功能材料基础及应用课件 Lesson 6 其它功能材料

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发取得重大进展之后,科学家把电动汽车 动力问题的最终解决寄希望于污染少、发 展潜力大的燃料电池。美国、日本、欧洲 等国的一些燃料电池样车已经展出
中科院大连物化所; 上海技术物理所; 武汉理工大学,。。。。。
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FC+B台架车 上海燃料电池混合轿车 所用锂离子电池
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4) 核聚变是人类获取能源的理想方式。 从长远来看,核能将是继石油、煤和天然
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太阳能----能量的源泉
如果将地球表面积的 0.1%安装转换效率为 10%的光伏电池,所转换 的电能就可以满足目前全世界所有能源消耗。
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最直接、最重要的太阳能利用方式之一是 光伏电池
单晶硅太阳能电池变换效率>20% 砷化镓/锑化镓>30% 非晶硅 ~ 10% TiO2 ~ 11% 现在的关键是要解决成本问题
开发能使经济可持续发展的环境协调性材料,如 仿生材料、环境保护材料、氟里昂、石棉等有害 物质的替代材料、绿色新材料等
材料的环境协调性评价
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关键技术
有机膜分离技术:海水(或盐碱水)淡化效率达 50% 的有机膜实用化和产业化
固沙植被材料与技术 节能、环保建筑材料及其关键工艺技术
1.突破日产2000吨的流态化水泥烧成技术,其单位能 耗与粉尘排放低于目前的新型干法工艺 2.实现纯氧燃烧生产浮法建筑玻璃的产业化
生物技术:强烈依赖于生命科学的发展。其许多问 题还停留在科学(Science)的阶段,对许多现象人 们 还 不 知 道 为 什 么 ( Why ) , 包 括 某 些 疾 病 的 产 生。不知道为什么,也就是科学问题没有解决,对 于开发技术便造成了巨大障碍。因此,对于生物技 术,各发达国家不仅大量投资于技术发展,同时也 大量投资于基础研究
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生物技术正在酝酿大突破:
在农业转基因生物技术方面,转基因谷物、大豆、杂 交水稻等抗逆、抗病高产作物、转基因动物等不断培 育成功,这是对传统农业的重大技术革命
在医药生物技术方面,基因克隆、细胞克隆、个体水 平克隆等无性繁殖技术发展迅速。基于器官的修复和 移植的干细胞克隆研究取得了积极进展,为人类从治 疗疾病到预防疾病的历史性转变奠定了坚实基础
太阳能的综合利用 (光电、热电、热交换)及其与风 力发电的耦合技术 建立总体利用效率达15%的聚光式太阳能光电、热 电、热交换系统并实用化,建立太阳能综合利用与风 力发电耦合的实用型分布式地面电站,并可并网供电
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关键技术(3)
半导体照明-绿色照明 发光效率达到 100 lm/w以上 显色指数接近 100% 价格下降,为百姓所接受
和功能性生物复合材料 带有治疗功能的生物复合材料研究
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关键技术
生物芯片 生物兼容性好、可降解或可诱导再生的人体
软、硬组织替换材料 具有分子识别和特异免疫功能的血液净化材料
和装置
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人工关节
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生态环境材料
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生态环境材料
生态环境材料是在人类认识到生态环境保护的 重要战略意义、世界各国纷纷走可持续发展道 路的背景下提出来的,是国内外材料科学与工 程研究发展的必然趋势
生物技术究竟给人类带来福音还是灾难,一方 面取决于掌握技术的人,另一方面还要注意到人的 认识是不断深化的
在这场高科技竞争中,中国不应错过大好时机
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生物医用材料发展
市场销售额以每年20%的速度递增,预计20年内,生 物医用材料所占的份额将赶上药物市场
生物活性陶瓷已成为生物医用陶瓷的主要方向 生物降解高分子材料是医用高分子材料重要方向 医用复合生物材料的研究重点是强韧化生物复合材料
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智能材料是一种集材料与结构、智然处理、执 行系统、控制系统和传感系统于一体的复杂的 材料体系
其设计与合成几乎横跨所有的高技术学科领 域。构成智然材料的基本材料组元有压电材 料、形状记忆材料、光导纤维、电(磁)流变 液、磁致伸缩材料和智然高分子材料等
国家政策 环保与消费意思
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生物医用材料
