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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。
能源科学中的新材料与新技术随着经济的发展和能源需求的增加，传统能源的供应已经无法满足现代社会的需求。
环境污染和气候变化等难题也加大了对清洁能源的需求。
因此，能源科学的发展变得至关重要。
新材料和新技术在能源科学中的应用已经成为了大势所趋。
本文将阐述这些新材料和新技术的影响，以及它们在未来的发展方向。
一、钙钛矿钙钛矿太阳能电池是一种新型太阳能电池，已成为能源科学中的一大新技术。
该技术既能够提高太阳能电池的效率，又可以降低成本。
与传统硅太阳能电池相比，钙钛矿太阳能电池的转换效率更高，因此在行业内迅速得到了广泛应用。
二、生物质炉生物质炉也是当前能源科学中的一种新技术，它是从可再生能源中提取能量的一种方式。
生物质是材料、植物和动物废料等生物质量，通过燃烧将其转化为热能。
生物质炉用于发电或生产热水或蒸汽，它的应用领域很广泛，如能源、热水、生物炭等。
三、下一代锂离子电池除了钙钛矿和生物质炉之外，下一代锂离子电池也是新发展趋势之一。
随着市场对电动汽车、便携式电话和其它可移动设备的需求迅速增长，针对电池的安全性、性能和寿命方面的要求也越来越高。
下一代锂离子电池可以满足更高效、更可靠和更长寿命电池的需求。
锂离子电池的未来发展将主要集中在增加容量、提高能量密度、减少材料开销、降低生产成本等方面。
四、微电网微电网是一种新型电网结构，它由多种的生产能源、传输阀值和消耗器具组成。
它将传统的中央电力供应模式转变为分布式模式，在电力供应方面可以提高系统的稳定性和可靠性。
在借助创新技术，如物联网和智能电网控制，微电网可以自我平衡，以达到最佳电力供应。
这种能源科学的创新性被广泛应用在主要城市、工业区、矿山和海上平台上。
五、3D印刷3D印刷是一种新型生产技术，它可以使复杂或有机形状的工件成型。
这种技术可以提高生产效率、降低生产成本，并可以使用不同的材料生产不同的产品。
在能源科学中，3D印刷已被应用于能源装置的制造。
其应用已取得了明显的成功。
新材料与新能源访问了一些网站，这些网站的共同讨论的热点话题均有能源问题，或是在新能源研究领域方面的突破，或是在国家政策、国际会议中的消息。
总结了一下，这些网站关于能源研究与讨论主要由以下几个方面：1、太阳能储能材料进展与储能转化效率研究2、生命科学的研究为新能源找到了新领域与新突破3、核能领域的新突破与核燃料电池研究4、生活小细节-----人力发电的运用5、关于化学燃料与替代能源产品价格的调研想想觉得这几方面也基本上表明了目前新能源领域主要研究方向与面临问题，就将这几方面的新闻进行简单的汇总。
新型太阳能电池研究提高转化效率■太阳能研究领域新型材料研究转变储能方式●新型太阳能电池研究提高转化效率------近日，美国科学家及其带领团队研究了一种新型电池-------胶体量子点太阳能电池，吸光纳米粒子量子点是纳米尺度的半导体，其能捕捉光线（既可吸收可见光，也可吸收不可见光）并将其转化为能源。
人们可将其喷洒到包括塑料在内的柔性材料表面，制造出比硅基太阳能电池更便宜、更经久耐用的太阳能电池。
而且，胶体量子点电池的理论转化效率可高达42%，超过硅基太阳能电池31%的理论转化率。
今年7月，多伦多大学的科学家研制出了转化效率为4.2%的胶体量子点太阳能电池。
当然，理论转化效率虽然很高，但要真正应用于实物，研制出高效的太阳能电池仍较难，根据报告，导致电池转换效率低的原因是因为量子点之间的距离越大，转化效率越低。
然而，量子点通常由多出其1—2纳米的有机分子包裹，在纳米尺度上，这有点大，而有机分子是制造胶体的重要成分。
新技术采用无机配位体来让量子点紧紧依附在一起，新的表面化学为制造高效且稳定的量子点太阳能电池铺平了道路，也将对其他利用胶体纳米晶体制造的电子和光电耦合设备产生影响。
全无机方法的好处包括能显著改善电子的运输速度，让设备更加稳定等。
这让我想到了曾经看到的一篇文章/blog/static/18968500720118158645870/? suggestedreading&wumii这是锂离子电池研究的一大突破，美研究人员利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出一种新型储能设备，可以将充电时间从过去的数小时之久缩短到不到一分钟。
