大学化学 化学与能源

1、第六章第六章 化学与能源化学与能源chemistry and energy6-1 能源的分类（能源的分类（1）按能量形式分类按能量形式分类太阳能太阳能太阳太阳化学能化学能煤、石油、天然气、草、木煤、石油、天然气、草、木运动能运动能流水（包括瀑布、潮汐和人造水坝）、风能流水（包括瀑布、潮汐和人造水坝）、风能地热能地热能自然汽泉、热泉、地下深部热水自然汽泉、热泉、地下深部热水核能核能铀、钍、氘铀、钍、氘 6-1 能源的分类（能源的分类（2）按能量来源分类按能量来源分类一次能源一次能源（原生能源）（原生能源） 再生能源再生能源 风、流水、海洋、海洋热能、潮汐能、风、流水、海洋、海洋热能、潮汐能、直接

2、的太阳辐射、地震、火山活动、直接的太阳辐射、地震、火山活动、地下热水、地热蒸汽（包括温泉）、地下热水、地热蒸汽（包括温泉）、热岩热岩 非再生能源非再生能源 化石燃料（煤、石油、天然气、油页化石燃料（煤、石油、天然气、油页岩）、核燃料（铀、钍、钚、氘等）岩）、核燃料（铀、钍、钚、氘等） 二次能源二次能源（次生能源）（次生能源） 电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、余电能、氢能、汽油、煤油、柴油、火药、酒精、余热等热等 6-2 化石燃料（化石燃料（1）目前全世界使用的能源目前全世界使用的能源90% 取自化石燃料取自化石燃料，即煤炭、，即煤炭、石油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，石

3、油和天然气，它们经历了上亿年的时间才得以生成，因此是因此是不可再生不可再生能源。能源。从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天从探明的储量分析，现在地球上的煤炭、石油和天然气的总储量分别为：然气的总储量分别为：石石 油：油：1万亿桶万亿桶天然气：天然气：120万亿立方米万亿立方米煤煤 炭：炭：1万亿吨万亿吨储量有限的化石燃料！储量有限的化石燃料！按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这按照全世界对化石燃料的消耗速度计算，这些能源可供人类使用的时间大约还有：些能源可供人类使用的时间大约还有：6-2-1 石油（石油（1）石油的形成石油的形成水中生物的遗骸下沉而埋没于地下；水中生物的遗骸下沉而埋没

4、于地下；因地热或地压等作用经千百万年变成石油；因地热或地压等作用经千百万年变成石油；石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中石油大多集中在沙岩之类孔隙较多的岩石层中工业的血液工业的血液6-2-1 石油（石油（2）石油的组成石油的组成石油是许多性质不同的有机物的混合物，其中石油是许多性质不同的有机物的混合物，其中75以上是各种各样的烃类，其他组成是含氧、含以上是各种各样的烃类，其他组成是含氧、含氮、含硫以及含金属的化合物。石油中烃类的主氮、含硫以及含金属的化合物。石油中烃类的主要组分是要组分是烷烃、环烷烃和芳烃烷烃、环烷烃和芳烃。烯烃的含量很少。烯烃的含量很少。烷烃中有直链和带支链的。烷烃中有直

5、链和带支链的。6-2-1 石油（石油（3）石油的炼制石油的炼制分馏：分馏：按沸点高低分离（如轻油：分馏温度小于按沸点高低分离（如轻油：分馏温度小于350 C的组分如的组分如汽油、煤油、柴油）汽油、煤油、柴油）裂化：裂化：将重油转化为轻油将重油转化为轻油重整：重整：增加支链烷烃比例，并可获得芳香烃增加支链烷烃比例，并可获得芳香烃加氢精制：加氢精制：脱氮硫脱氮硫汽油性能的表征汽油性能的表征辛烷值辛烷值提高汽油辛烷值的方法：提高汽油辛烷值的方法：提高异辛烷的含量提高异辛烷的含量铂铼重整铂铼重整加少量的四乙基铅加少量的四乙基铅Pb(C2H5)4取代四乙基铅的物质主要有：芳香烃类、三乙基丁醚、取代四乙基

