第十四章 新材料与新能源技术

《第十四章 新材料与新能源技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第十四章 新材料与新能源技术（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第十四章 新材料与新能源技术 1 了解新材料技术的发展。 基本要求：了解各种材料的分类及其功能特点 通过区别各种材料的差异以达到锻炼分析总结和比较的能力 教学重点：各种材料的分类及其功能特点 教学难点：金属材料 内容要点： 第一节 先进的金属材料 形状记忆合金：在高温下处理成一定形状的金属急冷下来，在低温相状态下 经塑性变形成另一种形状，然后加热到高温相成为稳定状态的温度时通过马 氏体逆相变恢复到低温塑性变形前形状的现象。通常由两种以上的金属元素 构成的合金。广泛应用在军事、电子、汽车、能源、机械、宇航和医疗等方 面。 超塑性合金：有微晶超塑性和相变超塑性两种。超塑性指在特定的组织状态、 一定

2、的温度和形变速率下表现出较高塑性。 减振合金有复相型减振合金、强磁性型减振合金、孪晶型减振合金等。应用 在一切领域。 贮氢合金：应用领域有汽车领域等。 多孔金属材料：具有质轻、比表面积大等特性，可用作过滤材料，进行液体 和气体的净化等。 金属磁性材料有永磁性材料、软磁性材料、超高磁致伸缩材料、磁记录材料、 磁流体材料、磁光材料等。 非晶态合金材料。 第二节 特种陶瓷材料 特种陶瓷：以高纯、超细的人工合成的无机化合物为原料，采用精密控制的 制备工艺烧结而成，其性能更加优异。 结构陶瓷：具有耐高温、耐冲刷、高耐磨、高硬度、高强度和低蠕变速率的 特性。有氮化物陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、高韧性陶瓷

3、、透明陶瓷等 类型。 功能陶瓷材料：利用其电、磁、声、光、热、弹等直接效应及其耦合效应所 提供的一种或多种性质来实现某种使用功能的先进陶瓷。有导电陶瓷、新型 高性能介电陶瓷、半导体陶瓷、压电陶瓷等。 生物陶瓷：指具有特殊生理行为的陶瓷材料，可用来构成人体骨骼和牙齿的 某些部位。生物陶瓷有惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷、可吸收生物陶瓷 三种类型。 第三节 新型高分子材料 高性能分子材料有工程塑料、高强度和高模量的高分子材料、高分子合金等 类型。 功能高分子材料有高他子分离膜、导电高分子材料、高吸水性树脂、高分子 催化剂等类型。 医用高分子材料有人工器官用高分子材料、高分子材料做药物的载体、高分

4、子药物等类型。 第四节 高性能复合材料 复合材料指两种或两种以上的材料按一定方式组合而成的，具有单一材料所不能获得的优良性能的材料。 高性能复合材料有高性能增强用纤维、高性能树脂基复合材料、金属基复合 材料、陶瓷基复合材料、碳基复合材料、梯度复合材料、功能复合材料等类 型。 第五节 电子、光电子材料 电子材料指在电子技术和微电子技术中使用的材料。本节主要介绍半导体材 料。 光电子材料指在光电子技术所用的材料。主要有激光材料、光电子控制元件 材料、光电探测及光电信息传输材料、光存储和显示材料、光电转换和光电 子集成化所用材料等类型。 第六节 超导材料 超导现象的特征和临界参数，超导体的种类。 超

5、导材料的应用：作为超导磁体，能源和动力方面的应用，超导量子干涉仪、 超导磁强计，超导开关器件，超导存储器。 第七节 纳米材料 纳米材料可分为纳米颗粒和纳米固体两个层次。 纳米材料的性质：超微粒大的比表面积和活性，纳米材料的热学性质，纳米 材料的光学性质，纳米材料的力学性质。 纳米材料的应用：作为磁性材料，作为传感器材料及微电子器件材料的应用， 在催化方面的应用，作为光学材料的应用，在医学、生物工程方面的应用， 复合材料应用。 第八节 富勒烯材料及其潜在的应用前景 C60 及其他富勒烯的结构。 C60 及碳纳米管的性质：C60 的物理、化学性质，碳纳米管的性质。 C60 潜在的应用前景：用于润滑

