1、现代科技概论全册配套现代科技概论全册配套 最完整精品课件最完整精品课件2 现代科技概论现代科技概论 本课程的基本要求本课程的基本要求 课程性质：课程性质：选修课选修课 学分数：学分数： 3 上课形式：上课形式：多媒体、影像资料、讨论多媒体、影像资料、讨论 出勤率：出勤率：随机检查随机检查 考考 核核: 平时：平时：20%（讨论、作业、出勤）（讨论、作业、出勤） 期末：期末：80%（考试）（考试） 课程内容课程内容 第一章第一章 总论总论 第二章第二章 自然科学基础学科自然科学基础学科 第三章第三章 材料材料科学技术科学技术 第四章第四章 能源能源科学技术科学技术 第五章第五章 信息信息科学技术
2、科学技术 第六章第六章 环境科学环境科学 第七章第七章 激光科学技术激光科学技术 第八章第八章 生物工程生物工程 第九章第九章 空间科学技术空间科学技术 第十章第十章 海洋技术海洋技术 第十一章第十一章 现代科学技术中的法律问题现代科学技术中的法律问题 第一章第一章 总论总论 第第1节节 科学与技术科学与技术 一、什么是科学技术？一、什么是科学技术？ 二、为什么要学习科学技术？二、为什么要学习科学技术？ 第第1节节 科学与技术科学与技术 科学科学： “学问、知识学问、知识” 科学是人类对客观世界的认识，是反映科学是人类对客观世界的认识，是反映 客观事实和规律的客观事实和规律的知识体系知识体系。
3、（实验事实、。（实验事实、 基本概念、原理及定律、逻辑演绎系统、一基本概念、原理及定律、逻辑演绎系统、一 系列具体结论）系列具体结论）“是什么、为什么是什么、为什么” 技术技术： 根据生产实践经验和自然科学原理而发根据生产实践经验和自然科学原理而发 展成的展成的各种工艺、操作方法与技能的知识体各种工艺、操作方法与技能的知识体 系。系。“做什么、怎么做做什么、怎么做” 第第1节节 科学与技术科学与技术 学习科学技术的意义：学习科学技术的意义： 1. 有助于开阔眼界和扩大知识面有助于开阔眼界和扩大知识面 2. 有助于改善知识结构、深化科学认识和提有助于改善知识结构、深化科学认识和提 高高科学素养科
4、学素养 3. 有助于强化科技有助于强化科技创新能力创新能力和提高科技管理和提高科技管理 水平水平 科学技术对人类社会的影响 推动经济发展：动力、商品竞争力的命 脉 增强政治影响：影响世界政治格局、促 进政治制度的变革、扩大政治影响 壮大军事实力 推动社会全面发展 第第2节节 现代科学技术与革命现代科学技术与革命 一、现代科学技术的概念和体系结构一、现代科学技术的概念和体系结构 二、现代科学技术的特点二、现代科学技术的特点 三、现代科学技术发展大事记三、现代科学技术发展大事记 四、现代技术革命四、现代技术革命 一、现代科学技术的概念和体系结构一、现代科学技术的概念和体系结构 1.1. 现代科学技
5、术的概念现代科学技术的概念 社会上俗称社会上俗称高新高新 技术技术。 在在2020世纪世纪4040年代年代 以后逐渐形成的一以后逐渐形成的一 个高新科学技术群个高新科学技术群. . 材料材料科学技术科学技术 能源能源科学技术科学技术 信息信息科学技术科学技术 空间科学技术空间科学技术 激光科学技术激光科学技术 生物工程生物工程 海洋工程海洋工程 环境工程环境工程 一、现代科学技术的概念和体系结构一、现代科学技术的概念和体系结构 2.2.现代科学技术的体系结构现代科学技术的体系结构 基础科学 技术科学 应用科学 包括数学、物理学、化学、天文学、地球科学和生物学等。 包括材料、能源、信息、激光、生
6、物、空间科学技术等。 包括各种工程技术、农业技术、医疗技术、交通技术等。 二、现代科学技术的特点二、现代科学技术的特点 1.1.高新技术群。高新技术群。 2.2.发展创新速度快。发展创新速度快。 3.3.科学和技术之间互相渗透、互相促进的关科学和技术之间互相渗透、互相促进的关 系明显加强，各种新技术之间相互联系、相系明显加强，各种新技术之间相互联系、相 互影响，出现了众多边缘学科或交叉技术。互影响，出现了众多边缘学科或交叉技术。 如：计算机辅助设计（如：计算机辅助设计（CAD)CAD)、计算机辅助制、计算机辅助制 造促进了集成电路的发展，而集成电路又促造促进了集成电路的发展，而集成电路又促 进
7、了计算机的发展。进了计算机的发展。 4.4.影响大。影响大。 三、现代科学技术发展大事记三、现代科学技术发展大事记 1.1.能源科学技术领域能源科学技术领域 2.2.信息科学技术领域信息科学技术领域 3.3.空间科学技术领域空间科学技术领域 4.4.生物工程领域生物工程领域 5.5.其它领域其它领域 四、现代技术革命四、现代技术革命 1.1. 三次技术革命三次技术革命 第一次技术革命：第一次技术革命：始于始于18世纪中叶世纪中叶（蒸气机）（蒸气机） 第二次技术革命：第二次技术革命：19世纪中叶以后世纪中叶以后（电力）（电力） 现代技术革命：始于现代技术革命：始于20世纪世纪40年代年代（信息控
