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1、第十章材料技术与能源技术教学目标：掌握能源危机、核能利用；熟悉新型金属材料、新型陶瓷材料；了解太阳能、风能、氢能。教学重点：核能利用，新型陶瓷、新型金属材料、复合材料。教学难点：核能利用。教学方法与手段：讲授法，多媒体辅助。本章主要阅读文献资料：吴国盛著，科学的历程，北京：北京大学出版社2002年10月版。徐丕玉主编,现代自然科学技术概论,首都经济贸易大学出版社，2006年7月版。第一节新材料的应用人类社会发展的历史证明，材料是人类赖以生存和发展、征服自然和改造自然的物质基础，是人类文明发展的里程碑。人类古代史是按生产工具的三个发展阶段划分的：石器时代、青铜器时代、铁器时代。这三个时代均以其当
2、时的代表性材料而命名。在现代社会，材料已经成为现代文明的重要支柱，材料的变化直接影响社会的变革。早在20世纪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。新材料指那些新近发展或正在发展中的，具有优异性能和特殊功能，对加速科学技术进步、促进国民经济发展、增强国防实力具有重大推动作用的材料。一、新型金属材料新型金属材料包括：贮氢合金、形状记忆合金、非晶态金属、减振合金、超塑合金、超局温合金。（一）股氢合金1、发菽1964年美国布鲁克海文国家实验室科学家首先发现镁一银合金有吸收氢气的特性。1968年荷兰菲利普实验室又发现镜!一银（La-Ni）合金在常温下能可逆地吸收和放出氢气。2、性质及
3、机理贮氢合金能够像海绵吸水一样吸收氢，但两者原理大不一样。贮氢合金具有特殊的晶体结构，氢容易进入晶格间隙，和金属原子形成金属氢化物，这种金属氢化物受热后发生分解，把氢气释放出来。由于氢被固定在金属原子周围，氢原子之间的距离很小，氢密度比在液态时还高，大大超过液态。3、优点（1）贮氢密度高；（2）不需要高压容器和隔热容器；（3）安全性好，没有爆炸危险。传统贮氢方法有两种，一种方法是利用高压钢瓶（氢气瓶）来储存氢气，但钢瓶储存氢气的容积小，瓶里的氢气即使加压到150个大气压，而且还有爆炸的危险；另一种方法是储存液态氢，将气态氢降温到-253变为液体进行储存，但液体储存箱非常庞大，需要极好的绝热装置
4、来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化。贮氢合金里，氢气密度是在高压钢瓶里的七、八倍，是液态氢密度的L5倍，是常温度（室温）、常压（大气压力）下氢气密度的一千多倍。4、意义：促进了氢能的开发。（二）形状记忆合金1、发现：1960年代初美国海军兵器研究所的地科学家把一批不便使用的乱如麻丝的银钛合金一根根拉直，并用在试验中。但他们无意中发现，当温度升到一定值的时候，这些已被拉直的银钛合金丝，会突然“记忆”起自己原来的模样，又恢复到弯弯曲曲的状态，而且丝毫不差。经过反复试验，结果这一“变形恢复”的现象可重复产生。2、性质和机理这种合金在一定温度下给它一个固定的形状，温度改变时候可以很容易改变它的形状，但
5、是恢复到原来的温度时候，它又恢复到原来的形状。3、应用最有名的一次：“阿波罗”H号飞船的登月舱天线。较常用的：管接头和紧固件。如，在转变温度之上用形状记忆合金加工成内径比欲接管子半径小4%的套管,然后在转变温度以下（液氮温度下零下196度）使套管扩径8%,把欲接的管子从两端插入。当温度升高到常温时套管收缩即形成坚固密封，其效果远胜于焊接。二、新型陶瓷材料（一）陶瓷材料1、陶瓷材料的发展传统的瓷器原料是粘土、长石、石英。它们的化学成份主要是氧化铝、碱金属氧化物、碱土金属氧化物、二氧化硅。瓷器质地致密、不漏水。陶器是由粘土和成泥制成坯，再经烧结而成，不含长石。陶器中有许多孔洞，强度也低。人们发现，
