材料科学与节能减排

现在各国重视可持续发展，积极发展低碳经济，努力建设资源节约型、环境友好型社会。中国是一个负责任的大国，节能减排、清洁发展是中国自身发展的需要，也是中国应该承担的国际义务，而且中国的经济发展浪费了大量的材料和能源，急需一些节能材料、低碳材料、节能材料。随着石油、煤、天燃气等不可再生能源的逐渐减少，温室效应的提升，能源的紧张，环保材料、低新能源材料、节能材料、低碳材料、节能材料等的需要也迫在眉睫。缓解我国能源资源与经济社会发展的矛盾，必须立足国内，显著提高能源资源利用效率。一要坚决实行开发和节约并举、把节约放在首位的方针。鼓励开发和应用节能降耗的新技术，对高能耗、高物耗设备和产品实行强制淘汰制度。二要抓紧制定专项规划，明确各行业节能降耗的标准、目标和政策措施。抓好重点行业的节能节水节材工作。鼓励发展节能环保型汽车、节能省地型住宅和公共建筑。三要大力发展循环经济。从资源开采、生产消耗、废弃物利用和社会消费等环节，加快推进资源综合利用和循环利用。积极开发新能源和可再生能源。四要加强矿产资源开发管理。整顿和规范矿产资源开发秩序。完善资源开发利用补偿机制和生态环境恢复补偿机制。五要大力倡导节约能源资源的生产方式和消费方式，在全社会形成节约意识和风气，加快建设节约型社会低碳材料的应用对节能减排有着非凡的意义。在建筑中，生态墙衣、XPS薄抹灰外墙保温系统、岩棉、活性生态漆地板、陶瓷薄板等低碳材料的应用为中国建筑降低了在开发和使用过程中的能耗，这样既保护了环境又提高了材料的利用率。而在冶金焦生产中，内陆钢公司进行了使用配煤及各种低碳材料（细煤粉、焦粉、石油焦、汽车轮胎、焦油及沥青）的干馏基础试验。并以该试验结果为基础，实现了若干种低碳材料作为配煤添加剂在工业焦炉上的应用，这样既降低焦炉操作费用、叉保持焦炭高质量，实现了降低成本、改善操作及资源的有效利用，使得冶金成本和效益提高了不少。运用低碳材料的景观雕塑能够保护环境、节约材料的社会生产成本、并具有美学意义、创新意义和文化意义。节能环保材料的发展和应用对国家有着战略意义，随着城镇化比例的不断升高，城镇建设每年新增的住宅建筑面积要达到10亿平方米，而建筑的能源消耗占全社会能源消耗总量的40%。当前国内的全社会碳排放总量，房地产及建筑行业占了30%以上；目前全世界50%的木材消耗是用于中国的建筑及房地产行业，而经济发展更需要材料这个物质基础。随着经济的发展和人民物质生活水平的提高，城乡建筑迅速增加，建筑耗能的问题日益突出，资料显示:建筑行业能耗占到了全社会总能耗的40%〜50%。因而建筑节能问题已越来越被政府和社会各界所重视，“建设节约型社会”已成为当今社会广泛关注的一个重要主题,我国政府适时制定了中长期节能规划，在规划中建筑业被列为节能与环保的重点行业。而建材行业作为消耗自然资源、能源高，破坏土地多，废气、粉尘排放量大对大气污染严重的行业,节能问题更是重中之重。因此，节能减排材料的发展对建筑和经济发展有着重大意义。20世纪70年代人们曾把材料、信息、能源归纳为现代文明的三大支柱，现在又预言新的技术革命即将来临，并且把信息技术、生物技术和新型材料作为这次革命的重要标志石器青铜器铁器公元前10万年左右，原始人采用天然的石、木、竹等材料作为工具。史称“旧石器时代”公元前6000年，人类发明了火青铜器时代（BronzeAge）：巨型司母戊鼎（河南安阳晚商遗址）湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑、湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄18世纪随着蒸气机的发明，欧洲爆发了产业革命，工业迅猛发展，推动和促进了以钢铁为中心的金属材料的大规模发展第二次世界大战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出了质量轻、强度高、价格低等一系列新的要求。具有优异性能的工程塑料部分代替了金属材料，合成纤维、合成橡胶、涂料和胶粘剂等都得到了相应的发展。进入20世纪80年代以来，在世界范围内高新技术迅猛发展，各国展开激烈的竞争，都想在生物技术、信息技术、空间技术、能源、海洋开发等领域占有一席之地。发展高新技术的关键往往是材料，因此新型材料的开发本身就成为一种高新技术。在新材料领域，近年来相继在超导材料、生物材料、纳米材料等方面取得了较大突破。材料又是社会现代化的物质基础与先导，特别是先进材料的研究、开发与应用反应着一个国家科学技术与工业水平。