8、制）（信息控制） 2.2. 现代科技革命的主要特点、方向和研究现代科技革命的主要特点、方向和研究 方法方法 3.3. 各国对现代科技革命的反响各国对现代科技革命的反响 4.4. 高新技术产业高新技术产业 四、现代技术革命四、现代技术革命 2.2.现代科技革命的主要特点、方向和现代科技革命的主要特点、方向和 研究方法研究方法 主要特点主要特点: :带头技术是带头技术是电子电子科学技术、带头产科学技术、带头产 业是业是信息信息产业，以知识和技术高度密集形态出产业，以知识和技术高度密集形态出 现，不只出现在现，不只出现在企业企业而且出现在而且出现在高等学校高等学校、研研 究所究所与企业协同作战，对世
9、界、国民经济的影与企业协同作战，对世界、国民经济的影 响面广。响面广。 主要方向：主要方向：新材料、新能源、信息革命、生新材料、新能源、信息革命、生 物革命。物革命。 研究方式研究方式 ：系统、信息、价值、科学预测方系统、信息、价值、科学预测方 法。法。 四、现代技术革命四、现代技术革命 3.3.各国对现代科技革命的反响各国对现代科技革命的反响 制定发展高科技计划制定发展高科技计划 制定各种发展现代科学技术的优惠政制定各种发展现代科学技术的优惠政 策和措施策和措施 增设科研机构，大力培养和吸引人才，增设科研机构，大力培养和吸引人才， 加强国际合作与交流加强国际合作与交流 创造良好的投资环境，鼓
10、励风险投资，创造良好的投资环境，鼓励风险投资， 吸引外资吸引外资 四、现代技术革命四、现代技术革命 4.4.高新技术产业高新技术产业 特征：特征：高风险、高难度、高速度、高知识、高高风险、高难度、高速度、高知识、高 资金、高竞争、高效益、高功效。资金、高竞争、高效益、高功效。 高新技术产业开发区：高新技术产业开发区：科研机构、大专院校与科研机构、大专院校与 企业三位一体的新型组织形式。以开发高新技术、企业三位一体的新型组织形式。以开发高新技术、 开拓新产业为目标，促进科研、教育和生产相结开拓新产业为目标，促进科研、教育和生产相结 合，推动科技经济、社会协调发展的综合基地。合，推动科技经济、社会
11、协调发展的综合基地。 我国大陆最早我国大陆最早1985年年的深圳科技工业园。的深圳科技工业园。 第三章第三章 材料科学技术材料科学技术 主要内主要内 容容 第第1节节 概述概述 第第2节节 金属材料金属材料 第第3节节 无机非金属材料无机非金属材料 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 第第5节节 复合材料复合材料 第第6节节 纳米材料纳米材料 第第7节节 智能材料智能材料 第第8节节 两种功能材料两种功能材料 第第9节节 国内外开发的新材料及发展国内外开发的新材料及发展 趋势趋势 第第1节节 概述概述 一、材料科学技术中的基础名词 晶体与非晶体； 机械性能：强度,硬度,刚度,塑性 等；
12、热处理：淬火，回火等； 化学热处理； 相及相变等。 二、材料科学技术基础研究的发展 显微结构的研究 热力学的研究 材料机械性能的研究 第第1节节 概述概述 三、研制材料的新方法、新工艺 1.1.新方法新方法 宏观性能和微观结构的研究 表面处理的研究 破坏过程的研究 分子设计的研究 热分析法 2.2.新工艺新工艺 快速凝固 离子注入 第第1节节 概述概述 四、材料的发展 第一代天然材料：存在于自然界的动物,植物和 矿物物质 第二代烧炼材料：烧结材料和冶炼材料 第三代合成材料：化工合成,特种合金和超铀元 素(原子序数大于92的元素的统称) 第四代可设计材料：如复合材料 第五代智能材料：如记忆合金
13、第第1节节 概述概述 五、材料的分类 1.根据材料的来源分类：天然天然材料(矿物,动物和植 物材料)和人工人工材料 2.根据材料的用途和性能分类：结构结构材料(利用力 学性能承受一定负荷的材料)和功能功能材料(利用物 理和化学特性的材料) 3.根据材料的成熟程度分类：传统传统材料和新兴新兴材料 4.根据材料的化学性质分类：金属金属材料、无机非金无机非金 属属材料、有机高分子有机高分子材料和复合复合材料 第第1节节 概述概述 六、材料科学技术的概念 材料：专指一些有用有用的物质。 材料科学技术：从总体上研究材料的种类种类，功能功能， 基本结构基本结构和性能性能之间的关系以及新材料的研制新材料的研
14、制和 应用应用的科学。 七、材料科学技术的重要性 材料是人类社会存在的物质基础。物质基础。 材料是现代科学技术科学技术进步的前提。 新材料是工业工业产品升级换代的的关键。 新材料是克服能源能源短缺的重要途径之一。 第第2节节 金属材料金属材料 一、概念及其分类 金属材料是指金属单质及合金构成的材 料。 金属特性：良好的导电导热性、金属光 泽、大多具有超导性、良好的反射性和 塑性变形能力、不透明等。 金属分为黑色金属和有色金属 第第2节节 金属材料金属材料 二、黑色金属 黑色金属是指铁,锰,铬及其合金材料。 最重要的是钢铁：铁和碳所形成的系列合金的总称。 纯铁（熟铁）：含碳低于0.04，强度低、
