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(共42张PPT)
人教版九年级化学同步教学课件
第十一单元 化学与社会
跨学科实践活动10
调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用
学习目标：
1.了解新型材料和新型能源在我国航天科技领域中的应用。
2. 加深对物质的性质与应用、能量的转化和转移等的认识。
3. 形成创新意识，进一步树立民族自豪感。
新课引入
“神舟”问天
“嫦娥”探月
“北斗”指路
“祝融”探火
“羲和”逐日
“天和”遨游星辰
“悟空”“慧眼”探索宇宙奥秘
任务一 了解我国宇航产品的基本情况
一. 运载火箭
1.长征系列:长征系列运载火箭是我国自主研制的运载火箭系列，已发展出两代产品。如长征一号是一型三级运载火箭，由两级液体火箭和一级固体火箭构成，1970年4月24日首飞，将东方红一号卫星成功送入轨道。长征二号F用于发射载人飞船等，具有高可靠性。长征五号是二级半构型，为我国目前运载能力最强的火箭之一，承担地球同步轨道重型卫星等发射任务。
2.民营火箭:如星河动力航天公司的谷神星二号R，是我国首枚民营可回收火箭，2025年2月15日成功发射并实现第一级火箭在海上回收平台的精准着陆。
二. 航天器
1. 载人飞船:神舟系列载人飞船是我国自行研制、具有完全自主知识产权的载人航天器，可将航天员安全地送入太空并返回。从神舟一号到神舟十八号，不断进行技术改进和完善，具备了天地往返、太空出舱、交会对接等多种能力.
2. 空间站:中国空间站包括天和核心舱、问天实验舱、梦天实验舱等，可支持航天员长期在轨驻留，开展大量空间科学实验和技术试验，为我国太空探索和空间应用等提供了重要平台。
3. 卫星:包括通信卫星如中星系列，用于实现通信广播等功能;遥感卫星如高分系列，可进行高分辨率对地观测;导航卫星如北斗卫星导航系统的卫星，为全球用户提供定位、导航和授时服务等。
4. 可重复使用试验航天器:2020年9月4日，我国首次进行可重复使用试验航天器发射，在轨2天后成功返回着陆。2022年8月5日和2023年12月14日又分别进行发射，标志着我国在航天器重复使用技术方面取得重要突破。
三. 航天探测器
1.月球探测器:嫦娥系列探测器，如嫦娥一号实现了我国月球探测零的突破，嫦娥五号成功实现月球采样返回，带回了珍贵的月球样品。
2. 火星探测器:天问一号探测器由环绕器、着陆器和巡视器组成，一次性实现了“绕、着、巡”三大目标，成功登陆火星并开展探测任务，使我国在火星探测领域取得重大进展。
我国宇航产品
我国宇航产品的基本情况小结
运载火箭
航天器
长征系列
民营火箭
航天探测器
月球探测器
火星探测器
载人飞船
空间站
卫星
可重复使用试验航天器
任务二了解宇航产品的材料选择
宇航产品材料的选择至关重要，需综合多方面因素，以下是一些主要考量:耐高温性能；耐低温性能；强度和刚度；抗辐射性能；化学稳定性；低密度；可加工性；相容性等。
一.主体结构的材料选择
1. 金属材料.
