《工化材料知识》PPT课件.ppt

2020年3月23日6时2分 第五章无机工程材料中的化学知识 5 1金属材料中的化学知识 了解 大多数金属元素最外层的s电子少而次外层d电子多 原子半径大 电离能小易失去电子 因而具有还原性 传统上把金属材料中的铁 铬 锰及其合金称为黑色金属材料 钢铁以外的金属称为有色金属 有色金属分为 轻金属 铝 镁 钛等金属及其合金 重金属 铜 镍 铅 锌 锡等金属及其合金 稀有金属 高熔点金属 钨 钼铌 钽 镐 铪 铼等金属及其合金 2020年3月23日6时2分 5 1 2合金及其类型 从矿物中提炼金属的过程称为冶炼 冶炼方法一般有 了解 热分解法 2HgO 2Hg O2 不活泼金属 还原法 ZnO C Zn CO 较活泼金属 Cr2O3 2Al Al2O3 2Cr电解法 2NaCl 融熔 电解2Na Cl2 活泼金属 2020年3月23日6时2分 纯金属有很好的塑性 导电性和导热性 但它们的强度 硬度都较低 性能单一 资源有限 价格高 所以实际应用的通常都是合金 2020年3月23日6时2分 一 混合物合金 理解 混合物合金是多种金属晶体混合而成的机械混合物 在显微镜下可观察到它们各自的晶体 1 混合物合金的导电 导热性等性质是其各组分金属的平均值 2 混合物合金的熔点低于任一组元金属 例如焊锡用的锡铅合金就是混合物合金 2020年3月23日6时2分 二 固溶体合金 理解 固溶体合金是在凝固时也相互 溶解 在一起的 一般有取代 置换 型和间充 间隙 型两种 纯金属取代型合金间充型合金 2020年3月23日6时2分 1取代型 一般说来 固溶体合金的溶剂和溶质的原子半径相差不大的金属容易形成取代型固溶体 例如 黄铜就是锌原子部分地取代了溶剂铜原子 2间充型 当原子半径小 r溶质 r溶剂 0 59 的溶质原子 如H B C N O等易钻入溶剂金属的空隙中去 形成间隙型固溶体 2020年3月23日6时2分 无论是取代型还是间隙型固溶体 基本上保持溶剂金属的性质 但硬度有所增强 韧性有所降低 例如黄铜比紫铜硬一些 脆一些 铁中溶入碳0 12 0 20 硅0 40 0 60 锰1 30 1 60 就能做成16Mn锰钢 强度和硬度大大地增强 引起固溶体强化的主要原因是溶质的溶入引起金属晶体的晶格扭曲畸变 致使晶体所变形抗力增大 2020年3月23日6时2分 三 金属型化合物合金 理解 金属化合物合金是溶质在金属中溶解饱和后 溶质和金属生成具有正常化合价或不符合正常化合价的化合物 这些化合物和金属固溶体生成的合金称金属化合物合金 金属化合物合金的熔点常比组分的金属更高 硬度 脆度也更大 例如 Mg2Si在铝合金中起强化作用 在钢中含有FeS 就会引起脆性 2020年3月23日6时2分 5 1 3副族元素碳化物等金属型化合物的形成和应用 了解 C N B等P区比较小的元素溶于铁后形成间隙式固溶体 超过极限的那部分与金属形成化合物 如Fe3 Fe4N Fe3N Fe2N Fe2B FeB等 从书上表5 1可以看出d区元素的碳化物的熔点 硬度 和稳定性温度范围在同一周期中自左向又逐渐降低 这是金属的d电子越少与碳的形成本的化学键越牢固 熔点就越高 硬度就越大 铜的d轨道已充满 即使在较高的温度下也不能形成化合物 因此在钢渗碳时 可用镀铜的方法来保护那些不需要渗碳的地方 2020年3月23日6时2分 Mn溶入铁能提高钢的强度 若入少量V