6、铅的物质主要有：芳香烃类、三乙基丁醚、三戊基甲醚、羰基锰（三戊基甲醚、羰基锰（MMT）、醇类以及）、醇类以及甲基叔丁甲基叔丁基醚基醚MTBE，CH3O(CH3)3用量最大。用量最大。汽油抗暴性能的间接量度汽油抗暴性能的间接量度石油化工产品及用途石油化工产品及用途 石油化学工业的一级产品，大致分为：石油化学工业的一级产品，大致分为：烯类：包括乙烯、丙稀、丁二烯烯类：包括乙烯、丙稀、丁二烯苯类：苯、甲苯、二甲苯苯类：苯、甲苯、二甲苯炔类：乙炔炔类：乙炔芳香族：萘芳香族：萘合成气（即合成气（即COH2）从这五类基础原料出发；经过一系列化学加工后，可以从这五类基础原料出发；经过一系列化学加工后，可以得

7、到成千上万的石油化工产品可制成一系列为工农业、国得到成千上万的石油化工产品可制成一系列为工农业、国防、科学技术和人民生活不可缺少的重要产品。防、科学技术和人民生活不可缺少的重要产品。6-2-2 煤煤煤的结构煤的结构按含碳量可分为：按含碳量可分为：泥煤：泥煤：50%褐煤：褐煤：50-78%烟煤：烟煤：75-90%无烟煤：无烟煤：90-92%燃烧慢、效率低、燃烧慢、效率低、有污染等缺点有污染等缺点硫酸盐、硅酸盐等硫酸盐、硅酸盐等 洁净煤技术洁净煤技术煤的转化煤的转化气化气化以水蒸气、氧气或空气为气化剂，让煤在以水蒸气、氧气或空气为气化剂，让煤在氧气不足氧气不足的情况的情况下进行部分氧化，使煤中的有

8、机物转化为煤气（下进行部分氧化，使煤中的有机物转化为煤气（H2、CH4、CO等）等）焦化（干馏）焦化（干馏）隔绝空气隔绝空气的条件加热分解煤得焦炭和焦炉煤气（氢气与甲的条件加热分解煤得焦炭和焦炉煤气（氢气与甲烷）烷）液化（人造石油）液化（人造石油）直接加氢液化或气化后进一步合成燃油或燃气直接加氢液化或气化后进一步合成燃油或燃气6-3 核能（核能（1）核裂变能与核电站核裂变能与核电站 核裂变是指一个重原子核分裂成为两个或两核裂变是指一个重原子核分裂成为两个或两个以上中等质量原子核的过程。只有一些质个以上中等质量原子核的过程。只有一些质量非常大的原子核，像铀、钍等才能发生核量非常大的原子核，像铀、

9、钍等才能发生核裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大裂变。原子核在发生核裂变时，释放出巨大的能量的能量（1克克235U完全发生核裂变后放出的能完全发生核裂变后放出的能量相当于燃烧量相当于燃烧2.5吨煤所产生的能量），吨煤所产生的能量），核裂核裂变是取得核能的重要途径之一。变是取得核能的重要途径之一。魔鬼与天使魔鬼与天使6-3 核能（核能（2）大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件大规模地和平利用裂变能必须满足两个条件:重核裂变要形成链式反应；重核裂变要形成链式反应；链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的链式反应必须是可控的。实现可控链式反应的装置称为反应堆。装置称为反应堆。链式反应链式反应中

10、子中子鈾鈾-235 核分裂核分裂逃逃逸逸是否会象原子是否会象原子那样爆炸？那样爆炸？核裂变能的利用带来的问题核裂变能的利用带来的问题核废料是指含有核废料是指含有 、 和和 辐射的不稳定元素并伴随有辐射的不稳定元素并伴随有热产生的无用材料热产生的无用材料，核废料进入环境后会造成水、大，核废料进入环境后会造成水、大气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射气、土壤的污染，并通过各种途径进入人体，当放射性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍性辐射超过一定水平，就能杀死生物体的细胞，妨碍正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。正常细胞分裂和再生，引起细胞内遗传信息的突变。目前，核废料

11、的处理有目前，核废料的处理有“天葬天葬”、“水葬水葬”和和“火葬火葬”三种方法。三种方法。放射性废料的处理放射性废料的处理6-3 核能（核能（3）核聚变核聚变由由2个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过个或多个轻原子核聚合成一个较重的原子核的过程叫核聚变，这时也将释放出很大的能量。程叫核聚变，这时也将释放出很大的能量。与与U235裂变相比裂变相比热值高一个量级热值高一个量级产物无污染产物无污染原料含量高原料含量高天然的核聚变场所天然的核聚变场所HHH422121 核聚变能量的利用核聚变能量的利用核力是一种短程力，只有当两个核的距离接近核力是一种短程力，只有当两个核的距离接近万分万分之一毫米