新材料和新能源的开发和应用一、新材料的开发和应用1.1 新材料的定义新材料是指在现代科技革命中，以先进的材料科学技术为基础，通过创新的研究和开发，创造出具有优异性能、能够满足现代科技和生产需要的材料。
1.2 新材料的特点新材料具有以下特点：（1）轻质高强；（2）耐磨耐腐蚀；（3）具有良好的电、磁、光等性能；（4）环境友好，可再生利用。
1.3 新材料的应用领域新材料广泛应用于以下领域：（1）航空航天；（2）信息技术；（3）生物医学；（4）新能源；（5）环境保护；（6）建筑材料；（7）汽车工业等。
二、新能源的开发和应用2.1 新能源的定义新能源是指在新技术的基础上，开发利用的能源，它与传统能源相比，具有清洁、高效、可再生等优点。
2.2 新能源的特点新能源具有以下特点：（1）可再生性；（2）清洁环保；（3）分布广泛；（4）高效利用。
2.3 新能源的应用领域新能源广泛应用于以下领域：（1）太阳能发电；（2）风力发电；（3）水力发电；（4）生物质能；（5）地热能；（6）潮汐能等。
2.4 新能源的开发和利用的意义新能源的开发和利用对于缓解能源危机、减少环境污染、促进可持续发展具有重要意义。
综上所述，新材料和新能源的开发和应用对于推动科技进步、改善人类生活具有重要意义。
在学习过程中，我们要关注新材料和新能源的研究动态，了解它们的性能、特点和应用领域，为未来的科技创新和产业发展做好准备。
习题及方法：1.新材料“钛合金”被广泛应用于航空航天领域，主要是因为它具有（）A. 高强度、高韧性、耐腐蚀B. 导热性好、熔点高C. 良好的电、磁性能D. 环境友好，可再生利用解题思路：根据新材料的特点，我们可以知道新材料应该具有高强度、高韧性、耐腐蚀等特点，而航空航天领域对材料的性能要求极高，因此选项A正确。
2.新材料“纳米材料”因其独特的性能，在多个领域都有广泛的应用。
以下关于纳米材料的说法错误的是（）A. 纳米材料具有较大的比表面积，有利于提高材料的性能B. 纳米材料具有优异的力学性能C. 纳米材料具有很好的电、磁性能D. 纳米材料在医疗领域没有应用解题思路：纳米材料因其独特的性能，在医疗领域也有广泛的应用，如药物输送、生物标记等，因此选项D错误。
新材料在新能源技术中的应用新能源技术是当今世界发展的重点，而新材料作为新能源技术的核心，其重要性不言而喻。
本文将详细探讨新材料在新能源技术中的应用，包括太阳能、风能、核能、电动汽车等领域。
太阳能技术太阳能技术是通过将太阳光能转换为电能或热能来利用太阳能。
新材料在太阳能技术中的应用主要体现在太阳能电池的制备和改善上。
目前，常用的太阳能电池材料有硅、锗、砷化镓等。
然而，这些材料存在一定的局限性，如成本高、光效率低等。
因此，研究者们正在寻找新的替代材料，如钙钛矿、有机太阳能电池等。
这些新材料具有成本低、光稳定性好、可溶液加工等优点，有望提高太阳能电池的性能和降低成本。
风能技术风能技术是通过风力发电来利用风能。
新材料在风能技术中的应用主要体现在风电叶片材料的改进上。
传统的风电叶片材料主要是玻璃纤维增强塑料，但其存在一些问题，如重量大、强度低、易老化等。
因此，研究者们正在寻找新的风电叶片材料，如碳纤维复合材料、石墨烯基复合材料等。
这些新材料具有重量轻、强度高、耐老化等优点，有望提高风电叶片的性能和寿命。
核能技术核能技术是通过核反应来产生能量。
新材料在核能技术中的应用主要体现在核燃料和核反应堆材料的改进上。
传统的核燃料主要是铀-235，但其存在一些问题，如易裂变、放射性强等。
因此，研究者们正在寻找新的核燃料，如钍-232、钚-239等。
这些新材料具有更高的燃烧效率和更低的放射性污染。
此外，核反应堆材料也需要新材料来提高其耐腐蚀性、耐高温性和辐照性能。
电动汽车技术电动汽车技术是通过电能来驱动汽车。
新材料在电动汽车技术中的应用主要体现在电池材料的改进上。
传统的电动汽车电池材料主要是锂离子电池，但其存在一些问题，如能量密度低、寿命短等。
因此，研究者们正在寻找新的电池材料，如固态电池、锂空气电池等。
这些新材料具有更高的能量密度、更长的寿命和更高的安全性。
新材料在新能源技术中的应用具有重要意义。
通过改进和开发新的材料，可以提高新能源技术的性能和降低成本，推动新能源技术的发展。