Nb Ti Mo W等金属 使碳化物在一定的条件下从固溶体中沉淀出来 有效地提高钢的强度 碳素钢的红硬性差 在200 250 时硬度急剧下降 在500 时已无切削能力 若加入W Mo V Cr等的碳化物 即使在500 600 仍有切削能力 由于氢原子半径小能扩散渗入钢铁内部 形成间隙型金属化合物使钢铁变脆 称氢脆 钢的氢脆会造成钢的表面硬度和内部强度的降低 2020年3月23日6时2分 5 1 6金属材料腐蚀的防止 一 防腐的重要性 了解 二 金属材料的防腐措施 2020年3月23日6时2分 二 金属材料的防腐措施 理解 正确选用金属材料1 选择性能合适的金属材料 2 易于加工成型 3 耐腐蚀 一般纯金属比合金耐腐 不锈钢是理想的耐腐材料 但对耐氟化物还不如普通结构钢 4 考虑价格和供应情况 5 考虑毒性等 替代材料有 塑料 橡胶 陶瓷 石墨 木材等 2020年3月23日6时2分 隔绝介质与金属材料表面的接触1 金属覆盖层 电镀 喷镀等 2 非金属覆盖 油漆 喷塑 搪瓷等 3 转化膜层 发蓝 发黑 电化铝等 2020年3月23日6时2分 控制环境和改善介质1 干燥空气 如用硅胶 Na2SiO3加酸得到的多聚硅酸钠 其中有CoCl2作指示剂CoCl26H2O粉红52 25 CoCl22H2O紫红90 CoCl2H2O蓝紫120 CoCl2蓝2 恒温 温度变化能使水凝聚 3 去氧封存 真空 稀有气体保护 2020年3月23日6时2分 缓蚀剂法 使溶液中产生沉淀或保护层降低腐蚀速率 1无机缓蚀剂 氧化性的有铬酸钾 重铬酸钾 亚硝酸钠 防锈水的主要成分 非氧化性的有氢氧化钠 碳酸钠磷酸钠等如3Fe2 2PO43 Fe3 PO4 22有机缓蚀剂 琼脂 糊精 胺类 乌洛托品等 2020年3月23日6时2分 电化学保护法 掌握 把金属置于腐蚀电池的阴极 防止腐蚀 1 牺牲阳极保护法把比被保护金属更活泼的金属与被保护金属相连组成腐蚀电池 这样被保护金属在阴极 不被腐蚀 被保护 活泼金属被腐蚀 阴极 O2 2H2O 4e 4OH 阳极 M ne Mn 2020年3月23日6时2分 2 外加电流阴极保护法 把被保护金属与电池的负极相连 这样保护金属 外加电流保护法和牺牲阳极保护法合用效果更佳 现在还有阳极保护法 利用阳极极化 使金属钝化 保护金属 但此法技术难度大 易弄巧成拙 谨慎使用 2020年3月23日6时2分 第二节陶瓷材料中的化学知识 5 2 1陶瓷的概念 一 陶瓷的定义和发展简介 了解 陶瓷最早是陶器和瓷器的总称 后来泛指整个硅酸盐材料和氧化物类陶瓷材料 我国是最早制造和使用陶瓷的国家 英文china就表示瓷器 现在 陶瓷材料已被看作经过高温烧结而成的所有的无机非金属材料的简称 2020年3月23日6时2分 二 陶瓷材料的特点 1 陶瓷中化学键和结构特点 了解 陶瓷晶体中粒子之间由混合型化学键键合的 既有离子键成分又有共价键成分 因此陶瓷晶体中有离子晶体和共价晶体的特征 具有熔点高 硬度大 强度大 脆性大 无延展性 热膨胀系数小等特点 2陶瓷性能的特点 掌握 优点 极好的耐热性和耐腐蚀性 缺点 脆性大 2020年3月23日6时2分 有关陶瓷的脆性 这是至今为止人们还没有完全解决的问题 需要进一步研究与探索 紧挨着我的知识躺着的 是我黑色的无知 尼采 查拉图斯特拉如是说 2020年3月23日6时2分 5 2 2陶瓷材料的显微结构特征 理解 陶瓷材料一般由晶相 