(1)铝合金:具有密度低、比强度高、导电性和导热性良好、加工性能佳等优点，能有效减轻飞行器重量，提高运载能力和燃油效率，广泛用于制造机翼、机身结构件等，如2024铝合金、7075铝合金。
(3)高温合金:在高温下有良好的强度、抗氧化和抗热腐蚀性能，主要用于航空发动机的燃烧室、涡轮叶片等高温部件，如 Inconel 718合金。
(2) 钛合金:比强度更高，耐高温、耐腐蚀性能出色，但成本高、加工难度大，常用于制造航空发动机的压气机叶片、盘件，以及机身的高温部位和承力结构件，如TC4钛合金。
2.复合材料
(1)碳纤维复合材料:比强度和比模量极高，可设计性强，能通过调整纤维铺层方向和比例满足不同力学性能要求，还具良好的抗疲劳和耐腐蚀性能，用于制造机翼、机身、尾翼等，可大幅减重并提高结构性能。
(2)玻璃纤维复合材料:成本较低，绝缘性能和抗腐蚀性能好，但比强度和比模量低于碳纤维复合材料，常用于制造一些对重量要求不特别苛刻、需良好绝缘或抗腐蚀性能的部件，如飞机的雷达罩、内饰件等。·芳纶纤维复合材料:具有高韧性、高抗冲击性能和良好的阻燃性，常与碳纤维或玻璃纤维混合使用，增强结构的抗冲击和抗撕裂能力，用于制造飞机的地板、舱门等部件。
(3)陶瓷基复合材料
具有极高的耐高温性能、良好的抗氧化和抗热冲击性能，可用于制造航天飞机的机翼前缘、发动机的热端部件等极端高温环境下的部件。但存在脆性大、制备工艺复杂等缺点，通过纤维增韧等技术可改善其性能。 此外，在微机电系统(MEMS)等宇航产品的微小结构中，单晶硅等半导体材料也常被用于制造传感器、执行器等部件，利用其良好的机械性能、电学性能和微加工性能。
二.外部涂层的材料选择
宇航产品外部涂层的材料选择至关重要，以下是一些常见的材料及其特点。
1. 热控涂层.
(1)白漆涂层:以有机树脂为基料，添加白色颜料如二氧化钛等制成。能高效反射太阳辐射，发射率较高，可有效控制航天器表面温度，广泛用于航天器外表面。
(2) 多层隔热材料:由镀铝聚酯薄膜、玻璃纤维布等多层材料组成，通过高反射率的金属层和低热导率的介质层，实现良好的隔热效果，常用于航天器的低温系统和需要严格温度控制的部件。
2.防腐蚀涂层
(1)有机防腐涂层:如环氧涂层、聚氨酯涂层等，具有良好的附着力和耐腐蚀性，能在金属表面形成保护膜，防止氧气、水汽等侵蚀，可用于航天器的金属结构部件。
(2)金属涂层:如镀镉、镀镍等，通过电镀等方法在金属表面形成一层金属保护膜，提高耐腐蚀性和耐磨性，常用于航天器的关键金属部件。
3. 耐烧蚀涂层
(1)碳基耐烧蚀涂层:以碳纤维、碳纳米管等为增强体，以树脂或陶瓷为基体，在高温下能通过热解、升华等方式消耗热量，保护航天器结构，用于航天器的再入舱、发动机喷管等部位。
(2)陶瓷基耐烧蚀涂层:由陶瓷材料如碳化硅、氮化硅等制成，具有高熔点、高强度和良好的抗热冲击性能，可在超高温环境下保持稳定，有效抵御烧蚀。
4.防静电涂层
(1)导电聚合物涂层:具有良好的导电性和稳定性，能将航天器表面的静电及时导走，防止静电积累引发的放电现象，保护航天器的电子设备和系统。
(2)金属氧化物涂层:如氧化铟锡涂层，具有透明性好、导电性强的特点，可用于航天器的光学窗口、太阳能电池板等部位，既能防静电又不影响光学和电学性能。
任务三了解宇航产品的能源选择
一. 火箭的能源
火箭的能源主要是指推进剂，其选择取决于任务需求、性能要求等多方面因素，以下是常见的火箭能源类型：
1. 化学能推进剂
(1) 液氧煤油:液氧作为氧化剂，煤油作为燃料。成本较低、来源广泛，能量性能较好，燃烧效率较高，能产生较大的推力，且相对安全可靠，如我国的长征五号、长征七号等火箭都使用了液氧煤油发动机，适用于各种规模的航天发射任务。
(2)液氧液氢:液氧和液氢组合的比冲很高，能量密度大，燃烧产物是水，无污染，是一种高性能的推进剂组合，常用于大型运载火箭的上面级，如美国的“土星五号”火箭、我国的长征三号甲系列火箭等。但液氢的储存和运输难度大，成本高。
(3)偏二甲肼/四氧化二氮:偏二甲肼作为燃料，四氧化二氮作为氧化剂，具有较高的能量密度，可常温储存，使用方便，能在短时间内完成发射准备，且可实现多次启动，缺点是有剧毒，对环境有污染，我国的长征二号F火箭等曾使用这种推进剂.
