特種陶瓷材料及工藝授課教師：任帥緒論第一章特種陶瓷生產(chǎn)工藝原理第二章結(jié)構(gòu)陶瓷第三章功能陶瓷第七章薄膜材料第八章生物陶瓷第九章新能源材料第十章環(huán)境材料第四章特種玻璃第五章人工晶體第六章無(wú)機(jī)纖維新能源的出現(xiàn)與開(kāi)展，一方面是能源技術(shù)本身開(kāi)展的結(jié)果，另一方面也是由于這些能源有可能解決資源與環(huán)境開(kāi)展問(wèn)題而受到支持與推動(dòng)。新能源的開(kāi)展必須靠利用新的原理來(lái)開(kāi)展新的能源系統(tǒng)，同時(shí)還必須靠新材料的開(kāi)發(fā)與利用，才能使新的系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，并進(jìn)一步提高效率、降低本錢。9、能源材料9、能源材料9.1新能源材料的任務(wù)及面臨的課題9.2二次電池9.3燃料電池另外，除了先進(jìn)性和環(huán)境協(xié)調(diào)性之外，還要求材料具有舒適性，即易為人們接受。綜合具備上述三種性能的材料便構(gòu)成了環(huán)境材料的概念。這個(gè)觀點(diǎn)從另外的角度看，就是將傳統(tǒng)上只有多種材料的組合體系方能具備的綜合性能，集中表達(dá)在一種材料上，即該材料本身是同時(shí)具備多種功能的所謂知識(shí)集約型材料。具備系統(tǒng)功能的材料所能發(fā)揮的最大價(jià)值就是將復(fù)雜的材料系統(tǒng)簡(jiǎn)單化?？梢哉f(shuō)，環(huán)境材料是具有系統(tǒng)功能的一種新型材料。10.1環(huán)境材料的含義10、環(huán)境材料〔1〕研究新材料、新結(jié)構(gòu)、新效應(yīng)以提高能量的利用效率與轉(zhuǎn)換效率〔2〕資源的合理利用在新材料的開(kāi)發(fā)過(guò)程中必然要遇到資源的合理利用問(wèn)題，在自然界中各種元素的儲(chǔ)存豐度不一樣，因此對(duì)于大規(guī)模的太陽(yáng)能電池的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是無(wú)法滿足的，應(yīng)盡量利用高豐度的元素，這就涉及了新材料的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域?！?〕新材料生產(chǎn)和應(yīng)用過(guò)程中的平安與環(huán)境問(wèn)題這是新能源是否大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵?！?〕新能源材料的生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題生產(chǎn)過(guò)程問(wèn)題包括兩方面的含義，一個(gè)是材料生產(chǎn)工藝，另一個(gè)是材料生產(chǎn)設(shè)備?！?〕增加材料的使用壽命傳統(tǒng)的發(fā)電技術(shù)、內(nèi)燃機(jī)技術(shù)是科學(xué)家花了幾十年甚至上百年時(shí)間的成果，在新能源的應(yīng)用過(guò)程中所遇到的第一個(gè)問(wèn)題就是和傳統(tǒng)技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。從材料的角度考慮，就是降低生產(chǎn)本錢，延長(zhǎng)材料的使用壽命。在這一方面，新材料的開(kāi)發(fā)潛力是非常大的，從根本原理出發(fā)，采取相應(yīng)的措施。9.1新能源材料的任務(wù)及面臨的課題9.2二次電池⑴什么是二次電池？蓄電池不僅能使化學(xué)能變?yōu)殡娔埽€可借助其它電源使反響逆向進(jìn)行，是一種可逆電池，又稱二次電池。(2)目前對(duì)二次電池研究的新重點(diǎn)：ⅰ.儲(chǔ)氫材料及金屬氫化物鎳電池；ⅱ.鋰離子嵌入材料及液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池；目前，儲(chǔ)氫合金研究領(lǐng)域中最為活潑的課題是利用儲(chǔ)氫合金作為負(fù)極材料研制二次電池。某些金屬或合金與氫反響后，以金屬氫化物的形式吸收氫，而生成的金屬氫化物加熱后又能把氫放出來(lái)，利用此特性儲(chǔ)氫，其儲(chǔ)氫量因金屬或合金的不同而不同。研究說(shuō)明，用于二次電池材料的儲(chǔ)氫合金應(yīng)滿足下屬條件：①電化學(xué)容量高，在較寬的溫度范圍內(nèi)工作穩(wěn)定，平衡氫壓要適當(dāng)，同時(shí)對(duì)氫的陽(yáng)極極化應(yīng)具有良好的催化作用。②儲(chǔ)氫合金在工作環(huán)境中應(yīng)有良好的抗氧化能力，且在電解質(zhì)溶液中組分應(yīng)該相對(duì)穩(wěn)定，能反復(fù)充放電。③合金還應(yīng)具有良好的電和熱的傳導(dǎo)能力以及原材料及生產(chǎn)本錢低廉的特點(diǎn)。9.2.1儲(chǔ)氫材料鎳-氫電池是在研究氫能源根底上開(kāi)展起來(lái)的一種高科技產(chǎn)品，它是集能源、材料、化學(xué)、環(huán)境于一身的新型化學(xué)能源。這種新型蓄電池以氫氧化鎳做正極活性材料，以儲(chǔ)氫合金做負(fù)極活性材料，以堿性氫氧化鉀及氫氧化鈉水溶液為電解質(zhì)。