新能源和新材料复习目标熟悉新能源、新材料的开发利用等现代科学技术知识；培养关注时代、关注科技应用的社会责任感，培养勇于探索的创新意识和知识的综合应用能力。
知识规律1．新能源目前人类所消耗能源的70％来自矿物(化石燃料)的燃烧，随着社会的开展和人们生活水平的提高，对能源的需求量越来越大，而它对周围环境也将产生越来越大的，影响，且化石燃料终有枯竭之日。
解决能源问题，一是要提高民众的节能意识，使用节能新技术、新产品如开展城市煤气、实行城市集中供热和联片供热、推广高效节能的工用和民用燃具?推广招气和太阳灶、开发机动车节能和尾气控制技术等．二是要积极开发再生清洁新能源(绿色能源)，是解决能源枯竭和环境污染的关键．当前新能源主要有：太阳能、核能、风能、海洋能、潮汐能、地热能等。
根据我国国情，应大力开展水电和核电。
2．新材料材料品种五花八门，琳琅满目，人们可以按照它们的性质不同，初步分为金属材料、无机非金属材料和有机合成高分子材料三大类．也可按照材料粒度的大小分为常规材料和纳米材料。
在科学技术高度兴旺的今天：新材料更成为开展高新技术的重要物质根底。
如信息高速公路是通过卫星通讯和光纤通讯来实现的，这就需要各种航天材料和光纤材料。
人们早在1991年就发现了超导现象，但直到近年来高温超导材料的面世，才使超导技术在电力(超导电缆输，无电能损耗)、交通(磁力悬浮高速列车)、传感仪器、电脑等领域有了实际应用。
各种半导体、陶瓷材料使得电子技术、高温技术得以开展，各种高分子材料丰富着人们的生活。
新材料技术已经成为世界高新技术领域国际竞争的焦点之一。
以高强度、高韧性、耐磨损、抗腐蚀等特性为代表的高性能结构材料，是当前世界各国高科技竞争的“热点〞之一。
如使用陶瓷发动机可以把发动机的工作温度从1000℃提高．到1300℃，甚至1500℃以上，热效率从30％提高到50％，重量减轻20％，燃料节省30％～50％。
医用生物材料包含种类繁多，用途广泛，在材料工艺中占有重要地位二美国科学家通过基因工程技术建构的一种“工程细菌〞可以生产类似弹性、蛋白的聚合物，这种有弹性的蛋白与血管壁是兼容的，因而可用于人造血管。
新能源、新材料的研究和应用1. 新能源的研究和应用1.1 太阳能太阳能是一种清洁、可再生的能源，通过将太阳光能转化为电能或热能来满足人类的能源需求。
太阳能光伏发电和太阳能热发电是太阳能利用的两种主要方式。
目前，太阳能光伏发电技术已经取得了显著的进展，成本也在逐渐降低，越来越多的国家和地区开始大规模开发和利用太阳能资源。
1.2 风能风能是另一种清洁、可再生的能源，通过风力发电机将风能转化为电能。
近年来，风能技术得到了快速发展，风电场的规模不断扩大，风能已经成为许多国家重要的能源组成部分。
1.3 生物质能生物质能是指生物质在氧气不足的条件下转化为燃料气体、生物质燃料和生物质发电的能量。
生物质能是一种可再生的能源，具有减少温室气体排放、提供能源和增加就业等优点。
1.4 地热能地热能是指地球内部的热能，通过地热发电站将地热能转化为电能。
地热能是一种清洁、可再生的能源，具有稳定的能源供应和较低的碳排放。
1.5 海洋能海洋能是指海洋中蕴藏的能量，包括波浪能、潮汐能、海流能等。
海洋能是一种可再生的能源，具有丰富的资源量和减少温室气体排放的潜力。
2. 新材料的研究和应用2.1 纳米材料纳米材料是指至少在一个维度上尺寸在纳米尺度的材料，具有独特的物理、化学和生物学性质。
纳米材料在新能源领域有广泛的应用，例如纳米材料可以用于提高太阳能电池的效率、制造高性能的锂离子电池和超级电容器等。
2.2 复合材料复合材料是由两种或更多种不同性质的材料组成的材料，具有优异的力学性能、轻质和高强度等特点。
复合材料在新能源领域有广泛的应用，例如碳纤维复合材料可以用于制造风力发电机的叶片、碳纤维复合材料可以用于制造电动汽车的车身等。
2.3 储能材料储能材料是指能够存储和释放能量的材料，用于制造储能设备，如电池和超级电容器。
新能源领域对储能材料有很高的需求，因此新型储能材料的研究和开发已经成为重要的方向。
例如，锂硫电池、锂空气电池和锂离子电池等新型电池技术正在不断发展和完善。
新材料与新能源的关系研究随着社会经济的发展，能源与材料是人类生产和生活不可或缺的两个基本要素。
新材料和新能源的发展是人们研究的重点之一。
新材料是指一种或多种材料组合所形成的具有新的特性和功能的材料。