6、剂、研磨剂和制造超硬切削刀具，作为半导 体材料、超导材料的应用，作为软铁磁材料、贮氢材料的应用，作为非线性 光学材料的应用，作为超导材料的应用。 碳纳米管潜在应用前景：作为储氢材料的应用，作为场发射的阴极材料，用 作复合材料的增强体，用作超级电容器电极材料，作为传感器材料，用于锂 离子充电电池的电极材料，扫描探针显微镜的探针等。 2 了解核能的开发与利用。 基本要求：知道能源的分类 知道各种能源特点及其技术的应用方式 教学重点：核能的利用，太阳能的利用 教学难点：核能产生的原理 内容要点： 第一节 常规能源及人类面临的能源挑战 按能源的来源分：来自地球以外天体的能量(太阳的辐射能)。来自地球自

7、射的能源(地热能和核能)。地球和其他天体相互作用而产生的能量(潮汐能)。 按能源能否从自然界中得到补充，分为再生能源和非再生能源。 按利用能源的形态不同，可将能源分为一次能源和二次能源。 按应用范围、技术成熟程度等条件可将能源分为常规能源和新能源。 常规能源包括煤炭、石油、天然气、水力等。新能源包括太阳辐射能、地热能、风能、海洋能、核聚变能、潮汐能、生物 质能和氢能等。 人类面临的能源挑战有：非再生能源资源面临枯竭的危险，直接燃烧化石燃 料对环境构成严重威胁。 第二节 核能 核能：原子核发生裂变或聚变时所放出的能量，核能分为核裂变能和聚变能。核裂变能：重元素(铀或钚等)的原子核发生裂变时放出的

8、能量，主要有热中 子转换堆和快中子增殖堆。 聚变能：轻元素的原子核发生聚变反应时放出的能量。有磁约束受控核聚变 和惯性约束核聚变两种。 核能利用的安全性。 第三节 太阳能 太阳辐射能主要表现为光和热的能量。 太阳能利用的三种形式： 光-热转换：将太阳能转换成热能，有平板型集热器和抛物面型反射聚光器。 光-电转换：将太阳的辐射能直接转换成电能。太阳能电池有结晶太阳能电池 和非结晶太阳能两种。 光-化学转换：将太阳辐射能直接转换成化学能。只有模拟利用植物的光合作 用才能实现光-化学转换。 第四节 其他新能源的开发利用 风能技术：风能转换成机械能，风能转换成电能，风能转换成热能。 地热能技术：地热发

9、电(地热干蒸气发电、地下热水发电)。地热采暖 生物质能的转换：直接燃烧，生物转换技术，化学转换技术。 氢能技术：主要为太阳能制氢技术。 海洋能技术。 其他新技术：磁流体发电，燃料电池发电技术。 3 了解可再生能源的利用。教学过程：新材料技术新材料技术 一、新材料技术与人类文明一、新材料技术与人类文明 材料是科学技术的必要物质基础，任何一项新技术的突破，都要有相应的 新材料作前提保证，而且某些新材料的研制过程本身就是新技术的发展。光导 纤维和激光材料对于光通信，半导体材料和磁性材料对于计算机技术，超导材 料、光电材料和贮氢材料等对于新能源，生物功能材料对于生物工程等等，无 不说明新材料对于新技术

10、和新兴工业的发展具有举足轻重的关键作用。 新材料的发展，是在材料科学特别是固体物理、结晶化学、结构化学以及 电磁学、光学、力学、热学等现代科学理论基础上，运用现代精密测试、分析 技术对材料的化学组成、结合键、合成方法、结构与性能关系进行深入研究的 结果。新材料的研制，包括研究材料的宏观、微观和迁移现象，物质的相互作 用与结合关系规律，材料的组成结构特征和力学、光学、热学、电磁、声学等物理性能的关系，材料的制取生产工艺和应用等。是一个多学科相互交叉的综 合性科学领域，同时也是科学技术密集型的事业。 从材料的发展史来看，最初的石器材料仅是对自然界天然物质作简单的打、 磨加工，陶器才是人类通过加工技

11、术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点。 自陶瓷至青铜、铁器材料，还只是加工、冶炼技术和工艺的改进。当发展到现 代的高分子材料、特种陶瓷和复合材料等，人类开始从加工改造天然物质材料 走向以人工化合物为原料的合成材料。20 世纪末主要的新材料，包括塑料、合 成橡胶、化纤等各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光导纤维、 碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料，记忆合金、非晶态金属、晶须、 超导材料、超塑性金属、超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、弥散粒子、 叠层复合等新型复合材料。还有被称为第四代、第五代材料的超微粒子、超晶 格膜、超纯材料等“极限材料“和“分子设计“材料等。 二、新材

