工程化学周祖新5-1-化学与材料科学

第五章化学与材料科学,5.1金属和合金材料5.2无机非金属材料5.3高分子化合物材料5.4复合材料,第一节、材料科学发展概况,材料：名词，指物质或构成器件之物。、材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史。根据当时有代表性的材料将人类社会划分为：（）石器时代：（旧石器时代原始人采用天然的石、木、竹、骨等材料作为狩猎工具；新石器时代公元前年，人类发明了火，掌握了钻木取火技术，用以烧制陶瓷。）瓷器的出现已成为中华民族文化的象征之一，对世界文化产生过深远的影响。（）青铜器时代：这是人类社会出现最早的金属材料，中国历史上曾有过灿烂的青铜文化。（）铁器时代：用铁作为材料来制造农具，铁在农业上的广泛应用，推动了以农业为中心的科学技术日益进步；以钢铁为中心的金属材料大规模发展，有力地摧毁了封建社会的生产方式，萌发了资本主义。,（）聚合物时代,二战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出了质量轻、强度高、价格低等一系列要求。具有优良性能的工程塑料部分地代替了金属材料。合成高分子材料的问世是材料发展的重大突破，从此以金属材料、陶瓷材料、高分子材料为主体，建立了完整的材料体系，形成了材料科学。世纪年代以来，在世界范围内高新技术（生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术）迅猛发展，国际上展开激烈的竟争。发展高新技术的关键往往与材料有关，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。能源、信息和材料已被公认为当今社会发展的三大支柱产业。,例：计算机发展史,1946年世界第一台电子计算机问世时，它是用18000只电子管组装而成，计算机总质量达30多吨，占地150m2，耗电几百千瓦。（计算速度不如现在的一台微型计算器）；半导体材料的发展，用半导体材料代替电子管，使计算机技术跨进了一大步；为了使计算机体积小、质量轻，人们把许多晶体管和连线集成在硅基片上，出现了集成电路。集成电路不仅是计算机技术的基础，也是现代社会中通迅、电视、遥控等微电子技术的基础。现在最大规模的集成电路，每个硅基片上的晶体管数目已达到万个(PentiumPRO1995)，因而对新单晶硅材料的纯度要求日益提高。（例如计算机内存为64，则要求集成电路在7mm2大小的芯片上连接10万个晶体管，晶体管之间用线宽为3um的布线互相连接起来。）目前人们正在探索实现三维集成电路的可能性。,、化学是材料发展的源泉,化学与材料科学保持着相互依存、相互促进。新分子和新材料的飞速增长（平均每天递增7000种）、材料分类（）按用途分：结构材料和功能材料。结构材料主要是利用材料的力学和理化性质，广泛用于机械制造、工程建设、交通运输、和能源等各个部门；功能材料则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，智能材料是21世纪材料。（）按材料成分和特性分：金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。复合材料是由金属材料、陶瓷材料、高分子材料组成的。复合材料的强度、刚度和耐腐蚀性能比单一材料更为优越，是一类更为广阔发展前景的新型材料。,（）材料也可分为传统材料和新型材料。