1、第十四讲 新材料与新能源技术,教师科学素养教研室,材料是技术进步的关键要素之一,材料是宇宙间可用于制造有用物品的物质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信息技术、生物技术和新材料技术成为新技术革命的重要标志材料是整个新技术群落的物质承担者,一、不断发展的新材料技术,（一）新材料及其特点,新材料指新近发展或已在发展中具有比传统材料更为优异性能的一类材料特点：知识与技术密集度高；与新工艺和新技术关系密切；更新换代快；品种式样变化多多学科相互交叉和渗透的结果，合成、制造与许多极端条件技术相关；表现出综合性和复杂性；表征和评价技术须采用多种基于最
2、新科学技术成就的精密仪器和装置来进行。,（二）新材料的类型,新材料,新型金属材料合金、稀有金属,高分子合成材料合成橡胶、塑料化学纤维,新型无机非金属材料工业陶瓷、光导纤维半导体材料,复合材料,纳米材料,光电子材料,1.新型金属材料,非晶态金属：又称为“金属玻璃” ，由沸腾的钢液经每秒100万度的速度冷却而成,其内在结构发生了质变，原子从有序排列变成了无序排列,具有极优异的物理磁性能、化学耐腐蚀性能和力学耐磨性能,传统的车钳铣刨和强酸溶液对它们无可奈何,可以在通信、交通、电子、家电、防盗等很多领域大显身手。,外表轻薄如纸、优雅华丽、用手可轻易撕断的带形金属玻璃,“终结者”的材料变现实,1.新型金
3、属材料,合金材料：新型合金材料包括许多种类，它们性能各异，用途各不相同，铝合金、镁合金、钛合金、铁镍铬及高温合金、稀贵金属合金等等形状记忆合金：能够使温度值变化时人为造成的形状变化，在温度恢复到特定值时，形状也自动丝毫不差地恢复到原来的状态，坚韧性极强，可反复变形和复原500万次而不产生疲劳断裂，其广泛应用于卫星、飞船和空间站的大型天线、飞机部件接头以及骨科整形等方面。其他新型金属功能材料如贮氢合金等,歼-11机体制造中使用大量钛合金材料,镍钛记忆合金“花瓣”在相应的温度下慢慢绽放,形状记忆合金在太空自然恢复原状,1.新型金属材料,超导磁悬浮列车原理,2.高分子合成材料,高分子是由碳、氢、氧、
4、氮、硅、硫等元素组成的分子量足够高的有机化合物。常用高分子材料的分子量在几百至几百万之间，有的可高达上千万。高分子材料主要包括塑料、纤维、橡胶、薄膜、胶粘剂和涂料等，其中合成塑料、合成纤维、合成橡胶被称为现代高分子三大合成材料。高分子材料特点：重量轻、高弹性、强度低、韧性好、粘弹性、耐摩性、绝缘性好，低导热性、耐热性、耐蚀性好、易老化,2.高分子合成材料,合成塑料：聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯四大品种是日常生活中最常见的塑料材料，全球总产量在1亿吨左右。透光性好的有机玻璃（亚克力,Acrylic） “塑料王”的耐腐蚀塑料聚四氟乙烯 作为工程塑料的聚碳酸脂、聚甲醛、聚酰亚胺和常用做泡沫塑料
5、的聚胺脂等,2.高分子合成材料,合成纤维：涤纶、锦纶、晴纶、维纶、丙纶、氯纶等“六大纶”可做宇航服、耐超热超冷的芳纶1313；可做飞机机翼、高强缆索的芳纶1414；可耐400高温和负273超低温的聚酰亚胺纤维；可做人造血管、软骨等人体器件的氟纶纤维；可做新式伪装服的多色纤维；可做合成纸、合成革、高效除尘器的高缩纤维、复合纤维、有色纤维、网络丝、完全变形纱、吸湿纤维和离子交换纤维等。,芳纶1313,莫代尔,涤纶,晴纶,高分子人造血管,合成革,复合纤维棉内胆,2.高分子合成材料,合成橡胶 ：将天然乳胶经过硫化处理变成能成型、富有弹力的材料，填补天然橡胶的不足；发展极快 。顺丁橡胶、异戊橡胶、乙丙橡
6、胶等发展前途看好硅橡胶、氟橡胶能在零下50度不变形，又可耐250度高温，用于制造火箭、导弹、飞机的某些零件。,氟橡胶零件,硅橡胶手镯,3.新型无机非金属材料,陶瓷材料：新型陶瓷的强度、硬度、耐磨损、耐高温、耐腐蚀等性能都比传统陶瓷有很大提高，特别是在克服传统陶瓷的致命弱点脆性问题上取得重大突破。新型结构陶瓷：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷、硼化物陶瓷、砷化物陶瓷、氰化物陶瓷等新型功能陶瓷：装置陶瓷、电容器陶瓷、压电陶瓷、电致伸缩陶瓷、热释电陶瓷、磁性陶瓷、半导体陶瓷、导电与超导陶瓷、光学陶瓷和敏感陶瓷等。,新型陶瓷制成的人造骨等,陶瓷零件,玻璃材料：改变了传统玻璃材料易碎、易传
