超导材料在能源上的应用

超导材料在电力系统和热核聚变上的应用姓名：成双良班级：复材1402 学号：1105140212

摘要：超导技术是21世纪具有重大经济和战略意义的高新技术，在国民经济诸多领域具有广阔的应用前景，在能源方面尤其是电力系统以及热核聚变实验之中尤为突出。实用化超导材料是超导技术发展的基础。目前，国际上发现的实用化超导材料主要有有低温超导线材、铋系高温超导带材、YBCO涂层导体。文章首先介绍了超导材料的发展基础，重点综述了上述几种实用化超导材料制备及加工、性能和应用方面的最新研究进展，并对相关领域存在的问题及今后的发展作出展望。

关键词：超导材料，电力系统，热核聚变，NbTi，Nb3Sn，铋系高温超导带材，YBCO涂层导体

Application of Superconducting Materials

in Power System and Thermonuclear

Fusion

Abstract:Superconducting technology is a high-tech with significant economic and strategic significance in the 21st century. It has wide application prospect in many fields of national economy, especially in energy, especially power system and thermonuclear fusion experiment. Performance improvementin practical superconducting materials is the foundation of application development. The overall picture of superconductors is diverse and developing rapidly. Currently, practical superconducting materials comprise mainly Nb-based low-temperature wires, bismuth-strontium-calcium copper oxide high-temperature superconducting tapes and yttrium barium copper oxide coated conductors. A review is presented here of the fabrication issues, key properties and recentdevelopments of these materials, with an assessment of the challenges and prospects for fixture applications.

Keywords: superconducting Materials, power system, thermonuclear fusion, NbTi，Nb3Sn, BSCCO tapes, YBCO coated conductors

1.前言

自从 1911 年荷兰物理学家Kamerling Onnes发现超导现象以来，超导材料的发展经过了一个从简单金属到复杂化合物，即由一元系到二元系、三元系直至多元系及高分子体系的过程。在上世纪 80 代末发现铜氧化物超导体之后，在新世纪之初又有两类比较接近实用的超导材料被发现，即MgB2和Fe 基超导体，新型超导体可谓层出不穷。然而，由于各自不同的本征特性、低温条件、合成技术及其环境污染等因素，各类超导体的实用化水平相差很大，有的基本失去实用性，仅能适于基础研究。本文主要对超导材料进行概述性介绍并以目前已处在应用中或处于商业化前期的NbTi ，Nb3Sn，铋系高温超导带材，钇系高温超导带材为例介绍超导材料在电力系统和热核聚变方面的应用。

2.超导材料的发展概况

超导体在超导状态下具有零电阻、抗磁性和电子隧道效应等奇特的物理性质[1]。利用超导体的这些特性可以传输大电流、获得强磁场、实现磁悬浮、检测微弱磁场信号等，因此超导材料广泛应用于电力、电子、军事、医疗、交通运输、高能物理等许多领域。

目前，超导材料已发现上千种，包括单质、合金和化合物。从 1911 年第 1 次发现超导现象到 1985 年，超导转变温度最高为铌三锗的 23 K，这些超导材料工作在液氦环境，一般称为低温超导材料。1986 年，Bednorz和Muller发现了T

c

达到 30 K的La-Ba-Cu-O超导体，标志着高温超导研究的开始。紧接着

发现了T

C 超过液氮温度(77 K) 的Y-Ba-Cu-O( YBCO，T

c

= 92 K) 、

Bi-Sr-Ca-Cu-O( Bi2223，T c= 110K ) ，Ti-Ba-Cu-O ( Ti2223，T c=127 K) 和Hg-Ba-Ca-Cu-O( Hg1223，T c= 134 K) 等系列氧化物高温超导材料，它们可以工作在廉价的液氮环境，这类材料被称为高温超导材料。1990 年以前，实用化超导材料的研究主要集中在低温超导材料。目前，低温超导材料已经进入产业化阶段，实用化超导材料研究主要集中在铜氧化物的高温超导材料。

虽然近年来各类新型超导材料层出不穷，包括2000 年发现

的二元化合物 2g B M 和 2008 年发现的 FeAs 超导材料。然而从实用的角度特别是就电力能源系统的强电应用而言，只有 Bi 、Y 系材料才有市场价值。Fe 、Ti 和 Hg 系由于含有环境危害元素和特殊的制备工艺，失去了作为一种实用超导材料的广泛性和普适性。

上世纪 90 年代末，随着第 1 代 Bi 系超导材料的制备技术取得重大突破，高温超导线材很快形成产业化生产能力，极大地促进了超导应用技术的发展，如高温超导电缆、高温超导限流器、高温超导变压器、高温超导电动机等已经进入示范运行阶段。超导电力技术的应用可望提升电力工业的发展水平和促进电力业的重大变革。因此，世界主要发达国家均把超导电力技术视为具有经济战略意义的高新技术。美国能源部认为超导电力技术将是 21 世纪电力工业唯一的高技术储备，发展高温超导电力技术是检验美国将科学发现转化为应用技术能力的重大实践，而日本新能源开发机构( NEDO ) 则认为发展高温超导电力技术是在 21 世纪的高技术竞争中保持尖端优势的关键所在。可见，超导技术越来越成为1 种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术。

高温超导材料可广泛应用于电力、电子、医疗、国防军事、交通运输、高能物理等领域，大致可分为两大类: 大电流应用( 强电应用) 、电子学应用( 弱电应用)。超导技术越来越成为 1 种不可替代的具有经济战略意义和巨大发展潜力的高新技术，将会对国民经济和人类社会的发展产生巨大推动作用。特别值得指出的是: 高温超导线带材可制备成各类器件，包括超导储能、变压器、电缆、限流器等等广泛用于先进电网之中。正如光纤的发明催生崭新的信息时代，高温超导线带材也将带来电力工业史上划时代的革命。

目前，世界范围内能源供应越来越紧张，而电能有大量浪费在传输线上。仅美国每年在输电线上的损失就高达 400 亿美元。而如果使用高温超导线材，不仅可避免这些损失，还可以节约大量的金属材料。因为同样直径的高温超导材料的导体能力高于普通铜导线的 100 倍以上。高温超导线材制成的超导器件具有损耗低、体积小、重量轻和效率高等特点。另外，建设超导智能电网是解决常规电缆远距离输电时对超高压电缆及技术依赖的唯一途径。例如，从内蒙到上海通过传统输电方式至少需要 500 kV 的电压，而通过超导电缆仅仅需要 220 V 即可输送。

随着经济和社会发展，人们对电能的需求量日益增长，电力系统的容量越来越大，电网将不得不向超大规模方向发展，同时人们对电能质量和安全的要求也越来越高，急需进行电力工业的革新改造。

同时，超导材料不仅仅在电力系统方面有着划时代的意义，在开发另一种梦幻般的新能源，即可控核聚变方面也有着不可替代的作用,即用作核聚变反应堆“磁封闭体”：核聚变反应时，内部温度高达1亿～2亿摄氏度，没有任何常规材料可以包容这些物质。而超导体产生的强磁场可以作为“磁封闭体”，将热核反应堆中的超高温等离子体包围、约束起来，然后慢慢释放，从而使受控核聚变能源成为21世纪前景广阔的新能源。

为了提高超导导体的冷却效率，自上世纪 60年代起人们开始发展内冷导体 － ICC ( InternalCooledConductor ) ，将超导线或铜线缠绕在封闭的中心冷却管周围获取冷量。1975 年，Hoenig 、Iwasa 等人在 ICC 的基础上，发展出 CICC ( Cable － in － Conduit － Conductor ) 。由于 CICC 中冷却剂( 主要是液氦) 以流体形式直接与电缆接触，湿表面大，因此较 ICC 换热效率更高。此外，由于外部铠甲为内部电缆提供了支撑，提高了其结构强度，可承受高电磁载荷。因此，CICC 是目前国际上公认的受控热核聚变装置中的大型超导磁体线圈的首选导体，已广泛应用在加速器、聚变堆等大科学装置中，如正在建造中国际合作 ITER 装置、CERN 的 LHC 装置、德国马普的 W 7 － X 装置等[2]。目前主要使用的是Ti N b 和Sn N 3b 材料。

