第十三讲新材料、新能源技术

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”。版权所有复制必究高等教育出版社第一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。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”。

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。

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。

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。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。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。

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。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。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。

复合材料制成的机械手。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。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100nm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。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。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。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。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。

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。

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。

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8.0×1013kW。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。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。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。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。

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。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