新能源是指非矿物质和限制性资源为基础的可再生、可循环和清洁的能源。
新材料和新能源的关系是相互促进、相互依存与相互协调发展的，二者之间息息相关。
一、新材料与新能源的相互促进发展新材料和新能源的发展是有机地联系在一起的。
新材料的适用性和性能越来越需要能源支撑，而新能源的发展也需要新材料的应用支持。
比如太阳能电池板的发展就离不开硅材料、锗材料和铟等物质的材料支持；高强度钢材的生产需要电力在冶金过程中的应用；陆上风电和海上风电需要各种的高强度新材料才能适应恶劣的气候和环境；电动汽车的发展离不开新能源电池的研发和应用。
因此，新材料和新能源的发展是相互促进的。
二、新材料的应用在新能源领域1. 太阳能领域太阳能电池是目前最有效的转化太阳辐射能为电能的设备。
当前，多晶硅太阳能电池、单晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等太阳能电池技术发展迅速，成本不断降低，效率不断提高。
新材料薄膜的应用可以提高太阳能电池的光电转换效率和稳定性，延长太阳能电池的使用寿命。
其材料包括硅基、钙钛矿、有机-无机卤化钙等。
2. 风能领域新材料在风能领域有着广泛的应用。
当前，新材料可以用于风机叶片的生产，使用新型的复合材料和纤维材料代替传统的钢材和水泥，可以大大降低重量和风阻，从而增加了风能的捕捉率。
同时，使用新材料制作的大直径转子可以使风能发电机功率更高，而材料的保护层和涂层可以提高叶轮的使用寿命，减少维护成本3. 电动汽车领域电动汽车是新能源领域发展的热点之一。
锂离子电池是目前公认的最佳的动力电池。
在锂离子电池的电极、电解液和隔膜等各个方面都需要新材料，以提高电池的容量、充电速度和循环寿命。
三、新能源在新材料领域的应用新能源的发展带动了新材料领域的进步。
中国海洋大学本科生课程大纲课程名称新能源材料与技术New energy materials and technologies课程代码072503201291课程属性专业知识课时/学分32/2课程性质选修实践学时责任教师柳伟课外学时课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修一、课程介绍1.课程描述（中英文）：本课程将介绍新能源技术和可再生能源所用材料的基本知识，使学生了解能源技术及其材料的基本概念，种类及其应用。
同时，通过对太阳能，海洋能，储能材料，燃料电池，核能等主要内容的讲授，结合新能源及其材料的发展前沿，以拓宽学生的知识面，增强学生对可持续发展能源领域的兴趣，培养新能源科学与技术发展所需的合格和创新性人才。
This course will introduce the basic knowledge on new energy technology and their related materials.It will provide students with an understanding about the concept,category, and application of new energy technologies and energy materials.Topics will include solar energy;marine energy;hydrogen power;energy storage;fuel cells;nuclear power;and the related key materials.By introducing the hotspots in new energy and its materials,it can give students a better understanding and broaden students'knowledge.Simultaneously,more interests of the students can be inspired for the sustainable energy research,which facilitates the training of the qualified and innovative talent in the field of new energy technology and materials.-1-2.设计思路：能源包括传统能源（如化石能源）和新能源（如太阳能，核能等）。
