第十三講新材料、新能源技術(shù)

世界近現(xiàn)代科技史□第一章科學(xué)技術(shù)是第一生產(chǎn)力□第二章古代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展□第三章近代科學(xué)的誕生□第四章現(xiàn)代物理學(xué)□第五章現(xiàn)代生物學(xué)□第六章微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)□第七章新材料新能源技術(shù)□第八章空間技術(shù)與海洋技術(shù)第七章新材料、新能源技術(shù)討論：1．說(shuō)說(shuō)新技術(shù)革命的重要標(biāo)志是什么？2．談?wù)勀憷斫獾摹靶虏牧稀焙汀靶履茉础?。版?quán)所有復(fù)制必究高等教育出版社第一節(jié)不斷發(fā)展的新材料技術(shù)材料是人類生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是人類社會(huì)現(xiàn)代文明的重要支柱，材料的變化直接影響社會(huì)的變革。材料是技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵要素之一，早在70年代，就有人把能源、信息和材料稱為現(xiàn)代文明的三大支柱。近年來(lái)，人們把信息技術(shù)、生物技術(shù)和新材料技術(shù)稱為新技術(shù)革命的重要標(biāo)志。新材料主要包括新型金屬材料、高分子合成材料、復(fù)合材料、新型無(wú)機(jī)非金屬材料、光電子材料和納米材料等。一、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。新型鋁合金品種繁多、重量輕、導(dǎo)電性好，可代替銅用作導(dǎo)電材料。新型鎂合金既輕又強(qiáng)，是制造直升機(jī)某些零件的理想材料。新型高強(qiáng)度鈦合金不僅可用來(lái)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(lái)的鋼鐵”。

稀有金屬化學(xué)性質(zhì)十分活潑，少量稀有金屬即能改善合金的性能，可用來(lái)制造光電材料、磁性材料、化工材料及原子能反應(yīng)堆的零件。鈦合金加固威尼斯鐘樓

從20世紀(jì)中葉起至今，在材料工業(yè)中，金屬材料一直占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。這是由于金屬材料(例如鋼鐵)工業(yè)已經(jīng)具有了一整套相當(dāng)成熟的生產(chǎn)技術(shù)和龐大的生產(chǎn)能力，并且質(zhì)量穩(wěn)定，供應(yīng)方便，在性能價(jià)格比上也占有一定優(yōu)勢(shì)，隨著材料技術(shù)日新月異的發(fā)展，金屬材料也在不斷推陳出新，許多新興金屬材料應(yīng)運(yùn)而生。

二、高分子合成材料

高分子合成材料是20世紀(jì)用化學(xué)方法制造的一種新型材料。高分子合成材料可分為合成橡膠、塑料和化學(xué)纖維。由于高分子在化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)上的不同，因而具有多種性能，用途十分廣泛，已在相當(dāng)程度上取代了鋼材、木材、棉花等天然材料。同時(shí)，高分子化合物還具有良好的電絕緣性，這些特殊性能使高分子材料成為現(xiàn)代的新型優(yōu)質(zhì)材料。

合成橡膠是在對(duì)天然橡膠進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。19世紀(jì)中葉，天然乳膠經(jīng)硫化處理變成能成形、富有彈性的有用材料后，橡膠工業(yè)開(kāi)始建立。隨著19世紀(jì)未交通運(yùn)輸事業(yè)的迅猛發(fā)展，特別是自行車和汽車的成批生產(chǎn)以及其他工業(yè)的發(fā)展，對(duì)橡膠需求量增加。歐美一些國(guó)家開(kāi)始研制合成橡膠.到20世紀(jì)70年代末，合成橡膠產(chǎn)量已為天然橡膠的兩倍。最早的合成塑料——酚醛塑料，是1907年美國(guó)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。右圖是在英國(guó)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周年。70年代由于新興科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，研制具有特殊性能的塑料已成為重要的發(fā)展方向。20世紀(jì)初化學(xué)纖維的主要品種是粘膠纖維，它以木漿、棉絨等天然纖維為原料經(jīng)化學(xué)改性而制成。1940年美國(guó)成功合成尼龍66，開(kāi)辟了合成纖維研制的新道路。1972年在產(chǎn)量上超過(guò)尼龍、棉綸的合成纖維新品種聚脂纖維問(wèn)世，其中滌綸制品熱穩(wěn)定性高、強(qiáng)度大、褶皺性好，是—·種深受歡迎的合成纖維，各國(guó)都在積極發(fā)展。三、新型無(wú)機(jī)非金屬材料常見(jiàn)的新型無(wú)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。光導(dǎo)纖維是可有效地遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)光信號(hào)的玻璃或塑料纖維。它的優(yōu)點(diǎn)是：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。

