新材料与新能源

新材料与新能源_自然科学概论

第四节　新材料与新能源

一、新材料技术

新材料是20世纪60年代起开发出来的先进材料，包括金属和合金、结构陶瓷、工程聚合物、先进复合材料、电磁和光学材料、医学材料、超导材料、纳米材料等。与传统材料相比，具有更大的强度、更高的强度密度比、更大的硬度，具有更加优良的热学、电学、光学或化学特性。

据1976年统计，全世界经过注册的新材料有25万种，目前，新材料正以每年大约5%的数量在递增。其研发水平及产业化规模已成为衡量一个国家经济，社会发展，科技进步和国防实力的重要标志。

根据物质内部微观结构和化学组成可将材料分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料四大类。

(一)新材料的技术特点

1.获取的途径与过去有别

先进材料是现代科学成果的直接转化，即根据需要选择原子、分子，在一定的环境条件下重新组合出过去没有、自然界也不存在的新材料。现代凝聚态物理学、固体化学、有机合成化学、冶金学、陶瓷学的成果，已经成为现代先进材料技术的主要理论来源。

2.新技术、新工艺离不开尖端条件

新材料往往是在超高温、超高压、超高真空、极低温、超纯、高速冷却、微重力等极端条件下创造出来的。尖端技术是新材料技术的生长点。

3.类型多，更新快，性能优，成本低

与传统的大规模生产特点不同，新材料生产规模小，凭借优异性能和高超质量取信于市场。

4.更加适应环保的需要

世界面临生态破坏和环境污染的严重问题。工业用材是造成污染的重要原因。生产污染小，能回收利用，易溶化降解，并能节约能源的新材料，是材料科学技术的发展方向。

5.具有替代能力

体现在更高级的金属材料可以替代原有金属材料，新陶瓷可以替代原有陶瓷，而且此类材料可以替代彼类材料，如陶瓷、聚合物和复合材料可以替代金属材料。

(二)新材料的发展趋势

1.合成材料挑战金属材料

近代以来随着钢铁冶炼技术的不断更新，钢铁产量、型号多样的势头不断上扬。20世纪以来，钢产量又有大幅增长，由1900年粗钢产量2783万吨到2011年已达15.27亿吨。在目前的结构材料中，钢的市场占有率超过2/3。

1970年代后，钢铁的主导地位受到非金属高分子合成材料的有力冲击。合成有机高分子材料是现代材料技术的重大突破，其年增长率为10%以上，总产量已超过金属产量，成为取代钢铁的生力军。

合成材料之所以取得如此迅猛发展，是由其优异的特性所决定的。它具有以下特点:

(1)资源广、价格低廉，可用煤、天然气、林产品、农副产品、石油制造。

(2)生产效率高，制作简便，制成高分子材料，只需单体合成、精制、聚合，工序不繁琐。

(3)有机高分子材料易加工成型。

(4)制造高分子材料过程中耗能低，按耗能单位比统计，铝为1961，钢为1062，玻璃为201，水泥为108，而塑料仅为100，是钢铁耗能的1/10都不到。

(5)性能普适度高，应用领域广阔。

2.特种、超级材料层出不穷

(1)特种材料

是新材料技术的一个崭新领域，指国防需要和一些经济效益大、社会效益显著的材料。主要有:

·生物材料

一种具有特殊修复功能，能用于人工器官、外科修补、诊断、治疗，对于人体健康组织、血液并无不良反应的材料。

·分离膜及其他高分子功能材料

其中最有前途的是分离膜，利用膜的不同孔径和其他原理，把不同物质分离，如气体分离、海水淡化、污水处理等分离工程;。

·碳－60

它是由60个碳原子组成的空心分子，称为“足球烯”，用它可以制成超导体、火箭燃料、抗癌药物。

·高性能结构复合材料

如工程塑料、新型电池、半导体材料等。

先进复合材料(Advanced Composites Material，ACM)专指可用于加工主承力结构和次承力结构、其刚度和强度性能相当于或超过铝合金的复合材料。ACM具有质量轻，较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、隔热、隔音、减震、耐高(低)温等特点，已被大量运用到航空航天、医学、机械、建筑等行业。

