新能源新材料

波能：即海洋波浪能。這是一種取之不盡，用之不竭的無污染可再生能源。據(jù)推測(cè)，地球上海洋波浪蘊(yùn)藏的電能高達(dá)9×104TW。近年來，在各國的新能源開發(fā)計(jì)劃中，波能的利用已占有一席之地。盡管波能發(fā)電成本較高，需要進(jìn)一步完善，但目前的進(jìn)展已表明了這種新能源潛在的商業(yè)價(jià)值。日本的一座海洋波能發(fā)電廠已運(yùn)行8年，電廠的發(fā)電成本雖高于其它發(fā)電方式，但對(duì)于邊遠(yuǎn)島嶼來說，可節(jié)省電力傳輸?shù)韧顿Y費(fèi)用。目前，美、英、印度等國家已建成幾十座波能發(fā)電站，且均運(yùn)行良好。

可燃冰：這是一種甲烷與水結(jié)合在一起的固體化合物，它的外型與冰相似，故稱“可燃冰”?？扇急诘蜏馗邏合鲁史€(wěn)定狀態(tài)，冰融化所釋放的可燃?xì)怏w相當(dāng)于原來固體化合物體積的100倍。據(jù)測(cè)算，可燃冰的蘊(yùn)藏量比地球上的煤、石油和天然氣的總和還多。

煤層氣：煤在形成過程中由于溫度及壓力增加，在產(chǎn)生變質(zhì)作用的同時(shí)也釋放出可燃性氣體。從泥炭到褐煤，每噸煤產(chǎn)生68m3氣；從泥炭到肥煤，每噸煤產(chǎn)生130m3氣；從泥炭到無煙煤每噸煤產(chǎn)生400m3氣。科學(xué)家估計(jì)，地球上煤層氣可達(dá)2000Tm3。

微生物發(fā)酵：世界上有不少國家盛產(chǎn)甘蔗、甜菜、木薯等，利用微生物發(fā)酵，可制成酒精，酒精具有燃燒完全、效率高、無污染等特點(diǎn)，用其稀釋汽油可得到“乙醇汽油”，而且制作酒精的原料豐富，成本低廉。據(jù)報(bào)道，巴西已改裝“乙醇汽油”或酒精為燃料的汽車達(dá)幾十萬輛，減輕了大氣污染。此外，利用微生物可制取氫氣，以開辟能源的新途徑。

第四代核能源：當(dāng)今，世界科學(xué)家已研制出利用正反物質(zhì)的核聚變，來制造出無任何污染的新型核能源。正反物質(zhì)的原子在相遇的瞬間，灰飛煙滅，此時(shí)，會(huì)產(chǎn)生高當(dāng)量的沖擊波以及光輻射能。這種強(qiáng)大的光輻射能可轉(zhuǎn)化為熱能，如果能夠控制正反物質(zhì)的核反應(yīng)強(qiáng)度，來作為人類的新型能源，那將是人類能源史上的一場(chǎng)偉大的能源革命。2100433B

新能源新材料超導(dǎo)材料

有些材料當(dāng)溫度下降至某一臨界溫度時(shí)，其電阻完全消失，這種現(xiàn)象稱為超導(dǎo)電性，具有這種現(xiàn)象的材料稱為超導(dǎo)材料。超導(dǎo)體的另外一個(gè)特征是：當(dāng)電阻消失時(shí)，磁感應(yīng)線將不能通過超導(dǎo)體，這種現(xiàn)象稱為抗磁性。

一般金屬（例如：銅）的電阻率隨溫度的下降而逐漸減小，當(dāng)溫度接近于0K時(shí)，其電阻達(dá)到某一值。而1919年荷蘭科學(xué)家昂內(nèi)斯用液氦冷卻水銀，當(dāng)溫度下降到4.2K（即-269℃）時(shí)，發(fā)現(xiàn)水銀的電阻完全消失，

超導(dǎo)電性和抗磁性是超導(dǎo)體的兩個(gè)重要特性。使超導(dǎo)體電阻為零的溫度稱為臨界溫度（TC）。超導(dǎo)材料研究的難題是突破“溫度障礙”，即尋找高溫超導(dǎo)材料。