由光導(dǎo)纖維構(gòu)成的光纜

半導(dǎo)體材料還可用來(lái)制作晶體管、集成電路、固態(tài)激光器和探測(cè)器等器件。半導(dǎo)體材料當(dāng)前半導(dǎo)體硅是制作集成電路和大規(guī)模集成電路的材料。雖然在硅片上可以取得很大的集成度，但是硅在處理信息的速度上是有限度的。作為下一代半導(dǎo)體材料的砷化鎵，在存貯信息的能力上與硅一樣，處理信息的能力則可比半導(dǎo)體硅快10倍。四、復(fù)合材料復(fù)合材料是有機(jī)高分子、無(wú)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)是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(zhǎng)條凳，不僅重量減輕，其外觀設(shè)計(jì)上也明顯與眾不同了。

復(fù)合材料可分結(jié)構(gòu)復(fù)合材料與功能復(fù)合材料兩大類。這座用復(fù)合材料制成的小橋，只有幾厘米的厚度，但可承載75噸重量。防滑涂料也是采用復(fù)合材料。

復(fù)合材料制成的機(jī)械手。五、光電子材料

光電子技術(shù)是一個(gè)比較龐大的體系，它包括信息傳輸，如光纖通信、空間和海底光通信等。

探索與發(fā)展新型光電子材料，制作高性能、小型化、集成化的光電子器件，已經(jīng)成為整個(gè)光電子科技領(lǐng)域的前沿。光電子信息材料包括淘汰和信息獲取材料、信息傳輸材料、信息存儲(chǔ)材料以及信息處理和運(yùn)算材料。其少主要是各類光電子半導(dǎo)體材料、各種光纖和薄膜材料、各種液晶顯示材料等。14.1.6納米材料納米科技就是一門以0.1至100nm這樣尺度的物質(zhì)為研究對(duì)象的前沿科學(xué)。從2000年3月，美國(guó)科學(xué)技術(shù)委員會(huì)向美國(guó)政府提出報(bào)告，把啟動(dòng)納米技術(shù)的計(jì)劃看作是下一次工業(yè)革命的核心。我國(guó)關(guān)于納米材料和技術(shù)的研究取得了重要進(jìn)展，比如成功合成了直徑最小的碳納米管，這些為我國(guó)納米材料研究在國(guó)際上爭(zhēng)得了一席之地，促進(jìn)了我國(guó)納米材料技術(shù)研究的發(fā)展。圖為碳納米管（中間）和金納米導(dǎo)線（兩端）的混合納米導(dǎo)線第二節(jié)新能源能源是人類社會(huì)活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)。古時(shí)候人類以柴草為燃料，以人力、畜力、水利和風(fēng)力為動(dòng)力。產(chǎn)業(yè)革命后，工業(yè)的大發(fā)展擴(kuò)大了煤炭的利用，蒸汽機(jī)械成為主要的動(dòng)力機(jī)械。到19世紀(jì)電力出現(xiàn)后，社會(huì)生產(chǎn)力有很大提高，石油資源的發(fā)展開(kāi)拓了能源利用的新時(shí)代。煤炭與石油資源是有限的，因此新能源技術(shù)只要指對(duì)各種新能源的開(kāi)發(fā)與利用。新能源有兩種不同情況，一種是不久前才進(jìn)入科學(xué)研究視野的能源，如核聚變能、氫能；另一種是用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)重新開(kāi)發(fā)利用的古老資源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮艿?。一、核能的開(kāi)發(fā)與利用核能（指原子核能，又稱原子能）是原子核結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時(shí)釋放出的能量。在使用上指重元素的原子核發(fā)生分裂反應(yīng)（又稱裂變）時(shí)和輕元素的原子核發(fā)生聚合反應(yīng)（又稱聚變）時(shí)所釋放出的巨大能量。原子彈爆炸20世紀(jì)初發(fā)現(xiàn)原子核里蘊(yùn)藏著的核能，為人類開(kāi)辟了一種極重要的新能源，是人類歷史上劃時(shí)代的重大成就。這一成就首先被應(yīng)用于軍事目的，其后實(shí)現(xiàn)了核能(迄今還只是裂變能)的和平利用，標(biāo)志著人類改造自然進(jìn)入了一個(gè)新階段。核能的發(fā)現(xiàn)與軍事利用