12、料技术及其进展二、新材料技术及其进展 1 1、1 1、 金属材料金属材料 金属材料是进入工业社会以后，人类用得最早也是用得最多的材料，并长 期占绝对优势。将来也将主导地位，特别的发展中国家。其共同优点是高纫性， 延展性好，强度高，导电性好。作为结构材料，开始时几乎全是铁和钢，本世 纪初出现了以硬铝为首的铝合金。50 年代起又出现只有钢一半重、耐热性比钢 好而强度不低于钢的钛合金。一直到现在，作为结构材料的金属材料，主要仍 是钢(铁的合金)、铝合金、钛合金，但它们的品种层出不穷，性能也远非昔日 可比。金属材料的发展，几乎可用一个“超”字来概括。如发展超高纯度铁、超 高强度钢、超高速钢(用作刀具)

13、、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低 温材料等等。 传统的炼钢工艺流程，是将冶炼合格的钢水浇铸到钢锭模内，待钢锭冷却 后取出，送到加工车间加热、开坯、轧成钢材。50 年代钢的浇涛技术有了重大 改革，开始采用连续铸钢技术。其基本原理是：将钢水不间断地浇铸在水冷结 晶器中，待形成坯壳后不停地向下抽动，红热的钢坯经切断后，直接热送到轧 钢车间，在加热炉内经短时间加热后轧成钢材。这一新的工艺流程经过不断完 善，现已形成炼钢一精炼连铸热送轧材新的工艺生产路线，并在全 世界广泛推广应用。70 年代连铸技术不断发展，不仅可以连铸成方、圆、扁坯，也可铸出 2 米 多宽的宽板坯、50 毫米的薄板坯以及形状复

14、杂的异形坯。连铸机有立弯、弧型、 水平等多种形式，单台连铸机的年产量可从几万吨到上百万吨。1994 年全世界 连铸比达到 735，我国连铸比也超过 40。上海、北京等地 20 多家工厂 （车间）已全部实现钢水连续浇铸。新的工艺流程与原有的模铸和初轧开坯工艺相比，有以下几点优势：1）吨 钢基建投资可节约 2030； 2）吨钢能耗降低 10左右；3）钢材成材率 可提高 610；4）钢坯质量大幅度提高；5）钢坯成本可降低 10左右； 6）大大改善了铸锭过程的劳动条件。预计到 2000 年，全世界连铸比将达到 90以上，我国连铸比也力争达到 80。为达到这一目标，必须利用现有基础条件，对老厂进行技术改

15、造。 有色金属是指除铁、铬、锰等几种黑色金属之外的多种金属的统称。在自 然界 103 种元素中，有色金属占 64 种，是元素周期表中最庞大的“家族”。其中， 铜、铝、铅、锌、锡、镍、锑、钛、镁、汞等 10 种有色金属被视为“家族”中的“十大金刚”。在当今社会，有色金属扮演了极为重要的角色，被广泛应用于工 业、农业、交通、运输、建筑、航空航天、信息、军工、医疗等领域。然而， 有色金属工业是一个高能耗的产业。近年来，采用富氧闪速熔炼工艺，使铜生 产能耗大大降低，比采用传统工艺生产铜降低能耗达 30。此外，在氧化铝制 备工艺上采用串联法，并开发出智能控制的大型预焙电解槽，可使能耗降低 2025。 2

16、 2、2 2、 非金属材料非金属材料 陶瓷陶瓷 陶瓷材料是人类最早利用的材料，由粘土、石英、长石等矿物原料配制而 成。从陶器发展到瓷器是第一次飞跃，从传统陶瓷到先进陶瓷是第二次飞跃。 从先进陶瓷到纳米陶瓷是第三次飞跃。优点是强度高，收缩小，机械性能好； 耐各种酸碱腐蚀，耐高温，耐辐射，抗氧化。致命缺点是易脆性。 以碳、硅、氮、氧硼等元素的人工化合物为主要原料，改进和发展传统陶 瓷工艺而获得的新型陶瓷材料。由于特种陶瓷的强度和韧性都有大幅度提高， 克服了传统陶瓷性脆易碎的弱点，已成为受到普遍重视的一种重要的新型工程 材料。 这种陶瓷在国外又称工程陶瓷、精密陶瓷或结构陶瓷。按应用和发展大 致可分为高强高温结构陶瓷、电工电子特种功能陶瓷两大类。 高强高温结构陶瓷强度高，特别是高温机械性能好，是优异的高温结构材 料。氧化铝陶瓷，抗拉强度高达 2650 千克力厘米 2，抗弯强度更高达 30005500 千克力厘米，而工作温度 1980；氮化硅陶瓷耐各种酸碱腐蚀， 耐辐射，收缩小，工作温度也