第十一单元跨学科实践活动10 调查我国航天科技领域中新型材料、新型能源的应用---2024-2025学年九年级化学人教版(2024)下册

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 一、项目背景 航天科技是衡量国家综合实力的重要标志，其发展高度依赖新型材料与新型能源技术的突破。我国航天工程（如载人航天、探月工程、火星探测等）中，新型材料（如耐高温合金、复合材料）和新型能源（如太阳能电池、氢氧燃料电池）的应用显著提升了航天器的性能、可靠性和续航能力。本项目结合化学知识（如材料组成、能量转化原理），引导学生通过调查与分析，理解航天科技中化学技术的核心作用。 二、项目目标 1. 了解我国航天科技领域中新型材料（如耐高温材料、轻质复合材料）和新型能源（如太阳能、氢能）的主要类型； 2. 掌握新型材料与新型能源在航天器中的具体应用场景及其化学原理； 3. 通过案例分析，总结化学技术对航天科技发展的推动作用，并提出对未来航天材料与能源的展望。 三、项目任务与问题设计 任务一：航天科技中的新型材料应用 [项目指引]航天器在极端环境（如高温、高压、强辐射）下运行，需依赖特殊性能的材料支撑其结构与功能。新型材料的应用显著提升了航天器的耐受性与轻量化水平。 1. 耐高温材料的应用 (1) 火箭发动机燃烧室温度可达3000℃以上，传统金属材料难以承受。我国研制的_________（填“钨合金”“碳碳复合材料”或“钛合金”）因其_________（填“高熔点”“低密度”或“耐腐蚀”）特性，被用于制造火箭喷管喉衬，可承受3000℃以上的高温。 (2) 返回舱再入大气层时，表面与空气剧烈摩擦产生高温（约1000~1500℃）。我国采用_________（填“烧蚀材料”“陶瓷涂层”或“玻璃钢”）作为防护层，其原理是通过_________（填“熔化吸热”“化学反应吸热”或“辐射散热”）带走热量，保护舱内设备。 2. 轻质复合材料的应用 (1) 卫星与空间站需减轻结构重量以降低发射成本。我国空间站舱段大量使用_________（填“铝合金”“碳纤维复合材料”或“钛合金”），其密度仅为钢的1/5，抗拉强度却达到钢的5倍，显著提升了载荷能力。 (2) 空间站太阳能电池翼采用_________（填“聚酰亚胺薄膜”“玻璃纤维”或“硅橡胶”）作为基体材料，其优点是_________（填“耐辐射”“高导电性”或“柔韧性优异”），可在太空极端环境下保持稳定性能。 任务二：航天科技中的新型能源应用 [项目指引]航天器的能源供应需满足长时间、高效率、轻量化的需求。新型能源（如太阳能、氢能）通过化学能转化技术，成为航天科技的核心动力来源。 3. 太阳能电池的应用 (1) 我国航天器普遍采用_________（填“单晶硅”“多晶硅”或“砷化镓”）太阳能电池，其光电转化效率可达30%~35%，远高于传统化石能源。 (2) 砷化镓（GaAs）太阳能电池的化学优势在于：GaAs的禁带宽度（1.4eV）高于硅（1.1eV），可吸收更宽波段的太阳光（包括可见光与近红外光），在太空强辐射环境下_________（填“稳定性更高”“成本更低”或“重量更轻”）。 4. 氢氧燃料电池的应用 (1) 我国新一代载人飞船试验船首次应用_________（填“氢氧燃料电池”“锂电池”或“太阳能电池”）作为辅助能源，其能量密度（700~800 Wh/kg）远高于锂电池（300~400Wh/kg），可满足飞船在轨长时间运行的需求。 (2) 氢氧燃料电池的工作原理为氢气（H₂）与氧气（O₂）通过电化学反应直接生成水，化学方程式为_________，其优点是_________（填“无污染”“能量转化效率高”或“可再生”）。 任务三：综合分析与展望 [项目指引]结合新型材料与新型能源的应用案例，分析化学技术对航天科技发展的推动作用，并提出未来可能的技术方向。 5. 综合分析 (1) 新型材料与新型能源的应用如何解决航天器面临的_________（填“高温防护”“能源供应”或“结构轻量化”）问题？请结合具体案例说明（至少列举两个案例）。 (2) 从化学角度，未来航天科技可能在哪些方面实现突破？_________（写出两点，如“开发更高效率的太阳能电池材料”“研制可重复使用的耐高温涂层”）。 (3) 结合我国航天成就（如空间站建设、火星探测），谈谈化学技术在航天领域的核心价值_________（从“保障安全性”“提升性能”或“降低成本”中选择至少两点）。 四、参考答案 任务一：航天科技中的新型材料应用 1. (1) 碳碳复合材料；高熔点； (2) 烧蚀材料；熔化吸热 2. (1) 碳纤维复合材料； (2) 聚酰亚胺薄膜；耐辐射 任务二：航天科技中的新型能源应用 3. (1) 砷化镓； (2) 稳定性更高 4. (1) 氢氧燃料电池； (2) 2H₂ + O₂ = 2H₂O；无污染（或能量转化效率高） 任务三：综合分析与展望 5. (1) 示例： - 高温防护：碳碳复合材料用于火箭喷管喉衬，承受3000℃以上高温；烧蚀材料用于返回舱防护层，通过熔化吸热保护舱内设备。 - 能源供应：砷化镓太阳能电池应用于卫星，光电转化效率达30%~35%；氢氧燃料电池用于载人飞船，能量密度达700~800Wh/kg。 - 结构轻量化：碳纤维复合材料用于空间站舱段，密度仅为钢的1/5，抗拉强度为钢的5倍。 (2) 示例： - 开发更高效率的太阳能电池材料（如钙钛矿太阳能电池）； - 研制可重复使用的耐高温涂层（如自修复陶瓷涂层）； - 突破氢能储存与运输技术（如轻质储氢材料）。 (3) 示例： - 保障安全性：耐高温材料（如碳碳复合材料）保护火箭发动机，烧蚀材料确保返回舱安全再入； - 提升性能：砷化镓太阳能电池提高光电转化效率，氢氧燃料电池延长飞船续航时间； - 降低成本：轻质复合材料（如碳纤维）减少发射重量，降低燃料消耗。 学科网（北京）股份有限公司 $$