以NbTi、Nb3Sn為代表的實(shí)用超導(dǎo)材料已實(shí)現(xiàn)了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導(dǎo)磁體及大型加速器磁體等多個(gè)領(lǐng)域獲得了應(yīng)用；SQUID作為超導(dǎo)體弱電應(yīng)用的典范已在微弱電磁信號(hào)測(cè)量方面起到了重要作用，其靈敏度是其它任何非超導(dǎo)的裝置無法達(dá)到的。但是，由于常規(guī)低溫超導(dǎo)體的臨界溫度太低，必須在昂貴復(fù)雜的液氦(4.2K)系統(tǒng)中使用，因而嚴(yán)重地限制了低溫超導(dǎo)應(yīng)用的發(fā)展。

高溫氧化物超導(dǎo)體的出現(xiàn)，突破了溫度壁壘，把超導(dǎo)應(yīng)用溫度從液氦（ 4.2K）提高到液氮（77K）溫區(qū)。同液氦相比，液氮是一種非常經(jīng)濟(jì)的冷媒，并且具有較高的熱容量，給工程應(yīng)用帶來了極大的方便。另外，高溫超導(dǎo)體都具有相當(dāng)高的磁性能，能夠用來產(chǎn)生20T以上的強(qiáng)磁場(chǎng)。

超導(dǎo)材料最誘人的應(yīng)用是發(fā)電、輸電和儲(chǔ)能。利用超導(dǎo)材料制作超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的線圈磁體制成的超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，可以將發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)強(qiáng)度提高到5~6萬高斯，而且?guī)缀鯖]有能量損失，與常規(guī)發(fā)電機(jī)相比，超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量提高5~10倍，發(fā)電效率提高50%；超導(dǎo)輸電線和超導(dǎo)變壓器可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前的銅或鋁導(dǎo)線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線上，在中國每年的電力損失達(dá)1000多億度，若改為超導(dǎo)輸電，節(jié)省的電能相當(dāng)于新建數(shù)十個(gè)大型發(fā)電廠；超導(dǎo)磁懸浮列車的工作原理是利用超導(dǎo)材料的抗磁性，將超導(dǎo)材料置于永久磁體（或磁場(chǎng)）的上方，由于超導(dǎo)的抗磁性，磁體的磁力線不能穿過超導(dǎo)體，磁體（或磁場(chǎng)）和超導(dǎo)體之間會(huì)產(chǎn)生排斥力，使超導(dǎo)體懸浮在上方。利用這種磁懸浮效應(yīng)可以制作高速超導(dǎo)磁懸浮列車，如已運(yùn)行的日本新干線列車，上海浦東國際機(jī)場(chǎng)的高速列車等；用于超導(dǎo)計(jì)算機(jī)，高速計(jì)算機(jī)要求在集成電路芯片上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，若利用電阻接近于零的超導(dǎo)材料制作連接線或超微發(fā)熱的超導(dǎo)器件，則不存在散熱問題，可使計(jì)算機(jī)的速度大大提高。

新能源新材料能源材料

能源材料主要有太陽能電池材料、儲(chǔ)氫材料、固體氧化物電池材料等。

太陽能電池材料是新能源材料，IBM公司研制的多層復(fù)合太陽能電池，轉(zhuǎn)換率高達(dá)40%。

氫是無污染、高效的理想能源，氫的利用關(guān)鍵是氫的儲(chǔ)存與運(yùn)輸，美國能源部在全部氫能研究經(jīng)費(fèi)中，大約有50%用于儲(chǔ)氫技術(shù)。氫對(duì)一般材料會(huì)產(chǎn)生腐蝕，造成氫脆及其滲漏，在運(yùn)輸中也易爆炸，儲(chǔ)氫材料的儲(chǔ)氫方式是能與氫結(jié)合形成氫化物，當(dāng)需要時(shí)加熱放氫，放完后又可以繼續(xù)充氫的材料。目前的儲(chǔ)氫材料多為金屬化合物。如LaNi5H、Ti1.2Mn1.6H3等。

固體氧化物燃料電池的研究十分活躍，關(guān)鍵是電池材料，如固體電解質(zhì)薄膜和電池陰極材料，還有質(zhì)子交換膜型燃料電池用的有機(jī)質(zhì)子交換膜等。