7、热的特性，研制出具有“特异功能”的新品种，如玻璃钢、记忆玻璃、化学敏感性玻璃、超韧性增强玻璃、激光玻璃、防弹玻璃、防辐射玻璃等。光导纤维：纯度极高的玻璃纤维制成使现代通信技术发生了革命性的转变，并且在医疗、遥感、遥测等领域也得到越来越广泛的应用。光纤通信具有传输距离远、保密性好、抗干扰等优点，一条电缆就可以传输几百万路电话；可传输高强度的激光 ；制作光纤传感器,3.新型无机非金属材料,防弹玻璃,防辐射高铅玻璃,由光导纤维构成的光缆,光导纤维工艺品,3.新型无机非金属材料,半导体材料：20世纪40年代发展起来的重要信息材料，通过近几十年来的研究工作，半导体材料种类不断更新，应用领域不断扩展，成为
8、信息技术发展的基础。锗材料不需要加热、功耗低、可靠性高、转换速度快、功能多样和体积小，取代电子管硅材料机械强度高、结晶性强、在自然中储量丰富、成本低，并且可以拉制出大尺寸的完整单晶，使之成为目前电子信息工业领域的主要半导体材料砷化镓由于电子运动速度快、电子激发后释放能量以发光形式进行等特点，很可能成为继硅之后第二种最重要的半导体电子材料，制成的晶体管可以制造出速度更快、功能更强的计算机（10倍）,第一台晶体管收音机仅包含4只锗晶体管,半导体器件,4.复合材料,现代科技的发展，对材料的性能提出高标准、多样化，甚至是相互矛盾的要求，因此，任何一种单一的材料都难以满足上述需要，于是各种高性能的复合材
9、料便应运而生。复合材料是由基体材料和增强材料两部分组成，根据基体材料和增强材料的特点，复合材料可分为结构复合材料和功能复合材料两大类复合材料在高度轻量化直升机上的用量已达结构重量的70%-80%，在先进战斗机上的用量大约是结构重量的30%-40%。,国产重点型号战机将用复合材料水平尾翼,复合材料井盖,4.复合材料,结构复合材料作为承力结构使用的材料，它由能承受载荷的增强体与能连接增强体成为整体材料同时又起传递力作用的基体构成；可以根据材料在使用中受力的要求进行选材设计及复合结构设计增强体包括各种玻璃、陶瓷、碳素、高聚物、金属、天然纤维、织物、晶体等；基体包括高聚体（树脂）基、金属基、陶瓷基、碳
10、基等树脂基复合材料用于建筑、造船、车辆、化工容器、生活用品等金属基复合材料是宇航、航空技术的理想材料,树脂基复合材料,耐磨陶瓷复合材料膨胀节,碳基复合材料,4.复合材料,功能复合材料一般由功能体和基体组成，基体不仅起到构成整体的作用，而且能产生协同或加强功能的作用，利用材料的电学、化学等性能。现已有压电型功能复合材料、吸波、屏蔽性功能复合材料（隐身材料）、导电功能复合材料等，有广阔的发展前景科学家研制出新材料 隐身斗篷将成现实隐身衣真的来了？,5.生物材料,生物材料也称为生物工程材料或生物医学材料，是生物体器官缺损、病变或衰竭的替代材料，也就是人类器官再造材料。生物活性陶瓷已实现与骨相结合，并
11、与软组织相结生物化学水泥在骨骼缺损修补、骨骼植入材料的固定和牙齿的修复等过程使用人工器官已制造出人工心脏、人工肝脏、人工肾、人工喉、人工眼球、人工骨、人工皮、人造血浆和血液等 预期研制出具有主动诱导、能促进人体自身组织和器官再生作用的生物复合材料,人造器官的设计制造,6.光电子材料,光电子工业异军突起，它包括光通信、光计算、激光加工、激光医疗、激光印刷、激光影视、激光仪器、激光受控热核反应、激光分离同位素、激光制导等许多方面。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。光电子信息材料是整个光电子技术的基础和先导。包括淘汰和信息获取材料、信
12、息传输材料、信息存储材料以及信息处理和运算材料等，其中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（LCD）材料等。,LED发光产品,蓝宝石晶体,电子纸,全球第二大液晶显示器生产商飞利浦公司宣布，该公司已研发出世界首款色“电子纸”。 “电子纸”是一种超薄、超轻的显示器。飞利浦开发的这款英寸彩色显示器薄如纸张，并且可以随意折叠弯曲。这款“电子纸”的电路板由金属制成，而非传统使用的玻璃，从而可以提高产品的灵活性。电子纸”技术与现有的液晶技术有所不同。“电子纸”没有目前其他显示设备无法避免的强烈反光，画面分辨率较高，显示效果与视觉效果同普通书写纸几乎完全相同。,7.纳米材料,纳米材料