9.2.2鎳氫電池鎳氫電池由氫氧化鎳正極，儲(chǔ)氫合金負(fù)極，隔膜紙，電解液，鋼殼，頂蓋，密封圈等組成。在圓柱形電池中，正負(fù)極用隔膜紙分開(kāi)卷繞在一起，然后密封在鋼殼中的。在方形電池中，正負(fù)極由隔膜紙分開(kāi)后疊成層狀密封在鋼殼中。儲(chǔ)氫合金材料AB5:LiNi5,MnNi5,CaNi5,AB2:ZrMn2,TiCr2,ZrV2,ZrMn2,AB:TiFe,TiCo,TiNiA2B:Mg2Ni,Mg2Cu儲(chǔ)氫合金的共同特點(diǎn)是在低溫低壓下能夠可逆地吸收、釋放氫。工作原理放電反響：正極：NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-負(fù)極：MH+OH-M+H2O+e-總反響：MH+NiOOHM+Ni(OH)2充電反響：正極：Ni(OH)2+OH-NiOOH+H2O+e-負(fù)極：M+H2O+e-MH+OH-總反響：M+Ni(OH)2MH+NiOOH以上式中M為儲(chǔ)氫合金，MH為吸附了氫原子的儲(chǔ)氫合金。最常用儲(chǔ)氫合金為L(zhǎng)aNi5。鎳氫電池的優(yōu)、缺點(diǎn)鎳-氫電池具有五個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)：①能量密度高；②無(wú)鎘污染，被稱為是綠色電池；③可大電流快速充電和放電；④工作電壓為1.2V；⑤無(wú)明顯的記憶效應(yīng)。與Ni-Cr電池相比正是由于這些特性，鎳-氫電池目前已廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、筆記本電腦等各種小型便攜式電子設(shè)備，并正朝著提高電池的能量密度及功率密度，改善電池的放電特性和提高電池的循環(huán)壽命等方面改進(jìn)，從而開(kāi)發(fā)出高功率、大容量的動(dòng)力電源。它的初始本錢較高，電池自放電速度較大，以及有爆炸的可能性。這種電池的突出優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)壽命長(zhǎng)，1977年起在地球同步軌道條件下工作壽命超過(guò)10年。此外，它承受過(guò)充電和過(guò)放電的能力很強(qiáng)。9.2.3鋰電池定義：鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過(guò)程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過(guò)程。一、特點(diǎn)：⑴優(yōu)點(diǎn)①體積和質(zhì)量比能量高?！搀w積比能量就是單位體積的能量，質(zhì)量比能量類似〕②平均輸出電壓高，一般為3.6V，是Cd-Ni，MH-Ni電池的三倍；③可大電流放電，輸出功率大；④自放電率小，每月放電不超過(guò)10%，不到Cd-Ni，MH-Ni電池的一半；⑤放電時(shí)間長(zhǎng)、循環(huán)性能好、使用壽命長(zhǎng)，可達(dá)1200次；⑥充電效率高，可達(dá)100%，而且可快速充電；⑦沒(méi)有環(huán)境污染，稱為“綠色電池〞⑵缺點(diǎn)1、鋰原電池均存在平安性差，有發(fā)生爆炸的危險(xiǎn)。2、鈷酸鋰的鋰離子電池不能大電流放電，平安性較差。3、鋰離子電池均需保護(hù)線路，防止電池被過(guò)充過(guò)放電。4、生產(chǎn)要求條件高，本錢高。二、工作原理