15、硬度低、塑 性好。 铸铁（生铁）：含碳大于2，硬而脆、几乎没有塑性、 硬度高，历史悠久，我国春秋时期已发明了生铁冶铸技 术。 钢：含碳在0.04-2之间，兼有两者优点，强度高、韧 性和塑性好，碳钢、合金钢。 第第2节节 金属材料金属材料 二、黑色金属 转炉炼钢（英国贝塞麦 1854年试射炮弹时担心铸铁承受 不了爆炸力，导致他研究新炼钢方法，1.22米容器下部有 6个进风口，温度上升到1600，30分钟就可以炼1炉钢， 后改为向一侧倾倒，即“转炉”，1857年获专利。 电炉炼钢：可以冶炼各种性能的合金钢。 平炉炼钢：钢质稳定，一直沿用至今 近年新钢铁种类：低合金超高强度钢（飞机起落架、火箭 外壳
16、、常规武器的承力零件）超低温奥氏体钢（-269摄氏 度下具有良好的力学性能） 第第2节节 金属材料金属材料 三、有色金属 1.普通有色金属 铝及其合金：资源丰富，成本较低，塑性好，可冷拔成细丝。 铜及其合金：电气、仪表、造船、机械制造等工业广泛应用。 钛及其合金：强度高、耐高温、耐腐蚀，资源丰富，加工复杂， 成本高。 镍：1715年由瑞典化学家克朗斯塔特在“铜怪”的矿石中发现。 （因与铜色泽相同，但无法提炼出铜，以为山神作怪） 2.稀有金属 稀土金属：钪,钇,镧和锕系17种元素。被称为冶金工业的维生素。 第第2节节 金属材料金属材料 四、几种新兴金属材料简介 1.1.彩色不锈钢彩色不锈钢（彩钢
17、）：根据光的干涉 原理，设法在不锈钢表面形成一层无 色透明的致密的钝化薄膜（氧化膜）。 保持了金属的光泽，色调艳丽，耐蚀性强、 耐热性好、较好的耐磨性。 室内装潢、广告、工艺品、包装 2.2.金属玻璃金属玻璃（非晶态合金）：106/秒 的冷却速度，刚柔并济，但不透明。 硬度是常规钢材的两倍，耐腐蚀性比最好的 不锈钢高100倍。 军事上制造导弹和装甲车、体育上用在高尔 夫球杆上、电脑和手机外壳 第第3节节 无机非金属材料无机非金属材料 天然无机非金属材料、硅酸盐材料、新型硅酸天然无机非金属材料、硅酸盐材料、新型硅酸 盐材料盐材料 一、天然无机非金属材料 天然石料(石灰石,长石,石膏)、天然矿土(
18、粘土,高岭土)、天 然纤维(石棉) 二、硅酸盐材料 陶瓷:陶和瓷的总称，分为传统陶瓷和先进陶瓷(高性能陶 瓷，精细陶瓷等)。不破的陶瓷,能透光的陶瓷,压电陶瓷 玻璃:石英石加入纯碱和石灰石在1500烧制而成。钢化玻 璃,光导纤维 ，玻璃幕墙 水泥：以生石灰和粘土为主要原料烧制而成。 耐火材料 ：能耐1580以上高温的材料，金属冶炼炉、锅 炉、窑炉等都必须使用耐火材料作内衬绝热层。 第第3节节 无机非金属材料无机非金属材料 三、新型硅酸盐材料 透明的氧化铝陶瓷(刚玉)、耐高温的二氧化锆（ZrO2）陶 瓷、高熔点的氮化硅（Si3N4）和碳化硅（SiC）陶瓷等 氧化铝陶瓷做成的假牙与天然齿十分接近，
19、它还可以做人 工关节用于很多部位，如膝关节、肘关节、肩关节、指关 节、髋关节等 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 一、高分子的概念及分类一、高分子的概念及分类 n 由一种或几种结构单元聚合而成，分子量通常十几由一种或几种结构单元聚合而成，分子量通常十几 万或几十万。又称高聚合物。万或几十万。又称高聚合物。 n 根据来源可分为：根据来源可分为： n 天然：天然：纤维素、淀粉纤维素、淀粉 n 合成：合成：聚乙烯、聚丙烯聚乙烯、聚丙烯 n 半合成：半合成：醋酸纤维素醋酸纤维素 n 根据合成反应特点：根据合成反应特点： n 聚合物、缩合物、开环聚合物聚合物、缩合物、开环聚合物 n 根据性质和用
20、途：根据性质和用途： n 塑料、橡胶、纤维塑料、橡胶、纤维 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 二、高分子材料发展历史二、高分子材料发展历史 n 1812 1812年用酸水解树皮等，得到淀粉。年用酸水解树皮等，得到淀粉。 “ “橡胶橡胶”最早认识是印第安人，最早认识是印第安人，“卡乌巧乌卡乌巧乌” n 1823 1823年，苏格兰人马幸托斯创办了雨衣厂，但很快年，苏格兰人马幸托斯创办了雨衣厂，但很快 倒闭了。倒闭了。 n 1839 1839年古德意发现天然橡胶与松节油、硫磺共热可年古德意发现天然橡胶与松节油、硫磺共热可 改变性能，化学上叫高分子化学改性，工业上叫硫化处改变性能，化学上叫高
21、分子化学改性，工业上叫硫化处 理。理。 n 1864 1864年，舍恩拜因用棉纤维经硝酸、硫酸混合液处年，舍恩拜因用棉纤维经硝酸、硫酸混合液处 理，发明了火药棉。理，发明了火药棉。 n 1865 1865年帕克尔对胶棉处理，得到第一种人造塑料年帕克尔对胶棉处理，得到第一种人造塑料- -赛璐珞。赛璐珞。 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 n 1907 1907年，贝克兰把苯酚与甲醛进行反应，得到酚醛年，贝克兰把苯酚与甲醛进行反应，得到酚醛 塑料塑料-最早合成的塑料。最早合成的塑料。 合成纤维、合成橡胶、塑料发展最快，应用最广，合成纤维、合成橡胶、塑料发展最快，应用最广， 被称为传统的三大