,传统材料是指生产工艺已经成熟，并投入工业生产的材料。新型材料是指新发展或正在发展的具有特殊功能的材料，如高温超导材料、特种材料、功能高分子材料。新型材料的特点：具有特殊的性能，能满足尖端技术和设备制造的需要。如能在接近极限条件下使用的超高温、超高压、极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料。新型材料的研制是多学科综合研究成果。它要求以先进的科学技术为基础，往往涉及到物理、化学、冶金等多个学科。新型材料从设计到生产，需要专门的、复杂的设备和技术，它自身形成一个独特的领域，称为新材料技术。,4、材料的组成、结构与材料的性能,材料的组成和性能的关系所有的材料都是由已知的109种元素单质和它们的化合物组成的，组成不同，便会得到物理、化学性质迥异的物质，材料的组成对于控制、改变材料性能具重要作用。例如钢铁的性质与其中碳含量有密切关系。不含碳或含碳少(0.04%以下)的铁称熟铁，其质软，不能作为结构材料使用。含碳量在2.0%以上称铸铁，其抟硬而脆。含量在0.7-1.8%之间，则称钢，钢兼具较高的强度和韧性，因此在工程上获得广泛的应用。与此相似合金钢的性能是以合金元素的一定含量为条件的。钢中加铬，可提高钢的耐蚀性，但只有当钢中含铬量在12以上时，才能成为耐蚀性强的不锈钢。加入锰特别硬，称为猛钢。杂质对材料性能有严重的影响，要提高材料的纯度。,我家的厨房材料？,自来水管：镀锡管,水槽、水龙头：不锈钢,灶台、橱窗：玻璃,墙壁：瓷砖,抽油烟机外壳：塑料,橱门外层：涂料、漆,厨房桌台面：人造大理石,复合材料,1.根据组成和结构分成:(1).金属材料(2).无机非金属材料(3).有机高分子材料(4).复合材料2.根据性能特征分为:(1).结构材料(2).功能材料,5.1金属和合金材料,112种化学元素,金属元素90种,非金属元素22种,金属元素在周期表中的位置,5.1.1金属的化学性质,金属的电负性较小，在化学反应中倾向于失电子，金属单质突出的化学性质是还原性。,5.1.1.1金属单质还原性的周期性变化,同一周期从左到右，金属单质的还原性逐渐减弱；同一主族从上到下，金属单质的还原性依次增强。,5.1.1.2金属单质与氧、水、酸、碱的作用,（1）s区金属S区金属较活泼，具有很强的还原性，易被空气中的氧氧化；与水作用可置换出氢气；与酸反应产生氢气，但反应过于激烈。（2）p区金属p区金属的还原性较S区弱，不能与水作用，能与非氧化性酸作用置换出氢气。（3）d区和ds区金属d区和ds区金属单质的还原性差别较大。第四周期金属一般都能与氧作用，生成相应的氧化物。第五、第六周期的d区和ds区金属不与非极化性酸作用。,5.1.2.金属和合金材料,金属固溶体型金属间化合物型简单机械混合型,钢铁材料非铁金属材料金属功能材料新型的金属间化合物材料金属基复合材料,分类,合金的结构,（1）混合物合金,混合物合金是两种或多种金属在熔融状态时可以完全或部分互溶，但在凝固时各组分又分别结晶出来，成为机械混合物。,混合物合金的熔点、导电、导热等性质是其组分金属的平均性质。,例如：焊接用的SnPb合金。,5.1.2.1合金的基本结构类型,（2）固溶体合金,置换固溶体,溶质原子半径较小（r溶质/r溶剂0.59）,溶质元素与溶剂元素在原子半径、电负性以及晶格类型等方面都相近,V，Cr，Mn，Ni，Co与Fe,Zn与Cu,间隙固溶体,如H，B，C，N等,(c)间隙固溶体的晶格,图5-1纯金属和固溶体的晶格中原子分布示意图,(a)纯金属的晶格,(b)置换固溶体的晶格,图5-2形成固溶体时晶格畸变示意图,当溶剂元素溶入溶质元素后，能使原来的晶格发生畸变，它们将阻碍外力对材料引起的形变，因而使固溶体的强度提高，同时其延展性和导电性将会下降。