化学在车辆中的应用1.docx
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化学在车辆中的应用1.docx
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化学在车辆中的应用1
化学在车辆中的应用
作者:
甘建孙程民郭旭殷鹏升吴泽(按字母顺序排列,以上排名不分先后)
绪论
随着科学技术的不断发展,汽车已然成为这个社会中最重要的工具,给人类社会带来了很多便利。
车辆,是这个星球上最耀眼的发明。
掩卷沉思,不难想到,这个伟大的工具与化学有着千丝万缕的联系;仰望星空,我们思索着化学在车辆上的广泛应用,思索着化学带给我们的福祉;格物致知,我们探求各种化学成果带给车辆工业的飞跃,带给我们的改变;穷经皓首,我们查阅文献,思考总结,付出了很多精力完成此文。
此文正文共有三个部分:
化学与汽车材料、化学与汽车能源、化学与汽车尾气。
由于时间仓促,阅历短浅,虽谨小慎微,仍不免纰漏,望恩师见谅并指正。
一汽车与材料
1.汽车与新材料
查阅资料我们发现一个惊人的数据:
在传统汽车上,只有1%的汽油用于运送乘客,其余都用于驱动汽车本身运动。
这让我们思考:
有什么能提高汽车效率呢?
其一,当然是材料!
我们发现现在共有如下几种新材料:
1复合材料2发汗材料3形状记忆合金4超塑性合金5超导材料6太阳能材料
第一复合材料是多相体系(由两种或两种以上的不同物质组成);它们的组合必须具有复合效果(即复合材料比单一组成的材料具有更好的综合性能),从而实现强-强联合。
复合材料的特性:
1)比强度、比模量高
这个图说明:
合金的强度要优于单金属。
2抗疲劳性好
多数金属材料的疲劳极限只有其抗拉强度的40~50%,而碳纤维/树脂复合材料则可达到70~80%
福特公司所做的研究表明,复合材料可以将零部件的数量减为原来的80%,加工费用相对钢材降低60%,粘结费用相对焊接减少25%到40%。
日产布尔巴特汽车前端板,用钢板制造时由20多个零件组成,而用复合材料只需7个零件。
Audi乘用车多功能支架、仪表板托架、座椅骨架、发动机护板、蓄电池托架均改用玻璃钢制造。
ps
二.超塑性材料:
最初发现的超塑性合金是锌与22%铝的合金。
1920年,德国人ROSENHAIN在Zn-4Cu-7Al合金在低速弯曲时,可以弯曲近180º。
于是发现这种合金经冷轧后具有暂时的高塑性。
1928年英国物理学家森金斯下了一个定义:
凡金属在适当的温度下变得像软糖一样柔软,而且其应变速度为每秒10毫米时产生300%以上的延伸率,均属超塑性现象。
1945年苏联包奇瓦尔等针对这一现象提出了“超塑性”这一术语。
三.太阳能材料太阳能电池:
硅太阳能电池;
以无机盐如砷化镓III-V化合物、硫化镉、铜铟硒等多元化合物为材料的电池;
功能高分子材料制备的大阳能电池;
纳米晶太阳能电池等——纳米TiO2晶体化学能
要有较高的光电转换效率:
材料本身对环境不造成污染;
材料便于工业化生产且材料性能稳定。
四:
超导材料
1911年,荷兰科学家昂内斯用液氦冷却水银,当温度下降到4.2K时发现水银的电阻完全消失,这种现象称为超导电性。
1973年,铌锗合金,其临界超导温度为23.2K,该记录保持了13年1986年底,美国贝尔实验室研究的氧化物超导材料,其临界超导温度达到40K,液氢(40K)的“温度壁垒”被跨越。
1987年2月,美国华裔科学家朱经武和中国科学家赵忠贤相继在钇-钡-铜-氧系材料上把临界超导温度提高到90K以上,液氮(77K)的禁区也奇迹般地被突破了。
大电流应用(强电应用)——超导发电、输电和储能
电子学应用(弱电应用)——超导计算机、超导天线、超导微波器件抗磁性应用大电流应用——磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。
参考资料:
1.XX文库。
2.《材料化学》3.《新型汽车材料》
2.汽车和塑料
汽车轻量化已成为全球性的趋势——从2008年至今车辆平均重量下跌了20%,降低能耗的同时使车辆平均排放量降低。
欧洲的分析师预测,乘用车平均重量在2010年触顶达到1.5吨之后,到2020年将缩减到略高于一吨——20世纪70年代的重量。
这一趋势的主要原因是,重量轻的汽车更高效节能。
当然另一个高效节能的趋势——电动车——将使汽车更重。
传统汽车中,标准引擎占了汽车总重量的大约12%。
由于超重的电池,电动车的动力系统占了其重量的20%。
而在电动车中塑料的使用量也非常可观。
为了保持最佳的燃油效率,汽车生产商使用重量更轻的材料——塑料和高分子零部件。
我们预计在下个10年中,塑料将占车辆平均重量的18%,比2000的14%有所增加.
————摘自盖亚论坛3.近年来汽车领域应用的新材料NHTSA:
1.Newmetalmaterials(新金属材料)
AmorphousAlloys(非晶态合金)strongtensiblestrength,usedfortyrecord,reducetheweightofcars。
2.shapememoryalloys(记忆合金)ThetypicalshapememoryalloyareNITIalloys,VehicleTi50Ni50alwaysbeusedtomanufacture:
tirestuds,automatictransmission...