22、有机合成材料。被称为传统的三大有机合成材料。 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 三、传统的三大合成材料 1.1.合成橡胶合成橡胶 供不应求，探索合成；世界大战，加速发展；奇妙 魔术，前程无量 1879年，第一次人工合成橡胶 1910年德国拜尔公司合成橡胶，同年前苏联、英国 都发明了不同的合成橡胶。 1914年，德国在战争期间共生产2350吨合成橡胶。 普通合成橡胶：丁苯橡胶、顺丁橡胶等 特种合成橡胶：用于飞机宇宙飞船的硅橡胶 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 三、传统的三大合成材料 2.2.合成纤维合成纤维 粮棉争地，另辟蹊径；尼龙问世， 巧夺天工；姹紫嫣红，大放异彩； 以假乱
23、真，造福人类 1913年德国化学家科拉特首先开始 合成纤维 1938年杜邦公司建成第一座尼龙66 工厂 涤纶、腈纶、锦纶、丙纶四大纶 “仿生化”：仿棉、仿麻、仿皮等 19391939年尼龙丝袜在纽约年尼龙丝袜在纽约 首次公开销售首次公开销售纽约时报纽约时报 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 三、传统的三大合成材料 3.3.塑料塑料 人造“象牙”，能伸能屈；酚醛塑料，冷热均灵； 塑料之王，神通广大；错误导致奇迹，导电塑料 1万美元，征求象牙替代品，1869年，海厄特发明 了赛璐珞（硝化纤维素经植物油和樟脑软化制成） 1907年，贝克兰把苯酚与甲醛进行反应，得到酚醛 塑料-最早合成的塑料
24、“塑料王”聚四氟乙烯：轴承、人体器官替代品 聚乙炔 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 四、新型有机高分子材料-功能高分子 材料 功能高分子材料是指既有传统高分子材料的机 械性能，又有某些特殊功能的高分子材料。 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 四、新型有机高分子材料-功能高分子 材料 （1）高分子分离膜 组成：是用具有特殊分离功能的高分子材料制成的 薄膜。 特点：有选择的通过 应用：物质分离 （2）医用高分子材料 性能：优异的生物相容性，很高的机械性能 应用：制作人体的皮肤、骨骼、心、肺等各种人工 器官。 第第4节节 有机高分子材料有机高分子材料 五、有机高分子材料的发展趋势
25、一方面，对重要的通用有机高分子材料继续进行改进和 推广，使性能不断提高，应用范围不断扩大。 例如，近年来，研制出具有优良导电性能的导电塑 料，并在电子计算机外壳、罩、传输带等方面得到应用， 成为最年轻、最有发展前途的新型导电和电磁屏蔽材料。 另一方面，与人类自身密切相关、具有特殊功能的材料 的研究也在不断加强，并取得了一定的进展。 如仿生高分子材料、高分子智能材料等。应用于宇 航、建筑、机器人、仿生和医药等领域。 第第5节节 复合材料复合材料 第第5节节 复合材料复合材料 一、复合材料概述 1.什么是复合材料 一般说法：由2种或2种以上不同材料组合在一起而形 成的新材料。 土坯、张飞的丈八长矛
26、、蒙古弓、钢筋混凝土 木材、人体骨骼、竹子 2. 复合材料的特征 至少包括2种以上的独立化学相（组元） 是按性能要求人为设计和制造的（有别于一般天然材 料） 具有各单一组元所没有的综合优良性能（有别于一般 混合物） 第第5节节 复合材料复合材料 3 .发展简史 40年代 玻璃纤维增强塑料（玻璃钢）出现 60年代 金属基复合材料出现 80年代 陶瓷基复合材料出现 4 .复合材料举例 玻璃钢（印刷电路板），轮胎（纤维增强橡胶） 雷达罩（玻璃纤维增强树脂） 火箭鼻锥（碳纤维/树脂）（碳/碳复合材料） 人造卫星天线（碳纤维/镁合金） 航天飞机框架（硼纤维/铝合金） 网球拍、羽毛球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆
27、、雪橇休闲 汽车活塞、连杆、自行车飞轮等 民用工 业 第第5节节 复合材料复合材料 二、复合材料的分类 复合材料的组成 基体(Matrix)：含量较大，连续分布的组成相 增强相(Reinforcement Elements)：含量较小，分散分 布，一般起增强作用 按基体的性质分 金属基复合材料（Metal Matrix Composite Materials, MMCs) 树脂基复合材料(Polymer Matrix Composites，PMCs) 陶瓷基复合材料(Ceramic Matrix Composites，CMCs) 第第5节节 复合材料复合材料 应用举例 体育器材往往在使用时变形