气相和玻璃相组成 2020年3月23日6时2分 一 晶相陶瓷有时不止有一个晶相 有主晶相 次晶相 第三晶相 等 主晶相往往决定了陶瓷材料的化学和物理性能 晶粒的大小受材料配方和烧制条件控制 2020年3月23日6时2分 二 玻璃相玻璃相是一种非晶态的低熔点固相 陶瓷的釉层是玻璃相 瓷料的组成物和混入的杂质在烧结时常常形成玻璃相 陶瓷的组织中 玻璃相有时可达20 60 缺点 使陶瓷的机械强度降低 热稳定性差 介电损耗增加 2020年3月23日6时2分 三 气相气相是陶瓷材料中存在的气孔 在烧结过程中不可避免地被保留下来 一般占体积的5 10 以上 也可人为地制造多孔陶瓷 其含孔量达30 50 以上 优点 气孔均匀地存在 可提高陶瓷的绝热性 降低比重 缺点 气孔存在影响陶瓷的抗电击穿能力 易产生裂纹 透明度和机械强度也降低 2020年3月23日6时2分 5 2 3现代陶瓷的性能和用途简介 了解 现代陶瓷可分为结构陶瓷和功能陶瓷 一 结构陶瓷材料1 氧化铝陶瓷 Al2O3俗称刚玉 优点 硬度大 耐高温 耐骤冷热 耐氧化 绝缘 缺点 脆性大 2020年3月23日6时2分 2 氮化硅 Si3N4是原子晶体 硬度为9 导热性好 膨胀系数小 3 碳化硅SiC俗称金刚沙 硬度大 熔点高 耐腐蚀 膨胀系数小 4 氧化锆ZrO2陶瓷强度大 韧性好 熔点高 俗称陶瓷钢 2020年3月23日6时2分 功能陶瓷 了解 1 电容器陶瓷2 铁电陶瓷3 半导体陶瓷 热敏陶瓷 热敏电阻 压敏陶瓷 受压产生电动势 光敏陶瓷 把光转换成电能 气敏陶瓷 遇氧化 还原 性气体电阻发生变化 湿敏陶瓷 遇水电阻发生变化 2020年3月23日6时2分 4 磁性陶瓷磁性陶瓷又称铁氧体陶瓷 5 超导材料 低温下电阻等于零 6 智能陶瓷 能像生命一样感知客观世界 7 生物陶瓷 用于替换 修补人体器官 2020年3月23日6时2分 第六章有机化合物 6 2表面活性剂6 4有机高分子化合物 2020年3月23日6时2分 6 2 1表面张力和表面活性剂 理解 1 表面张力 即表面能 表面张力是物体表面的收缩力 通常用表面能表示它的大小 纯水在20 的表面能为0 073J M 2 大多数有机液体的表面能较小 仅0 02 0 03J M 2 2020年3月23日6时2分 2 表面活性剂水的表面张力因加入溶质而有所改变 例如无机盐 不挥发性酸 碱等能使水的表面张力增大 我们把这些能使表面张力增大的物质称为非表面活性剂 矿泉水含有大量无机盐 表面张力大 例如杭州的虎跑水上小心地放上铝分币不会下沉 就是虎跑水表面张力大的缘故 2020年3月23日6时2分 一结构特点 两亲结构 表面活性剂一般都是线性分子 它包含与水作用的较强的亲水基团 又称憎油基团 和易与 油性 烷烃等分子接近的亲油基团 又称憎水基团 表面活性剂的示意结构为 o 其中 为亲油基团 o 为亲水基团 例如硬脂酸C17H35COONa的 是 C17H35 o 是 COONa 一般可用R表示有机物的主要部分 如R COONaC C C C C C C C C C C C C C C C C COONa 6 2 2表面活性剂的结构特点和分类 掌握 2020年3月23日6时2分 二表面活性剂可分为四大类 掌握 1 阴离子型 在水中离解出起活性作用的部分是阴离子 如 烷基苯磺酸钠 2020年3月23日6时2分 2阳离子型 在水中离解出起活性作用的部分是阳离子 