第十三讲新材料、新能源技术

• 合成橡胶是在对天然橡胶进行分析研究的基础上发展 起来的。19世纪中叶，天然乳胶经硫化处理变成能成 形、富有弹性的有用材料后，橡胶工业开始建立。随 着19世纪未交通运输事业的迅猛发展，特别是自行车 和汽车的成批生产以及其他工业的发展，对橡胶需求 量增加。欧美一些国家开始研制合成橡胶.
• 到20世纪70年代末，合成橡胶产量已为天然橡胶的两 倍。
• 1972年在产量上超过尼龙、棉纶的合成纤维新品种聚 脂纤维问世，其中涤纶制品热稳定性高、强度大、褶 皱性好，是—·种深受欢迎的合成纤维，各国都在积极 发展。
• 三、新型无机非金属材料 常见的新型无机非金属材料有工业陶瓷、光导纤维和 光导体材料。 光导纤维是可有效地远距离传导光信号的玻璃或塑料 纤维。它的优点是：重量轻，通信容量大，传输损耗 低，在很宽的频带内频率能保持稳定。
• 四、复合材料 复合材料是有机高分子、无机非金属和金属等材料复 合而成的一种多相材料，特点是不仅能保持其原组分 的部分特点，而且还具有原组分所不具有的性能。
复合材料制成 的座椅和长条 凳，不仅重量 减轻，其外观 设计上也明显 与众不同了。
复合材料可分结构复合材料与功能复合材料两大类。
复合材料制成的机械手。
受控核聚变装置
§14.4 可再生能源
• 14.4.1 太阳能
太阳能是太阳内部不断进行核聚变反应产生热量，通过 其表面以辐射方式向宇宙空间发射出来的一种巨大且对 环境无污染的能源。
太阳每秒钟辐射到地球表面的总能量为8.0×1013 kW。 太阳能的转换和利用方式有光-热转换、光-电转换和光 -化学转换。
最早的合成塑料——酚醛塑料， 是1907年美国化学家贝克兰用 苯酚和甲醛缩合，再添加木粉 等材料制得。
右图是在英国伦敦科学博物馆 展出的塑料制成的新型概念汽 车，庆祝塑料诞生100周年。
70年代由于新兴科学技术的发展，研制具有特殊性能 的塑料已成为重要的发展方向。
• 20世纪初化学纤维的主要品种是粘胶纤维，它以木浆、 棉绒等天然纤维为原料经化学改性而制成。1940年美 国成功合成尼龙66，开辟了合成纤维研制的新道路。
原子弹爆炸
• 20世纪初发现原子核里蕴藏着的核能，为人类开辟了 一种极重要的新能源，是人类历史上划时代的重大成 就。这一成就首先被应用于军事目的，其后实现了核 能(迄今还只是裂变能)的和平利用，标志着人类改造 自然进入了一个新阶段。
• 核能的发现与军事利用
核能的军事应用主要是指研制核武器，其特征是利用能 量的瞬间释放形成爆炸，并产生大规模杀伤破坏效应。 核武器的技术水平体现在小型化、轻量化、等效比威力、 可靠性、安全性等方面。核试验在发展核武器中发挥了 非常重要的作用。
光电子信息材料包括淘汰和信息获取材料、信息传输材 料、信息存储材料以及信息处理和运算材料。其少主 要是各类光电子半导体材料、各种光纤和薄膜材料、 各种液晶显示材料等。
• 14.1.6 纳米材料 纳米科技就是一门以0.1至100 nm 这样尺度的物质为 研究对象的前沿科学。 从2000年3月，美国科学技术委员会向美国政府提出报 告，把启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的 核心。
第wenku.baidu.com节 不断发展的新材料技术
• 材料是人类生存和发展的物质基础，也是人类社会现代 文明的重要支柱，材料的变化直接影响社会的变革。