尽管目前已有数千种超导体被发现，但具有实用价值的仅以下几种:已实现商业化生产的Ti N b ,Sn N 3b ，铜氧化物BSCCO (Bi 2223,Bi 2212)和2g B M ，处于商业化前期的YBCO 涂层导体，以及处于实验室阶段的2008年刚发现的铁基超导材料。可以说，只有低温超导材料实现了大规模应用，当前，Ti N b 和Sn N 3b 占超导材料市场的90%，而BSCCO 和MgB 2处于应用示范阶段，YBCO 涂层导体批量制备尚未实现，铁基超导线带材还处于研发阶段。

3.低温超导材料

3.1 Ti N b

1961年，美国Hulm 等人首先报道了Ti N b 超导合金[3]，其很快就在1968被完全

产业化并迅速获得广泛应用，这主要是由于这种合金具有良好的加工塑性和很高的强度及优异的超导性能。还有很重要的一点是这种合金的原材料及制造成本远低于其他超导材料。

我们知道，NbTi 合金的T c 为9.7 K ，其临界场H 可达12T ，可用来制造磁场达

9 T (4 K )或11 T (1.8 K )的超导磁体。NbTi 线可用一般难熔金属的熔炼方法加工成合金，再用多芯复合加工法加工成以铜(或铝)为基体的多芯复合超导线，最后用时效热处理及冷加工工艺使其最终合金由β单相转变为具有强钉扎中心的两相(α+β)合金，以满足使用要求。现在的多芯复合NbTi 线材的每根截面上排列数百芯乃至数万芯NbTi 丝，典型产品截面结构见图1(a )。不同公司工艺流程稍有变化。目前NbTi 超导材料主要应用于制造核磁共振成像系统(MRI )、实验室用超导磁体、磁悬浮列车等，其中MRI 每年消耗的NbTi 超导线约为2500吨左右。因此，NbTi 超导材料因其易加工、低成本和耐用，已成为最成功的实用化、商业化的超导材料。有理由相信，NbTi 超导体在今后一段相当长时间内将继续得到广泛应用。

3.2 Sn N 3b

产生较高磁场的Sn N 3b 材料是由贝尔实验室Matthias 于1954年发现的[4]，但因为其脆性大、硬度高，因而直到1970年代初才实现商业化生产。Sn N 3b 是一种具有A 15晶体结构的铌锡金属间化合物，其超导转变温度为18K ，在4.2 K 时的上临界磁场可达25 T , 4.2K /l0T 磁场下能承载的临界电流密度约为5×10^5 2A/cm ，因此，Sn N 3b 主要用于制作10 -23 T 的超导磁体。Sn N 3b 材料因其脆性不能按照NbTi 线同样的工艺制备，历史上先后尝试过多种制造方法，如气相沉积法、青铜法、扩散法、内锡法以及粉末装管法等。虽然各有优缺点，加工工艺均较复杂，产品的力学性能差。实际上，青铜法一直是各种商品化Nb 3Sn 实用材料的主要制造工艺。

Sn N 3b 导体主要应用于核磁共振仪，磁约束核聚变以及高能物理的高场磁体领域，如2011年Bruker 公司已采用Nb 3Sn 开发了23.5 T ,1 GHz 的NMR 系统。

除Nb 3Sn 以外，比较著名的A 15化合物中还有Nb 3Al ，其T 和H 比Nb 3Sn 要高，

分别达19.1 K 和32.4 T 。 Nb 3A 1是当前的一个研究热点[5]，主要由于它具有

优异的应变特性，但是这种材料的加工窗口更窄，制备更为困难。目前日本国立材料科学研究所((NIMS)对该材料的研究工作较为突出，已能制备高性能长线，并实验绕制了高场内插线圈。

NbTi和Nb3Sn是目前应用最为广泛的两种超导材料。至今，用NbTi合金线材绕

Sn线材绕制一个15 T的超导磁体已经不存在任制一个8T的超导磁体，用Nb

3

何的技术问题。这些导线的主要生产厂家是美国牛津超导((OST)公司、欧洲先进超导公司((EAS)、日本古河公司以及英国Luvata公司、中国西部超导公司等。值得一提的是，我国西部超导公司近年来承担了国际ITER计划的69% NbTi超Sn超导线材任务。通过参与ITER计划，大大提升了我国低温超

导线材和7%Nb

3

导导线研发和产业化能力，成为ITER项目超导线的重要供货商。

图 1 实用化超导导线的界面结构

4 高温超导材料

4.1 铋系高温超导带材

1988年，日本NIMS的Maeda发现了临界温度达110 K的秘系（BiSrCaCuO)氧化物超导体[6]，后经证实他们得到的是Bi2212和Bi2223的混合物，Bi2223的Tc为110 K，而Bi2212的Tc是90 K。铋系超导相是一种陶瓷结构，无法直接加工成带材。通常采用粉末装管法（PIT)，即将脆性的超导粉包裹在金属套管里制备成导线。Bi2223带材工艺流程一般是先将原料粉末装入银管，通过拉拔轧

制，然后退火热处理，见图2。经过十几年的发展，利用这种方法，可以开发出长度为千米级的秘系多芯超导线材，且技术已经比较成熟，已达到商业化生产水平（被称为第一代高温超导带材)。目前工业化生产的Bi2223超导长线的临界电流（截面积为1 mm2的超导导线在77 K温度和0T条件下)一般在100 A以上，最好的能达到200 A。

图2采用粉末套管法制备Ｂi２２２３带材的工艺流程

具备Bi2223长线批量化生产能力的厂家主要有美国超导体公司、德国布鲁克公司、日本住友公司、北京英纳公司等（前2家公司已停产)。目前Bi2223导线已基本满足实用要求，并且已在超导输电电缆、磁体、发电机、变压器、限流器等多个项目中获得示范应用，特别是中国科学院电工研究所成功研制了世界首座超导变电站并进行了并网试验。真正接人电网进行商业运行的 1 km长三相Bi2223超导电缆安装在德国小城Essen,其电压为10 kV，总功率为40 MV A。自从2014年10月正式替代原来一根110 kV的铜电缆以来，已安全运行了近1年。

然而Bi2223超导体具有较强的各向异性，在液氮温区的不可逆场较低（<0.5 T)，在较小的磁场下，其临界电流会显著降低，不适合用于强磁场场合。因此，在液氮温区，Bi2223超导体主要面向“超导电缆”应用。

4.2 钇系高温超导带材

临界温度达93 K的钇系（YBaCuO,缩写为YBCO)超导体是第一个被发现的Tc 超过77 K的高温超导体[7]。和Bi2223相比，YBCO的各向异性γH较弱，约为

5-7左右，同时在77 K时具有很高的不可逆场，高达7T，也就是说，钇系可以在77 K强磁场下承载较大的临界电流，是真正的液氮温区下强电应用的超导材料。由于YBCO带材在强磁场下具有更为优异的性能，近年来，它已成为超导材料的研究热点，研究重点是降低成本和提高性能。但是钇系超导体晶粒间结合较弱，难以用传统的PIT工艺制备带材，其成材通常建立在薄膜外延生长技术上，称为第二代高温超导带材（也称为涂层导体)。

第二代高温超导带材主要是由金属基带、多层隔离层、YBCO超导层、保护层等组成。金属基带一般为Ni或者Ni合金（如哈氏合金)，甚至不锈钢，其厚度为50 -100 μm，其上沉积总厚度小于1μm的几层隔离层，随后外延生长1- 4 μm的YBCO超导层，最后覆盖几个μm的保护层，典型结构见图1。这样的工艺结构主要是为了得到具有双轴织构特性的YBCO超导层，从而最大程度地避免材料中的大角度晶界，消除超导相之间的弱连接，获得大的传输电流。

织构化基带的制备工艺路线主要有3种: 轧制辅助双轴织构基带技术（RABiTS)、离子束辅助沉积技术（IBAD)、倾斜衬底技术（ISD)。隔离层一般采用磁控溅射或脉冲激光沉积获得，除了具有阻挡原子扩散的作用外，还具有将织构传递给超导层的作用。超导层的几种主流沉积方法有: 脉冲激光沉积(PLD）、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、金属有机沉积(MOD)以及电子束共蒸发（CE)技术等。采用上述工艺获得的YBCO薄膜临界电流密度J C一般在106- 107 A/cm2，之间（77 K,0 T)。目前YBCO薄膜的研究重点是:一个是引入人工钉扎中心，进一步提高磁场下的J C;另一个是通过增加YBCO薄膜的厚度来提高涂层导体的临界电流。