1906年，电子管发明；1946年，ENIAC机诞生1947年，发明晶体管；1949年，EDVAC诞生1958年出现集成电路，不久又发明了微处理器1970年，第一片RAM芯片由Intel推出，容量1KB1978年，Intel推出8088微处理器，集成29000个晶体管。1982年，80286发布，集成了13.4万个晶体管1985年，80386推出，集成27.5万个晶体管1989年，80486集成120万个晶体管。1995年，PentiumPro发布（550万）1999年，Pentium111（2800万，106mm2）杜邦不粘锅特氟隆第一种：聚乙烯，简称PE。这种材料主要用于食品的包装第二种：氯乙烯，简称PVC。这种材料也可以用于食品包装，但它对人体的安全性有一定的影响。一些超市生鲜产品如蔬菜、水果及熟食包装却大量采用PVC保鲜膜第三种：聚偏二氯乙烯，简称PVDC。用于熟食火腿等产品的包装。光电子材料是指光电子技术中所用的材料。半导体材料、磁信息储存材料、信息传输材料、敏感元器件材料、光纤通讯材料、光电显示材料。生态环境材料是指那些具有良好的使用性能或功能，并且能够和环境相协调的料。作为生物体部分功能或形态修复的材料称为生物医用材料，简称生物材料。生物医用材料主要包括三个部分：一是硬组织的替代材料，如人工骨、人工牙齿等；二是埋入生物体内部的植入材料，如人工血管、人工肾等；三是作为药物定位的载体，控制药物的释放，使之长效平和。按照材料的组成，生物医用材料可分为四类：医用金属和合金；医用生物陶瓷；医用高分子材料；医用复合生物材料。材料是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要标志，也是一个时代的重要标志。人类社会的发展史事实上也是一部材料的发展史，材料与人类的发展和进步息息相关，材料的每一次重大发现及其大量制造和使用，推动人类社会向更新更高的阶段发展。几百万年来，人类已经跨越了石器时代，青铜器时代，铁器时代，以水泥、玻璃、塑料、橡胶为代表的非金属时代，21世纪将以复合材料和功能材料为特色。具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质称为材料。材料包含有四个要素：材料的制备（加工）、材料的结构、材料的性能和材料的使用性能。这四个要素是相互关联、相互制约的。使用性能（物理） —合成/加工（工程沁性质（化学）-结构/成分（物理）金属材料又分为黑色金属和有色金属。黑色金属通常包括铁、锰、格以及它们的合金。除黑色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。为了发展航空、火箭、宇航、舰艇、能源等新技术工业，需要研制具有特殊性能的新型金属材料。无机非金属材料主要是指硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃和水泥。新近发展起来的特种陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物。此外半导体材料也属于无机非金属材料。高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。这类材料具有优异的性能，如较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等，发展速度很快，已部分取代了金属材料。合成具有特殊性能的高分子材料是其发展方向。复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚性和耐腐蚀性等比单一材料更为优越，是一类具有广阔应用发展前景的新型材料。最初，各种材料的发展是分别进行，互不相关的。随着科学技术的发展，人们对材料的认识不断深化，积极吸取了近代物理、化学，特别是固体物理、量子化学等基础理论并应用各种先进分析仪器和尖端技术来研究和阐明材料的本性，为认识材料的性能一一结构一一应用之间的关系和探索新材料提供了理论基础。这样就在各种基础学科的渗透和现代科学仪器的帮助下，从20世纪60年代开始形成了一门新的综合性学科——材料科学。材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学。材料科学的内容：一是从化学的角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系规律；二是从物理学角度出发，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系，在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学依据。