(2)超级材料

是新材料时代的重要标志。例如:

·信息材料

包括信息存储材料(磁粉涂布介质，溅射连续膜及垂直记录双层膜等)、传感器用的敏感材料(主要指陶瓷材料)、光导纤维(石英型，塑料光纤和多组份玻璃型光纤)等。

·新能源材料

能源材料主要有太阳能电池材料、储氢材料、固体氧化物电池材料等。

如光电转换材料非晶硅，其光吸收系数比单晶硅高一个数量级，用作太阳能电池制造只需一微米厚，而原材料的消耗只是单晶硅的1/200。

氢是无污染、高效的理想能源。氢的利用关键是氢的储存与运输。氢对一般材料会产生腐蚀，造成氢脆(溶于钢中的氢，聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹，又称白点，氢脆只可防，不可治，氢脆一经产生，就消除不了)及其渗漏，在运输中也易爆炸。储氢材料的储氢方式是能与氢结合形成氢化物，当需要时加热放氢，放完后又可以继续充当充氢的材料。目前的储氢材料多为金属化合物。

固体氧化物燃料电池的是电池材料，如固体电解质薄膜和电池阴极材料，还有质子交换膜型燃料电池用的有机质子交换膜等。

·高温陶瓷材料

具有耐高温、强度好、抗氧化、耐腐蚀和密度低等优点，目前开发出的这类陶瓷有氮化硅、碳化硅、增韧氧化锆陶瓷和纤维增强无机复合陶瓷等，它们可以替代高温合金用于火箭的制造、航天飞机的外蒙皮、燃气轮机及导弹的喷管等高精尖项目上。

·超导材料

超导材料电阻趋于零，具有完全抗磁性，它的开发也是新材料技术的主攻方向。其关键是寻找构成室温超导体的材料，科学家们正在作艰苦的努力。超导材料是一种理想的输电材料，对于磁流体发电机的制造，还有高能粒子加速器的研制以及受控热核聚变反应装置的建设等，是一种不可或缺的材料。

·智能材料

是继天然材料、合成高分子材料、人工设计材料之后的第四代材料，是现代高技术新材料发展的重要方向之一。国外在智能材料的研发方面取得很多技术突破，如英国宇航公司的导线传感器，用于测试飞机蒙皮上的应变与温度情况。英国开发出一种快速反应形状记忆合金，寿命期具有百万次循环，且输出功率高，以它作制动器时、反应时间仅为10分钟。形状记忆合金还已成功在应用于卫星天线、医学等领域。

21世纪科技发展的主要方向之一是新材料的研制和应用。新材料的研究，是人类对物质性质认识和应用向更深层次的进军。新材料技术，被称为“发明之母”和“产业粮食”。

二、新能源技术

当今世界面临能源危机和环境恶化两大难题，成为困扰人类的重大问题，而环境问题恰是工业发展对能源不合理、不科学的使用所引发的。因此，能源新技术和新能源研发理应引起人类社会普遍重视。

现代能源包含两大类。一类是新能源，又称非常规能源，是指传统能源之外的各种能源形式，指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源，如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。另一类是利用新技术对传统能源进行优化利用，如煤的气化，快中子核反应堆等。

所谓新能源技术，就是关于新能源开发和利用、传统能源利用和节约的手段与方式的总称，具有复杂性、综合性、转换性、广泛性和多学科性等特点。目前研究的新能源技术有以下几种:

(一)煤炭能源新技术

1.煤的气化

是利用蒸汽、空气作为气化剂，在高温条件下与煤发生化学反应，生成CO、C₂ H₆、H₂为主的可燃气体，俗称煤气。其热效率比煤的直接利用高近一倍，它是清洁煤技术的重点。