13、又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。,原子排成的“原子”字样,1nm=1/10亿米，10个氢原子紧密排列，20nm是头发丝直径的3000分之一,1）几种典型的纳米材料,纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米膜材料纳米磁性液体材料碳纳米管,纳米算盘C60每10个一组，在铜表面形成世界上最小的算盘。,纳米皇冠,纳米颗粒型材料：也称纳米粉末，一般指粒度在100nm以下的
14、粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。,1）几种典型的纳米材料,氧化锌晶体,1）几种典型的纳米材料,纳米磁性液体材料：磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。试管中磁性液体舞蹈,磁性液体尖峰状态,磁性液体静态密封装置（安全阀）,磁性液体在扬声器上的应用，显著改善散热性能，提高功率一倍以上，使音圈自动定位，改善频率响
15、应，减少失真。,磁性液体阻尼器,磁性液体离心开关,磁性液体的应用：,碳纳米管：碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。碳纳米管本身有非常完美的结构，尺寸只有头发丝的十万分之一，但导电率是铜的1万倍，强度是钢的100倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。,1）几种典型的纳米材料,如果用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发
16、射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。超高的成本使国际市场90高纯度的碳纳米管价格高达10002000美元克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元克，远远高出黄金的价格。,把碳纳米管用作转子的纳米马达,1）几种典型的纳米材料,2）纳米材料的应用,由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感性等方面呈现常规材料不具备的特性。因此纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。陶瓷增韧：由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面
17、，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。,纳米陶瓷,光学方面的应用：纳米微粒由于小尺寸效应使它具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等。利用纳米微粒的特殊的光学特性制成的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。目前关于这方面研究还处在实验室阶段，有的得到了推广应用。,2）纳米材料的应用,隐身材料应用：由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；
18、另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。,2）纳米材料的应用,美国F117隐形轰炸机机,美国B2隐形轰炸机,催化领域的应用：催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，
19、甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高1015倍。,2）纳米材料的应用,环境保护方面的作用：随着纳米技术的悄然崛起，纳米环保也会迅速来临，拓展人类利用资源和保护环境的能力，为彻底改善环境和从源头上控制新的污染源产生创造了条件。治理有害气体：纳米技术可以制成非常好的催化剂，经它催化的石油中硫的含量小于0.01。在燃煤中可加入纳米级助烧催化剂，以帮助煤充分燃烧，提高能源的利用率，防治有害气体的产生。纳米级催化剂用于汽车尾气催化，有极强的氧化还原性能，使汽油燃烧时不再产生一氧化硫和氮氧化物，根本无需进行尾气净化处理。污水处理：污水中的贵金属是对人体极其有害的物质