28、较大，使用聚合物基复合材料制造体育 用品，可充分发挥其高强度、耐疲劳和高弹性等特点，为提高运动 成绩创造了条件。典型的有：聚合物基复合材料夹层滑雪板、撑杆 跳高用的撑杆、射箭用的弓等，当然还有高尔夫球棒、网球拍、跳 板、钓鱼杆等。 在医学方面，用玻璃钢代替钢制假肢在英国已有应用，玻璃钢假肢 比钢制品轻 2/3，制造费用减少了1/4。此外，聚合物基复合材料 作为颅骨缺损修补材料已在临床应用。有机玻璃和陶瓷制造牙齿、 碳纤维增强有机玻璃制造齿龈等都比原来的材料要好。 玻璃纤维增强的聚合物基复合材料主要用于中小型船艇的船体，如 渔船、游艇、汽艇、扫雷艇、巡逻艇等。如日本70 %的渔船采用玻 璃钢制造
29、，美国海军部在1960年代就规定，长度在 16 米以下的舰 船全部采用玻璃钢制造。 美国用玻璃钢管代替 2000多米钢管输送苛性钾生产中的残液，质 量减轻60 %，成本降低 1/3，寿命由原来的6-9个月提高到 2-5 年。 第第5节节 复合材料复合材料 三、先进复合材料 具有“三高一低”的性能 高强度 高模量 耐高温 低密度 应用： 航天领域导弹的头锥、火箭的喷管 汽车工业制造车身（比钢制轻60） 、底盘 第第6节节 纳米材料纳米材料 一、概念及其发展 1.1.概念概念: : 目前，普遍接受的 定义为基本单元的颗粒 或晶粒尺寸至少在一维 上小于100nm，且必须具 有与常规材料截然不同 的光
30、、电、热、化学或 力学性能的一类材料体 系。 http:/ dt-UcpJ2eFR2Jl.html 第第6节节 纳米材料纳米材料 2.2.纳米材料的发展：纳米材料的发展： 第一阶段:(1990年以前)实验室探索 第二阶段:(1990-1994年)挖掘特性 第三阶段:(1994年以后)研究应用 纳米材料的研究最初源于十九世纪六十年代对胶体微 粒的研究，二十世纪六十年代后，研究人员通过对金 属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。 1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒 径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米 材料，开创纳米材料学之先河。1990年7月，在美国
31、巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议 (Nano-ST)，标志着纳米材料学作为一个相对独立学科 的诞生。 第第6节节 纳米材料纳米材料 目前我国纳米技术的应用成了热门。据2001年6月的一项调 查，国内已有323家纳米企业，产业化效果还不太理想。 科研院所的纳米科技论文水平很高，潜心于后续的应用开发 和技术支持显得力不从心。而大部分企业属于生产型，缺乏 持续创新和应用开发能力，只能接受非常成熟的技术。二者 接口的差异，导致纳米技术成果不能顺利转化。 虽然国内已建立了几十条纳米材料和技术的生产线，但产品 主要集中在制备纳米粉体方面。市场上很多“纳米商品”还 不是真正意义上的“纳米产品”，
32、急需国家制定一个指导性 的纳米技术准入标准。 我国造出世界最长碳纳米管 2013-07-18 我国碳纳米管制备方法实现突破 2014年06月27日北京大学 化学与分子工程学院李彦课题组最近借助一种自主研制的新 型钨基合金催化剂，研究出单壁碳纳米管结构可控制备方法。 第第6节节 纳米材料纳米材料 二、纳米材料特性 1.1.奇特的物性奇特的物性 2.2.扩散及烧结性能扩散及烧结性能 3.3.力学性能力学性能 4.4.超塑性超塑性 第第6节节 纳米材料纳米材料 三、几种典型的纳米材料 纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料 纳米固体材料纳米固体材料 纳米膜材料纳米膜材料 纳米磁性液体材料纳米磁性液体材料 碳纳
33、米管碳纳米管 第第6节节 纳米材料纳米材料 纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指粒度 在100nm以下的粉末或颗粒。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。 第第6节节 纳米材料纳米材料 用途：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁 流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件 抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封 装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电 池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、 高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。 第第6节节 纳米材料纳米材料 纳米固体材料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