材料科学的主要任务是以现代物理学、化学等基础学科理论为基础，从电子、原子分子间结合力、晶体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构一一，性能一一应用之间的规律关系，提高现有材料的性能，发挥材料的潜力，并能动地探索和发展新型材料以满足工农业生产、国防建设和现代技术发展对材料日益增长的需求。-现貌描述褂学性问题一-物质会成-物质表征-材料制备技术性向鹿 物性测试-应用自然界中存在的94多种化学元素中有2/3是金属（72种），20世纪中几乎所有的金属都被研究过。金属材料在工程中一直是最重要的材料。大约公元前5000年，人类进入铜器时代（铜、青铜、黄铜等）；公元前1200年又进入铁器时代。此外，还出现了金、银等贵金属，人们将其作为货币、首饰等。与此对应的铜、铁、铅等称为“贱金属”，并由此诞生了“炼金术”，客观上推动了技术的进步。从中世纪到工业革命时期，金属生产向着规模化的方向发展。（高炉炼铁、炼钢、电的产生和使用）19世纪末到20世纪中叶，是金属钢和其它金属材料飞速发展的时代，超高强度钢、工具钢、不锈钢等相继研究成功。金属优点：力学性能（如强度、塑性、韧性等）堪称“全能冠军”。既耐热，又耐寒。金属材料的有出色的工艺性能。金属有良好的导热性、导电性和铁磁性，在电力电子等行业有不可替代的作用。金属材料可分为两大家：钢铁和有色金属（非铁合金）。目前世界的钢铁总年产量约8亿吨，而有色金属年产量约为5000万吨，钢铁产量约占金属总量的94%。钢铁是金属材料的主力军，但非铁金属由于它们的特殊性能，在工业占仍有不可替代的重要用途。钢铁——现代工业化的基础。钢铁是铁和碳的合金体系总称。钢铁中含碳量大于2%的叫生铁，小于0.02%的叫纯铁，在这两者之间的称为钢。钢中含碳量大于0.25%的称低碳钢，介于0.25%~0.60%的称中碳钢，大于0.60%的称为高碳钢目的加入各种适量合金元素（常用的有Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、B等），就形成形形色色的合金钢或合金铸铁。所谓炼钢，其实质是控制生铁中含碳量达到钢的要求，同时除去危害钢的性能的一些杂质，如S、P等。若要想得到特殊性能的合金钢，当然还要加入一些其他金属。经济发达国家和中等发达国家的人均年钢产量在300kg/人以上。钢铁应用九大领域：电力系统中的工业锅炉、高压锅炉及其热交换管道，发电机中的大型篆字和叶轮，变压器的铁芯；汽车工业：根据美国的一份调查，美国平均美台车消耗的材料；机床与工程机械，包括起重机、挖掘机、拖拉机；铁路（钢轨）与桥梁；船舶和海上钻井平台。它们对钢材的强度、韧性和耐海水腐蚀都有很高的要求；兵器：包括坦克、大炮、枪械；石油开采机械、输油管道和泵站；化工压力容器、反应釜和管道，其中不锈钢、耐热钢等特殊钢用量很大；建筑钢筋和构架。铸铁：含碳量在1.8%〜4.0%之间，多数铸铁中的碳以石磨形式存在，石墨的形状对性能影响较大。铸铁有很高的耐压强度、耐蚀性和良好的铸造性、消振性和切削性，而且价格低廉，工业应用十分广泛。加入不同的合金元素可铸成耐热铸铁、耐蚀铸铁和耐磨铸铁等，在可能的条件下“以铁代钢，以铸代锻”可产生巨大的经济效益，一直是工业生产中的趋势之一。碳素钢：含碳量在0.10%〜1.3%之间，随含碳量增加，强度硬度提高，塑性韧性和可焊性下降。低碳钢（0.10%〜0.25%C）用作大型构件；中碳钢（0.25%〜0.55%C）强度、塑韧性综合性能高，做一般机械零件；含碳0.6%〜0.7用于弹簧；高碳钢（0.6%〜0.7）硬度高，用做工具。碳素钢用平炉或转炉生产，生产量很大，用量也很大。合金钢：合金结构钢：在中碳钢中加入少量合金元素，主要是提高强度，增加使用可靠性，满足特殊场合的使用要求。如渗碳钢、氮化钢、超强钢等。合金工具钢：在高碳钢中加入适量合金元素，进一步提高其硬度和耐磨性，作为工具材料占有重要的地位。如刃具钢、模具钢、轴承钢等。特殊钢：包括不锈钢、耐热钢、低温钢、耐磨钢等。如不锈钢主要是在表面加入合金元素铬（12%以上），在表面形成一层致密钝化层，使耐蚀性提高。世界有色金属生产的构成中，铝、铜、铅、锌四种占总量的95%以上。我国有色金属居第四，人均第50。铝合金：铝是最重要的、最有特色的有色金属，其主要特点是：密度低；抗大气腐蚀；优良的导电性；比强度高；良好的加工性能。在从日常用品到汽车、航空材料等各行业中都有广泛应用。钛合金：轻合金中的又一佼佼者，密度小、强度高、耐高温和耐腐蚀，在航空航天及其它领域中具有主要用途。镁合金：比重轻，减震能力强，在航空航天领域有重要应用。