北京青少年科技俱乐部－科技名家讲座前言一、材料在人类社会发展中的作用二、材料在开发过程中所遇到的问题及对策三、为了可持续发展，当前材料科学技术应重视的几个环节结语前言：一、材料在人类社会发展中的作用2、以钢铁为主要标志的工业革命(英国)中国3.5亿吨3、材料在人类社会现代化过程中发挥了关键作用航空发动机对材料的依赖程度更高，达到80％以上，除高比强度和高比刚度，还要求耐高温、抗疲劳、抗氧化和腐蚀能力。从民航机的发展历程，说明每座·哩油耗逐年下降的情况，这一方面是设计与机型的扩大所致，另一方面是材料不断改进的结果，PWA客机每减重1kg，多赢利$104。科学技术对农业的增产也是决定性的。利用锇作为催化剂，哈伯(Haber)于1909年合成了氨作为肥料，1940年发明的除草剂，及采取灌溉、农膜育苗及机械化作业等措施，可使粮食大幅度增产。此外，光传播、光存储的发展速度更快，也都是材料不断进步的结果。目前，硅半导体占95％，随着频率和性能的提高，化合物半导体GaAs、InP、GaN等成为第二代半导体材料，第三代将是SiC、金刚石等。二、材料在开发过程中所遇到的问题及对策全球重要金属矿储量及可采年限可以看出，目前已探明的金属矿床，多者可用不足200年，少者仅20－30年，可能解决的途径有以下几个方面：世界资源大国，多数矿山开发深度已达到1000米以上，有的达4000米，我国只有几百米。特别随着科学技术的进步，探明储量可大幅度增加，但不可再生的资源，总有枯竭的一天。2、向海洋要金属海底锰瘤总量3×1012吨，其成分：Mn:7.9-50.1%Fe:2.4-26.6%Co:0.01-2.3%Ni:0.16-2.0%Cu:0.03-1.6%Pb:0.02-0.36%20世纪初，有机合成材料的出现也是人类社会现代化重要标志之一。1975年按体积计算，世界合成树脂产量与粗钢体积比达1.18:1，美、德分别达2.85:1和1.94:1。对合成有机材料来说，目前以石油为主要原料，正在研究以天然气或煤为原料的流程，但是从全世界范围来看，它们可供开采的年限有限(石油40年，天然气62年，煤225年)。当然，近年来对甲烷水化物颇受重视，其储量可超过现有化石燃料资源的总和，但距实用化还很远，而且CH4和燃烧产物CO2都加剧温室效应。一个可行的有机物来源是通过光合作用，在地球上产生绿色植物和海藻类，每年可贮存6×1017kcal，合成有机物约2200亿吨，相当于人类当前每年全部能耗的10倍；生物质能是固定CO2的产物，每产一吨生物质能，可减少相当于化石能源2吨温室气体的排放。有些无机非金属资源也是有限的，如水泥所需原料在中国仅供30-40年之用，因此开发新型建材也是当务之急。至于工程陶瓷如Si3N4、SiC等，资源丰富，但需提高韧性，降低成本，扩大应用。近年来岩石的用途不断扩大，如玄武岩、蒙脱土等，为材料的开发开辟了途径。能源形势：UNDP估计的能源两种可能的变化氢能燃料电池：效率高，无污染，用于汽车，但质子交换膜与催化剂太贵，目前为$125/kw，内燃机为$30/kw。今后可能会便宜，因无转动部件，构造简单。但可用于电网的大型装置，还有不少问题。光伏转换电能价高，约10倍于火电。另外一种是用聚焦技术的太阳加热炉，用以加热水或气体来发电，其电价每度5－13美分，接近火力发电。还有民用太阳热能的直接利用，对中国广大农村来说更为实用。包括太阳能在内，水电、风能和生物质能等可以并称为可再生能源。世界光伏电能、风能、生物质能(酒精)的发展趋势中国生物质能有更大的发展前景：中国可能采取固沙措施的地区核能2002年美国工程院在讨论工程前沿时，盛赞核能。在美国建一个100万千瓦核电厂的核燃料费每年4000万美元，而同规模煤电厂为1.1亿美元，天然气2.2亿美元，电厂每度电成本分别为1.83、2.07及3.52美分，但建设成本远高于天然气，每千瓦分别为1500和500美元。材料在制备过程中的污染是另一个严重问题。如2004年我国水泥产量约10亿吨，排放8亿吨CO2，80万吨SO2，160万吨NOx和800万吨粉尘，还有大量污水。此外，一吨钢出2吨CO2，炼焦和有色金属冶炼排放更多的SO2、固体废渣、粉煤灰、煤矸石、尾矿等，每年都以亿吨计，累计起来已有百亿吨，占地面积几百万亩。固体废渣目前在水泥工业用量很大，SO2一般可回收制硫酸，当前人们最关心的是CO2，因为它是造成温室效应的祸首。温室气体该图为包括中国在内的几个国家和地区不同年代CO2排放量的预测。由于温室气体不断增加，到本世纪末温升2.5ºC(冰河期与目前温差5－6ºC)，人居环境灾难频发，陆地缩小。三、为了可持续发展，当前材料科学技术应重视的几个环节1、自然资源的有效利用2、传统材料的升级换代