2. 其他潜在能源
(1) 核能:理论上核能可提供巨大能量，能使火箭获得更高的速度和更远的航程。如核热推进，利用核反应堆产生的热量加热推进剂使其膨胀做功，可大幅提高火箭的比冲，但技术难度高、安全性和放射性防护问题复杂，目前仍处于研究阶段。
(2)电推进:利用电能加速和喷射工质产生推力，常见的有离子推进、霍尔推进等。其比冲很高，可大大提高火箭的效率和有效载荷比，但推力较小，通常用于卫星的姿态控制、轨道调整以及深空探测任务中的小推力长时间加速等，不适合作为火箭发射初始阶段的主要能源。
二. 航天器开展工作的能源
航天器开展工作的能源除了前面提到的化学能、核能外，还有以下几种:
(1)原理： 航天器上的太阳能电池板主要利用光电效应将太阳能转化为电能。当太阳光照射到太阳能电池材料上时，材料中的电子吸收光子能量，从价带跃迁到导带，形成电流，从而实现光能到电能的转换。
1. 太阳能
在航天器开展工作中，太阳能起着至关重要的作用。
(2)优势：①可持续性:只要航天器处于光照区域，就能持续获取太阳能，为其长期在轨工作提供稳定的能源支持。②清洁无污染:太阳能是一种清洁能源，不会产生废弃物或污染物，对太空环境友好，不会像化学能源那样存在燃料泄漏等风险。③质量轻:相较于携带大量化学燃料的能源系统，太阳能电池板和相关储能设备的质量相对较轻，可以减少航天器的发射质量，降低发射成本。
(3)应用：①主要能源供应:对于大多数近地轨道卫星，太阳能是其主要的能源来源。太阳能电池板将太阳能转化为电能后，一部分直接为卫星的电子设备、通信系统、姿态控制系统等供电，另一部分则存储在蓄电池中，以备在卫星进入地球阴影区等无光照时段使用。
②特殊应用:在一些需要在太空中长期运行的探测器上，如火星探测器等，太阳能不仅用于提供日常工作所需的电能，还用于为探测器的加热系统供电，以保证探测器在寒冷的太空环境中能够正常工作。
(4)技术挑战：①效率提升:提高太阳能电池的光电转换效率一直是研究的重点，以在有限的面积和质量下获取更多的电能。
②空间环境适应性:太空环境中的高能粒子辐射、高低温交变等因素会使太阳能电池性能下降，需要研发抗辐射、耐高低温的太阳能电池材料和封装技术。
③阴影问题:航天器在轨道运行中会周期性地进入地球阴影区，这就需要合理设计储能系统，确保在无光照期间航天器仍能正常工作。
2. 机械能
(1)飞轮储能系统:通过电机驱动飞轮高速旋转储存机械能。当航天器需要能量时,飞轮减速,将机械能转化为电能释放出来。这种能源系统可快速响应航天器的功率需求变化,常用于调节航天器姿态等对能量快速响应有要求的任务。
(2)弹簧储能装置:利用弹簧的弹性势能储存能量,在特定情况下,弹簧释放弹性势能转化为机械能或其他形式的能量,为航天器的一些小型机构或短时间动作提供动力,如某些小型卫星的展开机构等.
3.其他形式能量
(1)压缩气体能源:将气体压缩储存在气瓶中,需要时释放气体推动执行机构工作,如用于航天器的姿态控制喷气装置、一些阀门的驱动等。这种能源系统简单可靠,可在短时间内提供一定的动力,但能量密度相对较低。
(2)热电材料:基于塞贝克效应,利用航天器不同部位的温差产生电能,可作为辅助能源为一些对功率要求不高的部件供电,如用于监测航天器局部环境的小型传感器等。
任务四设想航天科技领域中未来的新型材料和能源
一. 新型材料
1.碳纳米管材料:碳纳米管具有极高的强度、刚度和导热性，重量却极轻。未来可用于制造航天器的结构部件，如机身、机翼等，能大幅减轻重量，提高燃料效率和有效载荷能力，还可用于制造高性能的天线、传感器等部件，提升航天器的功能和性能。
2.金属泡沫材料:金属泡沫是一种具有多孔结构的金属材料，兼具金属和泡沫的特性，有良好的吸能、减震、隔音效果，还具有较高的比强度和比刚度。可用于航天器的隔热、缓冲部件，保护航天器和内部设备在发射和运行过程中免受冲击和振动的影响.