镀合金：尺寸稳定，惯性低，用于航天；比热大，用于散热片和飞行器头部；热中子吸收截面低，用于核工业。铜合金：包括黄铜、青铜、白铜等，用于机械、仪表、电机、化工、造船、汽车等工业。锌合金：用于电池锌板，照相和胶印印刷，铸造温度低用于模具和仪表零件等。镍合金：高温强度高，用于航空、火箭发动机和核反应堆等。锰合金：减振性能好，用于潜艇螺旋桨、钻杆等。低熔点合金：铅（熔点327°C）、锡（232°C）、镉（321°C）、铋（271°C）等及其合金，用于保险丝、熔断器、焊料等。难熔金属：钨合金（熔点3407C），用于电光源材料、电子发射材料，军事上用作穿甲弹；钼合金（2610C）、铌合金（2477C）、钽合金（2985C），在飞机、宇航、核工业等领域有广泛应用。贵金属：包括金（Au）、银（Ag）、铂（Pt）、钯（Pd）、铑（Rh）、铱（Ir）等。有艳丽的光泽，耐腐蚀，可用于装饰品等。稀土金属：稀土包括15个镧系元素，以及钪、钇共17种元素。在世界上分布相对集中在中国、美国、印度、澳大利亚、前苏联和巴西。我国稀土资源占世界储量的80%左右。目前稀土已在金属加工、永磁材料、生命科学、发光材料、高温超导等领域有广泛应用。电热合金：用于制造电热器发电体，把电能转化为热能，如铁基或镍基材料。热电偶：主要材料及其最高使用温度如下：铂-铂铑合金（1800C）、镍铬-镍硅合金（1300°C）、镍铬-镍铜（900°C）、铜-镍铜（400C）等。精密电阻：电阻随温度变化小，稳定性高，用于精密仪器。弹性合金、膨胀合金等。有机高分子材料和金属以外的固体材料都属于无机非金属材料，范围很广。无机非金属材料大都具有熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀、强度高等优良性能，有些无机非金属材料还具有某些独特的性能而作为功能材料使用。水泥是当前工业中用量最大的材料。目前全世界的水泥年产量达数亿吨，我国年产量列世界第一。最常用的的硅酸盐水泥是由石灰岩、粘土和铁矿石为原料，按一定比例混和并磨细成所谓生料，经1450C的高温煅烧成为熟料，然后加入一定量的石膏后再次细磨即为水泥。这一过程可概括为“两磨一烧”。水泥加水形成胶体，静止一段时间可自动凝固形成坚硬的固体。耐火材料：能够满足高温条件下使用要求的无机非金属材料，即在高温使用下不熔融、不分解、不氧化变质，并具有一定牢固性，通常规定其耐火度在1580°C。耐火材料品种繁多，按其化学-矿物组成可分为硅质制品。硅酸铝质制品、镁质和白云石质制品、砖质制品、锆质制品等。为满足近代工业需要还研制了多种使用高纯度的人工合成原料制成的高级耐火材料。早在3500年前，古埃及创造了玻璃工业，这是西方古代文明的象征之一。玻璃也属于硅酸盐系列，不过这种物质的热点比较低，在熔点附近粘度大大降低，逐渐成为液态，然后以较快的速度冷下来，便形成透明、非晶态的固态材料。玻璃具有优良的光学性能和化学稳定性，可以通过化学组成的调整和各种处理工艺来大幅度地改变其物理和化学性能，以适应多种不同的实用要求。陶瓷材料大体可分为两大类传统陶瓷：主要指黏土制品。以天然的硅酸盐矿物为原料经粉碎、成形、烧结制成的产品均属传统陶瓷。包括日用陶瓷、建筑陶瓷、卫生陶瓷、化工陶瓷等。特种陶瓷：以高纯化工原料和合成矿物为原料，沿用传统陶瓷的工艺流程制备，具有各种特殊力学、物理或化学性能的陶瓷。如电子陶瓷、光学陶瓷、高硬陶瓷等。工程陶瓷：氧化铝陶瓷（耐磨零件、高温部件等），氮化硅陶瓷（优良的高温力学性能），碳化硅陶瓷（在航空航天、原子能、化工等领域有广泛应用）。功能陶瓷：通过光、电、磁、声、热、弹性等直接效应和耦合效应来实现某种特殊功能的先进陶瓷材料。如绝缘陶瓷、电介质陶瓷、压电陶瓷、半导体陶瓷、光学功能陶瓷、生物功能陶瓷等。20世纪初，随着电力的普及和大规模应用，开始出现新型陶瓷材料，如刚玉、氮化硅等。1948年发现半导体材料，因此产生和推动了微电子和计算机工业的发展。1958年提出激光原理，1960年用红宝石发生激光成功，1966年利用石英玻璃做成光纤。高分子材料获得迅猛发展的原因：高分子材料本身具有十分优良的性能，如比重轻，强度高；绝缘性和绝热性好；耐腐蚀性和化学稳定性好；光学性质好；耐磨、自润滑性能好；加工性能优，能耗小。高分子材料的资源非常丰富，原料价格十分低廉。炼油厂从石油中提炼了汽油、柴油和润滑油等后无法直接利用的废气和重油，焦炭厂炼焦时产生的废气和焦油都是生产高分子最好的原料。这使得高分子生产和加工所需的投资和成本都比其它材料低，有十分显著的经济效益和市场竞争力。