12、时之一毫米时，核力能才起作用，使两个原子核聚合在，核力能才起作用，使两个原子核聚合在一起，为了消除核间的电斥力，必须提供极高的能量一起，为了消除核间的电斥力，必须提供极高的能量 据测算这样的能量将使氘核的温度达到据测算这样的能量将使氘核的温度达到5.6108 k氢弹的起爆？氢弹的起爆？在此高温下氘完全电离成等离子气体，必须强磁场才在此高温下氘完全电离成等离子气体，必须强磁场才能束缚能束缚漫长的道路漫长的道路6-4 化学电源化学电源电池的分类：电池的分类：电池按照其使用性质的不同可以分为电池按照其使用性质的不同可以分为一次电池一次电池（干电池、原电池）、（干电池、原电池）、二次电池二次电池（蓄电

13、池）和（蓄电池）和燃料电池燃料电池等几大类。等几大类。 实用能源实用能源6-4-1 原电池（原电池（1）锌锰干电池：锌锰干电池：负极是锌做的圆筒负极是锌做的圆筒正极是一根碳棒，正极是一根碳棒，周围被二氧化锰、周围被二氧化锰、碳粉和氯化铵的混碳粉和氯化铵的混合剂包围。合剂包围。6-4-1 原电池（原电池（2）电池符号：电池符号：负极反应负极反应正极反应正极反应电池总反应电池总反应正极反应中生成正极反应中生成NH3 同负极反应生成的同负极反应生成的Zn2+ ，可生成，可生成Zn（NH3）42 配离子，从而抑制配离子，从而抑制Zn2+ 浓度增大，浓度增大，保持电势接近恒定，也防止保持电势接近恒定，也

14、防止NH3 在电极上积累，造成在电极上积累，造成极化。此电池的电动势为极化。此电池的电动势为 1.5V。)(C,MnOClNH,ZnClZn)(242 e2Zn) s (Zn2 OHMnONH2e2MnONH22324 OHMnONH2ZnClMnOClNH2Zn23224 6-4-2 蓄电池（蓄电池（1）氢镍蓄电池（高压镍氢电池）氢镍蓄电池（高压镍氢电池）正极：正极：Ni电极（电极（NiO（OH）+H2O + e =Ni(OH)2+OH-）负极：负极：氢电极氢电极 （1/2H2 + OH- =H2O + e）总反应：总反应：1/2H2 + NiO(OH) = Ni(OH)2电解质：电解质：K

15、OH 电池内氢气的压力：电池内氢气的压力：0.3 4MPa6-4-2 蓄电池（蓄电池（2）锂离子电池锂离子电池正极反应：正极反应：LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe负极反应：负极反应：C + xLi+ xe- CLix电池总反应：电池总反应：LiCoO2 + C Li1-xCoO2 + CLix6-4-3 燃料电池燃料电池燃料电池（燃料电池（Fuel Cell，FC）是一种把储存在燃）是一种把储存在燃料和氧化剂中的化学能料和氧化剂中的化学能高效高效、环境友好环境友好地按电化地按电化学原理转化为电能的能量转换装置，也是一种新学原理转化为电能的能量转换装置，也是一种新型的型的

16、无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率无污染、无噪音、大规模、大功率和高效率的汽车动力。作为一种最接近于实用化的环保型的汽车动力。作为一种最接近于实用化的环保型新能源，燃料电池已经受到了人们的广泛关注。新能源，燃料电池已经受到了人们的广泛关注。燃料电池的原理燃料电池的原理负极负极正极正极总反应总反应) l (OH2)aq(OH2)g(H22 OH4e4) l (OH2)g(O22以氢氧碱性燃料电池为例以氢氧碱性燃料电池为例OH2OH2222 6-5 太阳能太阳能与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：与其他能源相比，太阳能具有独特的优点：它没有一般煤炭、石油等矿物燃料产生的有害它没有一般煤炭、石

17、油等矿物燃料产生的有害气体和废渣，因而不污染环境，被称作气体和废渣，因而不污染环境，被称作“干净干净能源能源”。到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。到处都可以得到太阳能，使用方便、安全。成本低廉，可以再生。成本低廉，可以再生。光电转换光电转换太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照太阳能电池主要以半导体材料为基础，利用光照产生电子空穴对，在产生电子空穴对，在PN结上可以产生光电流、光结上可以产生光电流、光电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是电压的现象（光伏效应），实现光电转换。硅是最合适最理想的太阳能电池材料。最合适最理想的太阳能电池材料。太阳能电池；太阳能电站太阳能电池；太阳能电站