3.智能材料:如形状记忆合金、压电材料等，能够感知环境变化并做出相应的响应。形状记忆合金可用于航天器的展开机构，在不同温度环境下自动恢复到预设形状;压电材料可将机械能转化为电能，用于能量收集，或作为传感器和驱动器，实现航天器的智能监测和控制.
二.新型能源
1.巨大的能量，其能量释放效率远高于目前已知的任何能源。若能解决反物质的产生、储存和控制等技术难题，反物质能源将为航天器提供超强的动力，使星际旅行等超远距离的航天任务成为可能。
2.量子能源:利用量子领域的特殊现象，如量子隧穿、量子纠缠等开发新型能源技术。例如，通过量子隧穿效应实现能量的高效传输和转换，或利用量子纠缠实现能源的远程传输，为航天器在太空中获取和利用能源提供全新的方式。
3.暗物质能源:暗物质占宇宙物质的大部分，但目前对其性质和作用机制了解甚少。若能深入研究暗物质，找到利用暗物质释放能量的方法，将为航天领域带来取之不尽、用之不竭的能源，彻底改变航天能源的格局.
经典例题
B
例1.下列金属材料中，常用于航天领域的是（ ）
A. 纯铁 B. 铝合金 C. 青铜 D. 铅锡合金
【解析】A 选项纯铁的密度较大，不符合航天领域对材料质量轻的要求，而且纯铁易生锈，耐腐蚀性能相对较差，所以纯铁不常用于航天领域，A错误。B 选项铝合金具有密度小、质量轻的特点，能有效减轻航天器的重量;同时铝合金强度较高，能满足航天领域对材料强度的要求，并且其耐腐蚀性能也较好，适合在复杂的太空环境中使用，所以铝合金常用于航天领域，B正确。C选项青铜是铜锡合金，其密度较大，质量相对较重，不利于航天器的轻量化设计，且在一些性能方面不如铝合金适合航天领域，所以青铜不常用于航天领域，C错误。D选项铅锡合金密度较大， 同样不符合航天领域对材料质量轻的需求，所以铅锡合金不常用于航天领域，D错误。
例2.下列航天员太空餐食物中富含糖类的是( )
A.鱼香肉丝 B.宫保鸡丁 C.什锦炒饭 D.黑椒牛柳
C
【解析】A、鱼香肉丝中主要含有的营养物质是蛋白质和维生素，选项不符合题意: B、宫保鸡丁中主要含有的营养物质是蛋白质和维生素，选项不符合题意: C、什锦炒饭中主要含有的营养物质是糖类，选项符合题意; D、黑椒牛柳主要含有的营养物质是蛋白质，选项不符合题意。故选C。
例3.硼纤维有较好的耐热性，不与氯气和水反应，可与某些金属制成新型材料，在1200℃时氯化硼(BCl3)蒸气与干燥纯净的氢气反应可制得硼和氯化氢。下列说法不正确的是（ ）
A.该反应中只有两种物质为气态 B.氯化硼可能会与水反应
C.含硼纤维的材料有耐热性 D.该反应需要在隔绝空气的条件下进行
【解析】A选项在反应BCl3(g) + 3H2(g)==2B(s) +6HCl(g)中，BCl3和H2是反应物，为气态，HCI是生成物，为气态，所以有三种物质为气态，A错误。B选项题干中明确提到硼纤维不与水反应，而这里说的是氯化硼，根据题意无法得出氯化硼是否与水反应。C选项题干中明确指出硼纤维有较好的耐热性，所以含硼纤维的材料有耐热性，C正确。D选项因为氢气与空气混合加热可能会发生爆炸，且反应中有氢气参与，所以该反应需要在隔绝空气的条件下进行，D正确。故本题答案为:A。
A
例4.北京时间2024年10月30日4时27分，神舟十九号载人飞船乘夜色飞向浩瀚太空，发射取得圆满成功。神舟十九号航天员乘组顺利入驻“天宫”与神舟十八号航天员乘组会师。液氢、液氧可用作神舟飞船运载火箭的推进剂，下列说法不正确的是( )
A.火箭升空是化学能转化为内能并最终转化为机械能的结果
B.用液氧来做推进剂是利用了液态氧的可燃性
C.液氢是高能清洁燃料，其本身无毒，燃烧产物是水，热值很大
