新能源新材料

有些材料當溫度下降至某一臨界溫度時，其電阻完全消失，這種現象稱為超導電性，具有這種現象的材料稱為超導材料。超導體的另外一個特徵是：當電阻消失時，磁感應線將不能通過超導體，這種現象稱為抗磁性。

一般金屬（例如：銅）的電阻率隨溫度的下降而逐漸減小，當溫度接近於0K時，其電阻達到某一值。而1919年荷蘭科學家昂內斯用液氦冷卻水銀，當溫度下降到4.2K（即-269℃）時，發現水銀的電阻完全消失，

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

以NbTi、Nb3Sn為代表的實用超導材料已實現了商品化，在核磁共振人體成像（NMRI）、超導磁體及大型加速器磁體等多個領域獲得了應用；SQUID作為超導體弱電應用的典範已在微弱電磁信號測量方面起到了重要作用，其靈敏度是其它任何非超導的裝置無法達到的。但是，由於常規低溫超導體的臨界溫度太低，必須在昂貴複雜的液氦(4.2K)系統中使用，因而嚴重地限制了低溫超導應用的發展。

高溫氧化物超導體的出現，突破了溫度壁壘，把超導應用溫度從液氦（4.2K）提高到液氮（77K）溫區。同液氦相比，液氮是一種非常經濟的冷媒，並且具有較高的熱容量，給工程應用帶來了極大的方便。另外，高溫超導體都具有相當高的磁性能，能夠用來產生20T以上的強磁場。

超導材料最誘人的應用是發電、輸電和儲能。利用超導材料製作超導發電機的線圈磁體製成的超導發電機，可以將發電機的磁場強度提高到5~6萬高斯，而且幾乎沒有能量損失，與常規發電機相比，超導發電機的單機容量提高5~10倍，發電效率提高50%；超導輸電線和超導變壓器可以把電力幾乎無損耗地輸送給用戶，據統計，目前的銅或鋁導線輸電，約有15%的電能損耗在輸電線上，在中國每年的電力損失達1000多億度，若改為超導輸電，節省的電能相當於新建數十個大型發電廠；超導磁懸浮列車的工作原理是利用超導材料的抗磁性，將超導材料置於永久磁體（或磁場）的上方，由於超導的抗磁性，磁體的磁力線不能穿過超導體，磁體（或磁場）和超導體之間會產生排斥力，使超導體懸浮在上方。利用這種磁懸浮效應可以製作高速超導磁懸浮列車，如已運行的日本新幹線列車，上海浦東國際機場的高速列車等；用於超導計算機，高速計算機要求在集成電路晶元上的元件和連接線密集排列，但密集排列的電路在工作時會產生大量的熱量，若利用電阻接近於零的超導材料製作連接線或超微發熱的超導器件，則不存在散熱問題，可使計算機的速度大大提高。

能源材料主要有太陽能電池材料、儲氫材料、固體氧化物電池材料等。

太陽能電池材料是新能源材料，IBM公司研製的多層複合太陽能電池，轉換率高達40%。

氫是無污染、高效的理想能源，氫的利用關鍵是氫的儲存與運輸，美國能源部在全部氫能研究經費中，大約有50%用於儲氫技術。氫對一般材料會產生腐蝕，造成氫脆及其滲漏，在運輸中也易爆炸，儲氫材料的儲氫方式是能與氫結合形成氫化物，當需要時加熱放氫，放完后又可以繼續充氫的材料。目前的儲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，關鍵是電池材料，如固體電解質薄膜和電池陰極材料，還有質子交換膜型燃料電池用的有機質子交換膜等。

智能材料是繼天然材料、合成高分子材料、人工設計材料之後的第四代材料，是現代高技術新材料發展的重要方向之一。國外在智能材料的研發方面取得很多技術突破，如英國宇航公司的導線感測器，用於測試飛機蒙皮上的應變與溫度情況；英國開發出一種快速反應形狀記憶合金，壽命期具有百萬次循環，且輸出功率高，以它作制動器時、反應時間僅為10分鐘；形狀記憶合金還已成功在應用於衛星天線等、醫學等領域。