6、添加长石可以降低烧结温度，但得到的陶瓷自然不能经受太高温度；也发现，当粘土中氧化铝含量增加时，就必须提高烧结温度。烧结温度提高以后，可以得到致密坚实的陶瓷，而且这种陶瓷的耐高温性能也更好。例如，当陶瓷原料中氧化铝含量超过99.5%时，烧成的陶瓷的耐热温度可达1900C以o这件事启发人们用纯氧化铝做原料来烧制耐高温陶瓷。1924年，德国科学家用纯氧化铝粉做成试片，在2000烧结，得到一块洁白如玉、坚硬无比的氧化铝陶瓷。1933年德国西门子公司开始生产氧化铝陶瓷，命名为“烧结刚玉”。1948年前苏联研究出氧化铝陶瓷工具，能切削铸铁和合金。2、新型陶瓷和传统陶瓷区别从氧化铝陶瓷可以看出新型陶瓷与传统
7、陶瓷的区别。从化学成份看，传统陶瓷是由粘土、长石、石英烧结而成的，而新型陶瓷是由高纯度的化学原料烧结成的。用作新型陶瓷的原料，即使是来自天然矿物，也要精制到很高纯度；有的则完全不含天然矿物。第二，传统陶瓷含有粘土，加水即成泥，容易成型；新型陶瓷不含粘土，用粉体成型，有的加有少量淀粉或人工合成高分子做粘合剂，有的靠加压成型，成型技术要求很高。从结构上看，传统陶瓷是硅酸盐多晶夹有非晶的玻璃态，而新型陶瓷是完全不含玻璃态的多晶相。就性质而言，传统陶瓷只适合做生活用品，易碎，而新型陶瓷有的用锤击也不碎，有的在一千多度以上还能保持高强度，被用作高温结构材料；有的具有特殊的电学、热学、光学性质，被用作功能
8、材料。正是由于这些宝贵性质，才使新型陶瓷受到广泛的重视。总之，新型陶瓷是从传统陶瓷发展而来，又和传统陶瓷性能迥异的新材料，有的甚至和传统陶瓷没有什么共同之处。3、特性：熔点高、硬度高、化学稳定性高、耐高温、耐氧化、耐腐蚀。（二）新型陶瓷材料1、高温结构陶瓷原料：氮化硅、碳化硅等。氮化硅陶瓷有很高的强度和硬度，又有惊人的耐高温、耐腐蚀能力，能够经受冷热的急剧变化，被认为是目前最重要的新型结构陶瓷。制备方法：氮化硅是人工合成的新材料，自然界中不存在天然氮化硅。制造氮化硅陶瓷的方法有反应烧结法和热压法。反应烧结法是把纯硅粉加工制作坯体,放到1200C高温的氮气中，氮气钻入坯体与硅反应。第一次反应后将
9、坯体加工成所需要的形状，再在1400C高温氮气中进行第二次氮化制成氮化硅陶瓷。这种方法得到的陶瓷气孔比较多，所以人们更重视热压法的开发。热压法是在高压下加热烧结硅粉坯体制成氮化硅陶瓷，热压法制得的氮化硅陶瓷密度较高，几乎没有气孔。现在工业上已经开发制造了能在2000,2000个大气压的氮气压力下工作的大型烧结炉，可以满足氮化硅陶瓷的生产要求。用途：汽车、飞机发动机、输送腐蚀介质的泵、切削刀具（超薄）。优点：金属材料的使用温度极限为1000,有些复合材料工作温度虽可高于1000,但不能承受很强的应力。只有陶瓷能够承受这样的高温和应力。目前的陶瓷发动机运行温度，有的达到1370oCo以陶瓷为原料制
10、造发动机还有一个优点是不需要冷却系统。目前的金属内燃机都带有水冷却箱，而我国试制的陶瓷发动机没有水冷却装置，这样可以省去给水箱加水的麻烦，特别适用于在沙漠或干旱地区长途行驶。陶瓷发动机重量比金属发动机轻，因为陶瓷的比重比金属轻，而且没有冷却系统。由于车重的减轻，又可使汽车节省更多的燃料。用来制作汽车发动机的陶瓷主要有碳化硅、氮化硅陶瓷等。2、智能陶瓷电饭锅电路中的陶瓷电阻是一块掺了杂质的钛酸钢陶瓷。这种陶瓷的导电性随温度而改变，在120C以下时，电阻较小，能传导电流，当温度上升到120左右时，电阻率猛然上升几千倍甚至千万倍，基本上不导电了。所以也称热敏电阻。把热敏电阻串联到电热器电路中，放到饭
11、锅下面，当米饭未熟、锅里有水时，饭锅温度一定不会超过水的沸点（IOO）,热敏电阻值不大，有足够的电流供加热用。当水干以后，饭锅温度就会超过100oCo当温度继续上升，到120时，热敏电阻变成绝缘体，电流就被自动切断，实现了自动控制。用电饭锅煮粥，那么它的自动控制就无法实现。三、高性能复合材料（一）复合材料的特点1、传统的复合材料2、复合材料的分类复合材料包括三大要素：基体材料、增强剂及复合方式。复合材料按增强剂分类可以分为粒子、纤维、层状复合材料。按基体材料不同可以分为树脂基、金属基、陶瓷基等复合材料。按复合方式分类可以分为，结构复合材料和功能复合材料。（二）常见的复合材料1玻璃钢玻璃纤维增强