新能源新材料智能材料

智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設(shè)計(jì)材料之后的第四代材料，是現(xiàn)代高技術(shù)新材料發(fā)展的重要方向之一。國外在智能材料的研發(fā)方面取得很多技術(shù)突破，如英國宇航公司的導(dǎo)線傳感器，用于測(cè)試飛機(jī)蒙皮上的應(yīng)變與溫度情況；英國開發(fā)出一種快速反應(yīng)形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環(huán)，且輸出功率高，以它作制動(dòng)器時(shí)、反應(yīng)時(shí)間僅為10分鐘；形狀記憶合金還已成功在應(yīng)用于衛(wèi)星天線等、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

另外，還有壓電材料、磁致伸縮材料、導(dǎo)電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅(qū)動(dòng)組件材料等功能材料。

新能源新材料磁性材料

磁性材料可分為軟磁材料和硬磁材料二類。

1．軟磁材料

是指那些易于磁化并可反復(fù)磁化的材料，但當(dāng)磁場(chǎng)去除后，磁性即隨之消失。這類材料的特性標(biāo)志是：磁導(dǎo)率（μ=B/H）高，即在磁場(chǎng)中很容易被磁化，并很快達(dá)到高的磁化強(qiáng)度；但當(dāng)磁場(chǎng)消失時(shí)，其剩磁很小。這種材料在電子技術(shù)中廣泛應(yīng)用于高頻技術(shù)。如磁芯、磁頭、存儲(chǔ)器磁芯；在強(qiáng)電技術(shù)中可用于制作變壓器、開關(guān)繼電器等。目前常用的軟磁體有鐵硅合金、鐵鎳合金、非晶金屬。

Fe-(3%~4%)Si的鐵硅合金是最常用的軟磁材料，常用作低頻變壓器、電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)的鐵芯；鐵鎳合金的性能比鐵硅合金好，典型代表材料為坡莫合金（Permalloy），其成分為79%Ni-21?，坡莫合金具有高的磁導(dǎo)率（磁導(dǎo)率μ為鐵硅合金的10~20倍）、低的損耗；并且在弱磁場(chǎng)中具有高的磁導(dǎo)率和低的矯頑力，廣泛用于電訊工業(yè)、電子計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)方面，是重要的電子材料；非晶金屬（金屬玻璃）與一般金屬的不同點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)為非晶體。它們是由Fe、Co、Ni及半金屬元素B、Si 所組成，其生產(chǎn)工藝要點(diǎn)是采用極快的速度使金屬液冷卻，使固態(tài)金屬獲得原子無規(guī)則排列的非晶體結(jié)構(gòu)。非晶金屬具有非常優(yōu)良的磁性能，它們已用于低能耗的變壓器、磁性傳感器、記錄磁頭等。另外，有的非晶金屬具有優(yōu)良的耐蝕性，有的非晶金屬具有強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)。

2．永磁材料（硬磁材料）

永磁材料經(jīng)磁化后，去除外磁場(chǎng)仍保留磁性，其性能特點(diǎn)是具有高的剩磁、高的矯頑力。利用此特性可制造永久磁鐵，可把它作為磁源。如常見的指南針、儀表、微電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、錄音機(jī)、電話及醫(yī)療等方面。永磁材料包括鐵氧體和金屬永磁材料兩類。

鐵氧體的用量大、應(yīng)用廣泛、價(jià)格低，但磁性能一般，用于一般要求的永磁體。

金屬永磁材料中，最早使用的是高碳鋼，但磁性能較差。高性能永磁材料的品種有鋁鎳鈷（Al-Ni-Co）和鐵鉻鈷（Fe-Cr-Co）；稀土永磁，如較早的稀土鈷（Re-Co）合金（主要品種有利用粉末冶金技術(shù)制成的SmCo5和Sm2Co17），以及現(xiàn)在廣泛采用的鈮鐵硼（Nb-Fe-B）稀土永磁，鈮鐵硼磁體不僅性能優(yōu)，而且不含稀缺元素鈷，所以很快成為目前高性能永磁材料的代表，已用于高性能揚(yáng)聲器、電子水表、核磁共振儀、微電機(jī)、汽車啟動(dòng)電機(jī)等。