D.运载火箭的铝合金外壳具有密度小、耐腐蚀、强度高的特性
【解析】A、液氢燃烧时，化学能转化为内能，内能并最终转化为机械能，从而推动火箭升空，故说法正确:B、氧气具有助燃性，没有可燃性，故说法错误;C、氢气燃烧生成水，无污染且热值大，本身无毒，是最清洁的能源，故说法正确:D、铝合金具有硬度大、密度小、强度高、耐腐蚀等优点，可作制造汽车的特殊材料，可用于制作航天器外壳，故说法正确。故选B。
C
例5.科技是第一生产力，近年来我国在科技领域取得了一系列辉煌成就。
（1）“福建号”航母在建造过程中大量使用特种钢。该特种钢的耐腐蚀性能比纯铁的______（填“好”或“差”）。
（2）“天舟号”货运飞船换装了以LiFePO4作正极材料的新型锂电池。已知LiFePO4中Li为+1价，PO43－为－3价，则其中Fe的化合价为________。
（3）“嫦娥号”月球登陆器表面覆盖了由聚酰亚胺和铝箔构成的多层保温材料。
① 聚酰亚胺属于有机合成材料。聚酰亚胺中一定含有的元素是_____（填元素符号）、H、O、N等。
② 铝块可以制成铝箔是利用了铝的 （填“导电”或“延展”）性。
（4）“长征五号”大推力运载火箭助力我国天宫空间站建设。该火箭助推器使用煤油（含C11H24、C12H26、C13H28等分子）作燃料，液氧作助燃剂。
① 煤油属于_____________（填“纯净物”或“混合物”）。
② 煤油在氧气中充分燃烧，产物的化学式为____________。
【解析】第(1)问特种钢是一种铁合金，合金比组成它的纯金属耐腐蚀性能更好。看到特种钢是铁合金，所以该特种钢的耐腐蚀性能比纯铁的好。故本问答案为:好。第(2)问在LiFePO4中，已知Li的化合价为+1价，PO为-3价，设铁元素化合价为x，根据化合物中正负化合价代数和为0，则有(+1)+x+(- 3) = 0，解得x =+2。故本问答案为:+2。第(3)问①聚酰亚胺属于有机合成材料，属于有机物，有机物一定含有碳元素，所以聚酰亚胺中一定含有的元素是C、H、O、N等中的C。故本小问答案为: C。② 铝块可以制成铝箔，这是利用了铝的延展性。故本小问答案为:延展。第(4)问① 煤油中含有C11H24、C12H26、C13H28等多种分子，由多种物质组成的属于混合物。故本小问答案为:混合物。②煤油中的物质是由碳元素与氢元素组成的，由质量守恒定律可知，煤油在氧气中充分燃烧，碳元素与氧结合生成二氧化碳 CO2，氢元素与氧结合生成水H2O。
【答案】（1）好 （2）+2 （3）C 延展（4）混合物 CO2、H2O
1.理解了新型材料和新型能源在我国航天科技领域中的应用。
2. 加深对物质的性质与应用、能量的转化和转移等的认识。
3. 逐步形成创新意识，进一步树立民族自豪感。
课堂小结：
1.2024年4月25日，神舟十八号载人飞船发射取得圆满成功，顺利进驻中国空间站。下列相关知识叙述正确的是( )
A.航天服中的废气处理系统装入具有吸附性的活性炭进行净化
B.航天食品中的脱水米饭富含蛋白质
C.制造太阳能电池板需要铝合金片，铝合金属于合成材料 D.空间站内的氧气是通过液态空气发生化学变化来制备
【解析】A、活性炭具有吸附性，能处理废气，该选项叙述正确；B、米饭中富含糖类，该选项叙述不正确；C、铝合金属于金属材料，该选项叙述不正确;D、利用液氮和液氧的沸点不同，可将液态空气进行分离得到氧气，过程中没有新物质生成，属于物理变化，该选项叙述不正确。故选A。
A　
提优训练
2.2024年4月30日，神舟十七号载人飞船在东风着陆场成功着陆，航天员汤洪波、唐胜杰、江新林安全顺利出舱。作为返回舱选用的材料最大的优点是( )
A.耐高温 B.防腐蚀