根据高分子的来源，可将其分为天然高分子、人造高分子和合成高分子；根据用途则可分为塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂和功能高分子。辩证地看待“回归自然”与合成高分子的关系：自然界存在的天然高分子化合物的发展受到自然条件的限制，在数量和质量上都不能满足人类社会飞速发展的需要。合成高分子的出现是对人类资源的综合利用，更有利于经济的综合、平衡发展。另一方面，应成分认识到合成高分子对环境的影响。塑料的主要用途：包装和建筑材料。橡胶是一类具有高弹性的高分子材料，拉伸时能伸长到原长的几倍，拉力撤除后又能恢复到原来的尺寸。橡胶分为天然橡胶和合成橡胶。1938年第一个化学纤维厂投产，生产尼龙一66。合成纤维具有比天然纤维和人造纤维更优越的性能：强度高大、弹性好；耐磨、耐化学腐蚀性好；不会发霉，不怕虫蛀；不缩水；做成的衣服美观，坚固耐用。制备纤维的聚合物必须具备如下条件：很好的防丝性性；较高的强度；较好的耐热性；较好的手感、吸湿性、染色性、抗腐蚀和抗霉变性。最主要的合成纤维有三种：涤纶（聚酯纤维），是最挺括的纤维；锦纶（聚酰胺纤维），最结实耐磨的纤维；月青纶（聚丙烯腈纤维），最耐晒的纤维。涂料是一种液态或粉末状态能均匀涂覆在物体的表面并形成坚韧保护膜的材料。涂料具有保护、装饰、色彩标志作用，某些涂料还具有防腐、杀菌等特殊功能。涂料的主要组分有：成膜物、溶剂、颜料和填料、助剂等。涂料的品种非常繁多，有溶剂型涂料、高固含量涂料、无溶剂辐射固化涂料及粉末涂料等。凡能把同种的或不同种的固体材料表面连接在一起的物质统称为胶粘剂。如自行车补胎用的胶水，信封封口用的糨糊等。胶粘剂的品种很多，组成不一，但一般都包含以下几种组分：基料、固化剂、溶剂、填以及其他助剂。胶黏剂种类：溶剂型胶粘剂：如市售的“白胶”，广泛应用于家庭装潢和木材的粘接；再如，仪器的塑料外壳破裂或损坏，将碎片溶于少量有机溶剂中，再涂在断口处并压紧即可修补。热固性高分子树脂胶粘剂：如用于木材的脲醛树脂和酚醛树脂；用于船体、水坝补漏或飞机、导弹等粘接的环氧树脂；用于粘接塑料、皮革等的聚氨酯等。橡胶胶粘剂：如补车胎的胶水，房屋建筑防水密闭用的硅橡胶密封胶。压敏胶粘剂：如包装封口用的压箱带、作文具用的压敏胶带、商场的压敏标签等。所谓能源指的是提供能量的自然资源。凡是能提供某种形式能量的物质，或是物质的运动，统称为能源。它是人类取得能量的来源，包括已开采出来的可供使用的自然资源与经过加工或转移的能量的来源。自然界中以现成形式提供的能源称为一次能源，需依靠其他能源的能量间接制取的能源称为二次能源。一级能源：（燃）煤、石油、薪柴、天然气（非燃）水力、铀、风力；二级能源：（燃）汽油、酒精、液化气、煤气非燃）热水、蒸汽、电。常规能源：在一定历史时期和科学水平下，已被人们广泛利用的能源称为常规能源，如煤、石油、天然气、水能等；新能源：随着科技的不断发展，才开始被人类采用先进的方法加以利用的古老能源以及新发展的利用先进技术所获得的能源都是新能源，如:核聚变能、用以发电的风能、太阳能、海洋能等。再生能源：可连续再生、持续利用的一次能源称为可再生能源，如水力、风能等；非再生能源：经过亿万年形成的、短期内无法恢复的能源，称之为非再生能源，如：石油、煤、天然气等。我国进入20世纪90年代以来，能源的生产量略小于消费量。在能量消费总量中，煤占70%~80%，因此煤是我国的主要能源。近年来，煤的比重有所下降，天然气保持在2%左右。总的来看，我国能源有以下特点：资源总量丰富，但人均不足。我国是世界第三大能源生产国和第二大能源消耗国。煤炭、石油和天然气人均占有量只有95吨，是世界平均值的1/2。能源消费结构不合理。电能消费比例低，非商品生物能源比例高。我国煤炭人均资源是全世界平均人均的50%，而石油只有10%；我国人年均能源消耗是1000公斤标准煤，而美国是11000公斤。从火的发现到18世纪产业革命期间，树枝杂草一直是人类使用的主要能源。柴草不仅能烧烤食物，还可以用来烧制陶器和冶炼金属。陶器是人类利用火制造出来的第一种自然界不存在的材料。世界古文明的发源地都在新石器时代中出现过陶器。化石能源一一煤炭，煤炭的开采始于13世纪，1769年瓦特发明蒸汽机，煤炭作为蒸汽机的动力之源而受到关注。煤是发热量很高的一种固体燃料。在燃烧煤的过程中，会排放出大量的二氧化碳及有毒的二氧化硫.二氧化碳的增多会导致全球变暖。二氧化硫会形成酸雾随雨雪降落，形成酸雨。煤中含有的多环芳烃产生的煤烟会随雨水降落到水体中，造成是的有机污染。我国SO2排放量为世界第一；CO2排放量仅次于美国，为世界第二。煤的综合利用1、煤的干馏：把煤隔绝空气加强热使它分解的过程，叫煤的干馏。2、煤的气化：煤在氧气不足的情况下部分氧化，使煤中的有机物转化为H2、CH4、CO等气体物质。