2.ceramicmaterials(陶瓷材料)bearhightemperature,hashighhardnessbrittleness,itcanimprovethethermaiefficiency,reduceenergyconsumption,reducetheweightofthewholecar.------摘自《NEWMATERIAL》
二汽车与能源
现如今,石油资源越来越紧张。
而且由于大量地使用石化能源,环境污染越来越严重,已经严重影响人们的生活和生存。
故此发展出新型可替代能源迫在眉睫。
可喜的是近年来已在某些方面取得重大突破,甚至进入实用化阶段。
例如:
比亚迪开发出实用性较强的大容量磷酸-铁电池使得电动汽车正式走入了人们的生活。
而性能离子电池更优越的锂离子电池的开发也在紧锣密鼓地进行。
现主要介绍锂离子电池、氢氧燃料电池。
]
---------------------摘自天津电力研究院《大功率锂电子汽车电池的研究》
2氢氧燃料电池
氢氧电池是一种以氢、氧作为燃料的,将氢氧反应的化学能转化为电能的燃料电池,它可以在较低的工作温度下把氢氧反应在电池中释放的化学能直接且连续的变为电能。
氢氧电池的燃料氢是燃料电池的最佳燃料。
同时氢氧电池是技术上比较成熟并得到多方面应用的燃料电池。
氢氧燃料电池的理论比能量达3600瓦·时/公斤。
单体电池的工作电压一般为0.8~0.97伏,为了满足负载所需的工作电压,往往由几十个单体电池串联成电池组。
一、工作原理
氢氧燃料电池工作时,向阳极和阴极分别输入氢气和氧气(或空气),氢气和氧气在电极与电解质间的界面上发生电极反应,同时向外电路输出电流。
二、电极反应
若电解质溶液是碱、盐溶液则
负极反应式为:
2H2+4OHˉ-4eˉ==4H20
正极为:
O2+2H2O+4eˉ==4OHˉ
若电解质溶液是酸溶液则
负极反应式为:
2H2-4eˉ=4H+(阳离子)
正极为:
O2+4eˉ+4H+=2H2O
三、优缺点
1、优点
(1)发电效率高
传统的大型火力发电效率为35%~40%。
氢氧燃料电池的能量转换效率可高达60~80%,为内燃机的2~3倍;此外,火力发电必须达到一定规模后才具有较高的发电效率,而燃料电池的发电效率却与规模无关。
(2)发电环境友好
发电时不会排放尘埃,二氧化硫,氮氧化物和烃类等火力发电时会排放的污染物。
并且氢氧电池按电化学原理工作,运动部件很少。
因此工作时安静,噪音很低。
(3)动态响应性好、供电稳定
燃料电池发电系统对负载变动的影响速度快,无论处于额定功率以上的过载运行或低于额定功率的低载运行,它都能承受,并且发电效率波动不大,供电稳定性高。
(4)自动运行
氢氧燃料电池发电系统是全自动运行,机械运动部件很少,维护简单,费用低,适合做偏远地区、环境恶劣以及特殊场合(如空间站和航天飞机)的电源。
(5)积木化
氢氧燃料电池电站采用模块结构,由工厂生产各种模块,在电站的现场集成,安装,施工简单,可靠性高,并且模块容易更换,维修方便。
(6)燃料来源广泛
氢气可由水电解制取,不依赖石油燃料。
水取之不尽,而且每kg水可制备1860升氢氧燃气。
(7)安全性高
氢气分子量为2,仅为空气的1/14,因此,氢气泄漏于空气中会自动逃离地面,不会形成聚集。
而其他燃油燃气均会聚集地面而构成易燃易爆危险。
2、缺点
氢气的制备、存储难。
以氢燃料汽车为例,一辆5人座氢燃料电池驱动的轿车行驶500千米约需4千克氢气,油箱的体积是50~60升,因此体积储氢密度必须达到67~80千克/立方米。
美国能源署曾提出单位质量储氢密度达6.5%、单位体积储氢密度达62千克/立方米的最低储氢要求。
因此,储氢技术是氢能应用的关键。
一旦储氢技术成熟,制约氢能应用的桎梏将被打破,氢能在新能源汽车、新型燃料电池等领域将大有作为。
美国南加州大学化学教授特拉维斯·威廉姆斯(TravisWilliams)与利用硼烷氨络合物制成了一种无毒化学材料,可以作为一种稳定的固体储存氢气。
研究小组还发明了一系列催化系统,保证用户可源源不断的获取氢气。
整套设备非常轻便,能效极高,应用范围广,摩托车、汽车、飞机等都能使用。
四、分类
氢氧燃料电池按电池结构和工作方式分为离子膜、培根型和石棉膜三类。
①离子膜氢氧燃料电池:
用电池放电时,在氧电极处生成水,通过灯芯将水吸出。
这种电池在常温下工作、结构紧凑、重量轻,但离子交换膜内阻较大,放电电流密度小。
②培根型燃料电池:
属碱性电池。
这种电池能量利用率较高,但自耗电大,起动和停机需较长的时间(起动需24小时,停机17小时)。
③石棉膜燃料电池:
也属碱性电池。
这种电池的起动时间仅15分钟,并可瞬时停机。
3、燃料电池汽车的发展
我国在燃料电池汽车方面的研究开展较早,上世纪90年代初,许多科研院所就已经开始研究和示范质子交换膜燃料电池及其在车上的应用。
并且,我国已经开始“氢能的规模制备、储运及相关燃料电池的基础研究”(即氢能973项目),正在进行“十五”氢能项目和“863”燃料电池汽车重大专项。
据浙江日报报道,浙江省第一辆用氢能源驱动的汽车,功率5千瓦、12座,一罐40升的氢气能够让这辆游览车满载跑180公里。
外国一些氢燃料电池车的发展:
奔驰2014年量产氢燃料电池车称安全无忧;宝马推出世界第一款供日常使用的氢动力豪华高性能轿车BMW氢能7系,不仅是宝马集团,也是整个汽车与能源行业向不依赖矿物燃料的可持续机动化产业时代迈进的一个里程碑......
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