新能源新材料納米材料

納米本是一個(gè)尺度，納米科學(xué)技術(shù)是一個(gè)融科學(xué)前沿的高技術(shù)于一體的完整體系，它的基本涵義是在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創(chuàng)新物質(zhì)。納米科技主要包括：納米體系物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué)、納米加工學(xué)、納米力學(xué)七個(gè)方面。

納米材料是納米科技領(lǐng)域中最富活力、研究內(nèi)涵十分豐富的科學(xué)分支。用納米來命名材料是20世紀(jì)80年代，納米材料是指由納米顆粒構(gòu)成的固體材料，其中納米顆粒的尺寸最多不超過100納米。納米材料的制備與合成技術(shù)是當(dāng)前主要的研究方向，雖然在樣品的合成上取得了一些進(jìn)展，但至今仍不能制備出大量的塊狀樣品，因此研究納米材料的制備對(duì)其應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用。

1．納米材料的性能

物化性能 納米顆粒的熔點(diǎn)和晶化溫度比常規(guī)粉末低得多，這是由于納米顆粒的表面能高、活性大，熔化時(shí)消耗的能量少，如一般鉛的熔點(diǎn)為600K，而20nm的鉛微粒熔點(diǎn)低于288K；納米金屬微粒在低溫下呈現(xiàn)電絕緣性；鈉米微粒具有極強(qiáng)的吸光性，因此各種納米微粒粉末幾乎都呈黑色；納米材料具有奇異的磁性，主要表現(xiàn)在不同粒徑的納米微粒具有不同的磁性能，當(dāng)微粒的尺寸高于某一臨界尺寸時(shí)，呈現(xiàn)出高的矯頑力，而低于某一尺寸時(shí)，矯頑力很小，例如，粒徑為85nm的鎳粒，矯頑力很高，而粒徑小于15nm的鎳微粒矯頑力接近于零；納米顆粒具有大的比表面積，其表面化學(xué)活性遠(yuǎn)大于正常粉末，因此原來化學(xué)惰性的金屬鉑制成納米微粒（鉑黑）后卻變?yōu)榛钚詷O好的催化劑。

擴(kuò)散及燒結(jié)性能 納米結(jié)構(gòu)材料的擴(kuò)散率是普通狀態(tài)下晶格擴(kuò)散率的1014~1020倍，是晶界擴(kuò)散率的102~104倍，因此納米結(jié)構(gòu)材料可以在較低的溫度下進(jìn)行有效的摻雜，可以在較低的溫度下使不混溶金屬形成新的合金相。擴(kuò)散能力提高的另一個(gè)結(jié)果是可以使納米結(jié)構(gòu)材料的燒結(jié)溫度大大降低，因此在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的目的。

力學(xué)性能 納米材料與普通材料相比，力學(xué)性能有顯著的變化，一些材料的強(qiáng)度和硬度成倍地提高；納米材料還表現(xiàn)出超塑性狀態(tài)，即斷裂前產(chǎn)生很大的伸長量。

2．納米材料的應(yīng)用

納米金屬：如納米鐵材料，是由6納米的鐵晶體壓制而成的，較之普通鐵強(qiáng)度提高12倍，硬度提高2~3個(gè)數(shù)量級(jí)，利用納米鐵材料，可以制造出高強(qiáng)度和高韌性的特殊鋼材。對(duì)于高熔點(diǎn)難成形的金屬，只要將其加工成納米粉末，即可在較低的溫度下將其熔化，制成耐高溫的元件，用于研制新一代高速發(fā)動(dòng)機(jī)中承受超高溫的材料。

納米陶瓷：首先利用納米粉末可使陶瓷的燒結(jié)溫度下降，簡化生產(chǎn)工藝，同時(shí)，納米陶瓷具有良好的塑性甚至能夠具有超塑性，解決了普通陶瓷韌性不足的弱點(diǎn)，大大拓展了陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域。

納米碳管 納米碳管的直徑只有1.4nm，僅為計(jì)算機(jī)微處理器芯片上最細(xì)電路線寬的1%，其質(zhì)量是同體積鋼的1/6，強(qiáng)度卻是鋼的100倍，納米碳管將成為未來高能纖維的首選材料，并廣泛用于制造超微導(dǎo)線、開關(guān)及納米級(jí)電子線路。