自1999年第一根100 m长YBCO带材被制备出来以后，第二代高温超导带材的研发单位已逐步发展成为以企业公司为主，主要的研发单位为:美国Superpower公司，日本Fujikura和SWCC公司，美国AMSC公司，德国THEWA 公司以及韩国SuNAM公司等。其中美国Superpower公司是世界上第一家制备出千米级(1065 m, 2009年)的YBCO带材厂商，目前仍然保持着长度方面的世界纪录。该公司生产的首根1065 m长YBCO带材的最小电流是282 A/cm，整根带材的负载电流(电流ICx长度L)超过300000 A·m。值得一提的是，韩国通过设立“应用超导技术发展先进能源系统”的10年计划(即DAPAS计划)，

经过有效组织、整合，采用合适的技术路线，近年来获得了突破性的进展，于2012年成功研制出1000 m长的YBCO带材，其负载电流达到422 A×1000 m= 422000 A·m。近几年来，我国进行YBCO带材产业化研发的主要单位有上海超导科技公司、苏州新材料研究所以及上海上创超导公司等。

YBCO带材的缓冲层及超导层，多采用真空沉积法制备，复杂的薄膜制备工艺不仅导致其成材率较低，而且价格至今也远高于第一代Bi2223导线。因此，今后面临的挑战是进一步优化制造工艺，提高电流性能，降低成本，这样才有望获得规模化的电力应用。

5.小结

Sn, Bi2223均是采用拉拔、挤压或如文中所述，实用化超导材料NbTi, Nb

3

轧制等机械加工工艺获得超导线带材，该方法制造成本低廉，易于规模化制备，而YBCO导体必须采用多层镀膜的方法，需要人们付出更多的努力，才能获得真正意义上的低成本、高性能YBCO带材。

Sn为代表的低温超导体已实现了商品化，其制备工艺及性能发以NbTi, Nb

3

展已完全成熟，并得到广泛的应用，尤其是在全球医疗和科学仪器方面，如用于医学诊断的核磁共振成像仪和用于谱线分析的核磁共振仪以及高能物理实验用的磁体。其中在高能物理实验中更是有可能在不久的将来实现可控核聚变，人类将获得永不枯竭的能源。

我们相信，随着实用化超导材料的进一步提高和技术的成熟，人类的社会将在能源，通讯以及更多的方面出现划时代的变革。

参考文献

[1]蔡传兵, 刘志勇. 实用超导材料的发展演变及前景展望.上海：中国材料进展, 2011

[2]黄素贞, 秦经刚. 未来聚变堆用高温CICC导体发展现状. 合肥：低温与超导, 2016

[3]Hulm J K, Blaugher R D. Phys. Rev.,1961,123:1569

[4]Matthias B T, Geballe T H, Geller S et al. Phys. Rev. , 1954, 95:1435

[5]Rogalla H, Kes P H (ed.). One Hundred Years of Superconduc-tivity. New York: CRC press, 2011

[6]Maeda H, Tanaka Y, Fukutomi M et al. Jpn J. Appl. Phys. ,1988 ,27:L209

[7]赵忠贤，陈立泉，杨乾声等.科学通报，1987,32:412

储氢材料的储氢原理与研究现状

储氢材料的储氢原理与研究现状 氢能，即氢气中所含有的能量。具有环境友好、资源丰富、热值高、燃烧性能好、潜在经济效益高等特点。目前，能源危机和环境危机日益严重。许多国家都在加紧部署、实施氢能战略，如美国对运输机械的“FreedomCAR”计划和针对规模制氢的“FutureGen”计划，日本的“NewSunshine”计划及“We-NET”系统，欧洲的“Framework”计划中关于氢能科技的投人也呈现指数上升趋势。但是，氢能的使用至今未能商业化，主要的制约因素就是存储问题难以解决。因此，氢能的利用和研究成为是当今科学研究的热点之一。而寻找性能优越、安全性高、价格低廉、环保的储氢材料则成为氢能研究的关键。 目前，氢可以以高压气态液态、金属氢化物、有机氢化物和物理化学吸附等形式储存。高压气态液态储氢发展的历史较早，是比较传统而成熟的方法，无需任何材料做载体，只需耐压或绝热的容器就行，但是储氢效率很低，加压到15MPa时质量储氢密度不超过3%。而且存在很大的安全隐患，成本也很高。 金属氢化物储氢开始于1967年，Reilly等报道Mg2Cu能大量储存氢气，接着1970年菲利浦公司报道LaNi5在室温下能可逆吸储与释放氢气，到1984年Willims制出镍氢化物电池，掀起稀土基储氢材料的开发热潮。金属氢化物储氢的原理是氢原子进入金属价键结构形成氢化物。有稀土镧镍、钛铁合金、镁系合金、钒、铌、锆等多元素系合金。具体有NaH-Al-Ti、Li3N-LiNH2、MgB2-LiH、MgH2-Cr2O3及Ni(Cu,Rh)-Cr-FeOx等物质，质量储氢密度为2%-5%。金属氢化物储氢具有高体积储氢密度和高安全性等优点。在较低的压力(1×106Pa)下具有较高的储氢能力,可达到100kg/m3以上。最近，中科院大连化学物理研究所陈萍团队发现Mg(NH2)／2LiH储氢体系可在110℃条件下实现约5%(质量分数)氢的可逆充放。但是，金属氢化物储氢最大的缺点是金属密度很大，导致氢的质量百分含量很低，一般只有2%-5%，而且释放氢时需要吸热，储氢成本偏高。 目前大量的储氢研究是基于物理化学吸附的储氢方法。物理吸附是基于吸附剂的表面力场作用，根源于气体分子和固体表面原子电荷分布的共振波动，维系吸附的作用力是范德华力。吸附储氢的材料有碳质材料、金属有机骨架(MOFs)材料和沸石咪唑酯骨架结构(ZIFs)材料、微孔/介孔沸石分子筛等矿物储氢材料。 碳质储氢材料主要是高比表面积活性炭、石墨纳米纤维(GNF)和碳纳米管(CNT)，是最好的吸附剂，它对少数的气体杂质不敏感，且可反复使用。超级活性炭在94K、6MPa下储氢量

纳米材料的制备技术及其特点

纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法

纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中

专题26 信息、能源与材料、粒子与宇宙(第2期)(原卷版)

专题26 信息、能源与材料、粒子与宇宙 一、选择题 1.（2020·新疆生产建设兵团）在相同时间内，5G通讯传输的信息量约为4G的10倍。与4G 相比，5G电磁波（） A. 频率更高 B. 频率更低 C. 传播速度更小 D. 传播速度更大 2.（2020·新疆生产建设兵团）为了减少对环境的污染，未来我国占能源消费总量的比例逐步降低的能源是（） A. 煤炭 B. 核能 C. 风能 D. 水能 3.（2020·四川省乐山市）在疫情防控期间，人们通过手机传递信息实现在线教育、视频会议、无线对讲等办公服务，避免了人与人之间的直接接触，手机传递信息是利用了（） A. 红外线 B. 电磁波 C. 超声波 D. 次声波 4.（2020·四川省甘孜州）关于原子核和核能，下列说法正确的是（） A. 核反应堆发生的是可控链式反应 B. 核能是可再生能源也是二次能源 C. 原子核占据了原子的大部分空间 D. 原子核是由电子组成的 5.（2020·山东省聊城市）因为电能便于输送和转化，已成为现代社会离不开的一种能源。电能属于（） A. 一次能源 B. 二次能源 C. 可再生能源 D. 不可再生能源 二、填空题 6.（2020·四川省南充市）生活中的各种用电器工作时都要消耗电能，电能属于________(选填“一次"或“二次”)能源；我国核能利用的技术已居于世界领先地位，其中氢弹利用的就是________(选填“裂变"或“聚变")在瞬间释放的能量。 7.（2020·山东省滨州市）2020年6月23日，我国北斗三号最后一颗组网卫星发射成功。如图所示，北斗卫星工作所需要的电能是通过太阳能电池板由______能转化而来的，电能属于 ______（选填“一次能源”或“二次能源”）。