2.煤的液化

俗称“人造石油”，将煤加温加压后加氢，可使煤液化。这样既可消除粉尘对空气的污染，又可提高煤的利用效率。

3.燃煤磁流体发电

亦称等离子体发电。是使极高温度、高度电离的气体高速流经强磁场直接发电的新型发电技术。由磁流体出来的高温气体直接送往常规锅炉给水加热产出蒸气，再去驱动汽轮机发电，组成高效率的联合循环，总热效率可达50%～60%。

(二)核能技术

1.核裂变技术

核电与水电、火电一起构成世界能源的三大支柱，在世界能源结构中占有重要地位。

核电站是利用核裂变或核聚变反应所释放的能量产生电能的发电厂，现有商业运转中的核能发电厂都是利用核分裂反应而发电。

据国际原子能机构统计，现在全世界近30个国家和地区拥有近440座核电站，另有80余座正在建设中。

中国核电起步相对较晚，自1991年自行设计建造的浙江秦山核电站并网发电以来，共有广东大亚湾、秦山二期、广东岭澳、秦山三期、江苏田湾6座核电站11台机组先后投入运行。

以全球观之，目前核电可满足世界总电力需求的20%左右。中国已投产核电装机容量约900多万千瓦，仅占电力总装机量的2%左右，比例很低。

2.受控热核聚变能的研究

正在开展基础研究的热核聚变技术，需要解决两大难题，即反应时所需要的高温和控制反应速度。目前解决这些问题有两条路径:利用等离子体的方法“点燃”氚核和氘核产生核聚变，或用激光替代等离子体进行核聚变。

1991年，英国科学家首次成功地实现了受控热核反应，利用的是等离子体方法。科学家将氘和氚加入聚变装置，等离子体温度达到2亿摄氏度时，在持续2秒钟的脉冲反应中获得了接近2兆瓦电力的能量，证明了受控核聚变是可能的。此项实验研究为可控核聚变的实现迈出了极其重要的一步。但要真正达到商业化，科学家估计得2040年前后。究其原因，重要的问题是，怎样使聚变能超出引起聚变所消耗的能量;如何使聚变装置能持续自身“点燃”等离子体;还有如何使反应持续时间更长等等，这都需要继续研究与探索。

(三)其他能源技术

据估算，每年辐射到地球上的太阳能为17.8亿千瓦，其中可开发利用500～1000亿度。但因分布很分散，目前能利用的很少。地热能资源指陆地下5000米深度内的岩石和水体的总含热量，其中全球陆地部分3公里深度内、150℃以上的高温地热能资源为140万吨标准煤，一些国家已着手开发利用。世界风能潜力约3500亿千瓦，因风力断续分散，难以经济利用，如果输能、储能技术有重大改进，风力利用将会增加。海洋能包括潮汐能、波浪能、海水温差能等，理论储量十分可观。限于技术水平，还处于研究阶段。当前由于新能源的利用技术尚不成熟，故只占世界所需总能量的很小部分，但是随着能源危机日益迫近，新能源将成为今后世界的主要能源。目前沼气、太阳能已逐渐走入我们生活，风力发电偶尔可以看到或听到。

1.太阳能

太阳能的主要利用形式有光热转换、光电转换以及光化学转换三种主要方式。利用太阳能的方法主要有:太阳能电池，通过光电转换把太阳光中包含的能量转化为电能;太阳能热水器，利用太阳光的热量加热水，并利用热水发电等。太阳能清洁环保，无任何污染，利用价值高，太阳能更没有能源短缺这一说法，其种种优点决定了其在能源更替中的不可取代的地位。