12、不饱和聚脂，就是人们常说的“玻璃钢”。它是用玻璃纤维做增强材料，或用玻璃布浸渍不饱和聚酯，加压固化成型以后成为一体而得到的。玻璃纤维在今天己经是很普通的材料了，是把玻璃熔化后拉成极细的丝，或纺织成织物，除了制造玻璃钢以外，还广泛用作隔热、保暖材料。2、碳纤维复合材料碳纤维作为增强材料的复合材料被称为先进复合材料，或新型复合材料。制造碳纤维复合材料制品的方法和玻璃钢相似，把碳纤维织成布或毯，浸上环氧树脂，再一层层迭成所需要的形状，在模具里加温加压，环氧树脂聚合成为一个整体，以碳纤维为“骨”，塑料为“肉”，形成复合材料，也可以在室温加压固化，但固化后耐热性差一些。日本是碳纤维和新型复合材料生产大国
13、，产品的80%都用于高级体育用品。美国的新型复合材料则大规模应用到航空航天工业中。应用：航天飞机或者火箭的头部所用的耐高温材料为碳一碳复合材料。耐高温、抗腐蚀、抗热震，特别是耐高温性能无与伦比，它是在2500C以上高温烧结而成，所以能耐受二三千度高温。四、其他新型材料（一）高分子材料1特点：高分子是由许多结构相同的单体聚合而成，分子量达到几万甚至几千万。高分子的长链卷曲并互相缠绕，分子之间相互吸引力强。高分子化合物因此会有一定的弹性、可塑性、电绝缘性。2、高分子合成材料可分为合成橡胶、塑料、化学纤维。3、常见的用处：以美国塑料为例，27%的塑料用于建筑和结构材料，25%用于包装，4.4%医用，
14、其余用于交通运输、电子电器、家具、仪器等等。已经在一定程度上取代了钢材、木材、棉花等天然材料。（二）纳米材料1相关概念纳米一长度单位Inm=10-9m（十亿分之一米）纳米颗粒一尺寸在1IOOnm之间的颗粒纳米材料一是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度水平并且具有特殊性能的材料。2、应用：纳米陶瓷、纳米铁、碳纳米管。第二节新能源的开发一、能源与能源问题（一）能源技术：是研究各种能源的开发、生产、转换、传输、分配、储存发及综合利用的科学技术体系。（二）能源问题煤炭石油作为能源面临的三个问题：有限、浪费、污染。1 化石燃料储量有限英国石油公司发布的BP世界能源统计2006指出：以目前的开采速度计算，全球
15、石油储量可供生产40年，天然气和煤炭则分别可以供应65年和162年。2004年全世界能源消费量为102亿吨标准油，主要能源品种为：煤炭55亿吨、石油38亿吨，天然气2.7万亿立方米、发电量17万亿千瓦时。（1）石油：2004年底世界石油探明储量为1.1886万亿桶（1619亿吨）。（2）天然气：BP世界能源统计2005表明2004年世界天然气储量为179.53万亿立方米，每年开采26916亿立方米，可维持开发60年左右。（3）煤炭：BP世界能源统计2005公布的2004年世界煤炭探明储量为9090.64亿吨，全世界煤炭消费量为55.64亿吨，供开采和使用的年限为162年。2、化石能源可以作为化
16、工原料，作为燃料造成资源浪费。3、燃烧污染环境。（三）新能源特点新能源：是指尚未被大规模利用、还有待进一步研究、试验完善，才能开发利用的能源。特点：具有再生性，取之不尽，用之不竭，储量丰富，能进行大规模的开采利用，也能小规模地机动使用；清洁、安全；具有较高的热值，便于贮存、运输和使用；价格低廉；无污染无公害。种类：太阳能、风能、地热能、生物能、海洋能。常规能源：目前已被人类广泛使用，技术比较成熟的能源。二、新能源的开发（一）核能1核能核能又称原子能，是原子核结构发生变化时放出的能量。原子核结构变化有两种形式核裂变和核聚变。这两种变化释放的能量分别被称为核裂变能和核聚变能。单位材料所释放的核能要
17、比化石燃烧放出的能量大得多。Ikg铀235=1800t石油或2800t标准煤。2、核裂变反应它是指一个重原子核分裂成2个较轻的新原子核的过程，有自发和诱导两种，一般的核裂变指后者；用来进行核裂变反应并连续释放能量的物质，称核裂变燃料。铀=铀238（99.28%）+铀235（0.714%）+铀234（0.006%）如果核裂变反应中产生的中子再引起其它的铀核裂变，就可使核裂变反应不断地进行下去，称为“链式反应”。链式反应的速度极快，两次反应间隔时间只有2X10-14秒。在链式反应中，后一代中子数与前一代中子数之比称为倍增系数（k）03、核电站（1）利用核能来发电的装置称为核电站，目前大多数核电站是
