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第十章 新材料与新能源技术 【内容提要】 材料和能源是人类赖以生存的重要资源，是人类社会发展进步的动力。常规能源已不 再能满足世界经济发展的需求，新能源的开发利用是解决这一问题的有效途径，而这些问题 很多要靠材料的进步来解决。本章将对金属材料、无机非金属材料、先进陶瓷材料、高分子 材料、复合材料、信息材料、超导材料、阻燃材料和发光材料等新型材料加以介绍，同时也 介绍核能、太阳能、风能、地热、生物能和海洋能储氢和核能等的简单利用。 【阅读拓展】 新能源--月球能源 月球上可利用的能源主要有太阳能和核聚变燃料。由于月球表面没有大气， 太阳辐射长驱直入，因此在月球月表太阳能辐射强烈，有丰富的太阳能；可沿月 球纬度相差180 度的位置分别建立太阳能发电厂，并采用并联式连接，就可以 获得极其丰富而稳定的太阳能，这不但解决了未来月球基地的能源供应问题，还 可以用微波将能量传输到地球，为地球提供新的能源。 月球没有大气层，太阳风粒子可以直接注入月球表面，太阳风粒子的长期注 入使月壤富含稀有气体。在太阳风注入的稀有气体中含有氦-3 ，氦-3 可以与氘进 行核聚变反应，并释放出巨大的能量。用氦-3 进行核聚变反应具有比用氚作燃 料有更多的优点，主要表现在：（1 ）在氘-氚核聚变反应过程中，伴随核聚变能 的产生，要产生大量的高能中子，而这些中子将对核反应装置产生广泛的放射性 损伤；相反，若用氦-3 作为反应物，则主要产生高能质子而不是中子，质子的 穿透性远远低于中子，因此防护设备简单得多，而且对环境保护更为有利；（2 ） 氚本身具有放射性,而氦-3 没有放射性。 月壤中氦-3 的资源量为未来人类开发利用月球能源提供了一种可能的途径。 以美国“阿波罗”登月飞船和苏联的“月球号”自动取样探测器采回的月球样品进行 试验分析，并以实测分析结果为参考标准计算，月壤中氦-3 的资源总量可达100 万—500 万吨，而地球上可提取的氦-3 只有15 至20 吨。若能实现商业化利用， 月壤中的氦-3 可供地球能源需求达数万年。因此，开发月壤中丰富的氦-3 资源， 对人类未来能源的可持续发展具有重要而深远的意义。 第一节 性能优异的新材料 一、材料概念 材料是可用于制造有用物品的物质，是人类生存和发展的物质基础。人类利用材料的历 史，几乎和人类文明史一样悠久。材料的发展推动着人类的文明，是人类社会进步的重要标 志。纵观人类发展历史，每一次重要新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到 一个更高水平。 新材料是指那些新近发展或正在发展之中的具有比传统材料性能更为优异的一类材料， 具有知识和技术密集度高、与新工艺和新技术关系密切的特点，是多种学科相互交叉和渗透 的结果。20 世纪中叶以来，世界各国对新材料的研究和开发越来越重视，人类历史上出现 了一个材料革命的新时代。 新材料按属性可以分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、先进复合材料四 大类。新材料在国防建设上作用重大。例如超纯硅的成功研制，导致大规模和超大规模集成 电路的诞生，使计算机运算速度从以前的每秒几十万次提高到现在的每秒数百亿次以上；能 吸收电磁波或降低武器装备的红外辐射的隐身材料，更使敌方探测系统难以发现。 二、材料发展 人类自出现之始就开始了不断地使用和创造材料。人类文明曾被划分为旧石器时代、新 石器时代、青铜器时代、铁器时代等。从人类的出现到二十一世纪的今天，人类的文明程度 不断提高，材料及材料科学也在不断发展。在人类文明的进程中，材料大致经历了以下五个 发展阶段： 1、使用纯天然材料的初级阶段 远古时代，人类只能使用兽皮、甲骨、羽毛、石块等天然材料，相当于人们通常所说的 旧石器时代。这一阶段，人类所能利用的材料极其有限，都是纯天然的。在远古时代后期， 虽然人类文明的程度有了很大进步，在制造器物方面也有了种种技巧，但都仅是纯天然材料 的简单加工。 2、利用火制造材料的阶段 这一阶段始于距今约10000 年前，并且延续至今。其间以人类的三大人造材料陶、铜和 铁为特征。这一阶段人类利用火来对天然材料进行煅烧、冶炼和简单加工。最初人类用天然 的矿土烧制陶器、陶瓷，后来发展制造出玻璃、水泥，以及从各种天然矿石中提炼铜、铁等 金属材料等等。 3、利用物理与化学原理合成材料的阶段