材料科学与人类文明课程复习资料(4)

材料科学与人类文明

这些技术的突破，在很大程度上将依赖于新材料的进展，目前使用的材料大多不能满足苛刻的工作环境要求。

太阳能是一种稀薄的能源，每平方米最多为一千瓦，而按目前太阳能装置的转换效率（约为10％），则只能获得0.1千瓦。唯一可行的办法是改进材料，提高反射镜的反射效率和集热效率。现在太阳能电池的转换效率有所提高，为约13％左右，但硅、镓半导体的价格很高，很难大规模使用。此外太阳能电站多位于沙漠和偏僻地区，输电材料也待改进。由此可见，太阳能的利用是否能够普及，有赖于材料科学家的努力。

利用某些合金与氢反应吸收大量氢气，吸氢量高达体积的数十倍或上千倍，而加热以后又很容易使氢气再释放出来，这些合金为钛合金、镧镍合金和镁镍合金等，所形成的金属氢化物是固体，因此储存时不需要高压和低温。这些合金材料对于氢的利用将起到重要的作用。

7.4 国防军事的当务之急

单就武器来讲，不论是常规武器（如弹药和坦克、军用飞机还是现代化武器如原子弹、氢弹、中子弹、核潜艇等，哪一样都离不开材料，尤其是性能优异的新型材料。

从每一代坦克和反坦克武器的交替出现，我们不难看出，战争中一种武器或装备的克敌制胜，在很大程度上是由制造这种武器、装备的材料决定的。这也说明，为了赢得战争的主动权和实现国防现代化，在国防建设和军事工程中，往往把新材料的研制作为当务之急，道理就在这里。

7.5节能技术的突破

各工业大国在开发新能源的同时，普遍注意到节能技术，因为在工矿使用的能源中，几乎有一半的热量被作为废热排入大气和江海之中。

充分发挥现有设备的潜力，尽可能达到极限效率也是节能的一种重要手段。“月光”计划中把一台高温燃气涡轮和一台汽轮机串联作为试验方案，这时燃气温度高达1500℃，普通涡轮叶片使用的镍钴基超级高温合金已无能为力了，必须采用氮化硅、碳化硅、塞龙（Si-Al-O-N化合物等）等精陶瓷才能满足要求。

在电车和汽车上也可用飞轮把刹车能储蓄起来，以便在加速时使用，这些方面的研究工作正在进行。飞轮的特点是旋转时必然产生动力损失，设计高性能飞轮应在选材和制造技术上考虑解决。使用碳纤维和聚芳酰胺纤维复合材料制造的飞轮转子，比使用金属制造的重量轻而强度高，因此提高了单位重量的储能。一种试验的复合材料飞轮，轮缘用的是碳纤维一环氧复合材料，而轮辐用的是聚芳酰胺一环氧复合材料。

7.6科学实验的先锋

如果没有先进的科学仪器和设备，即使再有本领的科学家也只能束手无策，而每一种仪器设备都是由各种材料、特别是新型材料制成的。例如，电子显微镜、射电望远镜、高能加速器、电子计算机，这些标志着现代科学技术水平的仪器，都是由金属、非金属、晶体、电磁、热敏、光电、激光、红外、合成以及复合材料制成的。科学工作者有了用这些材料制成的仪器和设备，就如同作家使用笔和纸一样，可以“胸藏万卷凭吞吐，笔者千钧任施张”了。 另一方面，材料在科学研究工作中的地位也是首当其冲的。例如，自从1990年发现第一个激光工作介质以来，已经发现和研制了一百多种能产生激光的晶体材料，为激光科研提供了必要的物质前提。

1911年，荷兰物理学家翁纳斯在研究水银的低温性能时，发现了一个奇迹。当温度下降到－269℃，水银的电阻突然消失了，这种现象就叫超导现象，具有超导性质的材料就叫超导体。电气工程师们一直幻想着，有一天获得没有电阻的导线，超导现象的发现，终于为他们打开了希望之门。

然而，几十年过去了，由于没有找到高转变温度、高临界磁场和高电流密度的超导材料，使这一科研项目一直停留在实验阶段，得不到推广应用。自从60年初，研制出合格的铌锡