以石墨負(fù)極和LiCoO2正極為例：充電反響為：正極:負(fù)極:電池反響:

在充電過(guò)程中，鋰離子從正極脫嵌，而嵌入負(fù)極，即鋰離子從高濃度正極向低濃度負(fù)極的遷移過(guò)程；放電過(guò)程類似。LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe6C+xLi++xe→LixC66C+LiCoO2

→Li1-xCoO2+LixC6負(fù)極材料碳基負(fù)極材料石墨化碳負(fù)極材料無(wú)定形碳材料其它碳負(fù)極材料:富樂(lè)烯碳納米管負(fù)極材料分為：碳基負(fù)極材料和非碳基負(fù)極材料兩大類；非碳負(fù)極材料氮化物硅及硅化物錫基氧化物及錫化物鈦的氧化物對(duì)碳基負(fù)極材料的改性:1.引入非金屬元素;2.引入金屬元素;3.進(jìn)行外表處理;4.采用機(jī)械化學(xué)法(粉碎等).電池型號(hào)圓柱形方形14500175001865022mm寬22mm寬30mm寬30mm寬34mm寬容量/mAh5807501350470600580850900直徑/mm141718

高度/mm50505068698寬度/mm

2222303034長(zhǎng)度/mm

4848484848鋰離子電池的應(yīng)用

⑴在電子產(chǎn)品方面的應(yīng)用：①：用鋰離子電池的技術(shù)指標(biāo)②筆記本電腦：筆記本電腦的電壓為10V以上，容量大，一般采用3~4個(gè)單電池串聯(lián)就可以滿足電壓要求，然后再將2~3個(gè)串聯(lián)的電池組并聯(lián)，以保證較大的容量。

⑵交通工具方面的應(yīng)用：①電動(dòng)自行車：采用鉛酸蓄電池，電池本身重就達(dá)十幾公斤；而采用鋰離子電池那么只有3kg重；我國(guó)“863〞方案電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)方案書中要求鋰離子電池作為電動(dòng)汽車動(dòng)力必須到達(dá)的性能質(zhì)量比能量/（W·h/kg）>130功率密度/（W/kg）>1600循環(huán)次數(shù)/次>500行駛里程/萬(wàn)公里>10電池工作溫度/℃-20~55索尼公司以鋰離子電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車局部試車結(jié)果參數(shù)性能長(zhǎng)x寬x高/mm4145x1695x1565乘客數(shù)/人4質(zhì)量/kg1700每次充電行駛里程/km>200最大速率/（km/h）120從0加速到80km/h所需時(shí)間/s12⑶在軍事上的應(yīng)用：