《化工与新能源材料及应用》试题、参考答案及解析A.pdf

《化工与新能源材料及应用》试卷 A 一.单项选择题（20分，每题2分。请将正确答案的序号填入题中的括号内。） 01．下列新能源中属于二次能源的是( ) A 地热能 B 核能 C 生物质能D太阳能 02．关于核能概述错误的是( ) A 目前核电站使用的都是核聚变技术。 B 核裂变产生的放射性污染可以防护。 C 核聚变的原料可取之于海水，没有放射性污染。 D 核裂变的污染程度小于烧煤产生的尘埃造成的放射性污染。 03．洁净煤技术，是指从煤炭( )的全过程，旨在减少污染物排放与提高利用效率的生产、加工、转化、燃烧及污染控制等新技术体系。 A生产到使用的各个环节B开采到利用的各个环节 C消费到回收的各个环节D生产到消费的各个环节 04．风能的大小与风速的( )成正比 A二次方B三次方C四次方D五次方 05．属于直接利用太阳能的技术是( ) A 光伏发电 B 水利发电 C 风力发电 D 地热能 06．关于氢能的特点错误的是( ) A氢能是取之不竭，用之不尽的。 B氢在燃烧时不产生污染物，是理想的绿色能源。 C碳纳米管在氢能的储运应用方面已经成熟。 D氢气释放能量快，反应速率常数高。 07．纳米技术是指在( ) 尺度范围内研究电子、原子、分子和分子内在规律及特征，并用于制 造各种特种的一门综合性科学技术。 A 10nm B 10μm C 1--100nm D 1--100μm 08．关于煤炭液化表述错误的是( ) A是将固体状态的煤炭经过化学加工转化为液体产品。 B可以将硫等有害元素及灰分脱除，得到洁净的二次能源。 C能够优化能源结构、解决石油短缺、减少环境污染。 D可以得到更多的能量。 09．风力发电技术已经走向成熟，下列关于全球风电装机容量前五位的国家排序正确的是( ) A德国、西班牙、美国、丹麦、印度 B 美国、德国、中国、日本、丹麦 C 美国、西班牙、德国、中国、印度 D 德国、中国、西班牙、印度、丹麦 10．与国外相比，我国生物质能技术存在较大的差距，但不包括( ) A厌氧消化产气率方面。 B生物燃料的规模化生产方面。 C秸秆直接燃烧供热技术研究和设备开发方面。 D生物质发电技术和装置方面。 二.多项选择题（30分，每题3分。请将正确答案的序号填入题中的括号内，多选、少选、误选均

化学校本课程之《新能源与材料》

化学校本课程之《新能源与材料篇》 课程说明 我国传统能源面临的紧缺危机越来越凸显，煤炭、石油和天然气都是不可再生的能源，开发利用新能源将缓解能源危机，并且对于我国的节能减排具有现实性的重大意义。世界上各个国家都在角逐新能源，为自身寻找可持续发展的能源战略，加快满足经济发展中必需的能源。另外，气候变化要求我们开发清洁能源，传统能源对环境的污染不容质疑，气候变化问题已经敲醒了警钟，是全世界人民所面临的共同问题。这里让你看一些新能源的资料，从中可以学到很多新能源的知识，帮助你了解我国开发新能源的重大意义。 课程目标 通过本课程的学习，让学生了解我国的能源现状，应如何合理利用传统能源，意识到开发新能源的重要意义。 课程目录 专题一新能源------------------------------------ 2 专题二材料 ------------------------------------ 8

新能源与材料 在上个世纪，人类使用的能源主要有三种，就是煤炭、石油和天然气。而根据国际能源机构的统计，假使按目前的势头发展下去，不加节制，那么，地球上这三种能源能供人类开采的年限，分别只有240年、40年和50年了。四五十年，从人类历史的角度来看，实在是非常非常的短促；试想一下，对于今天20来岁的年轻人来说，到他们六七十岁的时候，如果地球上已经没有石油和天然气可用，我们能不为此感到惊愕吗？所以，开发新能源，替代上述三种传统能源，迅速地逐年降低它们的消耗量，已经成为人类发展中的紧迫课题。 专题一新能源 新能源又称非常规能源，是指 传统能源之外的各种能源形式。指 刚开始开发利用或正在积极研究、 有待推广的能源，如太阳能、地热 能、风能、海洋能、生物质能和核 能等。新能源的各种形式都是直 接或者间接地来自于太阳或地球内部深处所产生的热能。相对于传统能源，新能源普遍具有污染少、储量大的特点，对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源（特别是化石能源）枯竭问题具有重要意义。同时，由于很多新能源分布均匀，对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。 太阳能 太阳能是太阳内部连续不断 的核聚变反应过程产生的能量。 地球每天接受的太阳能相当于 1.73亿家大型发电厂的发电量。

储氢的各种材料

一、前言 随着社会的发展，环境保护问题已经越来越为人们所重视。酸雨、温室效应、城市热岛效应等等 或初露倪端，或已对人类造成巨大的危害，这些环保问题的产生在很大程度上与人类大量使用化石能 源有关。同时，由于能源消耗量的迅猛增加，化石能源将不能满足经济高速发展的需求，需要开发新 的能源。在我国开发清洁的新能源体系更具有重要意义。 氢可以地球上近于无限的水为原料来制备，其燃烧产物也是水，具有零污染的优点，有望在石油中国论文联盟https://www.sodocs.net/doc/6e4041776.html, 时代末期成为一种主要的二次能源。氢能技术的发展，已在航天技术中得到了成功的应用。 氢是一种危险，易燃易爆的气体，在使用中必须保证安全，因此，一种安全、高能量密度（包括体积能量密度和重量能量密度）、低成本、使用寿命长的氢储、输技术的应用需求已越来越迫切。 二、目前主要的储氢方式 近年来研究较多的储氢方式有：（1）金属氢化物储氢；（2）液化储氢；（3）吸附储氢；（4）压缩储氢。 2．1金属氢化物储氢 氢和氢化金属之间可以进行可逆反应，当外界有热量加给氢化物时，它就分解为氢化金属并释放 出氢气。用来储氢的金属大多是由多种元素构成的合金，目前世界上研究成功的合金大致分为：（1）稀土镧镍，每公斤镧镍合金可储氢153L；（2）铁钛合金，储氢量大，价格低月在常温常压下释放氢；（3）镁系合金，是吸氢量最大的元素，但需要在287℃条件下才能释放氢，而且吸收氢十分缓慢；（4）钒、铌、铅等多元素系，这些金属本身是稀贵金属，因此只适用于某 些特殊场合。 与其它储氢方式相比，金属氢化物储氢具有压力平稳，充氢简单、方便、安全等优点，单位体积贮氢的密度，是相同温度、压力条件下气态氢的1000倍。该储氢方式存在的问题为在大规模应用中如 何提高储氢材料的储氢量和降低材料成本，节约贵重金属。国际能源机构确定的未来新型储素材料的标准为储氢量应大于5Wt％，并且能在温和条件下吸放氢。根据这一标准，目前的储氢合金大多尚不能满足这一性能要求。 2.2液化储氢 将氢气冷却到-253℃时氢气即可液化。液氢储存方式的质量能量密度最大，是一种轻巧紧凑的方式。但氢气液化成本高，能量损失大（氢液化所需能量为液化氢燃烧产热额的30％），且存在蒸发损 失。液氢贮存工艺首先用于宇航中，但需要极好的绝热装置来隔热，才能防止液态氢不会沸腾汽化， 导致液体贮存箱非常庞大。 2.3吸附储氢 C.CarPetis和W.Peschka是首先提出在低温条件下氢气能够在活性炭中吸附储存的两位学者。他们提出可以考虑将低温吸附刘运用到大型氢气储存中，并研究得到了在温度为-195℃和-208℃，压力为0－4．15MPa时，氢在多种活性炭上的吸附等温线：压力为4．2MPa 时，氢气在活性炭上的吸附容量分别可以达到 6．8wt％和 8．2wt％在果等温膨胀到0．2MPa，则吸附容量为4．2wt％和5．2wt％。 在一个最近的研究中，Hynek在27℃和-83℃条件下测试了一系列吸附剂，如活性炭、碳黑、碳气凝胶 以及碳分子筛等。测试结果为：在0－20MPa压力范围内，随着压力的增大，吸附剂的储氢量只有少 量的增加。 目前吸附储氢材料研究的热点是碳纳米材料。由于碳纳米材料中独特的晶格排列结构，其储氢数量大大的高过了传统的吸附储氢材料。碳纳米管产生一些带有斜口形状的层板，层