如 十二烷基三甲基季胺化氯 2020年3月23日6时2分 3 非离子型在水中不离解 极性基部分大多数为聚氧乙烯基结构 由所含的氧乙烯基数目来控制的它的亲水性能 如称为 平平加 的聚氧乙烯烷基醇醚R O CH2CH2O nH 2020年3月23日6时2分 4 两性型在水溶液中离解出起活性作用的部分既有阴离子又有非离子 或既有阳离子又有非离子 或既有阴离子又有阳离子 例如 蛋黄 种子中的卵磷脂 OOCR O CH2 CH CH2 O P O CH2CH2 N CH3 3 OOCR O 2020年3月23日6时2分 6 2 4表面活性剂的基本性质 理解 一 表面活性剂的临界胶束浓度 CMC 当表面活性剂溶入水中后 亲水基插入水中 亲油基翘出水面 有进入空气层的趋势 结果使表面活性剂定相聚集在水面上 这种现象称为正吸附 这现象造成表面层分子受内部拉力 使表面张力降低 2020年3月23日6时2分 当水的表面被一层活性剂分子完全覆盖后 此时再增加表面活性剂浓度 表面张力不会再降低 溶液内部憎水基团随浓度的增加而以分子间力缔合出现成团的结构 直至达到溶解平衡 这种成团结构称为 胶束 开始形成胶束的浓度称为临界胶束浓度 CMC 2020年3月23日6时2分 胶束能溶解一些不溶或微溶于水的物质 这就是所谓的表面活性剂的增溶作用 例如肥皂 硬脂酸纳 能把油污加溶于胶束之中 溶液的许多物理性质 如电导率 粘度 密度 可溶性等 在CMC处发生明显的变化 这些性质可作为测定CMC的依据 应当指出 临界胶束浓度不是一个点 而是一段浓度范围 2020年3月23日6时2分 二 表面活性剂的基本作用 理解 1 润湿作用 渗透作用 由于表面活性剂降低了水的表面张力 因此含有表面活性剂的水溶液就很容易在固体表面铺展开来而润湿整个表面 这种作用称为润湿作用 这种表面活性剂称为润湿剂 2020年3月23日6时2分 液体对固体的润湿程度通常以润湿角 的大小来表示 在0 90 内为润湿 在90 180 间为不润湿 2020年3月23日6时2分 含有表面活性剂的水溶液 能够较容易地浸透毛毡或棉絮等钎维织物或有空隙的固体内部 这种作用称为渗透作用 这种表面活性剂称为渗透剂 在农药中加入润湿剂能增强农药对植物的润湿性 提高杀菌 杀虫的效果 2020年3月23日6时2分 2乳化 分散 溶解作用在不互溶的油和水中加入一些表面活性剂 并迅速搅拌 可看到油 或水 以极小的液滴 1 50um 均匀地分散在水 或油 中 这种现象称为乳化 这个体系称为乳化液 其中以液珠形式存在的那个相称为内相或分散相或不连续相 另一个称为外相或分散介质或连续相 一般用 W 表示水相 用 O 表示有机相 用O W表示外相为水 内相为油 并称作水包油型 用W O表示外相为油 内相为水 并称作油包水型 2020年3月23日6时2分 如果液滴很小 达到肉眼看不到 乳化液变透明了 这叫做溶解 在金属切削过程中用O W型乳化液润滑 冷却刀具和工件 内燃机的燃料汽油 柴油可制成W O型乳状液 使比表面积加大 燃烧充分 2020年3月23日6时2分 了解 使乳状液失去稳定性 由分散度较高的微小液滴很快地结合在一起 成为一个较大的液滴 将乳状液破坏直至分成两层液体的过程称为破乳作用 破乳使用的也是表面活性剂 例如异戊醇 它的表面活性很强 能取代原来的乳化剂 但碳氢链很短 不能形成坚硬的界面膜 用电解质 机械搅拌也能破乳 如豆浆加电解质能制成豆腐 