18、光热转换光热转换低温热利用：低温热利用：地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热地膜、塑料大棚以及干燥器、蒸馏、供暖、太阳能热水系统水系统中温热利用：中温热利用：空调制冷、制盐以及其它工业用热空调制冷、制盐以及其它工业用热高温热利用：高温热利用：聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉聚焦形太阳灶、焊接机和高温炉6-6 氢能氢能在新能源的探索中，氢气被认为是在新能源的探索中，氢气被认为是理想的二次能源理想的二次能源。氢气作为动力燃料有很多优点。氢气作为动力燃料有很多优点。 干净、无毒。干净、无毒。燃料热值大，能满足热机对燃料的要燃料热值大，能满足热机对燃料的要 求。求。 资源丰富。资源丰富。 应用范

19、围广，适用性强。应用范围广，适用性强。有关氢能源的研究，目前面临三大课题：有关氢能源的研究，目前面临三大课题：氢气的制氢气的制取；氢的贮存和输送；氢的利用取；氢的贮存和输送；氢的利用。 6-6-1 氢气的制备氢气的制备 电解水制氢电解水制氢成熟方法、可采用剩余水利电力成熟方法、可采用剩余水利电力化学燃料制氢化学燃料制氢生物制氢生物制氢光化学制氢光化学制氢人工光合作用人工光合作用6-6-2 氢气的贮存与输送氢气的贮存与输送 氢化物作为贮存材料，应具有如下特点氢化物作为贮存材料，应具有如下特点 贮存的密度高，也就是说单位体积能吸收更多的贮存的密度高，也就是说单位体积能吸收更多的H2 。 化学稳定性

20、好，特别是对于空气和水都应该是化学稳定性好，特别是对于空气和水都应该是“惰性惰性”的，的，以利应用。以利应用。 金属氢化物分解时的反应热不能太高，以减少能耗。金属氢化物分解时的反应热不能太高，以减少能耗。 吸吸H2和放和放H2的压力能适合于使用的压力能适合于使用H2 的设备的需要，且吸的设备的需要，且吸H2和放和放H2的速率较快。的速率较快。 贮氢金属的使用寿命长，其活性较好，不易中毒失效。贮氢金属的使用寿命长，其活性较好，不易中毒失效。 贮氢金属的成本要低，以便于推广贮氢金属的成本要低，以便于推广6-6-2 氢能的用途氢能的用途氢气的用途很广，可作燃料和化工原料，也用作氢气的用途很广，可作燃

21、料和化工原料，也用作金属冶炼的还原剂、燃料电池的燃料。氢气属于金属冶炼的还原剂、燃料电池的燃料。氢气属于洁净的燃料，其燃烧性能很特殊，如氢气中混有洁净的燃料，其燃烧性能很特殊，如氢气中混有空气容易引起爆炸。故须配合研制相应的特殊燃空气容易引起爆炸。故须配合研制相应的特殊燃烧装置。在民用方面，氢气可用作烧装置。在民用方面，氢气可用作城市燃气城市燃气，氢，氢气也可以气也可以直接用来发电直接用来发电。氢能汽车是最清洁的交。氢能汽车是最清洁的交通工作。通工作。第七章第七章 化学与材料化学与材料chemistry and material7-1 材料的概述材料的概述材料：材料：材料是指人类制作物品、器件

22、、构件和机器或其它有材料是指人类制作物品、器件、构件和机器或其它有用物品的物质。用物品的物质。材料是一切科学技术发展的基础，是人类文明进步的材料是一切科学技术发展的基础，是人类文明进步的里程碑里程碑化学是材料发展的基础化学是材料发展的基础。化学是在分子、原子、离子。化学是在分子、原子、离子的层次上研究物质结构、组成、性质、变化及应用的的层次上研究物质结构、组成、性质、变化及应用的科学。科学。材料的分类材料的分类 传统上传统上根据材料的成分与特性根据材料的成分与特性，把物质分为，把物质分为无机材料无机材料（金（金属材料和无机非金属材料）、属材料和无机非金属材料）、有机高分子材料和复合材料有机高分