美國(guó)軍用鋰離子電池的技術(shù)指標(biāo)為：工作電壓為4.0V，比能量為90w·h/kg，功率密度為40w/kg，工作溫度為：-20~55℃。主要應(yīng)用：軍事通訊，魚雷、潛艇、導(dǎo)彈等尖端武器上；⑷其他應(yīng)用①醫(yī)學(xué)主要應(yīng)用于助聽(tīng)器、心臟起搏器等；②手表更環(huán)保；③地下采油因?yàn)榈叵虏捎偷臏囟雀?，采用聚合物鋰離子電池可以滿足其要求并且聚合物鋰離子電池的電導(dǎo)率高能有效地提供電力。9.3燃料電池燃料電池是一種將儲(chǔ)存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過(guò)電極反響直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。它不經(jīng)歷熱機(jī)過(guò)程，不受熱力循環(huán)限制，故能量轉(zhuǎn)換效率高，燃料電池的化學(xué)能轉(zhuǎn)換效率在理論上可達(dá)100％，實(shí)際效率已達(dá)60％-80％，是普通內(nèi)燃機(jī)熱效率的2-3倍?，F(xiàn)在應(yīng)用于電動(dòng)汽車中的燃料電池是一種被稱為質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)，它以純氫為燃料，以空氣為氧化劑。燃料電池(FuelCell)

Anode(陽(yáng)極,燃料端)reaction:H2

T2H++2e-Cathode(陰極,氧氣端)reaction:?O2+2H++2e-T

H2OOverallreaction:

H2+?O2

T

H2O+Heat+WeFuelcellisnotabattery,anditisa

powergenerator!陽(yáng)極氫氣在陽(yáng)極進(jìn)行的是氧化反響，氫分子氣體輸至多孔之陽(yáng)極后，經(jīng)過(guò)傳質(zhì)到達(dá)陽(yáng)極，于是進(jìn)行氧化反響：H2→2H++2e-，氧化反響將氫氣氧化成氫離子。薄膜隔離陰陽(yáng)兩個(gè)電極，防止陰陽(yáng)兩極接觸到而短路，它的另一功用是輸送在陽(yáng)極所生成的氫離子到陰極。電子由陽(yáng)極導(dǎo)至外接電路，形成電流。而氫離子也由陽(yáng)極端，透過(guò)可導(dǎo)離子性質(zhì)(電子絕緣體)之高分子薄膜電解質(zhì)，抵達(dá)陰極。

陰極

氧氣在陰極進(jìn)行復(fù)原反響，與由陽(yáng)極傳來(lái)的氫離子結(jié)合生成水，產(chǎn)生水及1.229伏特之電壓。反響如下：O2+4H++4e-→2H2O。此氧化復(fù)原反響所產(chǎn)生的電流，就會(huì)由電池釋放出來(lái)推動(dòng)連接到電池的電子設(shè)備。單一燃料電池，其理論輸出電壓值約為1伏特，因此可藉由雙極板或連接器將組件予以串、并聯(lián)，如此便可制備出不同規(guī)格的產(chǎn)品。燃料電池沒(méi)有經(jīng)過(guò)燃燒過(guò)程，故不會(huì)產(chǎn)生污染，也不像傳統(tǒng)的火力或核能發(fā)電，需經(jīng)屢次轉(zhuǎn)換才能發(fā)電。燃料電池發(fā)電因步驟簡(jiǎn)單，自然效率就高，體積小。當(dāng)多組的單位原件重迭一起時(shí)，即可串連增加電壓及電能。又效率與組數(shù)無(wú)關(guān)，燃料電池可大可小，應(yīng)用范圍廣闊。燃料電池的根本元件燃料電池的根本組件包括：陰極、陽(yáng)極、電解質(zhì)和雙極板或連接器。通常以氫氣為燃料，氧氣為氧化劑，在陽(yáng)極氧化燃料，在陰極復(fù)原氧氣。燃料電池是以這樣的核心單元串聯(lián)組成為較大功率的電池組，或稱電池堆(fuelcellstack)。燃料電池