超导材料论文

超导材料的研究进展 陈志义 2011326690110 应用物理11（1）班 摘要：超导是金属或合金在较低温度下电阻变为零的性质。超导材料是当代材料科学领域一个十分活跃的重要前沿，其发展将推动功能材料科学的深入发展。高温超导材料经过近 20年的研发，已经初步进入了大规模实际应用和产业化。随着超导材料临界温度的提高和材料加工技术的发展，它将会在许多高科技领域获得重要应用。 关键词：超导高温超导体进展超导超导材料临界温度进展 引言：随着社会的进步，工业的发展，人们对能源的需求量越来越大。但是，像石油、煤等能源储备有限且不可再生。故而，如何在有限能源的条件下使社会健康稳步地发展，亦即如何做到可持续发展成了当今人们亟需解决的问题。对于这些问题的解决方法，超导材料表现出了巨大的潜力。长期以来，如何找到一种完全没有电阻，能消除电能损耗的导电材料，一直是物理学家和材料科学工作者梦寐以求的愿望。1911年，荷兰物理学家卡麦林·昂尼斯首次意外地发现了超导现象：将水银冷却到接近绝对零度时，其电阻突然消失。这一现象的发现为解决电路损耗带来了福音。从此，对于超导材料的研究如火如荼。 一、超导材料的概念 超导材料是在低温条件下能出现超导电性的物质。超导材料最独特的性能是电能在输送过程中几乎不会损失。超导材料的发展经历了从低温到高温的过程，经过无数科学家的努力，超导材料的研究已经取得了巨大的发展。近年来，随着材料科学的发展，超导材料的性能不断优化，实现超导的临界温度也越来越高。高温超导材料的制备工艺也得到了长足的发展，一些制备高温超导材料的材料陆续被科学家发现。现在，超导材料的研究主要集中在超导输电线缆，超导变压器等电力系统方面，还有，利用超导材料可以形成强磁场，是超导材料在磁悬浮列车的研究上有了用武之地，另外，超导材料在医学，生物学领域也取得了很大的成就。超导材料的研究未来，超导材料的研究将会努力向实用化发展。一旦室温超导体达到实用化、工业化，将对现代文明社会中的科学技术产生深刻的影响。 二、超导材料的分类 超导材料分为低温超导材料和高温超导材料。 1、低温超导材料 何谓低温超导材料？低温超导材料是具有低临界转变温度(T c<3OK=在液氦温度条件下工作)的超导材料，分为金属、合金和化合物。具有实用价值的低温超导金属是Nb(铌)，T c 为9.3K已制成薄膜材料用于弱电领域。合金系低温超导材料是以Nb为基的二元或三元合金组成的β相固溶体，T c在9K以上。低温超导材料一般都需在昂贵的液氦环境下工作,由于液氦制冷的方法昂贵且不方便，故低温超导体的应用长期得不到大规模的发展。低温超导材料的应用分为：强电应用，主要包括超导在强磁场中的应用和大电流输送；弱电应用，主要包括超导电性在微电子学和精密测量等方面的应用。 2、高温超导材料 高温超导体材料(HTS)具有超导电性和抗磁性两个重要特性。要让超导体得到现实的应用，首先要有容易找到的超导材料。即主要研究方向就是寻找能在较高温度下存在的超导体材料。高温超导材料用途非常广泛，大致可分三大类：大电流应用、电子学应用和抗磁性应用。大电流应用是由于超导材具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得的稳定强磁场。超导体的基本特性之一是当它处于超导态时具有理想的导电性，同时由于其载流能力远远强于常规导体，因此，利用超导体可以传输大电流和产生强磁场，并且没有电阻热损耗。电工设备的基本特点是大电流、强磁场和高电压，因此在电工设备中使用超导材料可以减少电气损耗、提高效率、缩小体积、减轻重量、降低成本，还可以提高装置

粉末冶金技术在新能源材料中的应用探讨

粉末冶金技术在新能源材料中的应用探讨 摘要：新能源的使用和普及是人类社会发展必经之路，新能源的使用所需要的 新能源材料是使用新能源的关键，对新能源材料和储存新能源材料的制备发挥作 用的技术上，粉末冶金技术是首选。本文将介绍什么是粉末冶金技术，并对粉末 冶金技术在新能源运用和储存中的作用进行分析和探讨。 关键词：粉末冶金技术；新能源储存 一、引言 随着人类社会经济的不断发展，人们生活变得越来越快节奏，越来越注重生 活品质的提升，与人们的需求相契合的是一切方便人们生活，出行等各方面的改变，如塑料制品越来越多，汽车等的普及。而这一切在为人们的生活带来方便的 同时，给我们的环境带来了压力，造成资源的短缺。为响应国家“统筹兼顾”、等 保护环境节约资源的政策措施，除了从衣食住行进行节约以外，我们还需要找出 一些可替代能源。本文将介绍粉末冶金技术在新能源技术中的应用。 二、粉末冶金技术介绍 粉末冶金是一种具有传统传统熔铸工艺无法获得的、独特的物理化学性质的 技术工艺。粉末冶金通过制备金属粉末能够做出半致密或者完全致密的工艺品， 不仅包括金属，现如今许多3D成型的制品均由粉末冶金技术制成。与传统工艺 相比，不需要切削便可制造出刀具、齿轮等还有更多精密成型的工具。 粉末冶金技术具有四个主要的特点。首先，粉末冶金能够传统工艺制造工具 时出现的合金偏聚现象，这是由于其能够在制备之前制备出合金的粉末，从根本 上解决合金偏聚的发生。其次，粉末冶金技术还能够制备出一些晶体，比如非晶、微晶等高性能非平衡材料，这些材料在电学、力学、磁学等领域具有超高的价值。再次，粉末冶金技术还能够实现多种类型材料的复合，例如金属－陶瓷材料的复合，这是一种极其低成本高性能的进行材料复合的工艺技术。最后，它还能够制 备出普通传统工艺无法制备的特殊结构、特殊材料的工艺制品，在我们的生活之中，许多机加工刀具、五金模具实际中就是由粉末冶金技术制备的。 三、新能源的定义和特点 新能源是除了传统的能源例如水、石油、天然气等人们日常使用的为人熟知 的能源以外的或者还在研究中和制备中的、未来能够最为某一种传统能源替代品 进入人们生活的能源。比如说我们经常提到的太阳能、氢能、核聚变能等等，都 属于新能源。这些新能源对于环境保护、节约能源来说十分的重要，如果我们能 够很好的加以利用，它们必然能够发挥自身优势，为人们的生活，为地球的环境 等等做出贡献。 四、粉末冶金技术的引进与使用 前文已述，粉末冶金技术的诸多优点，不论是制造生活所用的刀具，抑或是 制备具有良好性能，难以制备的具有超高力学性能的晶体，对它来说都不再话下。对于粉末冶金技术所需要的粉末冶金的材料是属于信息类的一种材料，主要是软 磁材料。随着一些科研学家在进行科研等活动中运用到的磁记录材料的需求的增多，粉末冶金技术也越来越变得不可或缺，极大的满足了人们的需求。同时，粉 末冶金技术在能源领域也发挥着作用，对着新能源的不断创新和发展，对于新能 源的储存和运行都需要粉末冶金技术材料的支持。例如能够满足航空航天工业的 足够强度和硬度的材料都需要粉末冶金技术来制成。 五、粉末冶金技术在新能源运用中的作用

