米顆粒的尺寸最多不超過100納米。納米材料的制備與合成技術(shù)是當(dāng)前主要的研究方向,雖然在樣品的合成上取得了一些進(jìn)展,

11、但至今仍不能制備出大量的塊狀樣品,因此研究納米材料的制備對(duì)其應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。二、未來的幾種新能源新材料1.波能:即海洋波浪能。這是一種取之不盡,用之不竭的無污染可再生能源。據(jù)推測(cè),地球上海洋波浪蘊(yùn)藏的電能高達(dá)9×104TW。近年來,在各國(guó)的新能源開發(fā)計(jì)劃中,波能的利用已占有一席之地。盡管波能發(fā)電成本較高,需要進(jìn)一步完善,但目前的進(jìn)展已表明了這種新能源潛在的商業(yè)價(jià)值。日本的一座海洋波能發(fā)電廠已運(yùn)行8年,電廠的發(fā)電成本雖高于其它發(fā)電方式,但對(duì)于邊遠(yuǎn)島嶼來說,可節(jié)省電力傳輸?shù)韧顿Y費(fèi)用。目前,美、英、印度等國(guó)家已建成幾十座波能發(fā)電站,且均運(yùn)行良好。2.可燃冰:這是一種甲烷與水結(jié)合在一

12、起的固體化合物,它的外型與冰相似,故稱“可燃冰”。可燃冰在低溫高壓下呈穩(wěn)定狀態(tài),冰融化所釋放的可燃?xì)怏w相當(dāng)于原來固體化合物體積的100倍。據(jù)測(cè)算,可燃冰的蘊(yùn)藏量比地球上的煤、石油和天然氣的總和還多。3.煤層氣:煤在形成過程中由于溫度及壓力增加,在產(chǎn)生變質(zhì)作用的同時(shí)也釋放出可燃性氣體。從泥炭到褐煤,每噸煤產(chǎn)生68m3氣;從泥炭到肥煤,每噸煤產(chǎn)生130m3氣;從泥炭到無煙煤每噸煤產(chǎn)生400m3氣?？茖W(xué)家估計(jì),地球上煤層氣可達(dá)2000Tm3。4.微生物:世界上有不少國(guó)家盛產(chǎn)甘蔗、甜菜、木薯等,利用微生物發(fā)酵,可制成酒精,酒精具有燃燒完全、效率高、無污染等特點(diǎn),用其稀釋汽油可得到“乙醇汽油”,而且制作酒精的原料豐富,成本低廉。據(jù)報(bào)道,巴西已改裝“乙醇汽油”或酒精為燃料的汽車達(dá)幾十萬輛,減輕了大氣污染。此外,利用微生物可制取氫氣,以開辟能源的新途徑。5.第四代核能源:當(dāng)今,世界科學(xué)家已研制出利用正反物質(zhì)的核聚變,來制造出無任何污染的新型核能源。正反物質(zhì)的原子在相遇的瞬間,灰飛煙滅,此時(shí),會(huì)產(chǎn)生高當(dāng)量的沖擊波以及光輻射能。這種強(qiáng)大的光輻射能可轉(zhuǎn)化為熱能,如果能夠控制正反物質(zhì)的核反應(yīng)強(qiáng)度,來作為人類的新型