vs.電池Anodereaction:2H2-

→4H++4e-Anodereaction：Zn+2OH-→ZnO+H2O+2e-PtPtPt(catalyst)Zn

ZnO

2OH-

H2OMn2O3

MnO2ElectricalCircuite-e-reactant在1993年加拿大溫哥華科技展覽會(huì)上，加拿大的BALLABC公司推出了世界上第一輛以PEMFC電池為動(dòng)力的電動(dòng)公共汽車。載客20人，可行駛160km，最高速度72.2km／h。德國(guó)奔馳汽車公司也研制了以PEMFC電池為動(dòng)力的電動(dòng)汽車。燃料電池具有以下特點(diǎn)：〔1〕不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換率高；〔2〕廠址占地面積小，建設(shè)時(shí)間短；〔3〕環(huán)保問(wèn)題少；〔4〕負(fù)荷應(yīng)答速率快，運(yùn)行質(zhì)量高燃料電池應(yīng)付負(fù)載的快速變動(dòng)特性優(yōu)良，在數(shù)秒內(nèi)就可以從最低功率變換到額定功率。影響燃料電池工作性能的因素有很多，如溫度、壓力、氣體組成、電極及電解質(zhì)材料、雜質(zhì)等。構(gòu)成燃料電池的關(guān)鍵材料是電極、隔膜及雙極集流板。10.1環(huán)境材料的含義在開(kāi)展新材料及其技術(shù)體系時(shí)，既需要考慮到環(huán)境負(fù)擔(dān)的大小、材料本身對(duì)環(huán)境的污染程度，又要顧及材料使用時(shí)的傳統(tǒng)性能〔稱之為材料的先進(jìn)性〕。也就是說(shuō)，在要求先進(jìn)優(yōu)異的使用性能這一點(diǎn)上，新材料與傳統(tǒng)材料是相同的，但僅僅如此還不能稱其為新時(shí)代的高性能材料。在材料的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，要求資源和能源的消耗少，工藝流程中采用減少溫室效應(yīng)的技術(shù)，廢棄后易于再生，這是對(duì)新材料性能的要求。盡管使用性能好，但從環(huán)境角度看，所制造出的廢棄性能差的材料不能算是好材料。換句話說(shuō)，材料在制造、流通、使用、廢棄的整個(gè)壽命周期中都必須與生態(tài)環(huán)境協(xié)調(diào)一致，材料及技術(shù)本身要具備環(huán)境協(xié)調(diào)性，這是區(qū)別于傳統(tǒng)材料觀念而新增加的概念。10、環(huán)境材料另外，除了先進(jìn)性和環(huán)境協(xié)調(diào)性之外，還要求材料具有舒適性，即易為人們接受。綜合具備上述三種性能的材料便構(gòu)成了環(huán)境材料的概念。這個(gè)觀點(diǎn)從另外的角度看，就是將傳統(tǒng)上只有多種材料的組合體系方能具備的綜合性能，集中表達(dá)在一種材料上，即該材料本身是同時(shí)具備多種功能的所謂知識(shí)集約型材料。具備系統(tǒng)功能的材料所能發(fā)揮的最大價(jià)值就是將復(fù)雜的材料系統(tǒng)簡(jiǎn)單化。可以說(shuō)，環(huán)境材料是具有系統(tǒng)功能的一種新型材料。10.1環(huán)境材料的含義10、環(huán)境材料10.2材料的資源化資源化是當(dāng)前世界公認(rèn)的廢棄物處理重點(diǎn)開(kāi)展方向，重復(fù)使用和回收再生在保護(hù)環(huán)境的同時(shí)也使廢棄物再資源化，節(jié)約了珍貴的資源，符合當(dāng)今世界開(kāi)展的大潮流。主要有幾下幾個(gè)方面：〔1〕輕量化選用輕量化原材料，并盡可能減少包裝材料的使用，反對(duì)過(guò)分包裝，努力節(jié)約包裝資源?！?