2020年3月23日6时2分 3 起泡作用所谓的 泡 就是由液体膜包围着的气体 当表面活性剂吸附在气 液界面上 使液体的表面张力下降 增加了气液的接触 再加上表面活性剂吸附在液体表面形成较牢固的液膜 在搅拌时就会产生许多泡沫 这就叫做表面活性剂的发泡作用 2020年3月23日6时2分 了解 例如泡沫灭火机就是以CO2制成泡沫 使火与空气隔绝 以达到灭火的目的 有时泡沫也会给工作带来麻烦 非表面活性剂的乙醇和低级醇 醚和酯 如磷酸三丁酯 它们的表面活性大 但形成的液膜牢度差 易破裂 都有很好的消泡作用 称为斯盘20 斯盘80 斯盘85的失水山梨醇脂肪酸酯的表面活性剂都有很好的消泡作用 2020年3月23日6时2分 四 表面活性剂的HLB值 HLB值是Hydrophile lipophileBalance 亲憎平衡 值的缩写 它表示表面活性剂亲水基的亲水能力和憎水基的亲油能力的平衡关系 也叫亲水值 应用HLB不同 来指导表面活性剂的应用很有意义 亲水基部分的分子量100非离子型表面活性剂HLB值 表面活性剂的分子量5HLB值越高 表示亲水性越强 HLB值越小 表示其亲油性越强 2020年3月23日6时2分 了解 不同HLB值表面活性剂的主要应用 HLB值3 8作油包水 W O 型乳化剂 HLB值7 9作润湿剂 HLB值8 16作水包油 O W 型乳化剂 HLB值13 16作洗涤剂 HLB值16以上作增溶剂 注意HLB值是一个经验参数 其测定简单 粗略 但不能作为唯一依据 2020年3月23日6时2分 6 2 5表面活性剂的应用 了解 一 洗涤剂1 家庭用洗涤剂2 工业用洗涤剂二 分散剂三 乳化剂四 起泡剂五 增溶剂 2020年3月23日6时2分 第四节有机高分子化合物 6 4 1有机高分子化合物的基本概念高分子化合物的定义 了解 高分子化合物是分子量很大的一类化合物 分子量一般在104 107之间 高分子化合物分无机高分子和有机高分子两大类 我们现在只讨论有机高分子即高聚物 2020年3月23日6时2分 二 高分子化合物的特征 理解 高分子化合物的结构特征1 高聚物一般有C H N O S P等几种元素组成 它们形成的是共价键 高分子的极性一般比较小 2 掌握 高分子化合物的分子量很大 其分子由n个链节所组成 n是聚合度 一般为103 105 例如 CH2CHCl n CH2CHCl 是链节 2020年3月23日6时2分 高分子化合物聚合度一般不一定相同 故常采用平均分子量表示它的大小 例如 某聚氯乙烯的聚合度为10000 它的链节式量为 62 5 则它的平均分子量是 平均分子量 链节式量 聚合度 62 5 10000 62 5万 2020年3月23日6时2分 3 高分子化合物的分子几何形状可分为三种 线型 支链型 网状或体型 4 高分子化合物的分子量很大 分子链长 而且相互缠绕 高分子化合物分子之间的作用力 次价力 很大 5 同一高分子中有结晶区和非结晶区 6 高分子链具有降解性 长链高分子链断裂成短链高分子后 其性质无明显影响 这与低分子键断裂成为新物质不同 2020年3月23日6时2分 高分子化合物的物理化学特性 理解 1 高分子化合物只有固态和液态 无气态 2 高分子化合物分子链长 且有多重运动单元 大分子链和链段等 使得高分子化合物具有弹性和塑性 3 线型高分子化合物在溶剂中溶解过程慢 先溶胀 后溶解 体型网状高分子化合物不溶解在溶剂中 