34、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。 Fe-BFe-B纳米棒纳米棒 第第6节节 纳米材料纳米材料 纳米膜材料纳米膜材料 纳米薄膜是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗 粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层 或多层膜。 第第6节节 纳米材料纳米材料 纳米磁性液体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。 第第6节节 纳米材料纳米材料 碳纳米管碳纳米管 碳纳米管，是 1991年由日本电镜学 家饭岛教授通过高分 辨电镜发现的，属
35、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。 第第6节节 纳米材料纳米材料 碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的 性能。它在一维方向上的性能。它在一维方向上的强度强度可以超过钢丝强度，它还可以超过钢丝强度，它还 有其他材料所不具备的性能：非常好的有其他材料所不具备的性能：非常好的导电导电性能、性能、导热导热 性能和电性能。性能和电性能。 第第6节节 纳米材料纳米材料 碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它碳纳米管尺寸尽管
36、只有头发丝的十万分之一，但它 的的导电率导电率是铜的是铜的1 1万倍，它的万倍，它的强度强度是钢的是钢的100100倍而重量只倍而重量只 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。它的以拉伸。它的熔点熔点是已知材料中最高的。是已知材料中最高的。 第第6节节 纳米材料纳米材料 在电子方面在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将 其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成 电路等领域。电路等领域。在材料方面在材料方面，可将其应用于金属、水泥、，
37、可将其应用于金属、水泥、 塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的 贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在在 军事方面军事方面，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作 为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天在航天 领域，领域，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料 中，从而使燃烧效率更高。中，从而使燃烧效率更高。 第第6节节 纳米材料纳米材料 如果
38、用碳纳米管做绳索，是唯一可以从月球挂到地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。球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成如果用它做成 地球地球- -月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳月球乘人的电梯，人们在月球定居就很容易了。纳 米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几米碳管的细尖极易发射电子。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。厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。 第第6节节 纳米材料纳米材料 把碳把碳 纳米纳米 管用管用 作转作转 子的子的 纳米纳米 马达马达 图像图像 第第6