固溶体的这种现象称为固溶强化。,固溶强化,（3）金属化合物合金,又称：金属互化物、金属化合物。,种类,金属元素与金属元素,金属元素与非金属元素,Mg2Pb和CuZn,硼化物、碳化物和氮化物,高强度、高熔点、高稳定性等。,5.1.2.2.常见的合金材料,(1)铁的合金钢(含碳1.8%),碳素钢：铁和碳的合金。根据碳含量不同可分为：低碳钢、中碳钢和高碳钢。合金钢。在钢中添加不同的合金元素可得到各种性能的合金钢。应用最广的合金元素有铬、锰、钼、钨、钴、镍、硅和铝等，它们除显著提高并改善钢的机械性能外，还赋予钢许多新的特性。不锈钢就是一种具有很高耐腐蚀性的应用广泛的合金钢。,1958年全民大炼钢铁,1980-1998我国年钢铁生产总量示意图,万吨,年度,11500,9500,5500,4000,1980,1988,1994,1998,世界第一,(2)轻质合金铝合金,铝是一种轻金属，密度为2.70gcm3，它具有良好的导电（导电性仅次于银、铜）、导热性能，易钝化，在空气中稳定；但强度、硬度和耐磨性能较差，如果在铝中加入如Mg,Cu,Zn,Mn,Si,Li,并辅加微量元素Ti,V,B,Ni,Cr和稀土元素等形成合金，就可大大提高其硬度和耐磨性等。常见的Al-Cu-Mg-Mn合金称为硬铝，Al-Cu-Mg-Zn合金称为超硬铝(其强度远高于钢)。这些铝合金相对密度小、强度高、易成型，广泛用于飞机制造业。一架现代化超音速飞机，铝及合金占总质量的70%80%，美国阿波罗11号宇宙飞船，铝及合金占所使用金属材料的75%。,铝的发现与崛起,自100多年前科学家发现“铝”后,其产量便立刻突飞猛进，很快超过了有几千年历史的铜,成为继钢铁之后的“年轻金属”。铝在地壳中的丰度是7.4%，仅次于氧和硅，是贮量最多的元素之一。但由于自然界没有游离态的铝，都以化合态(长石、云母、高岭土、铝土矿等)形式存在,而从铝化合物中炼出金属铝非常困难，所以它的开发与利用较迟。,铝的发现与崛起,1827年，德国化学家维勒以铝土矿和熔融的钾反应，得到少量的铝，1854年法国化学家德维尔又以铝土矿和熔融的钠反应，也得到少量的铝。由于钾和钠均极难制得，所以，当时其价格比黄金还要昂贵。,法国皇帝拿破仑三世,曾用铝制做了一顶头盔,以显示自己的富有。所以,铝曾被列为“稀有金属”。,铝制头盔,三、铝极其化合物1.铝的趣话,物以稀为贵，在100多年前，铝曾是一种稀有的贵重金属，被称为“银色的金子”，比黄金还珍贵。法国皇帝拿破仑三世，为显示自己的富有和尊贵，命令官员给自己制造一顶比黄金更名贵的王冠铝王冠。他戴上铝王冠，神气十足地接受百官的朝拜，这曾是轰动一时的新闻。拿破仑三世在举行盛大宴会时，只有他使用一套铝质餐具，而他人只能用金制、银制餐具。即使在化学界，铝也被看成最贵重的。英国皇家学会为了表彰门捷列夫对化学的杰出贡献，不惜重金制作了一只铝杯，赠送给门捷列夫。,1855年，在巴黎万国博览会上，展出了一小块铝，标签上写道：“来自黏土的白银”。这一小块铝与当时最珍贵的珠宝并排陈列展出。当时的制备：AlCl3+3NaAl+3NaCl1854年法国化学家德维尔发明,铝的工业化生产,1886年美国的豪尔和法国的海朗分别以电解铝土矿和冰晶石的混合物而制得金属铝，由此便奠定了今天大规模生产铝的基础。