• 材料是技术进步的关键要素之一，早在70年代，就有人 把能源、信息和材料称为现代文明的三大支柱。近年来， 人们把信息技术、生物技术和新材料技术称为新技术革 命的重要标志。
• 二、高分子合成材料
高分子合成材料是20世纪用化学方法制造的一种新型 材料。高分子合成材料可分为合成橡胶、塑料和化学 纤维。由于高分子在化学组成和结构上的不同，因而 具有多种性能，用途十分广泛，已在相当程度上取代 了钢材、木材、棉花等天然材料。
同时，高分子化合物还具有良好的电绝缘性，这些特 殊性能使高分子材料成为现代的新型优质材料。
核反应堆
• 受控热核聚变能
核聚变是两个较轻的原子核聚合为一个较重的原子核， 并释放出能量的过程。
自然界中最容易实现的聚变反应是氢的同位素—— 氘与氚的聚变，反应产物是无放射性污染的氦。
由于核聚变需要极高温度，一旦某一环节出现问题，燃 料温度下降，聚变反应就会自动中止。聚变能是一种无 限的、清洁的、安全的新能源。
稀有金属化学性质十分活泼，少量稀有金属即能改善合 金的性能，可用来制造光电材料、磁性材料、化工材料 及原子能反应堆的零件。
钛合金加固威尼斯钟楼
• 从20世纪中叶起至今，在材料工业中，金属材料一直 占绝对优势。这是由于金属材料(例如钢铁)工业已经 具有了一整套相当成熟的生产技术和庞大的生产能力， 并且质量稳定，供应方便，在性能价格比上也占有一 定优势，随着材料技术日新月异的发展，金属材料也 在不断推陈出新，许多新兴金属材料应运而生。
受控热核聚变能的研究分惯性约束和磁约束两种途径。
惯性约束是利用超高强度的激光在极短的时间内辐照 靶板来产生聚变。
磁约束是利用强磁场可以很好地约束带电粒子这个特 性，构造一个特殊的磁容器，建成聚变反应堆，在其 中将聚变材料加热至数亿摄氏度高温，实现聚变反应。
20世纪下半叶，聚变能的研究取得了重大的进展， 托卡马克类型的磁约束研究领先于其他途径。
这座用复合材料制成的小桥，只有几厘米的 厚度，但可承载75吨重量。防滑涂料也是采 用复合材料。
• 五、光电子材料 光电子技术是一个比较 庞大的体系，它包括信 息传输，如光纤通信、 空间和海底光通信等。
探索与发展新型光电子材料，制作高性能、小型化、 集成化的光电子器件，已经成为整个光电子科技领域 的前沿。
由光导纤维构成的光缆
半导体材料还可用来制作晶体管、集成电路、固态激光器 和探测器等器件。
半导体材料
• 当前半导体硅是制作集成电路和大规模集成电路的材 料。虽然在硅片上可以取得很大的集成度，但是硅在 处理信息的速度上是有限度的。作为下一代半导体材 料的砷化镓，在存贮信息的能力上与硅一样，处理信 息的能力则可比半导体硅快10倍。
新疆地区的风力发电
海洋能是海洋中蕴藏或发出的能量。海洋能的表现形 式多种多样，通常包括：潮汐能、波浪能、海洋温差能、 海洋盐差能和海流能等。
印度洋上的海洋温差发电装置实验船。
• 核电站的发展 将原子核裂变释放的核能转变为电能的系统和设备， 通常称为核电站也称原子能发电站。核燃料裂变过程 释放出来的能量，经过反应堆内循环的冷却剂，把能 量带出并传输到锅炉产生蒸汽用以驱动涡轮机并带动 发电机发电。核电站是一种高能量、少耗料的电站。
核电站
核电站是以核反应堆来代替火电站的锅炉，以核燃料 在核反应堆中发生特殊形式的“燃烧”产生热量，来 加热水使之变成蒸汽。蒸汽通过管路进入汽轮机，推 动汽轮发电机发电。 核反应堆，又称为原子反应堆或反应堆，是装配了核 燃料以实现大规模可控制裂变链式反应的装置。