39、节节 纳米材料纳米材料 n 然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有 十年，却十年，却尚未尚未得到工业应用。得到工业应用。超高的成本超高的成本使国际市场使国际市场 9090高纯度的碳纳米管价格高达高纯度的碳纳米管价格高达1000100020002000美元克，美元克， 一般纯度的碳纳米管价格也在一般纯度的碳纳米管价格也在6060美元克，远远美元克，远远高出高出 黄金的价格。黄金的价格。 n 我国清华我国清华南风纳米粉体产业化工程中心南风纳米粉体产业化工程中心，一直，一直 致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前致力于碳纳米管在工业化生产上的
40、科技攻关，是目前 世界上已知生产规模世界上已知生产规模最大的最大的碳纳米管生产基地。碳纳米管生产基地。 第第6节节 纳米材料纳米材料 四、纳米材料的应用 著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言：如果对 物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能得到大量的 异乎寻常的特性。 在陶瓷领域的应用 希望以纳米技术来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属 一样的柔韧性和可加工性。如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中 抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超 塑性、易加工等优点。 在微电子学上的应用 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按 照全新的理念来构造电子系
41、统，并开发物质潜在的储存和处理信 息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学 将成为下世纪信息时代的核心。 第第6节节 纳米材料纳米材料 在生物工程上的应用 该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定 性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代 替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位体积物质 的储存和信息处理能力提高上百万倍。 在光电领域的应用 将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍 至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行 高精度的对地侦察。 在化工领域的应用 将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有
42、效地遮 蔽紫外线。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大 降低静电作用。研究人员还发现，可以利用纳米碳管其独特的孔 状结构，大的比表面（每克纳米碳管的表面积高达几百平方米）、 较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限 于一个很小的范围内进行。 第第6节节 纳米材料纳米材料 在医学上的应用 科研人员已成功利用纳米微粒进行了细胞分离，用金的纳米 粒子进行定位病变治疗，以减少副作用等。利用纳米颗粒作为载 体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，现在已用于临床动物实 验。 在分子组装方面的应用 如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚的纳米材 料，一直是科研工作者努力解决的问题
43、。目前，纳米技术深入到 了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子 化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要 手段。 钱学森院士曾预言：纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶 段科技发展的特点，会是一次技术革命，从而将是21世纪的又一 次产业革命。 第第7节节 智能材料智能材料 智能材料智能材料是把光纤、传感器甚或微电脑嵌入某些结 构材料中,使其具有“神经”或“大脑”的功能。 1.形状记忆合金 是一种能够记住自己原来形状的特殊金属材料 其特征是由它内部晶体结构所决定的：可逆转变结构 用途：宇航事业、医疗器械、能源的开发和利用 2.感温磁钢 是一种磁性随温度的高低而变化