納米催化劑 由于納米材料的表面積大大增加，而且表面結(jié)構(gòu)也發(fā)生很大變化，使表面活性增強(qiáng)，所以可以將納米材料用作催化劑，如超細(xì)的硼粉、高鉻酸銨粉可以作為炸藥的有效催化劑；超細(xì)的鉑粉、碳化鎢粉是高效的氫化催化劑；超細(xì)的銀粉可以為乙烯氧化的催化劑；用超細(xì)的Fe3O4微粒做催化劑可以在低溫下將CO2分解為碳和水；在火箭燃料中添加少量的鎳粉便能成倍地提高燃燒的效率。

量子元件 制造量子元件，首先要開發(fā)量子箱。量子箱是直徑約10納米的微小構(gòu)造，當(dāng)把電子關(guān)在這樣的箱子里，就會(huì)因量子效應(yīng)使電子有異乎尋常的表現(xiàn)，利用這一現(xiàn)象便可制成量子元件，量子元件主要是通過控制電子波動(dòng)的相位來進(jìn)行工作的，從而它能夠?qū)崿F(xiàn)更高的響應(yīng)速度和更低的電力消耗。另外，量子元件還可以使元件的體積大大縮小，使電路大為簡化，因此，量子元件的興起將導(dǎo)致一場(chǎng)電子技術(shù)革命。人們期待著利用量子元件在21世紀(jì)制造出16GB（吉字節(jié)）的DRAM，這樣的存儲(chǔ)器芯片足以存放10億個(gè)漢字的信息。

目前我國已經(jīng)研制出一種用納米技術(shù)制造的乳化劑，以一定比例加入汽油后，可使象桑塔納一類的轎車降低10%左右的耗油量；納米材料在室溫條件下具有優(yōu)異的儲(chǔ)氫能力，在室溫常壓下，約2/3的氫能可以從這些納米材料中得以釋放，可以不用昂貴的超低溫液氫儲(chǔ)存裝置。

新材料新能源開發(fā)研究院成立于2004年4月28日，位于河海大學(xué)江寧校區(qū)。河海大學(xué)組建新材料新能源研究開發(fā)院，一是為國家培養(yǎng)在水利、海洋工程領(lǐng)域研究應(yīng)用新材料新能源的高級(jí)技術(shù)人才，二是以河海大學(xué)為平臺(tái)，跟蹤世界科技發(fā)展前沿，研究開發(fā)新的材料、新的能源，開拓水利、土木領(lǐng)域新的研究應(yīng)用領(lǐng)域。

本書共分為三大部分。第一部分，新能源篇，主要介紹光伏、光熱、風(fēng)能、生物質(zhì)能、地?zé)崮芗捌渌履茉吹幕局R(shí)、產(chǎn)業(yè)政策、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。第二部分，鋼鐵篇，主要介紹鋼鐵產(chǎn)業(yè)鏈中的基本知識(shí)、工藝流程、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。第三部分，新材料篇，主要介紹動(dòng)力與儲(chǔ)能電池材料、納米材料、先進(jìn)陶瓷材料、功能材料及其他新材料的基本知識(shí)、產(chǎn)業(yè)政策及發(fā)展趨勢(shì)。 本書主要作為黨政干部的科普讀物，也可作為高等院校大中專學(xué)生的輔助教材。

新 能 源 篇

第1章 太陽能光伏 3

第2章 太陽能光熱 48

第3章 風(fēng)能 52

第4章 生物質(zhì)能 64

第5章 地?zé)崮?72

第6章 其他新能源 75

鋼 鐵 篇

第7章 基本概念及用途 81

第8章 工藝流程 100

第9章 鋼鐵產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀、趨勢(shì)及政策 103

新 材 料 篇

第10章 新材料概述 123

第11章 動(dòng)力與儲(chǔ)能電池材料 128

第12章 納米材料 134

第13章 先進(jìn)陶瓷材料 140

第14章 功能材料 144

第15章 其他新材料 152

參考文獻(xiàn) 156

附錄A 中華人民共和國可再生能源法 162

附錄B 鋼鐵產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃 171