也使铝的价格一落千丈。,铝电解槽示意图,电解铝生产车间,铝是最重要的有色金属，年生产在1.5107吨以上。铝土矿储量约2.31010吨。,现在铝的制备,铝及其合金的应用,除纯铝之外，铝合金是现代生活和现代化技术中不可缺少的材料。大到宇宙飞船、航天飞机，小到居家生活用品，都有铝合金的“身影”。它已以经完全渗透到了我们生活的方方面面。所以，铝被称为咄咄逼人的“年轻人”。,铝及其合金的应用,铝对人类最大的贡献，就在于航天航空事业。虽然其单质的密度小，强度不大，但与一些金属形成合金后，就具有了轻而结实的优越性能。所以航空、航天工业上发挥了极大的作用。用铝合金代替飞机上的钢铁部件，可大大减轻飞机的自重，同时也就提高了飞机的载重能力。目前，一架超音速飞机，铝合金的用量已占用材的70%。,铝及其合金的应用,在各种航天器上也大量使用铝合金，目的自然是减轻其自重，以能携带更多的科学实验仪器。我国第一颗人造地球卫星东方红I号”的外壳，就是全,东方红I号人造卫星,阿波罗II号宇宙飞船,部用铝合金制成的,美国“阿波罗号”宇宙飞船使用的金属材料中,75%以上是铝合金。,铝及其合金的应用,若将铝粉、石墨及氧化钛等物质按一定比例混合,涂在火箭、导弹的金属外壳表面,再经高温处理后，可使火箭与导弹“穿”了一层特殊的“外衣”,经能保护火箭与导弹在飞行过程中不会因与空气摩擦而烧毁。,俄罗斯KH29空地导弹,美国AGM86B巡航导弹,中国长征运载火箭,美国中程空对空导弹,铝及其合金的应用,由于铝燃烧时会发出耀眼的白光，故节日的焰火就有铝的身影;装潢家居的“银粉”实际上就是铝粉;用铝粉制作反光镜;利用铝的延展性，可制成铝箔;铝有良好的热与电的传导性，所以可制造热交换器、散热板、家用炊具及电线等。既轻又便宜，还可省去紧缺价高的铜材。,铝及其合金的应用,当铝与一些金属氧化物(如铁、铬及钒的氧化物)一起引燃后，可制得熔融状态的铁、铬、钒，既可用以修补铁轨，又可冶炼这些难熔金属。同时，铝又是“抗酸能力”。由于常温下，浓硫酸或浓硝酸会在铝表面形成一层致密的氧化层保护膜，因而，用铝制成的桶、罐，是盛放两种浓酸的最佳容器。,铝元素的危害,铝的发现与应用为人类生活做出了很大贡献。但近年来的研究表明，过量的铝元素进入人体后，给人造成诸如痴呆、骨痛、贫血、甲,镰刀细胞地中海贫血,脑底模型与脑痴呆,状腺功能降低、胃液分泌减少等疾病。而对脑组织及智力的损害更为严重。,铝元素的危害,1970年，美国杜诺德博士用AAS法分析了健康人与衰老者的脑组织中铝的含量，结果是后者是前者的4倍。,脑海马结构图,人脑右视图,1980年美国波尔博士用X-Ray分析老年痴呆者脑内海马神经纤维中有铝的沉积。,预防措施,减少食用水中的含铝量明矾是含铝化合物,它常用于作净化自来水的沉淀剂;而铝制水管或贮水容器也会使水中铝。,减少烹调过程铝的摄入用铝炊具烧饭，估计日铝的摄入量为56毫克。应尽量改用不锈钢和玻璃炊具。,明矾,铝炊具,钛合金,钛是银白色金属，外观似钢。钛的熔点比铁和镍都高，属难熔稀有金属，是一种很好的热强合金材料。钛的优良性能是密度小，强度高，韧性比铁强得多，而且耐蚀性好，塑性也很好。向钛中加入V，Mo，Nb，Cr，Cu，Al，Mn和Zr等金属元素，即可制得性能各异的钛合金。钛合金具有密度小、强度高、无磁性、耐高温、抗腐蚀等优点，是制造飞机、火箭发动机、人造卫星外壳和宇宙飞船船舱等重要结构材料；如老牌钛合金Ti-6Al-4V等。