3、煤的液化：把煤加热裂解，并在催化剂作用下加氢，得到多种燃料油。（人造石油）到60年代初期，石油的消耗比例开始超过煤炭而居首位。中国目前探明油、气储量占世界总量的3.7%和1.96%，人均石油拥有量只有12%和4%。因此，维持产量稳定和提高后备储量的意义十分重大。石油储量分为地质储量和可采储量。一个国家经济增长速度与消耗石油有关，石油还决定了战争的速度。利用天然气作燃料与煤相比，可减少SO2、粉尘排放量近100%，可减少NOX排放量50%、CO2排放量60%。“绿色能源”风吹全球可再生资源----绿色能源•太阳能•地热能•风能•海洋能•核能•生物质能世界核能发电占全部电量1/4，解决能源危机根本途一一核能：可开发的核裂变燃料资源使用上千年。核聚变资源可使用几亿年。•裂变•聚变♦取之不尽♦价格低廉♦不污染环境♦可直接转化电能要发生核聚变反应，必须具备两个条件：1、在一定的空间范围内要有足够多的轻原子核2、必须使反应温度超过所谓“引燃温度”。氘一氤反应的引爆温度为109K。⑴聚变能电站氘燃料取之不尽、用之不竭。⑵燃料价格低廉。⑶不污染环境，运行安全可靠。⑷与裂变相比，其放射性是微乎其微的，它还消化裂变的污染源，几乎没有废料；⑸可直接转化成电能等。是人类最理想的能源。首先，聚变反应不产生裂变碎片其次，聚变反应堆不象裂变反应堆那样存在着偏离额定值的所谓功率聚增（Micleavexcursion）事故，也不存在象钚那样转变为核武器材料的问题。再次，氘一氤聚变反应堆的热利用率为50%〜60%，它的热污染问题较其它任何发电方法少。还可以不通过蒸汽回路直接利用聚变能发电。新材料的作用：新材料把原来习用已久的能源变成新能源；一些新材料可提高储能和能量转化效果；新材料决定着核反应堆的性能与安全性；材料的组成、结构、制作与加工工艺决定着新能源的投资与运行成本。新能源材料的任务及面临的课题：研究新材料、新结构、新效应以提高能量的利用效率与转换效率。能源的合理利用。安全与环境保护材料规模生产的制作与加工工艺延长材料的使用寿命。一些主要的新能源材料：金属氢化物镍电池材料、锂离子二次电池材料、燃料电池材料、太阳能电池材料、核能材料。化学电池基本原理：利用物质的变换，即某一物质消失就另外生成一种物质的观念，将其化学变换所产生的电能加以利用。西元1799年，伏打畿表伏打雷池。纽扣雷池：氧化汞、氧化金艮等高能量密度雷池，用于照相檄、助聘器、手表用。目前，世界各国都投入极大的人力和物力来发展新型二次电池技术，并形成以下研究热点：储氢材料及金属氢化物镍电池；锂离子嵌入材料及液态电解质锂离子电池；聚合物电解质锂蓄电池或锂离子电池。推动这些热点技术和产业化发展的推动力有：信息技术的发展，特别是移动通信及笔记本电脑等的迅速发展；环境保护呼声愈来愈高；全世界天然能源正不断消耗并终将枯竭；航天领域和现代化武器制备对高性能二次电池的需求非常迫切。为了在手机和笔记本电脑与与锂离子电池竞争市场，近几年来，Ni/MH电池的技术不断得到改进，产品性能不断提高。手机和移动通讯设备对电源要求：小巧、轻薄、便携和移动、高能量密度，高电压输出、长循环寿命，反复多次使用、安全性，可靠性。金属锂是比容量最高的负极材料。锂离子电池优点：1.工作电压高2.能量密度高3.自放电速率低4.循环寿命长5.无记忆效应6.环保缺点：1.快充放电性能差、大电流放电特性不理想2.价格偏高3.过充放电保护问题氢一理想能源：普遍存在%宇宙质量 9000倍化石燃料、燃烧性能好、燃烧热值最高（1.21~1.43）X105kJ/kgH2汽油的3倍焦碳的4.5倍、无毒、无污染一清洁能源、导热性最好的气体——热泵、存在形式多样。我国首辆燃料电池混合动力轿车“超越一号”，03.8月7日在同济大学校园奔驰，接受国家科技部的验收。由东风汽车公司和武汉理工大学合作联合研发的东风燃料电池电动汽车“楚天一号”通过专家组验收。这是继上海研制的“超越号”之后，我国研发成功的第二台燃料电池轿车型样车。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。资源丰富：40分钟照射地球辐射的能量=全球人类一年的能量需求洁净能源：与石油、煤炭等矿物燃料不同，不会导致“温室效应”，也不会造成环境污染使用方便：同水能、风能等新能源相比，不受地域的限制，利用成本低。太阳能利用的重要途径之一是研制太阳能电池！经济效益（偏远岛屿、紧急发电成本投资回收）环保效益（降低石化燃料的CO2、NOx、SOx污染）节能效益（以自然能源替代石化燃料、建立自主能源）社畲效益（疏解尖峰、紧急救灾用电之社畲效益）产业效益（创造高科技产业及就业机会）1956年第一彳固太阳能电池制作成功。