C.硬度小 D.密度大
【解析】返回舱着陆前会因剧烈摩擦而产生大量热，因此舱体材料应具有良好的耐高温性能，以防止舱体在高温下熔化、升华，则作为返回舱选用的材料最大的优点是耐高温。故选A
A　
【解析】A、一般合金的硬度大于其组成中纯金属的硬度，黄铜的硬度比纯铜的大，故A不符合题意;B、生铁是含碳量为2%-4.3%的铁合金，钢是含碳量为0.03%~2%的铁合金，生铁的含碳量比钢高，故B不符合题意;C、合金的熔点小于其组成中纯金属的熔点，则青铜的熔点比纯铜低，故C符合题意: D、铝合金硬度大、耐腐蚀性强，被广泛用于火箭、轮船等制造业，故D不符合题意。故选C。
C　
3．2024年10月30日,“神舟十九号”的成功发射彰显了中国航天的力量。在航天科技中会用到大量金属材料。下列有关金属材料的说法错误的是( )
A.黄铜的硬度比纯铜的大 B.生铁的含碳量比钢的高
C.青铜的熔点比纯铜高 D.铝合金被广泛用于火箭、轮船等制造业
4.2024年4月25日，神舟十八号飞船成功发射。“天宫空间站”采用了众多先进科技，如形状记忆金属钛镍合金天线，以稀有气体“氙”作为动力的推进器，分别以环氧树脂和碳纤维为基体材料与增强材料的防热夹层等。下列有关说法不正确的是( )
A.天宫空间站钛镍合金天线属于合成材料
B.防热夹层材料属于复合材料
C.宇航服的制作材料氯丁尼龙胶布、聚酯纤维薄膜是合成材料
D.空间站的外壳为钛合金，具有耐低温、强度高的特点
【解析】金属材料包括纯金属和合金，因此钛镍合金制成的天线属于金属材料，A错误:防热夹层材料中的环氧树脂和碳纤维属于复合材料，B正确;宇航服的制作材料氯丁尼龙胶布、聚酯纤维薄膜均属于合成材料，C正确;太空温差大，空间站的外壳为钛合金，具有耐低温、强度高的特点，D正确。
A　
5.“上能九天揽月，下能五洋捉鳖”说的是哈工大、哈工程两所大学雄厚的科研实力。作为“国防七子”中的这两所大学，为我国国防事业的发展做出巨大贡献。
(1)太空飞船利用太阳能发电提供电力，请写出太阳能电池储电的能量转化过程是:太阳能→___________→____________.
(2)哈工大打造或参与的国之重器有紫丁香二号模型、龙江二号模型、嫦娥五号模型、祝融号火星车模型、FAST模型,这些国之重器都使用了钛合金、铝合金等材料,合金属于_______(填物质类别)。
(3)我国“蛟龙”号载人潜水器关键部件一一供人活动的耐压球壳体是用钛合金制造的。钛合金的优良性能有___(填字母)等。
A，强度高、抗腐蚀性能好 B，硬度小、密度小
(4)我国钛等储量居世界前列。工业制钛流程中的一步反应是:H2TiO3==X+H2O，则X的化学式为___，在此反应反应前后，钛元素的化合价(填“升高”或“降低”或“不变”)。
【解析】(1)太空飞船利用太阳能发电提供电力，太阳能电池储电的能量转化过程为:太阳能→电能→化学能;(2)合金是一种金属与另一种或几种金属或非金属在熔融状态下形成的具有金属特性的混合物，故填:混合物;(3)钛合金能用于制造“蛟龙”号载人潜水器，说明钛合金强度高、抗腐蚀性能好:故选A:(4)化学反应前后原子种类及个数不变，结合方程式可知:反应前有2个氢原子,1个钛原子,3个氧原子;反应后有2个氢原子，1个氧原子，所以反应后少了1个钛原子和2个氧原子，则的化学式为TiO2;
【答案】(1) 电能 化学能 (2)混合物 (3)A (4) TiO2: 不变
化学就象你头顶上的果实，
只要肯稍作努力，成功的
甜蜜就属于你！
祝你成功！
谢谢聆听
第十一单元 化学与社会
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