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生物医用材料
生物医用材料是一类用于诊断、治疗或替换人体组织、器官 或增进其功能的新型高技术材料,是材料科学技术中的一个 正在发展的新领域,不仅技术含量和经济价值高,而且与患 者生命和健康密切相关。近10多年以来,生物医用材料及制 品的市场一直保持20%左右的增长率
干细胞克隆取得快速进展,这可实现通过干细胞 分化制备器官(如心脏,肝脏、肾脏等),从而进行 器官修复,治疗白血病等恶性疾病
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信息技术:偏重于技术(Technology)。大量投资 开 发 的 一 个 重 要 任 务 是 如 何 ( How ) 研 发 这 些 技 术,尽可能地提高技术性能,使得更好用、更实 用、成本更低。而科学上的问题相对较为成熟
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在生物质能方面,美国学者已发现30多种富 含油的野草,如乳草、蒲公英等。科学家还发 现300多种灌木、400多种花卉富含“石油”
我国科学家利用转基因技术,使油菜籽的生 物柴油含量由10%提高到40%,展现了开拓能源 又一领域的美好前景
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3) 燃料电池(fuel cell) 继镍氢电池、锂离子电池的电动汽车开
气之后的主要能源,人类将从“石油文明”走向 “核能文明”。
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当前新能源材料的研究热点包括 高能储氢材料 聚合物电池材料 中温固体氧化物燃料电池电解质材料 多晶薄膜太阳能电池材料等
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关键技术(1)
固体氧化物燃料电池: 固体氧化物燃料电池比质子交换膜燃料电池有更高
的转换效率和节能效果,可减少二氧化碳排放 50%, 不 产生NOx。但目前研究的固体氧化物燃料电池的工作温 度达800~900℃
篇均被引频次
12.15 8.78 6.76 6.34 2.53 3.34 2.79 6.54 2.22 6.09 2.13 3.68 9.95 3.36 1.19 7.59
论文所占比例(%)
27.17 20.82 11.ຫໍສະໝຸດ Baidu5 11.25 7.24 3.66
3.55 2.81 2.52 2.25 1.78 1.73 1.7 1.4 0.28 100
社会科学(一般)
地球科学 数学 环境/生态学 计算机科学 农业科学 空间科学 经济和商业 多学科

论文数 2281499 1747691 994956 944703 607895 307340 297992 235808 211452 188617 149223 145552 142523 117132 23414 8395797
二是从科学研究的角度看,由于生命体是一个 复杂的系统,它包含着许许多多悬而未决的基础科 学问题。这些极具魅力的挑战本身就足以激发研究 者的极大热情
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过去十年国际科学论文产出的学科分布
论文排序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 合
学科领域 生物科学 临床医学 化学 物理学 工程 材料科学
其它功能材料
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目录
新能源材料 生物医用材料 生态环境材料 智能材料 磁性功能材料 复合材料 功能梯度材料
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新能源材料
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能源是可以直接或经转换提供人类所需的 光、热、电、动力等任一形式能量的载能体 资源
能源技术的开发和研究是一个很古老的问 题,进入新世纪以后,有关能源问题的研究 话题又在全球范围内重新升温。这种现象并 不是偶然的,它与能源在今天世界政治、经 济和人类生活中的作用密切相关,也与石油 资源的巨大消耗和日益紧缺密切相关
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生命科学和生物技术 -- “后基因”时代
完成的人类基因组测序,仅是弄清了各基因结构 的排序,离弄清这些基因的功能是什么,与各种疾 病、各种生命机理有何关系,还有很长的路要走。只 破译了个别功能基因,如耳聋基因、肥胖基因等等
随着越来越多功能基因的破译,目前对人类健康 构成严重威胁的恶性肿瘤的研究有望突破,爱滋病疫 苗有望上市,对脑功能也将有更深入、系统的了解
一般认为生态环境材料是具有满意的使用性能 同时又被赋予优异的环境协调性的材料
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该类材料特点是消耗资源和能源少,对生态和环境污 染小,再生利用率高,而且从材料制造、使用、废弃 直到再生循环利用的整个寿命过程,都与生态环境相 协调