20、。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的10-20倍。,2）纳米材料的应用,光催化剂可以很好地降解对室内主要的气体污染物甲醛、甲笨等，其中纳米TiO2（钛白粉、二氧化钛) 的降解效率最好，达到近100。其降解机理是在光照条件下将这些有害物质转化为二氧化碳、水和有机酸。纳米TiO2的光催化剂也可用于石油、化工等产业的工业废气处理，改善厂区周围空气质量。用纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大颗粒TiO2的10倍以上，从而解决大量
21、生活垃圾给城市环境带来的压力。用纳米TiO2催化降解技术来处理毛纺染整废水，具有省资、高效、节能，最终能使有机物完全矿化、不存在二次污染等特点。,2）纳米材料的应用,自洁作用：纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应，即其表面具有防污、防雾、易洗、易干等特点。我国新近研制成功一种具备自动清洁功能，可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁净玻璃”。“纳米自洁净玻璃”是应用高科技纳米技术在平板玻璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线的作用下可分解沉积在玻璃上的污物，氧化室内有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。这种玻璃与普通玻璃的价格比预计为1.5：1。,2）纳米材料的
22、应用,纳米材料“绝水”雨伞,纳米TIO2台式空气清净机,纳米护腿、护膝、鞋垫,采用纳米远红外材料，具有远红外保健功能；采用纳米磁性材料，兼具磁疗功能； 采用纳米永磁材料，没有磁硬块，穿着舒适，洗涤方便； 有效激活细胞的代谢能力，增强肌体免疫力； 舒筋活络、改善局部血液循环，对关节疼痛止痛迅速；对贴近的肌肤起全方位的按摩及刺激作用；纳米鞋垫采用多种纳米粉体精制而成，除臭效果极佳。尤其适用于运动量较大，有脚气、脚癣的朋友们，不必清洗，置于日光晒数分钟效果更好。止痒抗菌功能 吸湿能力较强，产品中的无机抗菌材料，可长效抑菌，抑制鞋内真菌繁衍、防治脚气、脚癣等疾病,医学应用：将药物储存在碳纳米管中，并通
23、过一定的机制来激发药剂的释放，则可控药剂有希望变为现实。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。采用纳米大分子 “生物部件”与小分子无机物晶体结构组合，采用纳米电子学控制装配成纳米机器人，将会给人类医学科技带来深刻的革命，使现在许多的疑难病症得到解决。,2）纳米材料的应用,硅材料新型纳米生物传感器,纳米机器人,2）纳米材料的应用,科学家们正在研制一种人工耳：纳米耳，它的敏锐度甚至能够把细胞所发出的躁声分辨出来。实验已证明，这种纳
24、米耳灵敏度大大超过人耳纤毛的潜力。耳朵里的纤毛直径为100纳米左右，长度是一两个微米，而现在制造的纳米耳直径只有几纳米，长度却有60微米。它的这个长度使其灵敏度增高许多。也许有一天，这种人工耳可置于人体血液循环中，作为流动的纳米听诊器，专门监听细胞功能失调，甚至可以听到癌细胞所发出的清晰声音。这种纳米耳完全生产并投入使用大概在10年之内。,家电：用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。计算机和电子工业：可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料
25、后，可以缩小成为“掌上电脑”。,2）纳米材料的应用,纳米存储器，存储密度可达每平方厘米10万亿字节,纺织工业：在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。美国借纳米技术开发出新型液体防弹衣机械工业：采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。,21世纪初的主要任务是依据纳米材料各种新颖的物理和化学特性，设计出各种新型的材料和器件。通过纳米材料科学技术对传统产品的改性，增加其