钛合金不仅可以做太空材料，而且还可做海洋中潜艇的材料，也可以做医用材料。因此金属钛享有“空间金属”、“未来的金属”、“亲生物金属”等称号。,钛的贮量与赋存形态,钛有如此生命力的另一外原因是因为它在地球上分布很广，地壳中的丰度为0.6%，仅次于铝、钙、钠、钾和镁，比铜、锡、锰、锌等金属多。所以，钛不是稀有金属。钛的主要赋存形式是钛铁矿、钒钛矿及金红石(TiO2)。我国四川省攀枝花地区已发现了储量约为15亿吨的钒钛铁矿。,钛的发现与工业化,英国化学家格里戈尔于1791年首次发现了钛的存在。但直到1910年，美国化学家亨特才用化学方法制得纯度99.9%、总量不足1克的钛。前后历经约120年。1947年钛的提炼工业化，当时产量只有2吨。但不到10年，其产量增至2万吨,到1972年,年产量达20万吨。,钛的应用性能,钛与铝比,硬度是其2倍，制成合金则比铝高出24倍。而与钢相比钛的密度仅相当于钢(7.8g/cm3)的57%，但强度与硬度与之接近。所以，钛同时兼有钢(高强度)和铝(质地轻)的优点。在原来使用钢材和铝材的地方，它可以而代之；而在钢和铝不能胜任的地方，钛则能“轻松应对”。,钛氧化物的特性,钛的氧化物为TiO2，雪白色粉末，它是最好的白色颜料，俗称“钛白粉”。1克钛白粉可以将,450多平方厘米的面积涂的雪白。因此,TiO2是世界上最白的颜料。,钛合金,钛合金优点：高强度高韧性耐腐蚀质地轻,钛合金,高强度高韧性耐腐蚀质地轻,上九天揽月,钛是制造宇宙飞船的关键材料。由于太空的温度低达零下100200，这个环境中的飞船所需要的液氢和液氧燃料，必须贮藏在用耐超低温的容器中。但大多数金属罐均会破裂，而钛制成的容器非但不破,且强度还会增加.,所以，液氢和液氧是贮藏在用钛制成罐中。,美国航天飞机,上九天揽月,利用钛重量轻的特点，可用它来替代钢制部件，不仅使飞机的强度增大，且可使其自重大大降低。同时也就增加了飞机的载重量,节约了燃料。目前时速在3320千米、高度近10万米、有效载重达100吨的“巨无霸”飞机,钛的用量都在其机身的93%以上。,US隐形战斗机,法国阵风战斗机,普通钢铁制成的船体易被海水侵蚀，且海水深度每增加10米，压力就增大1个大气压。潜艇或军舰须用超强耐腐蚀材料来制造。而钛及其合金长期浸泡在海水中不被,下五洋捉鳖,海狼号核动力攻击潜艇,英国大刀级导弹护卫舰,腐蚀，且由于其没有磁性，故用钛合金制造的舰船，可免受磁性水雷的攻击。所以美国的深海潜艇就是用钛合金制成的，它能够在4500米深海中航行。,钛在生活中的应用,钛金计算机,钛金插座板,钛金支架托,钛金水笼头,钛金手机,钛金直角锅,上九天揽月,因而制造超音速飞机的外壳材料就非钛莫属了。美国制造的著名“黑鸟”战机，其飞行速度已达3200千米/小时,是音速的2.5倍以上，其表面材料即为钛合金。,“黑鸟”军用飞机,钛在医学上的应用,钛是一种纯性金属，也就是说,因为钛的耐腐蚀性、稳定性高，使它在和人长期接触以后也不影响其本质，所以不会造成人的过敏，被人们称为“亲生物金属”。由于钛的密度与人骨相近，所,以,钛在医学上有着独特的用途。医学上“钛骨”就如真的骨头一样，甚至可以用钛制人,钛种植体-骨界面的高分辨透射电镜图,造骨头来代替人骨治疗骨折。,钛在医学上的应用,股骨远端髁支持接骨板,纯钛腕关节融合接骨板,4.5mm髋部钩状接骨板,锁定加压接骨板,空心钛螺钉,钛合金髋动力螺钉,钛骨植入物X光透视图,（3）硬质合金,硬质合金是一种以硬质化合物为硬质相，以金属或合金作粘结相的复合材料。