另外，還有壓電材料、磁致伸縮材料、導電高分子材料、電流變液和磁流變液等智能材料驅動組件材料等功能材料。

磁性材料可分為軟磁材料和硬磁材料二類。

1．軟磁材料

是指那些易於磁化並可反覆磁化的材料，但當磁場去除后，磁性即隨之消失。這類材料的特性標誌是：磁導率（μ=B/H）高，即在磁場中很容易被磁化，並很快達到高的磁化強度；但當磁場消失時，其剩磁很小。這種材料在電子技術中廣泛應用於高頻技術。如磁芯、磁頭、存儲器磁芯；在強電技術中可用於製作變壓器、開關繼電器等。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、電動機及發電機的鐵芯；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%Fe，坡莫合金具有高的磁導率（磁導率μ為鐵硅合金的10~20倍）、低的損耗；並且在弱磁場中具有高的磁導率和低的矯頑力，廣泛用於電訊工業、電子計算機和控制系統方面，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是其結構為非晶體。它們是由Fe、Co、Ni及半金屬元素B、Si所組成，其生產工藝要點是採用極快的速度使金屬液冷卻，使固態金屬獲得原子無規則排列的非晶體結構。非晶金屬具有非常優良的磁性能，它們已用於低能耗的變壓器、磁性感測器、記錄磁頭等。另外，有的非晶金屬具有優良的耐蝕性，有的非晶金屬具有強度高、韌性好的特點。

2．永磁材料（硬磁材料）

永磁材料經磁化后，去除外磁場仍保留磁性，其性能特點是具有高的剩磁、高的矯頑力。利用此特性可製造永久磁鐵，可把它作為磁源。如常見的指南針、儀錶、微電機、電動機、錄音機、電話及醫療等方面。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、應用廣泛、價格低，但磁性能一般，用於一般要求的永磁體。

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製成的SmCo5和Sm2Co17），以及現在廣泛採用的鈮鐵硼（Nb-Fe-B）稀土永磁，鈮鐵硼磁體不僅性能優，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，已用於高性能揚聲器、電子水表、核磁共振儀、微電機、汽車啟動電機等。

納米本是一個尺度，納米科學技術是一個融科學前沿的高技術於一體的完整體系，它的基本涵義是在納米尺寸範圍內認識和改造自然，通過直接操作和安排原子、分子創新物質。納米科技主要包括：納米體系物理學、納米化學、納米材料學、納米生物學、納米電子學、納米加工學、納米力學七個方面。

納米材料是納米科技領域中最富活力、研究內涵十分豐富的科學分支。用納米來命名材料是20世紀80年代，納米材料是指由納米顆粒構成的固體材料，其中納米顆粒的尺寸最多不超過100納米。納米材料的製備與合成技術是當前主要的研究方向，雖然在樣品的合成上取得了一些進展，但至今仍不能製備出大量的塊狀樣品，因此研究納米材料的製備對其應用起著至關重要的作用。

1．納米材料的性能

物化性能納米顆粒的熔點和晶化溫度比常規粉末低得多，這是由於納米顆粒的表面能高、活性大，熔化時消耗的能量少，如一般鉛的熔點為600K，而20nm的鉛微粒熔點低於288K；納米金屬微粒在低溫下呈現電絕緣性；納米微粒具有極強的吸光性，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，主要表現在不同粒徑的納米微粒具有不同的磁性能，當微粒的尺寸高於某一臨界尺寸時，呈現出高的矯頑力，而低於某一尺寸時，矯頑力很小，例如，粒徑為85nm的鎳粒，矯頑力很高，而粒徑小於15nm的鎳微粒矯頑力接近於零；納米顆粒具有大的比表面積，其表面化學活性遠大於正常粉末，因此原來化學惰性的金屬鉑製成納米微粒（鉑黑）后卻變為活性極好的催化劑。

擴散及燒結性能納米結構材料的擴散率是普通狀態下晶格擴散率的1014~1020倍，是晶界擴散率的102~104倍，因此納米結構材料可以在較低的溫度下進行有效的摻雜，可以在較低的溫度下使不混溶金屬形成新的合金相。擴散能力提高的另一個結果是可以使納米結構材料的燒結溫度大大降低，因此在較低溫度下燒結就能達到緻密化的目的。