26、高科技含量以及发展纳米结构的新型产品。纳米材料将成为材料科学领域一个大放异彩的明星展现在新材料、能源、信息等各个领域，发挥举足轻重的作用。随着其制备和改性技术的不断发展，纳米材料在精细化工和医药生产等诸多领域会得到日益广泛的应用。全面理解纳米科技内涵，促进纳米科技在我国的健康发展,能源是指能够直接或经过转换而获取某种能量的自然资源。（一）能源的分类来自于地球本身，如核能、地热能等；来自于球外天体，如宇宙射线及太阳能，以及由太阳引起的水能、风能、波浪能、海洋温差能、生物质能、光合作用等；来自于地球和其他星体的相互作用，如潮汐能。,二、新能源概述,（一）能源的分类,常规能源：如煤炭、石油、天然气、
27、薪柴燃料、水能等；新能源：如核能、太阳能、地热能、潮汐能、生物质能等。可再生能源：即不会随它本身的转化或人类的利用而越来越少，如水能、风能、潮汐能、太阳能、生物质能等；非再生能源：它随人类的利用而越来越少，如石油、煤、天然气、核燃料等。,能源危机能源资源短缺煤储量6800亿吨，年消耗35亿吨，可使用200年石油储量3000亿吨，年消耗40亿吨，可使用70年能源消费的费用迅速增加能源资源的勘探、开采越来越难，投入资金多、建设周期长、科技含量高,（二）人类所面临的能源问题,（二）人类所面临的能源问题,能源对环境的污染研究和开发储量丰富、无污染的新能源势在必行,（三）核能的开发及利用,核能又称原子能
28、或原子核能。它是原子核结构发生变化时发出的能量。核能是一种高度密集的能量，目前地球上还没有任何一种能源可以与之相比。使原子核内蕴藏的巨大能量释放出来方法有两种核裂变：重元素的原子核发生分裂反应释放裂变能核聚变：轻元素的原子核发生聚合反应释放聚变能,核反应,1.核裂变能,如果1kg铀全部裂变，它放出的原子能相当于2500吨优质煤完全燃烧时所放出的化学能 将原子核裂变释放的核能转换成热能，再转变为电能的系统和设施，称为核电站。反应堆是核电站的关键设备，链式裂变反应就在其中进行,核反应堆及核电站,链式反应产生大量热能。用循环水(或其他物质)带走热量才能避免反应堆因过热烧毁。导出的热量可以使水变成水蒸
29、气，推动气轮机发电。核反应堆的结构：核燃料慢化剂热载体控制设施防护装置。,核电站是经济的能源,虽然核电站的投资高于燃煤电厂，但是，由于核燃料成本显著地低于燃煤成本，使得目前核电站的总发电成本低于烧煤电厂。,核电站在一些国家已经成为主要的能量来源之一。 截止2005年9月底，全世界正在运行的核电机组443座，分布在31个国家或地区，年发电量占世界总量的16%；反应堆拥有量排名前三位的美国、法国、日本的反应堆总和占全世界的49.4%，装机容量占56.9%。,我国核电站发展情况,1991年12月我国第一座自行设计制造的30万千瓦秦山压水堆核电站并网发电目前已有6座核电站共11台机组906.8万千瓦先
30、后运行 2020年我国核电装机容量将达到4000万千瓦，占全国电力装机容量的4%。,秦山核电站,大亚湾核电站,秦山三期核电站一号气轮机组,2.核聚变能,一个氘核和一个氚核结合成一个氦核时能释放出17.6Mev的能量，平均每个核子放出能量是裂变的几倍，是化学燃料的几百万倍作为聚变燃料的氘的储量在地球上是异常丰富的，能为人类提供1025Kw小时的能量，按目前世界能量的消耗率估计可用1010年以上聚变反应的产物是4He，无放射性，清洁能源。一座核聚变反应堆，可连续工作3000年之久，可谓“人造太阳”,实现受控核聚变作为工业应用需要四个条件,超高温：把氘和氘等轻元素加热到12亿，克服粒子相互间的库仑斥
31、力高密度：使中子的密度达到每立方厘米50万亿个 约束时间长：对等离子体加以约束，使它能维持1秒以上的时间，以保证充分地发生核反应保持干净：从原料到容器须高度纯洁，容器在装入核燃料前就必须达到大气压的十亿分之一的高度真空。大约有20多个国家建造了200余座核聚变实验装置，设计了各种受控热核反应堆发电装置,国际热核聚变实验堆ITER,美国、日本、俄罗斯、欧州共同体决定共同出资兴建 ITER(International Thermonuclear Experimental Reactor)“人造太阳”计划ITER（道路）：用受控核聚变发电，走和平利用核能的道路，为人类寻找可替代的洁净能源。在计划提出