23、子材料和复合材料 依据材料的用途依据材料的用途，通常将材料分为，通常将材料分为结构材料结构材料和和功能材料功能材料两两大类。大类。结构材料结构材料是指利用材料具有的是指利用材料具有的力学和物理、化学性力学和物理、化学性质质，被广泛用于机械制造、工程建设、交通运输及能源等，被广泛用于机械制造、工程建设、交通运输及能源等部门的材料。部门的材料。功能材料功能材料是指利用具有的某种是指利用具有的某种声、光、电、声、光、电、磁和热等性能磁和热等性能，应用于微电子、激光、通讯、能源和生物，应用于微电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域的材料。工程等许多高新技术领域的材料。智能材料智能材料是功能

24、材料的是功能材料的最新发展，它具有最新发展，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能功能，智能材料被誉为，智能材料被誉为21世纪材料。世纪材料。7-2 无机材料无机材料金属材料金属材料无机非金属材料无机非金属材料无机功能材料无机功能材料纳米材料纳米材料粉末冶金法粉末冶金法7-2-1 金属材料金属材料金属材料可分为金属材料可分为黑色金属材料黑色金属材料和和有色有色金属材料金属材料两大类。黑色金属材料包括两大类。黑色金属材料包括铁、锰和铬铁、锰和铬以及它们的合金。除黑色以及它们的合金。除黑色金属外的其他各种金属及其合金统称金属外的其他各种金属及其合金统称为有色

25、金属。有色金属品种繁多，又为有色金属。有色金属品种繁多，又可细分为可细分为轻金属、重金属、高熔点金轻金属、重金属、高熔点金属、稀土金属、稀散金属和贵金属属、稀土金属、稀散金属和贵金属7-2-1-1 钢铁（钢铁（1）钢铁是使用最广泛的一类黑色金属材料，其消耗量钢铁是使用最广泛的一类黑色金属材料，其消耗量约占金属材料的约占金属材料的90。其冶炼方法是用焦炭高温还原。其冶炼方法是用焦炭高温还原精选过的氧化铁矿石，冶炼时还需加入一定比例的石精选过的氧化铁矿石，冶炼时还需加入一定比例的石灰石和二氧化硅作助熔剂造渣，其主要反应如下：灰石和二氧化硅作助熔剂造渣，其主要反应如下：）（）（）（）（高温高温高温高

26、温燃烧燃烧g3COl2Fe3CO(g)(s)OFe (3)g2COC(g)(g)CO (2)gCO(g)OC(s) 1)(232222 铁水中含铁水中含3 4%的的C，以，以Fe3C形式存在形式存在7-2-1-1 钢铁（钢铁（2）铁水以不同方式冷却，可以得到性质不同，用途也各铁水以不同方式冷却，可以得到性质不同，用途也各不相同的不相同的生铁生铁。当铁水缓慢冷却时，。当铁水缓慢冷却时，Fe3C分解为铁和分解为铁和石墨，因其断口为灰色被称为石墨，因其断口为灰色被称为灰口铁灰口铁；若将铁水骤冷，；若将铁水骤冷，Fe3C来不及分解，其断口为白色故称为来不及分解，其断口为白色故称为白口铁白口铁。钢铁是铁

27、碳合金的总称。钢铁中钢铁是铁碳合金的总称。钢铁中含碳含碳2的叫生铁，的叫生铁， 0.02的叫纯铁，介于二者之间的称为钢的叫纯铁，介于二者之间的称为钢。其中含。其中含碳碳0.02 0.25的称为低碳钢，介于的称为低碳钢，介于0.25 0.60的的称为中碳钢，含碳量在称为中碳钢，含碳量在0.60 2的称为高碳钢。的称为高碳钢。7-2-1-1 钢铁（钢铁（3）纯铁的晶体结构纯铁的晶体结构碳在钢中存在的方式是间充在铁晶格的空隙中，形成碳在钢中存在的方式是间充在铁晶格的空隙中，形成间隙合金结构。碳在钢中能够以间隙合金结构。碳在钢中能够以4中方式间充在铁的中方式间充在铁的金属晶格中，形成金属晶格中，形成奥