电子技术在新能源材料行业的应用

电子技术在新能源材料行业的应用 摘要：在经济飞速发展和社会全面进步的今天，做为能源消耗大国，我国解决 能源供应和环境污染方面的问题已经迫在眉睫，因此开发和利用新型能源成为势 在必行的需求趋势。作为一种新型能源---发电方面的关键技术，电力电子技术的 发展直接关系到新型能源发电技术的发展和前景问题，并且影响到社会的发展和 进步。 关键词：电子技术；新能源材料；应用 1导言 电子技术，实质上就是通过电器元件对电能予以运用的一种现代化技术，其 广泛应用于科研领域，作为现代技术发展的一个中药基础，其在新能源材料行业 的合理运用具有十分重要的意义，有利于新能源材料行业的可持续发展。 2电子技术的概述 电子技术在社会生产中的地位不断上升，对社会的影响显著。电子技术正在 向着大容量、数字化、自动化方向发展，争取满足大功率、高端化产品的需求。 根据调查研究发现，电子器件向着小功率和大功率两个极端发展，既可以应用到 具体线路的调控上，又可以满足大型工业应用。电子技术在应用中呈现出以下几 项特点：第一，节能性明显。相比于传统的能源生产系统，电力技术灵活地改变 功率做功，减少了资源浪费，降低了资源耗费率；第二，环保性明显。电子技术 数字化、整体化程度的增加，实现了电力系统对外界零污染的要求，其多重保护 措施大大降低了用电设备发生意外的可能性；第三，精准化程度明显提高。电子 器件和电子产品的不断更新，调整了设备控制程序，增加了调试、控制、纠正参数，降低了温度、偏移、震动等外界环境的影响，使得电子产品的适用场合和行 业得以有效扩大。此外，电力系统与通讯系统、网路系统、程序编码等内容的融合，使得远程控制、网络监测、系统更新等变得极其便捷。 3新能源材料行业的概述 过度开采传统能源给空气质量、温度变化、社会环境等带来了一系列问题， 引发了对新能源、新材料行业的关注和探索。粗放型经济发展模式已经不再适用 于社会发展，其弊端越来越明显。与此同时，人们新能源、新材料的出现给了人 们新的信心和勇气。从能源结构和组成看，新能源占有比例不足10%，而煤炭、 石油占到了大约85%，同时，这些结构还在发生着改变。相关专业人士已经探知，我国风能发电技术提高了转化率，每年可以得到几十亿千瓦；漫长的海岸线每年 都可以提供2亿千瓦的潮汐资源，太阳能资源也存在着极大的开发潜力。此外， 还有地热能、核能等其他形式的资源。做好能源硬件系统，充分发挥这些新能源 的价值，便可以有效解决资源和环境的发展危机，让经济发展和绿水青山的统筹 兼顾。从材料的合成和工艺看，光电材料和纤维制品以及各种人工材料成为未来 发展的重点。利用电力技术改变原有物质硬度、粘性、柔韧度等方面的属性，使 之转变为可利用、可操作的人工新能源，从而减少社会对自然原材料的需求。其中，玻璃纤维、人工宝石、防氧化铝膜等得到了极大推广，给人们的生活带来了 新的体验。 4电子技术应用于新能源材料行业中的主要策略分析 电子技术具备的特性，使其在新能源材料行业发展过程中的应用能够发挥重 要作用，电子设备、电子技术在新能源材料行业中的合理应用，有利于合理处理 目前新能源材料行业发展中存在的阻碍因素，能够确保新能源的充分运用，而且

储氢材料的发展现状、应用与制备综述

储氢材料的发展现状、应用与制备 摘要：能源危机和开发新能源一直是人类发展进程中相互依赖和相互促进的两个重要因素。为了保护环境，开发新能源，可以利用太阳能、地热、风能及海水等。其中，氢能是人类未来的理想能源，它是一种高能量密度、清洁的能源，是最有吸引力的能源形式之一，具有热值高、资源丰富、干净、无毒、无污染等特性。而氢的贮存和运输一直是个技术难题，由于制造液氢的设备费用很高，液化时又要消耗大量的能量，氢气和空气混合还会有爆炸的危险，因此能否利用氢气作为能源的关键是能否解决氢气的贮存和运输技术。本文简要讲述了储氢材料的发展现状、主要应用与制备技术。 关键词：储氢材料、性质、应用、发展、制备 1引言 当前，人类面临着能源危机，作为主要能源的石油、煤炭和天然气由于长期的过量开采已濒临枯竭。为了开发新能源，人们利用太阳能、地热、风能及海水的温差等，试图将它们转化为二次能源。氢由于其优异的特性受到高度重视，首先氢由储量丰富的水做原料，资源不受限制；第二氢燃烧的生成物是水，环境污染极少，不破坏自然循环；第三，氢由于很高的能量密度；此外，氢可以储存、输送，用途十分广泛。本文主要简述了储氢材料的基本性质、发展现状以及制备工艺。 2储氢材料的基本性质 储氢材料是一种能在晶体的空隙中大量贮存氢原子的合金材料，具有可逆吸放氢的性质。大多数金属合金（M）在一定的温度和压力条件下，与氢生成金属 →MHx+ΔH（生成热）。 氢化物（MHx）：M+XH 2 2.1储氢材料应具备的基本条件 作为储存能量的材料，储氢材料应具备以下条件： （1）易活化，氢的吸储量大； （2）用于储氢时，氢化物的生成热小；用于蓄热时生成热要尽量大； （3）在室温附近时，氢化物的离解压为203-304kPa，具有稳定的合适的平衡分解压； （4）氢的吸储或释放速度快，氢吸收和分解过程中的平衡压（滞后）小； 、水分等的耐中毒能力强； （5）对不纯物如氧、氮、CO、CO 2 （6）当氢反复吸储和释放时，微粉化少，性能不会劣化； （7）金属氢化物的有效热导率大，储氢材料价廉； （8）吸收和释放氢的速度快，氢扩散速度大，可逆性好。 2.2影响储氢材料吸储能力的因素

超导材料基础知识介绍

超导材料基础知识介绍 超导材料具有在一定的低温条件下呈现出电阻等于零以及排斥磁力线的性质的材料。现已发现有28种元素和几千种合金和化合物可以成为超导体。 特性超导材料和常规导电材料的性能有很大的不同。主要有以下性能。 ①零电阻性：超导材料处于超导态时电阻为零，能够无损耗地传输电能。如果用磁场在超导环中引发感生电流，这一电流可以毫不衰减地维持下去。这种“持续电流”已多次在实验中观察到。 ②完全抗磁性：超导材料处于超导态时，只要外加磁场不超过一定值，磁力线不能透入，超导材料内的磁场恒为零。 ③约瑟夫森效应：两超导材料之间有一薄绝缘层（厚度约1nm）而形成低电阻连接时，会有电子对穿过绝缘层形成电流，而绝缘层两侧没有电压，即绝缘层也成了超导体。当电流超过一定值后，绝缘层两侧出现电压U（也可加一电压U），同时，直流电流变成高频交流电，并向外辐射电磁波，其频率为，其中h为普朗克常数，e为电子电荷。这些特性构成了超导材料在科学技术领域越来越引人注目的各类应用的依据。 基本临界参量有以下 3个基本临界参量。 ①临界温度:外磁场为零时超导材料由正常态转变为超导态(或相反)的温度，以Tc表示。Tc值因材料不同而异。已测得超导材料的最低Tc是钨，为0.012K。到1987年，临界温度最高值已提高到100K左右。 ②临界磁场：使超导材料的超导态破坏而转变到正常态所需的磁场强度，以Hc表示。Hc与温度T 的关系为Hc=H0[1-(T/Tc)2]，式中H0为0K时的临界磁场。 ③临界电流和临界电流密度：通过超导材料的电流达到一定数值时也会使超导态破态而转变为正常态，以Ic表示。Ic一般随温度和外磁场的增加而减少。单位截面积所承载的Ic 称为临界电流密度，以Jc表示。 超导材料的这些参量限定了应用材料的条件，因而寻找高参量的新型超导材料成了人们研究的重要课题。以Tc为例，从1911年荷兰物理学家H.开默林－昂内斯发现超导电性(Hg，Tc=4.2K)起，直到1986年以前，人们发现的最高的 Tc才达到23.2K(Nb3Ge，1973)。1986年瑞士物理学家K.A.米勒和联邦德国物理学家J.G.贝德诺尔茨发现了氧化物陶瓷材料的超导电性，从而将Tc提高到35K。之后仅一年时间，新材料的Tc已提高到100K左右。这种突破为超导材料的应用开辟了广阔的前景，米勒和贝德诺尔茨也因此荣获1987年诺贝尔物理学奖金。 分类超导材料按其化学成分可分为元素材料、合金材料、化合物材料和超导陶

《化工与新能源材料及应用》试题、参考答案及解析A

《化工与新能源材料及应用》试卷A 一.单项选择题（20分，每题2分。请将正确答案的序号填入题中的括号内。） 01．下列新能源中属于二次能源的是( ) A 地热能 B 核能 C 生物质能 D太阳能 02．关于核能概述错误的是( ) A 目前核电站使用的都是核聚变技术。 B 核裂变产生的放射性污染可以防护。 C 核聚变的原料可取之于海水，没有放射性污染。 D 核裂变的污染程度小于烧煤产生的尘埃造成的放射性污染。 03．洁净煤技术，是指从煤炭( )的全过程，旨在减少污染物排放与提高利用效率的生产、加工、转化、燃烧及污染控制等新技术体系。 A生产到使用的各个环节 B开采到利用的各个环节 C消费到回收的各个环节 D生产到消费的各个环节 04．风能的大小与风速的( )成正比 A二次方 B三次方 C四次方 D五次方 05．属于直接利用太阳能的技术是( ) A 光伏发电 B 水利发电 C 风力发电 D 地热能 06．关于氢能的特点错误的是( ) A氢能是取之不竭，用之不尽的。 B氢在燃烧时不产生污染物，是理想的绿色能源。 C碳纳米管在氢能的储运应用方面已经成熟。 D氢气释放能量快，反应速率常数高。 07．纳米技术是指在( ) 尺度范围内研究电子、原子、分子和分子内在规律及特征，并用于制造各种特种的一门综合性科学技术。 A 10nm B 10μm C 1--100nm D 1--100μm