32、近20年，选址耗时18年后，全球最大、代表世界未来能源科技最高水平的核聚变反应装置ITER的建设地点终于滑落法国南部的卡达拉什（Cadarache）,国际热核聚变实验堆ITER,为期30年、投资超过100亿欧元的国际超大型科学合作项目，其意义不亚于国际空间站计划和人类基因组计划 该计划已耗资120亿美元，涉及领域包括超导研究、高真空、环境科学、生命科学、等离子计量和控制、信息通信、纳米材料等多个学科。2010年前后建成，如果实现, 21世纪中叶有可能建成商业聚变堆并开始实际使用聚变能,磁约束聚变装置ITER,ITER的环形真空室,我国新一代“人造太阳” 实验装置,2006年9月，耗时8年、耗资
33、2亿元人民币的我国新一代“人造太阳” 实验装置位于合肥的全超导非圆截面核聚变实验装置(EAST)实现了跨国远程控制的等离子体放电 美国通用原子能公司(General Atomics USA)专家通过专用数据网，轻点鼠标即可轻松启动并运行地球另一端的中国核聚变实验装置EAST的建成，使我国迈入磁约束核聚变领域先进国家行列。,（四）可再生能源,太阳能地热能氢能生物能风能海洋能,太阳能,太阳射向地球的总能量为8.01013KW。每分钟射向地球的能量相当于人类一年所耗用的能量。目前太阳能利用转化率约为。据此推算，到年全世界能源消费总量大约需要万亿立升原油，如果用太阳能替代，只需要约万平方公里的一块吸太
34、阳能的“光板”就可实现。太阳能的转换和利用方式有光-热转换、光-电转换。和光-化转换。,地热能,地球是一个大热库，按目前钻井技术可钻到地下10公里的深度，估计地热能资源总量相当于世界年能源消费量的400多万倍。地热能约为全球煤热能的1.7亿倍。地热资源有两种：一种是地下蒸汽或地热水（温泉），这种电能已占总发电量的03。；另一种是地下干热岩体的热能。如何把地下岩石中的热能取出来发电，是许多能源专家长期以来的梦想。,氢能,以氢为能源的燃料电池有希望解决我们所面临的几乎每一个能源问题。它的基本原理是利用氢气和氧气产生化学反应产生电能。这一反应的唯一产物是水。因此具有能量效率高、洁净、无污染、噪音低的
35、特点，而且在使用上既可集中供电，也适合分散供电。随着我们放弃矿物燃料，以氢为基础的能源将意味着全球气候变暖压力的减轻。而把燃料电池应用在车辆驱动上是氢经济发展的一个关键领域，被称为是汽车工业面临的第二次革命。,生物能,据科学家们估计，全世界每年通过光合作用固化的太阳能，陆地为1.9171021J；海洋为9.211020J。相当于全世界年耗能量的10倍。一个360万平方公里的陆地表面，假定太阳能转化率为1，从理论上讲，生产的生物质就足以解决全世界的能源需求了。现在全球生物质存有量为 1841109吨干物质，其中森林生物质就有1650109 吨，占 89.6。,风能,有2%的太阳能变成了风能。全世
36、界一年所耗的能量不及风力1年内提供的1/100。目前，尽管风能所能提供的电量还不足全球总发电量的0l，但它将会很快成为人类可靠的动力来源之一。从理论上说，位于美国平原地区3个州的风能电量足以满足整个美国的电力需求；同样，中国内蒙古、浙江、新疆的风能资源所发生的电量，也可以满足整个中国的需求。预计，在未来的20年中，数以万计的风轮机将会出现在世界风能资源丰富的地区，并能满足这些地区用电需求量的2030。,目前世界各国主要有两种利用方式：1采用风力机械设备，把风能转变成机械能，直接为人们所利用，像风力提水灌溉、饮牲畜。2采用风力发电设备，把风能转变为机械能，然后再将机械能转变成电能，这就是风力发电
37、。,海洋能,据权威统计，全世界海洋能的理论可再生量超过760亿千瓦。其中，海水温差能约400亿千瓦，盐度差能约300亿千瓦，潮汐能大于30亿千瓦，波浪能约30亿千瓦。目前，世界各国正竞相探索海洋能开发利用技术。,涨潮时由月球的引潮力可使海面升高0.246米，在两者的共同作用下，潮汐的最大潮差为8.9米；北美芬迪湾蒙克顿港最大潮差竟达19米。全世界潮汐能若全部转换成电能，每年发电量大约为1.2万亿度。潮汐能发电是海洋能利用中发展最早、规模最大、技术较成熟的一种。现代海洋能源开发主要就是指利用海洋能发电。利用海洋能发电的方式很多，其中包括波力发电、潮汐发电、潮流发电、海水温差发电和海水含盐浓度差发电等，而国内外已开发利用海洋能发电主要是潮汐发电。由于潮汐发电的开发成本较高和技术上的原因，所以发展不快。,课后作业,什么是纳米材料？它的特点和用途是什么？查阅资料，试评价核能利用新技术的前景。查阅资料，综述保持能源可持续发展的措施。,Thank You !,