28、氏体奥氏体、渗碳体、渗碳体、马氏体马氏体、铁素体、铁素体4种物相。种物相。FeFeFeK1663K1183 体心立方体心立方面心立方面心立方体心立方体心立方C的可能位置的可能位置7-2-1-1 钢铁（钢铁（4）钢铁的腐蚀：钢铁的腐蚀：指钢铁和周围介质接触时，由于发指钢铁和周围介质接触时，由于发生化学作用或电化学作用而引起的破坏。根据腐生化学作用或电化学作用而引起的破坏。根据腐蚀发生的机理不同，可分为：蚀发生的机理不同，可分为：化学腐蚀：化学腐蚀：指单纯由化学作用而引起的腐蚀。指单纯由化学作用而引起的腐蚀。电化学腐蚀：电化学腐蚀：指当金属与电解质溶液接触时，由指当金属与电解质溶液接触时，由于电化

29、学作用而引起的腐蚀。于电化学作用而引起的腐蚀。 7-2-1-1 钢铁（钢铁（5）钢铁的防腐钢铁的防腐 覆盖层法：覆盖层法：常见的方法，指在金属表面涂上涂料、过塑、搪瓷、常见的方法，指在金属表面涂上涂料、过塑、搪瓷、镀上耐腐蚀的金属，金属表面的化学处理均属此方法。镀上耐腐蚀的金属，金属表面的化学处理均属此方法。 阴极保护法：阴极保护法：被保护的金属（被保护的金属（Fe）作为阴极而不遭受腐蚀，此）作为阴极而不遭受腐蚀，此法分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法。法分为牺牲阳极保护法和外加电流保护法。 阳极保护法：阳极保护法：与阴极保护相反，是把直流电源的正极与被保护与阴极保护相反，是把直流电源的正极与

30、被保护的金属相连，适用于阳极氧化后能成钝态的金属。的金属相连，适用于阳极氧化后能成钝态的金属。 缓蚀剂法：缓蚀剂法：在腐蚀介质中，加入少量能减少腐蚀速率的物质在腐蚀介质中，加入少量能减少腐蚀速率的物质（叫缓蚀剂）以防止腐蚀的方法叫做缓蚀剂法。（叫缓蚀剂）以防止腐蚀的方法叫做缓蚀剂法。7-2-1-2 特种合金特种合金特种合金是指具有特殊功能，在特殊条件下特种合金是指具有特殊功能，在特殊条件下作结构材料使用的一种合金，如作结构材料使用的一种合金，如轻质合金、硬轻质合金、硬质合金、高温合金、低温合金质合金、高温合金、低温合金等，虽然使用量等，虽然使用量较小，但是属于极端条件下不可取代的材料，较小，但

31、是属于极端条件下不可取代的材料，因此非常重要。因此非常重要。轻质铝合金轻质铝合金铝的炼制铝的炼制 纯铝质软，不耐磨，强度低，不能作结构材料；加入一定纯铝质软，不耐磨，强度低，不能作结构材料；加入一定量的铜、镁等元素可制得硬铝，主要用作建筑装饰材料等；量的铜、镁等元素可制得硬铝，主要用作建筑装饰材料等；再加入再加入5 7的锌可制成被称为的锌可制成被称为超硬铝的铝锌镁铜超硬铝的铝锌镁铜合金，合金，这种合金硬度高，密度小，易成型，是良好的航空轻质结这种合金硬度高，密度小，易成型，是良好的航空轻质结构材料。构材料。 随着飞机性能要求的日益提高，提高轻质合金综合性能，随着飞机性能要求的日益提高，提高轻质

32、合金综合性能，并同时降低合金密度是轻质合金的主要发展方向。并同时降低合金密度是轻质合金的主要发展方向。铝锂合铝锂合金金便是在这样背景下迅速发展的一类新型轻质合金。便是在这样背景下迅速发展的一类新型轻质合金。）（）（）（冰晶石助熔，熔融电解冰晶石助熔，熔融电解l3Os4AllOAl2232 硬质合金硬质合金 硬质合金是指第硬质合金是指第4（B）、）、5（B）、）、6（B）族）族的金属和原子半径小的碳、氮、硼形成的间隙合金，的金属和原子半径小的碳、氮、硼形成的间隙合金，这些合金的硬度和熔点特别高，被称为硬质合金，常这些合金的硬度和熔点特别高，被称为硬质合金，常用于钻头、金属切削工具等的制作。用于钻