它具有硬质化合物的硬度和耐磨性钢的强度和韧性，是金属加工、采矿钻井及量具、模具等的重要工具材料。,表5.1第一过渡系元素硼化物、碳化物和氮化物的显微硬度和熔点,在较高温度下仍能保持高硬度和高的耐磨性，这俗称红硬性。,红硬性,加入W，Mo，V，Cr等，使之与C形成碳化物，即使在高速切削升温至500600的情况下，仍能保持切削能力。,碳素工具钢：硬度差，刃部受热至200250时，硬度急剧下降，500时已降低到完全丧失切削磨的能力。,(4)记忆合金,形状记忆合金也是一类金属功能材料。形状记忆合金有一个特殊转变温度，在转变温度以下，金属晶体处于一种不稳定结构状态；在转变温度（用Tc表示）以上，金属晶体是一种稳定结构状态。一旦把它加热到Tc以上，不稳定结构就转变成稳定结构，合金就恢复了原来的形状。即合金好像“记得”原先所具有的形状，故称这类合金为形状记忆合金。例如Ti50Ni（Tc=60）和Ti51Ni（Tc=30）等。,形状记忆合金的发现,20世纪60年代初，美国马里兰州海军军械研究所的科学家比勒，用镍钛合金丝做试验。这些合金丝弯弯曲曲，为了使用方便，他把这些合金丝弄直了。但是，当他无意中把合金丝靠近火的时候，奇迹发生了：已经弄直的合金丝居然完全恢复了它们原来弯弯曲曲的形状。,形状记忆合金的特点,形状记忆合金材料是一种新型的功能材料，其特点是在一定的外力作用下可以改变其形态(形状和体积)，但当温度升高到某一定值时，它又可完全恢复原来的形态。,通过形状记忆合金模仿肌肉的收缩来实现人工肌肉的功能。用背部的金属纤维振动翅膀,形状记忆合金的用途（一）,在航空上的应用月球上的“奇葩”,在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。,“形状记忆”合金,镍-钛合金（又称NT合金）具有记忆功能。能引起记忆合金形状改变的条件是温度。,全程Ti-Ni记忆合金花,“形状记忆”合金视频资料,形状记忆合金,(5)储氢合金,储氢合金就是两种特定金属的合金：一种金属可以大量吸进H2，形成稳定的氢化物；另一种金属与氢的亲和力小，使氢很容易在其中移动。稀土合金是在熔炼金属时加入少量稀土元素所组成的合金。稀土合金具有良好的吸氢和释氢性能，可用做储氢材料，目前使用的镍氢电池，其负极材料就是吸收了氢气的LaNi5合金。,储氢合金,重要应用利用储氢合金制造镍氢电池,（6）非晶态合金,非晶态也称玻璃态。非晶态物质中原子没有周期性重复排列，因而没有确定的熔点。如果将熔融状态的合金以极高的速度骤冷，不给原子有序化排列的时间，把原子瞬间冻结在像液体一样无序排列状态，得到非晶态合金。非晶态合金呈现均匀性和各向同性，有良好的力学性能，如拉伸强度大，强度、硬度都比一般晶态合金高。非晶态合金中原子是无序排列，没有晶界，不存在晶体滑移、错位、层错等缺陷，具有高电阻率、高导磁率、高抗腐蚀性等优异性能。,由于具有特殊性能，形状记忆合金在宇航、自动控制、医疗等多种领域已得到广泛应用。例如卫星的天线、太阳能帆板的支架等，机械装置中的某些紧固件等。,(7)智能材料,人们常把具有传感和驱动双重功能的材料叫做“智能材料”。,5.2无机非金属材料,5.2.1.一些非金属单质及化合物的性质5.2.1.1物理性质和晶体结构5.2.1.2化学性质(1)氧化性非金属单质在形成化合物时易得到电子，表现出氧化性。(2)还原性非金属单质H2、C和Si等有较明显的还原性。(3)氧化还原性大多数非金属单质既有氧化性又有还原性。