近30年以来，许多国家开始重视太阳能的开发与利用。

2012年7月，一家名为Semprius的创业公司在太阳能领域创造了一项纪录，该公司发明的太阳能电池板可以把近34%的入射太阳光转化为电能。

据美国Dataquest公司的统计资料显示，目前全世界共有136个国家投入普及应用太阳能电池的热潮中，其中有95个国家正在大规模地进行太阳能电池的研制开发，积极生产各种相关的节能新产品。美国、欧洲、澳大利亚、新西兰、日本和以色列等国家与地区，已经大量使用太阳能装置，更朝商业化的目标前进。在中国，太阳能发电产业亦得到政府的大力鼓励和资助。

光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料(例如硅)制成的薄身固体光伏电池组成。由于没有活动的部分，故可以长时间操作而不会导致任何损耗。简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋照明，并为电网供电。光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电力。近年，天台及建筑物表面均会逐步使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统。

中国太阳能电池制造业抓住机遇，高速发展，已成为全球光伏产品最大制造国。

太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10%以上;到2040年，可再生能源将占总能耗的50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这些数字足以显示太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。太阳能电池市场前景广阔。

目前太阳热能直接利用技术也很普遍，如以色列屋顶太阳能热水器已提供25%～65%的家用热水。我国的太阳能热水器、太阳能取暖房、太阳灶和农用太阳能塑料大棚，都已有一定规模。

2.地热能

地球内部热源可来自重力分异、潮汐摩擦、化学反应和放射性元素衰变释放的能量等。放射性热能是地球主要热源。中国地热资源丰富，分布广泛，已有5500处地热点，地热田45个，地热资源总量约320万兆瓦。

地热能的利用有采暖和发电两种方式。冰岛40年代起就实现了居室天然暖气化。利用地热发电，美国占世界第一。目前已有许多国家建立了地热发电站。

3.风能

风能是太阳辐射下空气流动所形成的。风能与其他能源相比，具有明显的优势，它蕴藏量大，是水能的十倍，分布广泛，永不枯竭，对交通不便、远离主干电网的岛屿及边远地区尤为重要。

目前风能常见的利用形式为风力发电。

截至2011年底，全球75个国家有商业运营的风电装机，风力发电装机总容量为237.7GW(G，10⁹)，其中中国、美国、德国所占份额分别为26.2%、19.7%和12.2%。

据《中国风电发展报告2010》预测，2020年中国风电累计装机可以达到2.3亿千瓦，相当于13个三峡电站;总发电量可以达到4649亿千瓦时，相当于取代200个火电厂。

4.燃料电池(氢能电池)

一种利用氢和氧进行电化学反应的直接发电方式。发电效率达40%～60%。不仅节约能源，无污染，而且利用空气冷却，无需冷却水，可利用的资源十分丰富。

5.海洋能

蕴藏于海水中的各种可再生能源，包括潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐度差能等。这些能源都具有可再生性和不污染环境等优点，是一项亟待开发利用的具有战略意义的新能源。

(1)波浪能发电

据推算，海洋波浪能蕴藏的电能高达90万亿度。目前，海上导航浮标和灯塔已经用上了波浪发电机发出的电来照明。大型波浪发电机组也已问世。将来的世界，每一个海洋里都会有波能发电厂。

(2)潮汐能发电

据世界动力会议估计，到2020年，全世界潮汐发电量将达到1000～3000亿千瓦。世界上最大的潮汐发电站是法国北部英吉利海峡上的朗斯河口电站，发电能力24万千瓦，已经工作了30多年。中国在浙江省建造了江厦潮汐电站，总容量达到3000千瓦。