1958年开始太空应用（GaAs）。1970年开始太阳能发电系统地面应用（Si）（能源危机）。1980年消费性薄膜太阳能电池应用（a-Si,CdS/CdTe）。1990年与公用电力并联之太陶光发电系统技术成熟（Grid-ConnectedPVSystem,Si）（电力电子技术）。1992年起欧、美、日各国推动太阳能发电系统之襦助奖励政策。2000年建材一体型太阳能电池应用（BIPV）。材料是一个国家科学技术水平、经济发展水平和人民生活水平的重要标志，也是一个时代的重要标志。人类社会的发展史事实上也是一部材料的发展史，材料与人类的发展和进步息息相关，材料的每一次重大发现及其大量制造和使用，推动人类社会向更新更高的阶段发展。几百万年来，人类已经跨越了石器时代，青铜器时代，铁器时代，以水泥、玻璃、塑料、橡胶为代表的非金属时代，21世纪将以复合材料和功能材料为特色。材料是指人类利用化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。作为材料，必须具备如下特点：一定的组成、可加工性、现状保持性、使用性能、经济性、再生性。从以上的分析可见，材料与物质是两个不同的概念，材料总是和一定的用场相联系的。材料按用途可分为结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输和能源等各个工业部门。功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料。材料按化学组成的不同，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。金属材料又分为黑色金属和有色金属。黑色金属通常包括铁、锰、铬以及它们的合金。除黑色金属以外的其他各种金属及其合金都称为有色金属。产量最大的金属材料是钢铁。无机非金属材料主要是指硅酸盐材料，包括陶瓷、玻璃和水泥。新近发展起来的特种陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物。此外半导体材料也属于无机非金属材料。高分子材料是一类合成材料，主要有塑料、合成纤维和合成橡胶，此外还有涂料和胶粘剂等。这类材料具有优异的性能，如较高的强度、优良的塑性、耐腐蚀、不导电等，发展速度很快，已部分取代了金属材料。合成具有特殊性能的高分子材料是其发展方向。复合材料是由金属材料、陶瓷材料和高分子材料复合组成的。复合材料的强度、刚性和耐腐蚀性等比单一材料更为优越，是一类具有广阔应用发展前景的新型材料。材料是一切技术发展的物质基础，是与人类社会的发展、进步密切相关的。最初，各种材料的发展是分别进行，互不相关的。随着科学技术的发展，人们对材料的认识不断深化，积极吸取了近代物理、化学，特别是固体物理、量子化学等基础理论并应用各种先进分析仪器和尖端技术来研究和阐明材料的本性，为认识材料的性能一一结构——应用之间的关系和探索新材料提供了理论基础。这样就在各种基础学科的渗透和现代科学仪器的帮助下，从20世纪60年代开始形成了一门新的综合性学科——材料科学。材料科学是一门以材料为研究对象，介于基础科学与应用科学之间的应用基础科学。材料科学的内容：一是从化学的角度出发，研究材料的化学组成、键性、结构与性能的关系规律；二是从物理学角度出发，阐述材料的组成原子、分子及其运动状态与各种物性之间的关系，在此基础上为材料的合成、加工工艺及应用提出科学依据。材料科学的主要任务是以现代物理学、化学等基础学科理论为基础，从电子、原子分子间结合力、晶体及非晶体结构、显微组织、结构缺陷等观点研究材料的各种性能以及材料在制造和应用过程中的行为，了解结构一一，性能一一应用之间的规律关系，提高现有材料的性能，发挥材料的潜力，并能动地探索和发展新型材料以满足工农业生产、国防建设和现代技术发展对材料日益增长的需求。金属材料：自然界中存在的94多种化学元素中有2/3是金属（72种），20世纪中几乎所有的金属都被研究过。金属材料在工程中一直是最重要的材料。钢铁是铁和碳的合金体系总称。钢铁中含碳量大于2%的叫生铁，小于0.02%的叫纯铁，在这两者之间的称为钢。钢中含碳量大于0.25%的称低碳钢，介于0.25%~0.60%的称中碳钢，大于0.60%的称为高碳钢。所谓炼钢，其实质是控制生铁中含碳量达到钢的要求，同时除去危害钢的性能的一些杂质，如S、P等。若要想得到特殊性能的合金钢，当然还要加入一些其他金属。