电子向氧极（正极）方向流动，这时便产生电。氢离子通过 电解液，因氧极而与氧和电子结合并变成水。此流程不断持续。
• 四、生物能、风能、海洋能 生物能亦称生物质能，是植物通过光合作用固定的太阳能。
北海道滝川市的生物能发电装置，这里设置着三个 700立方米的发酵槽以及用于储存沼气的气罐。
风能是空气流动产生的动能。风能无处不在，永不枯竭。 博览会上的风力无电灯
日本是世界最大的太阳能电池生产国。上图是埼玉县吉川市的商品房住宅区， 家家房屋的屋顶都设置着太阳能电池发电装置。据说这一地区的发电功率达 200千瓦。
• 二、地热能 地球本身是个大热库，蕴藏着巨大的热能。
用于从地低3000米深处的地热埋 层引取热水和蒸汽的井即蒸汽井。
位于大分县中部九重町的八丁原发电站。 八丁原 发电站位于九州大分县海拔约1100米的高原，它 是日本全国十七处地热发电站中规模最大的，发 电功率达十一万千瓦。
• 煤炭与石油资源是有限的，因此新能源技术只要指对 各种新能源的开发与利用。
• 新能源有两种不同情况，一种是不久前才进入科学研 究视野的能源，如核聚变能、氢能；另一种是用现代 科学技术重新开发利用的古老资源，如太阳能、风能、 地热能等。
一、核能的开发与利用
• 核能（指原子核能，又称原子能）是原子核结构发生 变化时释放出的能量。在使用上指重元素的原子核发 生分裂反应（又称裂变）时和轻元素的原子核发生聚 合反应（又称聚变）时所释放出的巨大能量。
• 新材料主要包括新型金属材料、高分子合成材料、复合 材料、新型无机非金属材料、光电子材料和纳米材料等。
• 一、新型金属材料
重要的新型金属材料有铝、镁、钛合金以及稀有金属。 新型铝合金品种繁多、重量轻、导电性好，可代替铜 用作导电材料。 新型镁合金既轻又强，是制造直升机某些零件的理想 材料。新型高强度钛合金不仅可用来制造超音速飞机 和宇宙飞船，而且广泛应用于化学工业、电解工业和 电力工业，被誉为“未来的钢铁”。
世界近现代科技史
□第一章 科学技术是第一生产力 □第二章 古代科学技术的发展 □第三章 近代科学的诞生 □第四章 现代物理学 □第五章 现代生物学 □第六章 微电子技术与计算机技术 □第七章 新材料新能源技术 □第八章 空间技术与海洋技术
高等教育出版社
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第七章 新材料、新能源技术
讨论： 1．说说新技术革命的重要标志是什么？ 2．谈谈你理解的“新材料”和“新能源”。
• 三、氢能 氢由于重量轻、热值高、无污染、资源丰富，从20世 纪70年代初开始已被用作发电以及各种机动车和飞行 器的燃料等。
位于东京的有明氢气站。 汽油车辆需要有加油站， 同样，燃料电池车需要 有氢供给设施。
左∶本田汽车公司开发的燃料电池汽车FCX。 右∶氢通过氢极（负极）接触电解液，从而分解为氢离子和电子。
• 我国关于纳米材料和技术的研究取得了重要进展，比 如成功合成了直径最小的碳纳米管，这些为我国纳米 材料研究在国际上争得了一席之地，促进了我国纳米 材料技术研究的发展。
图为碳纳米管（中间）和金纳米导线（两端） 的混合纳米导线
第二节 新能源
• 能源是人类社会活动的物质基础。
• 古时候人类以柴草为燃料，以人力、畜力、水利和风 力为动力。产业革命后，工业的大发展扩大了煤炭的 利用，蒸汽机械成为主要的动力机械。到19世纪电力 出现后，社会生产力有很大提高，石油资源的发展开 拓了能源利用的新时代。