(4)氧化物和氢氧化物氢氧化物和氧化物的酸碱性规律基本上是一致的：同一周期从左到右碱性依次减弱、酸性增强；主族元素同一族自上而下碱性依次增强、酸性减弱；同一元素高氧化值氧化物的酸性比低氧化值的强。,古代的陶瓷陶器,新石器时代马家窑文化螺旋纹彩陶双耳瓮,新石器时代半坡文化陶俑壶,新石器时代彩陶人面纹钵,5.2.2传统硅酸盐材料,（1）水泥3CaOSiO2+2H2O2CaOSiO2H2O+Ca(OH)2（2）混凝土由凝胶材料、水及骨料通过拌和，经水化硬化所形成的人造石材称为混凝土。（3）玻璃Na2CO3+CaCO3+6SiO2Na2OCaCO36SiO2+2CO2玻璃是用石英砂、纯碱和石灰石共熔而制得的一种无色透明的熔体。它没有一定的熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化。软化时可以将玻璃制成各种形状的制品。,玻璃的发现,众所周知,玻璃有很广泛的用途,且与我们的生活已割舍不开。但它的发现却是3000多年以前。在古代，玻璃曾经比黄金还要贵重。相传地中海东岸腓尼基人的一艘满载天然苏打晶体的船途中搁浅，船员在沙滩上用几块苏打晶体地支锅做饭。但吃完饭，却发现与沙土接触的地方，出现了许多透明光滑、晶莹发亮的珠子。,钢化玻璃,普通玻璃的易碎性，给人们的生活与工作带来很多不便，特别是锋利的尖角，很容易伤人。为此，工程师们想出为玻璃“淬火”的工艺。即在玻璃被加热到快软化时，快速将其放在油或其他液体中骤冷。处理后,玻璃的抗张强度是普通玻璃的78倍。具有结实、耐冷热及不易爆裂的特性，这就是钢化玻璃。,普通玻璃,钢化玻璃,钢化玻璃制品及特性,用钢化玻璃制作的产品(杯子、汽车风挡玻璃及门窗玻璃等)最大的特点是：破碎后不会形成锋利的碎片,而是很碎的“玻璃粒”，因而不会伤人。,变色玻璃,盛夏时节，多数人都喜欢戴墨镜或太阳镜，其主要作用就是阻挡阳光对眼睛的直射。但若患了近视，则就比较麻烦。所以，人们发明了变色眼镜。并可根据近视的程度配上相应度数的变色近视镜。玻璃可以染色，那又是怎样变色的呢？这要归功于卤化银。,玻璃变色原理,玻璃能变色是因为在材料中加入了能感光的卤化银(AgCl,AgBr,AgI)作为感光剂，并加入极微量的敏化剂，以提高光色互变的灵敏度。敏化剂以氧化铜效果最好，其原理如下:,（4）陶瓷,陶瓷是陶器和瓷器的总称。今天的陶瓷材料已被看做是经过高温热处理而成的所有无机非金属材料的简称。其生产工艺可概括为：坯料制备、成型、干燥、烧成、装饰等过程。每个过程又可分为若干工序。,传统陶瓷或称普通陶瓷，其产品绝大部分属于以黏土、长石、石英等无机非金属矿物为主要原料烧成的硅酸盐制品。主要用做日用器皿、建筑陶瓷、工艺陶瓷等。传统陶瓷具有良好的电绝缘性和耐化学腐蚀等特性，因此部分陶瓷还用于电力工业（低压电器）和化学工业中。,陶瓷的分类、组成和应用,传统陶瓷特种陶瓷,特白强化瓷,高白普通瓷,日用陶瓷,特种陶瓷或称精细陶瓷，它是以精制的高纯天然无机物或人工合成无机化合物为原料，采用精密控制的工艺进行烧结的制品。,特种陶瓷,按其使用性能分,结构陶瓷,功能陶瓷,导电陶瓷超导陶瓷压电陶瓷半导体陶瓷电子陶瓷磁性陶瓷生物陶瓷等,某些新型陶瓷具有压电效应,如安放在打火机中的压电陶瓷，一经敲打即刻产生一个电火花，将机械能转变成电能。,某些新型陶瓷能承受高温、强度高,氮化硅(Si3N4)陶瓷在1200左右的高温下，仍具有很高的强度，可用来制造气轮机的叶片、燃烧器、涡轮。