08．关于煤炭液化表述错误的是( ) A是将固体状态的煤炭经过化学加工转化为液体产品。 B可以将硫等有害元素及灰分脱除，得到洁净的二次能源。 C能够优化能源结构、解决石油短缺、减少环境污染。 D可以得到更多的能量。 09．风力发电技术已经走向成熟，下列关于全球风电装机容量前五位的国家排序正确的是( ) A德国、西班牙、美国、丹麦、印度 B 美国、德国、中国、日本、丹麦 C 美国、西班牙、德国、中国、印度 D 德国、中国、西班牙、印度、丹麦 10．与国外相比，我国生物质能技术存在较大的差距，但不包括( ) A厌氧消化产气率方面。 B生物燃料的规模化生产方面。 C秸秆直接燃烧供热技术研究和设备开发方面。 D生物质发电技术和装置方面。 二.多项选择题（30分，每题3分。请将正确答案的序号填入题中的括号内，多选、少选、误选均 不得分。） 01．新能源包括( ) A太阳能 B生物质能 C核能 D氢能 E海洋能 02．生物质能的优点有( ) A燃烧容易 B污染少 C灰分低 D热值高 E热效率高 03．属于现代生物质的是( ) A工业性木质废弃物 B工业性甘蔗渣 C城市废物 D动物的粪便 E生物燃料 04．中国洁净煤技术计划框架涉及的领域有( ) A煤炭加工 B煤炭的高效洁净燃烧 C煤炭转化

超导材料研究现状及其应用

超导材料研究现状及其应用 [摘要]：本文主要介绍了超导现象，超导的应用及我国超导研究现状。 [关键词]：超导现象超导的应用超导研究现状 材料是人类赖以生存和发展的物质基础，某一种新材料的问世及其应用，往往会引起人类社会的重大变革因此使用什么样的材料制造工具往往成为人类文明发达程度的一个重要标志。人们把人类历史分为石器、青铜器和铁器时代。在群居洞穴的猿人旧石器时代，通过简单加工获得石器帮助人类狩猎护身和生存，随着对石器加工制作水平的提高，出现了原始手工业如制陶和纺织，人们称之为新石器时代。青铜时代大约源于4000-5000年前。青铜是铜锡铝等元素组成的合金，与纯铜相比，青铜熔点低，硬度高，比石器易制作且耐用。青铜器大大促进了农业和手工业的出现。铁器时代则被认为是始于2000多年前，春秋战国时代，由铁制作的农具、手工工具及各种兵器，得以广泛应用，大大促进了当时社会的发展。钢铁、水泥等材料的出现和广泛应用，人类社会开始从农业和手工业社会进入了工业社会。本世纪半导体硅、高集成芯片的出现和广泛应用，则把人类由工业社会推向信息和知识经济社会。 超导现象 1911年，荷兰物理学家昂尼斯发现，水银的电阻率并不象预料的那样随温度降低逐渐减小，而是当温度降到4.15K附近时，水银的电阻突然降到零.为了证实这一现象，他用磁铁在水银环路中感应出电流，经过长达一年多的观察发现，只要水银环路保持在4.15K的低温，环路中的电流就不会有能测量到的衰减，电流不断地沿着环路转起来，就像不知疲倦的一匹马一样.当温度降到某一温度时，金属的电阻变为零的现象叫超导现象，能够发生超导现象的物质，叫做超导体．超导体由正常态转变为超导态的温度称为这种物质的转变温度(或临界温度) T C.现已发现大多数金属元素以及数以千计的合金、化合物都在不同条件下显示出超导性.如钨的转变温度为0.012K，锌为0.75K，铝为1.196K，铅为7.193K.而且超导临界温度的纪录不断地被打破，例如，1975年，有人发现铌三锗的超导临界温度为23.2K.1986年，又有人发现钡镧铜氧化物的超导临界温度为30K，这个现象引起了科学家对氧化物高温超导陶瓷的高度重视.1986年12月，中国科学院的赵忠贤研究组获得了起始转变温度为48.6K的锶镧铜氧化物.1987年2月，美籍华裔科学家、美国休斯敦大学的朱经武教授获得了起始转变温度为90K的高温超导陶瓷.1987年3月，中国科学院公布了起始转变温度为93K的8种钡钇铜氧化物.1988年，中国科学院发现了超导临界温度 为120K的钛钡钙铜氧化物.这些成就显示了我国高 温超导材料的研究已经名列世界前茅 超导应用 寻找工业应用永远是推动研究的推动力。从应用角 度看，初期的超导材料很容易被外界磁场所抑制。 实际应用困难较多。被称为I型超导材料。能在强 Fig.4, Hc2 vs Tc [17]

新能源技术应用的现状及发展趋势

目录 摘要 (2) 第一章对能源的认识 (3) 1.1能源的定义 (3) 1.2能源的源头 (3) 1.3能源的种类 (4) 第二章新能源的发展趋势 (5) 2.1 多元化 (5) 2.2 清洁化 (5) 2.3 高效化 (5) 2.4 全球化 (6) 2.5 市场化 (6) 第三章启示与建议 (7)

摘要 我们人类生存与发展中最具有决定性意义的要素是三个：物质、能量和信息。组成我们的世界是物质；人类生存活动决定于对信息的认知和反应；而维持生命，从事发展的活动又地要通过消耗能量来进行。一切能量来自能源，人类离不开能源。能源是人类生存、生活与发展的主要基础。能源科学与技术，能源利用的发展在人类社会进步中一直扮演着及其重要的角色。 能源发展的里程碑可以这么说，每一次能源利用的里程碑式发展，都伴随着人类生存与社会进步的巨大飞跃。几千年来，在人类的能源利用史上，大致经历了这样四个里程碑式的发展阶段：原始社会火的使用，先祖们在火的照耀下迎来了文明社会的曙光；18世纪蒸汽机的发明与利用，大大提高了生产力，导致了欧洲的工业革命；19世纪电能的使用，极促进了社会经济的发展，改变了人类生活的面貌；20世纪以核能为代表的新能源的利用，使人类进入原子的微观世界，开始利用原子部的能量。 未来对能源的要求有足够满足人类生存和发展所需要的储量，并且不会造成影响人类生存的环境污染问题。未来对能源的需求未来的人类社会依然要依赖于能源，依赖于能源的可持续发展。因此，我们须现在就很清楚地了解地球上的能源结构和储量，发展必须开发的能源利用技术，才能使人类的生存得于永久维持。而我们赖于生存的能源是取之不尽用之不完的吗？回答是：不是，也是。事实上，进入21世纪后，人类目前技术可开发的能源资源已将面临严重不足的危机，当今煤、石油和天然气等矿石燃料资源日益枯竭，甚至不能维持几十年。因此，必须寻找可持续的替代能源。而近半世纪的核能和平利用，已使核能已成为新能源家属中迄今为止能替代有限矿石燃料的唯一现实的大规模能源。而且，未来如能实现核能的彻底利用，人类的能源将是无穷的。 除了物质、能量和信息三大因素外，人类对安全的要求也越来越重要了。安全包括社会安全、健康安全和环境安全等。它们同能源的关系也是非常密切的。现在利用的能源已造成了大量的环境污染问题，严重影响了人类的生存。因此，未来对能源的要求将不仅是储量充足，而且还必须是清洁的能源。相对其它化石能源而言，核能的和平利用已充分证明了核能是清洁的能源之一。 关键字：能源利用可持续发展环境污染

第二十章 能源、材料与社会

第二十章能源、材料与社会 第一节__能量的转化与守恒__ 能量的转化与守恒 能量转化图 图20－1－1 能量守恒定律：能量既不会消灭，也不会创生，它只会从一种形式__转化__为另一种形式，或者从一个物体__转移__到另一个物体，而能的总量保持不变。 类型之一能量的转化及守恒 阅读图文，回答问题。 与伟大同行 图20－1－2 这是一个著名物理学家发现一个伟大定律的实验装置！仔细观察后回答：