(3)海洋渗透能

如果有两种盐溶液，一种溶液中盐的浓度高，一种溶液的浓度低，那么把两种溶液放在一起并用一种渗透膜隔离后，会产生渗透压，水会从浓度低的溶液流向浓度高的溶液。江河里流动的是淡水，而海洋中存在的是咸水，两者也存在一定的浓度差。在江河的入海口，淡水的水压比海水的水压高，如果在入海口放置一个涡轮发电机，淡水和海水之间的渗透压就可以推动涡轮机来发电。海洋渗透能是一种十分环保的绿色能源，它既不产生垃圾，也没有二氧化碳的排放，更不依赖天气的状况，可以说是取之不尽，用之不竭。而在盐分浓度更大的水域里，渗透发电厂的发电效能会更好，比如地中海、死海、盐湖，当然发电厂附近必须有淡水的供给。据挪威能源集团的负责人巴德·米克尔森估计，利用海洋渗透能发电，全球范围内年度发电量可以达到16000亿度。

6.生物质能(生物能)

生物质能来源于生物质，是太阳能以化学能形式贮存于生物中的能量，它直接或间接来自植物光合作用。生物质能是唯一一种可再生的碳源。生物质能资源丰富，地球每年经光合作用产生的物质有1730亿吨，其中蕴含的能量相当于全世界能源消耗总量的10～20倍，目前利用率不到3%。生物质能一直是人类赖以生存的重要能源，仅次于煤炭、石油和天然气居世界能源消费总量第四位，在整个能源系统中占有重要地位。专家估计，生物质能极有可能成为未来可持续能源系统的组成部分，到21世纪中叶，采用新技术生产的各种生物质替代燃料将占全球总能耗的40%以上。

适合于能源利用的生物质分为林业资源、农业资源、生活污水和工业有机废水、城市固体废弃物和畜禽粪便等五大类。林业生物质资源指森林生长和林业生产过程提供的生物质能源，包括薪炭林、森林抚育和间伐作业中的零散木材、残留树枝、树叶和木屑等;木材采运和加工过程中的枝丫、锯末、木屑、梢头、板皮和截头等;林业副产品的废弃物，如果壳和果核等。农业生物质能资源指农业作物(包括能源作物);农业生产过程中的废弃物，如农作物收获时残留在农田内的秸秆(玉米秸、高粱秸、麦秸、稻草、豆秸和棉秆等);农业加工业的废弃物，如农业生产过程中剩余的稻壳等;能源植物泛指各种用以提供能源的植物，通常包括草本能源作物、油料作物、制取碳氢化合物植物和水生植物等几类，如木薯、麻风树。生活污水主要由城镇居民生活、商业和服务业的各种排水组成，如冷却水、洗浴排水、盥洗排水、洗衣排水、厨房排水、粪便污水等;工业有机废水主要是酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸及屠宰等行业生产过程中排出的废水等，其中都富含有机物。城市固体废弃物主要由城镇居民生活垃圾，商业、服务业垃圾和建筑业垃圾等固体废物构成;其组成成分比较复杂，受当地居民的平均生活水平、能源消费结构、城镇建设、自然条件、传统习惯以及季节变化等因素影响。畜禽粪便是畜禽排泄物的总称，它是其他形态生物质(主要是粮食、农作物秸秆和牧草等)的转化形式，包括畜禽排出的粪便、尿及其与垫草的混合物。

生物质能的利用途径主要有直接燃烧、热化学转换和生物化学转换3种。

生物质的直接燃烧在今后相当长的时间内仍将是我国生物质能利用的主要方式。当前改造热效率仅为10%左右的传统烧柴灶，推广效率可达20%～30%的节柴灶，这种技术简单、易于推广、效益明显的节能措施，被国家列为农村新能源建设的重点任务之一。

生物质的热化学转换是指在一定的温度和条件下，使生物质汽化、炭化、热解和催化液化，以生产气态燃料、液态燃料和化学物质的技术，包括压缩成型固体燃料，气化生产燃气，气化发电，热裂解生产生物柴油等。

生物质的生物化学转换包括生物质——沼气转换和生物质——乙醇转换等。沼气转换是有机物质在厌氧环境中，通过微生物发酵产生一种以甲烷为主要成分的可燃性混合气体即沼气。乙醇转换是利用糖质、淀粉和纤维素等原料，经发酵制取燃料乙醇。