核能的軍事應(yīng)用主要是指研制核武器，其特征是利用能量的瞬間釋放形成爆炸，并產(chǎn)生大規(guī)模殺傷破壞效應(yīng)。核武器的技術(shù)水平體現(xiàn)在小型化、輕量化、等效比威力、可靠性、安全性等方面。核試驗(yàn)在發(fā)展核武器中發(fā)揮了非常重要的作用。核電站的發(fā)展將原子核裂變釋放的核能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿南到y(tǒng)和設(shè)備，通常稱為核電站也稱原子能發(fā)電站。核燃料裂變過(guò)程釋放出來(lái)的能量，經(jīng)過(guò)反應(yīng)堆內(nèi)循環(huán)的冷卻劑，把能量帶出并傳輸?shù)藉仩t產(chǎn)生蒸汽用以驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。核電站是一種高能量、少耗料的電站。

核電站

核電站是以核反應(yīng)堆來(lái)代替火電站的鍋爐，以核燃料在核反應(yīng)堆中發(fā)生特殊形式的“燃燒”產(chǎn)生熱量，來(lái)加熱水使之變成蒸汽。蒸汽通過(guò)管路進(jìn)入汽輪機(jī)，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。

核反應(yīng)堆，又稱為原子反應(yīng)堆或反應(yīng)堆，是裝配了核燃料以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模可控制裂變鏈?zhǔn)椒磻?yīng)的裝置。

核反應(yīng)堆受控?zé)岷司圩兡?/p>

核聚變是兩個(gè)較輕的原子核聚合為一個(gè)較重的原子核，并釋放出能量的過(guò)程。

自然界中最容易實(shí)現(xiàn)的聚變反應(yīng)是氫的同位素——

氘與氚的聚變，反應(yīng)產(chǎn)物是無(wú)放射性污染的氦。

由于核聚變需要極高溫度，一旦某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問(wèn)題，燃料溫度下降，聚變反應(yīng)就會(huì)自動(dòng)中止。聚變能是一種無(wú)限的、清潔的、安全的新能源。

受控?zé)岷司圩兡艿难芯糠謶T性約束和磁約束兩種途徑。

慣性約束是利用超高強(qiáng)度的激光在極短的時(shí)間內(nèi)輻照靶板來(lái)產(chǎn)生聚變。磁約束是利用強(qiáng)磁場(chǎng)可以很好地約束帶電粒子這個(gè)特性，構(gòu)造一個(gè)特殊的磁容器，建成聚變反應(yīng)堆，在其中將聚變材料加熱至數(shù)億攝氏度高溫，實(shí)現(xiàn)聚變反應(yīng)。20世紀(jì)下半葉，聚變能的研究取得了重大的進(jìn)展，托卡馬克類型的磁約束研究領(lǐng)先于其他途徑。

受控核聚變裝置§14.4

可再生能源14.4.1太陽(yáng)能

太陽(yáng)能是太陽(yáng)內(nèi)部不斷進(jìn)行核聚變反應(yīng)產(chǎn)生熱量，通過(guò)其表面以輻射方式向宇宙空間發(fā)射出來(lái)的一種巨大且對(duì)環(huán)境無(wú)污染的能源。

太陽(yáng)每秒鐘輻射到地球表面的總能量為8.0×1013kW。太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換和利用方式有光-熱轉(zhuǎn)換、光-電轉(zhuǎn)換和光-化學(xué)轉(zhuǎn)換。日本是世界最大的太陽(yáng)能電池生產(chǎn)國(guó)。上圖是埼玉縣吉川市的商品房住宅區(qū)，家家房屋的屋頂都設(shè)置著太陽(yáng)能電池發(fā)電裝置。據(jù)說(shuō)這一地區(qū)的發(fā)電功率達(dá)200千瓦。

二、地?zé)崮艿厍虮旧硎莻€(gè)大熱庫(kù)，蘊(yùn)藏著巨大的熱能。位于大分縣中部九重町的八丁原發(fā)電站。八丁原發(fā)電站位于九州大分縣海拔約1100米的高原，它是日本全國(guó)十七處地?zé)岚l(fā)電站中規(guī)模最大的，發(fā)電功率達(dá)十一萬(wàn)千瓦。用于從地低3000米深處的地?zé)崧駥右崴驼羝木凑羝?/p>

三、氫能氫由于重量輕、熱值高、無(wú)污染、資源豐富，從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始已被用作發(fā)電以及各種機(jī)動(dòng)車和飛行器的燃料等。位于東京的有明氫氣站。汽油車輛需要有加油站，同樣，燃料電池車需要有氫供給設(shè)施。

左∶本田汽車公司開(kāi)發(fā)的燃料電池汽車FCX。

右∶氫通過(guò)氫極（負(fù)極）接觸電解液，從而分解為氫離子和電子。電子向氧極（正極）方向流動(dòng)，這時(shí)便產(chǎn)生電。氫離子通過(guò)電解液，因氧極而與氧和電子結(jié)合并變成水。此流程不斷持續(xù)。四、生