主要包括:环境相容材料,如纯天然材料(木材、石 材等)、仿生物材料(人工骨、人工器脏等)、绿色 包装材料(绿色包装袋、包装容器)、生态建材(无 毒装饰材料等);环境降解材料(生物降解塑料 等);环境工程材料,如环境修复材料、环境净化材 料(分子筛、离子筛材料)、环境替代材料(无磷洗 衣粉助剂)等
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新能源材料
新能源和再生清洁能源技术是影响21世纪世界经济发展 最具有决定性技术领域之一,新能源包括太阳能、生物 质能、核能、风能、地热、海洋能等一次能源以及二次 电源中的氢能等
新能源材料则是指实现新能源的转化和利用以及发展新 能源技术中所要用到的关键材 料。主要包括储氢电极合 金材料为代表的镍氢电池材料、嵌锂碳负极和LiCoO2正 极为代表的锂离子电池材料、燃料电池材料、Si 半导体 材料为代表的太阳能电池材料以及铀、氘、氚为代表的 反应堆核能材料等
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生态环境材料研究热点包括: 再生聚合物(塑料)设计 材料环境协调性评价的理论体系 降低材料环境负荷新工艺、新技术和新方法等
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主要研究方向
直接面临的与环境问题相关的材料技术,例如, 生物可降解材料技术,CO2 气体的固化技术, SOx、NOx催化转化技术、废物的再资源化技术, 环境污染修复技术,材料制备加工中的洁净技术 以及节省资源、节省能源的技术
生物医用材料按组成和性质分为医用金属材料、医用高分子 材料、生物陶瓷材料和生物医学复合材料等。金属、陶瓷、 高分子及其复合材料是应用最广的生物医用材料。按应用生 物医用材料又可分为可降解与吸收材料、组织工程材料与人 工器官、控制释放材料、仿生智然材料等
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生命科学和生物技术:
一是它关系到人的生存和生活质量的提高,以 及整个人类社会可持续发展等诸多至关重要的问 题。对于一个国家,它则是关系到国计民生、国家 安全、经济发展的大事
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照明用电占总电力消耗12%-15%
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国际石油储备
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国际石油产量
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1) 最重要的能源:化石能源 化石能源的核心之一是洁净煤问题:一
是煤炭转化(气化和液化);另一是洁净煤 发电技术。
富煤少油是我国的基本国情。(在我国 一次能源消费中,煤炭占70%以上)。洁净 煤技术的突破及其广泛应用,将在很大程度 上改善我国日益严峻的能源安全局面。 2) 可再生洁净能源:太阳能,风能,潮汐能
关键技术: a)高性能电极材料及其制备技术 b)新型电解质材料及电极支撑电解质隔膜制备 c)电池结构优化设计及其制备技术 d)电池的结构、性能与表征的研究
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关键技术(2)
光电转换效率大于18%的硅基太阳能电池商品化 研制出光电转换效率大于 18%的低成本、大面积、可 商业化的硅基太阳能电池及其组件
在生物芯片方面,DNA芯片成为生物技术与微电子技 术相结合的产物,它的应用将大大提高疾病的检测准 确度和效率,为更快地发现一些疑难疾病带来希望
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人类基因组结构图 -- “生命天书”
美、日、法、德、英、中六国政府首脑共同 签署声明宣布绘制全部完成
现在世界上已完成包括病毒、细菌以及高等动 植物在内的几十个物种的全基因测序。水稻基因 组精细图的绘制工作也已初步完成,我国科学家 在此领域已赢得先机
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人类与疾病的战争 “非典”人类杀手
世界卫生组织2003年4月16日正式确认,引起非典 型肺炎的病原体是冠状病毒的一个变种
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生命科学和生物技术的发展也并非一帆风顺。目 前在生物技术的某些领域如转基因食品、克隆技术 以及基因组学等方面,已经出现了涉及伦理、道 德、宗教、隐私和环境的强烈争议。比如,人们担 心转基因作物和食品中的外来基因会扩散到其他物 种中,从而对人体健康和环境产生负面影响
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智能材料
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智能材料
20世纪80年代中期人们提出了智能材料(Smart Materials或者Intelligent Material System 概念
智能材料是模仿生命系统,能感知环境变化并能 实时地改变自身的一种或多种性能参数,作出所 期望的、能与变化后的环境相适应的复合材料或 材料的复合
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