钢铁的九大应用领域：电力系统中的工业锅炉、高压锅炉及其热交换管道，发电机中的大型篆字和叶轮，变压器的铁芯；汽车工业；机床与工程机械，包括起重机、挖掘机、拖拉机；铁路（钢轨）与桥梁；船舶和海上钻井平台，它们对钢材的强度、韧性和耐海水腐蚀都有很高的要求；兵器：包括坦克、大炮、枪械；石油开采机械、输油管道和泵站；化工压力容器、反应釜和管道，其中不锈钢、耐热钢等特殊钢用量很大；建筑钢筋和构架。无机非金属材料:有机高分子材料和金属以外的固体材料都属于无机非金属材料，范围很广。无机非金属材料大都具有熔点高、硬度高、化学稳定性好、耐高温、耐磨损、耐氧化、耐腐蚀、强度高等优良性能，有些无机非金属材料还具有某些独特的性能而作为功能材料使用。这里主要介绍陶瓷、水泥和玻璃等材料。纳米材料：纳米（Nanometer）又称毫微米，是一种长度单位.把1米分成10亿份，每一份就是1纳米（1nm=10-9m）。1982年，一种奇特的显微镜（扫描隧道显微镜）发明后，便诞生了一门以0.1至100纳米尺度空间为研究对象的前沿学科，也就是研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新学科，它就是纳米科技。蛋白质、DNA、RNA、病毒，都在1~100nm的范围，光合作用在“纳米车间”进行，细胞中的一些结构单元都是执行某种功能的“纳米机械”，细胞象一个“纳米工厂”莲花荷叶出污泥而不染：“荷叶效应”纳米结构是生命现象中基本的东西。1.特殊的光学性质：当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l%，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。还可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。2.特殊的热学性质:固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼。可用纳米颗粒的粉体作为火箭的固体燃料、催化剂。3.特殊的磁学性质：当颗粒尺寸减小到2*10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6*10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。4.特殊的力学性质：由于纳米材料粒度非常微小，具有良好的表面效应,1克纳米材料的表面积达到几百平方米。因此，用纳米材料制成的产品其强度、柔韧度、延展性都十分优越5.特殊的电学性质：由于颗粒内的电子运动受到限制，电子能量被量子化了。结果表现为当在金属颗粒的两端加上合适电压时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。纳米这项新技术的诞生，其用途之广，涉及领域之多，前所未有。纳米技术是一门崭新的交叉学科，学科领域涵盖纳米物理学、纳米电子学、纳米化学、纳米材料学、纳米机械学、纳米生物学、纳米医学、纳米显微学、纳米计量学和纳米制造等，有着十分宽广的学科领域。二十一世纪，纳米技术将广泛应用于信息、医学和新材料领域。贡献：一、社会生产途径；二、人类生活方式；三、人们思维模式科学研究发现，当材料的颗粒缩小到只有几纳米到几十纳米时，由于颗粒表面相对活跃的原子数量与颗粒内部结构稳定的原子数量的比例大大增加，使得材料的性质发生了意想不到的变化。纳米陶瓷材料能够弯曲180度就是一个典型的例子。由于陶瓷材料具有坚硬、耐高温等优良特性，工业界一直认为陶瓷是未来汽车、飞机发动机的理想材料。纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：（1）零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；（2）一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；（3）二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜；超晶格等。纳米材料大部分都是用人工研究、制备的，属于人工材料，但是自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体仿生材料新思维:多从自然界动植物中寻求灵感，从事以生物为材料主体的研究，再生利用，源源不^的概念。仿生学是研究生物系统的结构和性质，为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生学的研究主要包括：力学仿生、分子仿生、能量仿生、信息与控制仿生等。仿生学的