,陶瓷的组成和结构,陶瓷烧结过程示意图,晶相玻璃相晶界相气相,陶瓷的共同特性是耐高温，大部分绝缘性能良好，一部分具有半导体性质甚至是超导体，有些则具有磁性、介电性等多种功能。它不易变形，断裂时属脆性破坏；韧性低，断裂时无先兆。陶瓷制品的个性主要由其组成、结构、烧成制度等因素决定的，即便是同一批次的产品，其性能往往也有明显的差别。,陶瓷的性能,5.2.3半导体材料,（1）半导体的导电机理半导体的导电是借电子和空穴这两类载流子的迁移实现的。（2）半导体的种类按化学组成，半导体可分为单质半导体和化合物半导体；按半导体是否有杂质又可分为本征半导体和杂质半导体。（3）半导体的应用晶体管、集成电路、发光二级管、光电池等。,5.2.4新型无机非金属材料5.2.4.1精细陶瓷,在1200下可维持室温时的强度和硬度，在氧化性不太强的介质中最高安全使用温度可达16501750，因此氮化硅陶瓷可用于火箭发动机尾管及燃烧室，也可用做无冷却汽车发动机。,氮化硅(Si3N4),（1）.高温结构陶瓷,高温陶瓷,陶瓷发动机，50年代研制,某些新型陶瓷耐高温、化学稳定性好,高温陶瓷,氮化硅，碳化硅部件,某些新型陶瓷是透明但有很高的机械强度和硬度,氧化物系列：MgO，CaO，Al2O3，SiO2，ZrO2，莫来石(2Al2O32SiO23Al2O32SiO2)；碳化物系列：SiC，TiC，B4C，HfC，Cr3C2；氮化物系列：Si3N4，AlN，BN；硼化物系列：TiB2，ZrB2，LaB6；硅化物系列：MoSi2，TaSi2等。,其它结构陶瓷,用这些原料制成高温结构材料，其耐火温度一般都在1600以上，甚至更高。,一条340m像挂面条般的、宽度和厚度分别为3.3和0.15mm的37芯超导带线。这根高温超导导线在液氮温度下能通过25A的电流（临界电流为25A、77K、自场）。,高温超导导线,铋系高温超导线材,（2）功能陶瓷,（）超导材料,超导现象是1911年荷兰物理学家HKonnes（昂纳斯）发现的。当汞冷却到时，其电阻突然消失。这种现象提供了十分诱人的工业前景，但的低温让人失去了的信心。1973年发现金属间化合物Nb3Ge的Tc最高温度为23K，并在理论上预言金属最高的Tc不会超过30。直到1986年IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的JGBednorz和KAMueller报道了一种La-Ba-CuO的陶瓷材料具有超导性，转变温度为35K，这是一种完全与过去已知超导体不同的新型材料，才激起了汉时世界的超导热，他们因此而获得了1987年的诺贝尔物理奖。1987年，中国科学院赵忠贤和美国朱经武等独立地发现了Tc达90K的Y-Ba-Cu-O超导氧化物，实现了液氮区的超导性。不久以后，相继有Bi-Sr-Ca-CuO系及Tl-Ba-Ca-CuO系Tc超过120K的超导体发现。1991年有两项重要发展：一是有机超导体的临界转变温度达到12.5K；另外发现了碱金属掺杂的C60也具有超导性，临界转变温度达到33K。到1993年俄罗斯LNGrigorov发现了经过氧化的聚丙烯体系能在300K呈现超导性。世纪超导材料的研究目标是室温超导，这将是能源工业的一次革命。,超导体的一些应用。,（）用超导材料输电发电站通过漫长的输电线向用户送电。由于电线存在电阻，使电流通过输电线时电能被消耗一部分。由于超导体的零电阻特性，如果用超导材料做成超导电缆用于输电，那么在输电线路上的损耗为零。（）超导发电机制造