18、利用核裂变能来发电的。核电站的核心是核反应堆，原理是：由原子核反应堆释放的核能通过一套动力装置将核能转变为蒸汽的动能，进而转变为电能。该动力装置由一回路系统,二回路系统及其他辅助系统和设备组成。一回路系统相当于火力发电厂的锅炉系统，也称为核岛，二回路系统与常规火力发电厂的汽轮发电系统基本相同，也成为常规岛。核反应堆有多种类型，目前运行的核电站以热中子反应堆居多。热中子反应堆又可以分为四种。其中轻水堆（压水堆）最常见。压水堆反应堆是一个外形直径约5米，壁厚约200毫米，总高约13米的圆柱形高压反应容器。容器内设有实现原子核裂变反应堆的堆芯和堆芯支承结构，顶部装有控制反应堆裂变反应的控制棒传动机构
19、，随时调节和控制堆芯中控制棒的插入深度。在压水堆核电厂中，U是以一种二氧化铀（UO2）陶瓷燃料芯块的形式密封在通常称作“包壳”的错合金管内，然后组装成核燃料组件，核燃料组件被放入一个称作“反应堆堆芯”的地方。反应堆堆芯就是发生链式反应的地方。堆芯是原子核反应堆的心脏，裂变链式反应就在这里进行。它由核燃料组件、控制棒组件和既作中子慢化剂又作为冷却剂的水组成。反应堆冷却剂泵将冷却水打入反应堆堆芯，将反应堆堆芯中链式反应释放出的核能带出来，再去加热蒸汽发生器中的水，产生蒸汽，就可以推动汽轮发电机发电了。（2）核电站发展历程1942年12月2日，第一座核反应堆首次实现自持的链式反应，宣告人类社会进入了
20、原子能时代。1954年，苏联建成世界上第一座核电站。经过50年的发展，核电已成为30多个国家（大多数为发达国家）能源组成中不可忽略的部分。截至2000年底，全世界正在运行的核动力堆共有438座，总装机容量为351兆千瓦,所提供的电力的16%。法国核电占总电力的74.6%,比利时56.8%,瑞典39%,日本33.8%,德国30.6%,英国22%,美国20%,中国为1.2%o现在世界上有30多个国家的400多座核电站在运行，占世界总电力的20%左右；我国秦山核电站、大亚湾核电站已建成和正式发电，秦山二期、三期核电工程、岭澳核电工程、连云港核电工程也将于近年内建成发电。（3）核电站的安全性一般来说，
21、如果防范措施得当，核电站是很安全的。历史上曾发生过两次核电站核泄露事故：一次是1979年3月18日，美国三里岛核电站堆芯熔毁；另一次是1986年4月26日，前苏联切尔诺贝利核电站4号反应堆发生爆炸。核电站的主要问题是放射性核废料的处理、储存和最终处置。（二）太阳能太阳能指地球上可以直接接受并利用的太阳辐射能。太阳本身的辐射能量只有22亿分之一到达地球大气层；太阳辐射能是一种巨大、无污染、洁净、安全的可再生能源，它是取之不尽、用之不竭的。利用太阳能的新技术、新材料和新设备不断出现，为太阳能的广泛应用奠定了基础。目前，直接利用太阳辐射能有三种方式：、光热转换光一一热转换就是把太阳辐射能通过各种集热
22、装置（集热器）转变成热能。（1）太阳能热发电；（2）太阳能高温炉冶炼高温材料；（3）太阳能节能建筑一一太阳房；（4）利用太阳能使海水淡化；（5）太阳池（盐湖水太阳能发电技术）；2、光电转换通过太阳能电池（光电池、光伏电池）将太阳辐射能直接转变成电能。太阳能电池的工作原理是光电效应。太阳能电池已广泛应用于宇宙飞行器；太阳能电池还用来作为交通工具的能源；太阳能电池应用在自动控制领域；太阳能电池还可以用来发电（光伏电站）。（3）光一一化学转换（三）风能风能是太阳辐射造成地球各部分受热不均，引起空气运动而产生的能量。风能的利用主要靠风力机，风力机是把风能转化为其他形式能量的旋转机械;利用风力可以发电、提水、助航、制冷、致热等。（四）氢能氢能是指氢在发生化学变化和电化学变化过程中产生的能量。1、氢作为能源的优点是（1）储量丰富；（2）热值高；（3）清洁无污染；2、氢的利用：（1）直接用作燃料（如发射火箭等）；（2）用作燃料电池（如用于航天飞机）；（3）用作能源转换介质（能源中间载体）。复习思考题及练习1 .常见的新金属材料有哪些？它们的性质和用途是什么？2 .常见的新陶瓷材料有哪些？它们的性质和用途是什么？3 .简述核电站的结构，说明核能的安全性。