〕回收利用對(duì)各類混雜的包裝材料，那么分類收集后，經(jīng)分選-清洗-材料別離-枯燥-破碎-壓實(shí)后，按各類材料實(shí)行再生利用，或做原材料使用，或做成再生包裝制品?！?〕能源再利用燃燒塑料等可燃成分垃圾，使有機(jī)物在高溫條件下完全氧化，可以回收熱能，用于取暖或用于發(fā)電?！?〕堆肥化堆肥化是一種古老的處理以城市垃圾為主的固體廢棄物的主要方法。10、環(huán)境材料10.3環(huán)境材料的評(píng)價(jià)方法評(píng)價(jià)一種材料是否為環(huán)境材料，首先必須確定其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上是對(duì)材料的環(huán)境協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟(jì)性、功能性等方面的指標(biāo)的定量化。一般性原那么具體地講，環(huán)境材料依據(jù)不同的要求可以把它細(xì)化為5個(gè)判據(jù)，即質(zhì)量判據(jù)、經(jīng)濟(jì)判據(jù)、資源判據(jù)、能量判據(jù)和環(huán)境判據(jù)。在這5個(gè)判據(jù)中，前兩個(gè)判據(jù)是普遍材料均要求的判據(jù)，屬于材料的共性判據(jù)；后3個(gè)判據(jù)是環(huán)境材料所特別強(qiáng)調(diào)的判據(jù)，也稱為環(huán)境性判據(jù)。10、環(huán)境材料10.3.2LCA評(píng)價(jià)方法材料的生命周期評(píng)價(jià)方法也被稱為L(zhǎng)CA〔Lifecircleassessment〕方法。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織與國(guó)際環(huán)境毒物學(xué)和化學(xué)學(xué)會(huì)的定義具有權(quán)威性，ISO定義為：LCA方法是匯總和評(píng)估一個(gè)產(chǎn)品體系在其整個(gè)壽命期間的所有投入及產(chǎn)品對(duì)環(huán)境造成的和潛在的影響方法。而環(huán)境毒物學(xué)和化學(xué)學(xué)會(huì)〔SETAC〕的定義為：LCA方法是一個(gè)評(píng)估產(chǎn)品過(guò)程或其活動(dòng)給環(huán)境帶來(lái)的負(fù)擔(dān)的客觀方法，是通過(guò)量化和識(shí)別所用能量、原材料以及廢物排放來(lái)評(píng)價(jià)與產(chǎn)品及行為有關(guān)的環(huán)境責(zé)任，從而得到這些能量和材料的應(yīng)用以及排放物對(duì)環(huán)境影響的大小，并對(duì)改善環(huán)境的方法做出評(píng)價(jià)。目前也有人依據(jù)LCA思想提出其他一些評(píng)價(jià)指標(biāo)，稱為另類LCA評(píng)價(jià)法，主要有經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)化〔LCCA〕和環(huán)境系列的研究方法評(píng)估〔LCD〕兩類。10、環(huán)境材料10.4無(wú)機(jī)環(huán)境材料對(duì)于無(wú)機(jī)環(huán)境材料，使用性能和環(huán)境協(xié)調(diào)性的矛盾十分突出。如果采用傳統(tǒng)的陶瓷材料，來(lái)源廣泛，加工容易，環(huán)境負(fù)荷小，但是性能平庸；先進(jìn)的無(wú)機(jī)陶瓷材料那么性能-環(huán)境協(xié)調(diào)性正好相反。在無(wú)機(jī)材料加工過(guò)程中，產(chǎn)物大局部為高熔點(diǎn)化合物，固相反響，加工溫度高，反響時(shí)間長(zhǎng)，能耗驚人。同時(shí)，無(wú)機(jī)材料的廢物為高熔點(diǎn)固體廢物，難