(1)装置中的两个配重的重量不等，释放后大配重下降，小配重上升；通过反复对调左右两个配重，会使动叶轮不停地转动，从而导致热量计中水的温度__升高__(填变化情况)，原因是__对水做功，水的内能增加__。实现的能量转化是__机械能转化为内能__。 (2)实验中科学家某次测得了的数据如下： 小配重重量G小＝100 N， 大配重重量G大＝520 N， 每升降一次配重各自移动的距离h＝1 m， 热量计中水的质量m＝500 g， 升降次数与水温变化的关系： 通过分析数据，科学家得出了结论：在上述现象中能量是守恒的！请你帮他补出计算、判断过程(只需分析一次实验)： 【答案】 (2)升降一次配重做功 W＝G·h＝420 N×1 m＝420 J， 水增加的内能 Q＝cm(t－t )＝×103 J/(kg·℃)× kg× ℃＝420 J， W＝Q，即配重做的功转化为了水的内能。 (3)本实验中的误差主要来源于__克服摩擦做功消耗一部分能量__。 1．我国用自制的“长征2F”捆绑式火箭将“神舟九号”宇宙飞船成功送入预定轨道，关于火箭发射过程中能量转化的说法，正确的是( A ) A．将燃料的化学能经过内能，再转化为火箭的机械能 B．将燃料的化学能转化为火箭的内能

稀土储氢合金及其应用的发展状况

稀土储氢合金及其应用的发展状况 稀土与过度元素的合金是一种在较低温度下也可吸放氢气，通常将这种合金称为储氢合金。在已开发的一系列储氢材料中，稀土系储氢材料性能最佳，应用也最为广泛。其应用领域已扩大到能源、化工、电子、宇航、军事及民用各个方面。 1969年荷兰菲利浦公司发现典型的稀土储氢合金LaNi5，从而引发了人们对稀土系储氢材料的研究热潮。从上世纪九十年代开始在镍氢二次电池中得到大量应用。石油和煤炭是人类两大主要能源燃料，但由于它们储量有限，使用过程中产生环境污染等问题，因此解决能源短缺和环境污染成为当今研究的重点之一。氢是一种完全无污染的理想能源材料，具有单位质量热量高于汽油两倍以上的高能量密度，可从水中提取。氢能源开发应用的关键在于能否经济地生产和高密度安全制取和贮运氢。稀土储氢合金可以常温低压高密度贮存氢，是一种理想的储氢介质，在未来的氢能时代具有很大的应用潜力。 一、稀土储氢合金在镍氢二次电池中的应用 1. Ni-MH电池的现状与发展方向 镍氢电池于1988年进入实用化阶段，1990年在日本开始规模生产，此后产量成倍增加。2000年日本镍氢电池产量达到7亿只左右，中国的产量不足1亿只。近年由于在手机、笔记本电脑和数码相机等领域受到锂离子电池强有力的竞争和中国同行的崛起，日本镍氢电池产量下降到5亿只左右，中国企业的产量也上升到5亿只左右，90%以上的镍氢电池产自中国和日本。 镍氢电池为了应对锂离子电池的挤压，近年来致力于体积比能量的提高，功率特性和高低温性能的改善。提高材料性能和增加电池内填充密度，镍氢电池体积能量密度从1990年的180W h/L增长到400Wh/L以上，AA电池的容量从1000mAh提升到2300mAh，三洋公司报道已开发出容量达2500mAh的AA型镍氢电池。镍氢电池的能量比的提高使其在通讯和便携家电等领域内仍具有一定的竞争力。 近年来，人们对城市空气质量及地球石油资源危机等问题日趋重视，保护环境，节约能源的呼声日益高涨，促使人们高度重视电动车及其相关技术的发展，美国、法国、中国的上海市等均相继通过立法限制燃油车，大力发展电动车。受国情影响，欧美等发达国家如美国、德国、法国、日本等国家开发的电动车以电动汽车为主，发展中国家尤其是中国内地以及中国的台湾、香港地区，近期的电动车市场主要为电动摩托车和电动自行车。据统计，国内已有200家公司、企业着手小型电动车的开发、生产和应用。十五“863”计划将电动汽车列为重大专项，组织由各大汽车制造集团牵头研发团体致力于电动汽车的开发，其中混合动力汽车要在十五期间实现产业化。 根据美国USABC和日本公司对各种电动车用电池的性能以及发展潜力比较论证，综合考虑电池的可靠性、安全性、电池材料的资源与环境问题以及电池性能的发展趋势，确定镍氢电池是近期和中期电动车用首选动力电池。目前，美国Ovonic公司已与通用公司、日本松下已与丰田公司合作计划实现电动车用Ni-MH 动力电池的产业化。在“863”计划的牵

超导材料及其应用现状与发展前景培训讲学

超导材料及其应用现状与发展前景

超导材料及其应用现状与发展前景 作者：肖立业刘向宏王秋良马衍伟古宏伟 来源：《中国工业和信息化》2018年第08期 超导体不仅在临界温度下具有零电阻特性，而且在一定的条件下具有常规导体完全不具备的电磁特性，因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值。我国在超导材料及其应用领域总体上处于国际先进行列，基本掌握了各种实用化超导材料的制备技术，在多个应用方面也取得了良好的发展。我国超导材料及其应用领域将不断探索更高临界温度的超导体，提升超导材料及其应用技术的发展水平。 1911年，荷兰莱登实验室的卡麦林·昂尼斯在测量低温下金属的电导率时发现，当温度下降到4.2K时，汞的电阻完全消失（如图1所示），他把具有这种现象的导体称为超导体。经过近50年的研究，科学家們陆续发现，超导体不仅在一定温度（也称为临界温度，简称Tc）之下具有零电阻特性，而且在一定的条件下具有高密度载流能力、完全抗磁性（迈斯纳效应）、约瑟夫森效应等常规导体完全不具备的电磁特性，因而在电气与电子工程领域具有广泛的应用价值（见表1）。根据应用的具体需求，工程师们可以将超导体制备成各种超导材料，如超导线材、超导带材、超导薄膜、复合超导体等。 经历了100多年的研究，人们已经发现了多达数万种超导体。按照超导体的临界温度，可以将超导体分为低温超导体和高温超导体，临界温度低于25K～30K超导体为低温超导体，临界温度高于25K～30K超导体为高温超导体。目前，基于低温超导材料的应用装置一般工作在液氦温度（4.2K及以下），基于高温超导材料的应用装置一般工作在液氢温度（约20K）至液氮温度（约77K）之间。探索出更高临界温度乃至室温的超导体是人类不断追求的梦想。 超导材料的发展现状与前景 尽管人们已经发现了数万种超导体，但真正具有实用价值的超导体并不多。目前得到应用的低温超导体主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等，具有实用价值的高温超导体主要包括铋系（BSCCO，Tc约90K-110K，也称为第一代高温超导材料，主要包括BSCCO-2212和BSCCO-2223两种，也简称Bi-2212或Bi-2223）、钇系（Tc约90K，YBCO或ReBCO，也称为第二代高温超导材料）。进入21世纪以来，MgB2（Tc为39K）和铁基超导体（Tc最高为55K）相继被发现，成为两种新的具有实际应用潜力的超导体。 低温超导材料发展现状与前景 超导材料主要包括NbTi、Nb3Sn、Nb3Al等。自上世纪60年代以来，其制备技术与工艺已经相当成熟，并推动了如加速器磁体、核聚变工程用超导磁体、核磁共振（MRI和NMR）磁体、通用超导磁体等的发展，并由此形成了具有一定规模的超导产业。目前，美国、欧盟和日本等国家和地区已经有一大批的企业可以生产各种面向不同应用需求的低温超导材料。2006年，我国加入了国际热核聚变实验堆（ITER）计划，从而使我国低温超导材料的发展迎来了前所未有的机遇。作为国内极少的低温超导线材产业化公司，西部超导材料科技有限公司承担了174吨NbTi超导线和35吨Nb3Sn超导线的生产任务，通过自主开发，掌握了成套技术和工艺，并于2017年全部交付预订的产品，得到了国际同行的高度评价，总体上达到了国际先进水平。ITER项目极大推动了我国低温超导材料的发展，也为我国自主开发MRI、加速器和核聚变磁体提供了超导材料供应的保障。