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

2．納米材料的應用

納米金屬：如納米鐵材料，是由6納米的鐵晶體壓制而成的，較之普通鐵強度提高12倍，硬度提高2~3個數量級，利用納米鐵材料，可以製造出高強度和高韌性的特殊鋼材。對於高熔點難成形的金屬，只要將其加工成納米粉末，即可在較低的溫度下將其熔化，製成耐高溫的元件，用於研製新一代高速發動機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溫度下降，簡化生產工藝，同時，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，大大拓展了陶瓷的應用領域。

納米碳管納米碳管的直徑只有1.4nm，僅為計算機微處理器晶元上最細電路線寬的1%，其質量是同體積鋼的1/6，強度卻是鋼的100倍，納米碳管將成為未來高能纖維的首選材料，並廣泛用於製造超微導線、開關及納米級電子線路。

納米催化劑由於納米材料的表面積大大增加，而且表面結構也發生很大變化，使表面活性增強，所以可以將納米材料用作催化劑，如超細的硼粉、高鉻酸銨粉可以作為炸藥的有效催化劑；超細的鉑粉、碳化鎢粉是高效的氫化催化劑；超細的銀粉可以為乙烯氧化的催化劑；用超細的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。

量子元件製造量子元件，首先要開發量子箱。量子箱是直徑約10納米的微小構造，當把電子關在這樣的箱子里，就會因量子效應使電子有異乎尋常的表現，利用這一現象便可製成量子元件，量子元件主要是通過控制電子波動的相位來進行工作的，從而它能夠實現更高的響應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致一場電子技術革命。人們期待著利用量子元件在21世紀製造出16GB（吉位元組）的DRAM，這樣的存儲器晶元足以存放10億個漢字的信息。

目前我國已經研製出一種用納米技術製造的乳化劑，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異的儲氫能力，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存裝置。

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。據推測，地球上海洋波浪蘊藏的電能高達9×104TW。近年來，在各國的新能源開發計劃中，波能的利用已佔有一席之地。儘管波能發電成本較高，需要進一步完善，但目前的進展已表明了這種新能源潛在的商業價值。日本的一座海洋波能發電廠已運行8年，電廠的發電成本雖高於其它發電方式，但對於邊遠島嶼來說，可節省電力傳輸等投資費用。目前，美、英、印度等國家已建成幾十座波能發電站，且均運行良好。

可燃冰：這是一種甲烷與水結合在一起的固體化合物，它的外型與冰相似，故稱“可燃冰”。可燃冰在低溫高壓下呈穩定狀態，冰融化所釋放的可燃氣體相當於原來固體化合物體積的100倍。據測算，可燃冰的蘊藏量比地球上的煤、石油和天然氣的總和還多。

煤層氣：煤在形成過程中由於溫度及壓力增加，在產生變質作用的同時也釋放出可燃性氣體。從泥炭到褐煤，每噸煤產生68m3氣；從泥炭到肥煤，每噸煤產生130m3氣；從泥炭到無煙煤每噸煤產生400m3氣。科學家估計，地球上煤層氣可達2000Tm3。

微生物發酵：世界上有不少國家盛產甘蔗、甜菜、木薯等，利用微生物發酵，可製成酒精，酒精具有燃燒完全、效率高、無污染等特點，用其稀釋汽油可得到“乙醇汽油”，而且製作酒精的原料豐富，成本低廉。據報道，巴西已改裝“乙醇汽油”或酒精為燃料的汽車達幾十萬輛，減輕了大氣污染。此外，利用微生物可製取氫氣，以開闢能源的新途徑。

第四代核能源：當今，世界科學家已研製出利用正反物質的核聚變，來製造出無任何污染的新型核能源。正反物質的原子在相遇的瞬間，灰飛煙滅，此時，會產生高當量的衝擊波以及光輻射能。這種強大的光輻射能可轉化為熱能，如果能夠控制正反物質的核反應強度，來作為人類的新型能源，那將是人類能源史上的一場偉大的能源革命。