44、的磁性材料 主要应用于“热自动控制” 第第8节节 两种功能材料两种功能材料 一、能源材料一、能源材料 1.换能材料：光电材料,热电材料,压电材料 2.贮能材料：吸氢合金 3.输能材料：超导材料 二、信息材料二、信息材料 1.半导体材料 2.信息传递材料 3.信息记录和贮存材料 第第9节节 国内外开发的新材料及发展趋势国内外开发的新材料及发展趋势 一、国内外开发的新材料 金属玻璃,先进陶瓷,光导纤维,复合材 料,超导材料,人造金刚石,环保材料 二、新材料未来的发展趋势 微观化,环保化,智能化,复合化,高功 能化,高性能化 http:/ f02dbe4209043633bd1da7b028 第四章
45、第四章 能源科学技术能源科学技术 主要内主要内 容容 第第1 1节节 概述概述 第第2 2节节 太阳能及其利用太阳能及其利用 第第3 3节节 原子核能及其利用原子核能及其利用 第第4 4节节 水力发电和风能的利用水力发电和风能的利用 第第5 5节节 氢能氢能 第第6 6节节 地热能及其利用地热能及其利用 第第7 7节节 新发电方式新发电方式 第第8 8节节 生物质能及其利用生物质能及其利用 第第9 9节节 节能节能 第第1 1节节 概述概述 2009年全国发电量为34334亿千瓦时 火电占到总发电量的826。水电装机 占总装机容量的245，核电发电量占 全部发电量的23，可再生能源主要 是风电
46、和太阳能发电，总量微乎其微。 一、能源的概念一、能源的概念 能源能源是指能够提供某种形式能量的 资源资源。它包括提供某种形式能量的 物质资源物质资源和提供某种能量的物质运物质运 动形式动形式。 燃料、风力、水力、太阳能等能源 二、能源的发展二、能源的发展 能源的发展： 火和自然动力； 化石燃料； 电能的使用； 新兴能源的开发。 能源研究发展趋势： 改进耗能技术，提高能源效率； 开发新兴能源（清洁，可再生）； 分散研究到综合研究。 三、能源的分类三、能源的分类 世界上能源种类很多，分类方法也不少。可以按不同的目 的和开发利用要求，进行多种方式的分类。 1. 按能源的生成方式，可以分为一次能源和二
47、次能源。 2. 按能源的形成和再生性，可以分为可再生能源和非再生 能源。 3. 按能源的来源，可以分为来自地球外部天体的能源，来 自地球内部的能源及来自地球和其它天体相互作用而产生 的能量。 4. 按能源的储存状况，可分为含能体能源和过程性能源。 5. 按能源的利用状况，可以分为常规能源和新能源。 四、能源与环境四、能源与环境 使用最多的能源是化石燃料 “温室效应”：二氧化碳、甲烷等气体 “煤烟型”污染：硫的氧化物和颗粒粉 尘 节约能源的必要性：技术原因（新能源 技术不成熟,不能广泛使用）；能够减轻 污染 改变能源结构，发展清洁可再生能源。 五、能源科学技术五、能源科学技术 能源科学技术能源科
48、学技术是研究各种能源的开发 、生产、转换、传输、分配、贮存、 节能以及综合利用等方面的理论和技 术。 能源革命 http:/ipd.pps.tv/play_34PNZS.html 第第2 2节节 太阳能及其利用太阳能及其利用 地球上除地热能、核能外其它能源都 来源于太阳能； 优点：普遍、无害、长久、巨大； 缺点：不稳定、不集中、不易保存。 一、太阳和太阳能一、太阳和太阳能 二、太阳能的光热转二、太阳能的光热转 换换 太阳能的光热转换是将太阳的辐射能 直接转换为热能，实现这个目的器件 叫集热器。 太阳能房屋集热器太阳能房屋集热器 三、太阳能的光电转换三、太阳能的光电转换 太阳能的光电转换是把太阳
49、的太阳能的光电转换是把太阳的辐射能辐射能转转 化成化成电能电能的过程，通常叫做的过程，通常叫做“光生伏打光生伏打 效应效应”。 四、太阳能的光化学转四、太阳能的光化学转 换换 太阳能的光化学转换是将太阳的太阳能的光化学转换是将太阳的辐射能辐射能 转化为转化为化学能化学能，实现这个目的主要有两，实现这个目的主要有两 种方法：植物的种方法：植物的光合作用光合作用和和分解水制氢分解水制氢 。 第第3 3节节 原子核能及其利用原子核能及其利用 来自原子核内部的能量，我们就叫来自原子核内部的能量，我们就叫原子原子 核能核能俗称俗称核能核能。核能是原子核结构。核能是原子核结构 发生变化时放出的能量。发生变
50、化时放出的能量。 一般指一般指重原子核发生裂变重原子核发生裂变和和轻原子核发轻原子核发 生聚变生聚变时所放出的巨大能量。时所放出的巨大能量。 一、重核的裂变一、重核的裂变 1. 1. 重核裂变重核裂变 2. 2. 链式反应链式反应 3. 3. 临界质量临界质量 (1) (1) 原子弹原子弹 1945年7月16日第 一颗原子弹试爆成 功 1964年10月16日 我国原子弹试爆成 功 一、重核的裂变一、重核的裂变 4. 4. 重核裂变的应用重核裂变的应用 4. 4. 重核裂变的应用重核裂变的应用 (2) 核电站核电站 n 主要组成部分主要组成部分: : 堆芯堆芯; ;中子反射层中子反射层; ; 冷