4 高分子化合物一般不导热 导电 特殊的除外 2020年3月23日6时2分 6 4 2高分子化合物的合成反应 理解 合成高分子的原料称为单体 合成高分子的反应称为聚合反应 一 加成聚合 加聚 反应加成聚合反应的条件是 单体必须具有不饱和键 加成聚合反应的特征是 反应中没有H2 NH3等小分子副产物伴生 例如 Polyvinglchloride聚氯乙烯 2020年3月23日6时2分 了解 由一种单体聚合的高聚物称为均聚物 由两种或两种以上的单体聚合的高分子化合物称为共聚物 共聚物根据链节排列的不同分为四种 无规共聚 A A A B A A A B B 交替共聚 A B A B A B 镶嵌共聚 A A B A A B A A 接枝共聚 A A A A A A A A A B B B B B B B B 2020年3月23日6时2分 二 缩合聚合 缩聚 反应 理解 缩合聚合反应的特征是 反应中有H2 NH3 醇 卤化氢等小分子副产物伴生 例如 聚酰胺66 尼龙66 锦纶66 nHOOC CH2 4COOH 己二酸 nH2N CH2 6NH2 己二胺 2nH2O 尼龙66分子式中的大括号内的结构称为重复单元 第一个6指二元胺的碳原子数 第二个6指二元酸的碳原子数 附 天干甲乙丙丁戊己庚辛壬癸 伯仲叔季 2020年3月23日6时2分 6 4 3高分子化合物的命名和分类 一 高分子化合物的分类按性能和用途分类 掌握 A 塑料 热固型 热塑型 热塑性特点可熔可溶 热固性特点 不熔不溶 B 橡胶C 纤维D 涂料E 胶粘剂 2020年3月23日6时2分 二 高分子化合物的命名 了解 习惯上按合成的方法 所用的原料或高聚物的用途来命名1 加聚物一般在原料 或单体 名称前加一个 聚 字 符号 P Poly e g 聚丙烯 PP 聚乙烯 PE 聚苯乙烯 PS 聚四氟乙烯 PTFE 2020年3月23日6时2分 2 缩聚物一般在原料名称后面加 树脂 二字e g 苯 酚 甲 醛树脂 PF 对于未制成品前的加聚物往往也称作树脂 如聚氯乙烯树脂 聚乙烯树脂等 3 如果原料或单体过于复杂 也可按其结构的某一特征来命名例如 2020年3月23日6时2分 4 商业名称 了解 尼龙 酰胺类高聚物 尼龙6由己内酰胺聚合而成 凡是尼龙后面有两个数字的表示这种聚酰胺是由二元胺和二元酸的两种单体缩聚而成的 如尼龙610是由己二胺和癸二酸缩聚而成的 2020年3月23日6时2分 了解 2020年3月23日6时2分 了解 2020年3月23日6时2分 了解 2020年3月23日6时2分 掌握 无定形高分子化合物无一定的熔点 根据温度不同 可以呈现三种不同的物理状态即玻璃态 高弹态和粘流态 它们之间的转变温度是玻璃化温度Tg和粘流化温度Tf 习惯上把Tg在室温以上的高聚物称为塑料 把Tg在室温以下的高聚物称为橡胶 图中Tb Td分别是脆化温度和分解温度 2020年3月23日6时2分 理解 玻璃化温度是可以改变的 如加入增塑剂 采用定向聚合可提高高分子聚合物的玻璃化温度 粘流化温度是成形加工 注塑 的下限温度 2020年3月23日6时2分 掌握 对高聚物材料的加工来说 Tf越低越好 对耐热性来说 Tf越高越好 Tg与Tf之间温度的差值又决定着橡胶类物质的使用范围 Tg与Tf差值越大橡胶的耐寒 耐热性越好 性能越优良 2020年3月23日6时2分 例 有A和B两种聚合物 问这两种材料在常温下分别