33、头、金属切削工具等的制作。 硬质合金是一种主要由不同硬质合金是一种主要由不同的碳化物和粘结相组成的粉的碳化物和粘结相组成的粉末冶金产品。末冶金产品。 主要碳化物有：主要碳化物有： 碳化钨碳化钨WC、 碳化钛碳化钛TiC、 碳化钽碳化钽TaC、 碳化铌碳化铌NbC 在大部分情况下，钴作为粘在大部分情况下，钴作为粘结相使用。结相使用。高温合金高温合金高温合金是指在高温合金是指在600 1200高温下保持较高的强高温下保持较高的强度和韧性并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。高温合度和韧性并具有抗氧化或抗腐蚀能力的合金。高温合金的基体几乎都是原子扩散能力较小的面心立方结构金的基体几乎都是原子扩散能力较小的

34、面心立方结构的的奥氏体奥氏体，可在，可在铁、钴或镍铁、钴或镍中加入高熔点金属制成。中加入高熔点金属制成。高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机高温合金主要用于制造航空、舰艇和工业用燃气轮机的高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、的高温部件，还用于制造航天飞行器、火箭发动机、核反应堆、石油化工设备等。核反应堆、石油化工设备等。低温合金（低温合金（1） 通常把常温以下直到绝对零度的温度区间称为低温。通常把常温以下直到绝对零度的温度区间称为低温。低低温合金指适合在低温下使用而不至产生脆性破坏的合金。温合金指适合在低温下使用而不至产生脆性破坏的合金。一般情况下，合金在低温下会变硬，容易产

35、生脆硬性破一般情况下，合金在低温下会变硬，容易产生脆硬性破坏。坏。著名的泰坦尼克号沉船事件著名的泰坦尼克号沉船事件，就是钢在低温下发生脆，就是钢在低温下发生脆性破坏的事故之一。由于那时使用的钢含硫量较高，当船性破坏的事故之一。由于那时使用的钢含硫量较高，当船在北海冰冷的海水中与冰山相撞后，发生了脆性断裂导致在北海冰冷的海水中与冰山相撞后，发生了脆性断裂导致了本世纪最大的海难事故。了本世纪最大的海难事故。低温合金（低温合金（2） 能源结构的变化和科技的进步，越来越普遍地使用到能源结构的变化和科技的进步，越来越普遍地使用到液化气体。液化气体一般具有极低温地沸点，如液化液化气体。液化气体一般具有极低

36、温地沸点，如液化天然气（天然气（110K）、液氧（）、液氧（90K）、液氮（）、液氮（77K）、液）、液氢（氢（20K）、液氦（）、液氦（4K），这对生产、贮存及使用这），这对生产、贮存及使用这些液化气体的构件提出很高要求。些液化气体的构件提出很高要求。镍钢、铝合金及奥氏体不锈钢镍钢、铝合金及奥氏体不锈钢在防止低温脆性方面性在防止低温脆性方面性能优异，可用于制造火箭、导弹和宇宙飞船的液氢、能优异，可用于制造火箭、导弹和宇宙飞船的液氢、液氧及其它液体燃料贮箱及输送管道，还可作制造超液氧及其它液体燃料贮箱及输送管道，还可作制造超导发电机和电动机的构件材料等。导发电机和电动机的构件材料等。7-2-2

37、 无机非金属材料无机非金属材料无机非金属材料常被称为无机非金属材料常被称为陶瓷材料陶瓷材料。陶瓷材料分为。陶瓷材料分为传统陶瓷材料传统陶瓷材料和和精密陶瓷材料精密陶瓷材料。传统陶瓷产品如陶瓷、。传统陶瓷产品如陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、砖瓦、搪瓷等，主要是各种玻璃、水泥、耐火材料、砖瓦、搪瓷等，主要是各种氧化物的烧结体；精密陶瓷可以是烧结体，亦可以是氧化物的烧结体；精密陶瓷可以是烧结体，亦可以是单晶、纤维、薄膜等。它们具有高强度、耐高温、耐单晶、纤维、薄膜等。它们具有高强度、耐高温、耐腐蚀、并在声、光、电、磁等方面有某些优良的性质。腐蚀、并在声、光、电、磁等方面有某些优良的性质。精密陶瓷成分可

38、以是氧化物，也有氮化物、碳化物、精密陶瓷成分可以是氧化物，也有氮化物、碳化物、硼化物。陶瓷材料用途极广泛，几乎遍及现代科技的硼化物。陶瓷材料用途极广泛，几乎遍及现代科技的各个领域。各个领域。7-2-2-1 高温结构陶瓷高温结构陶瓷高温结构陶瓷比镍基合金更耐高温，比高熔点金属高温结构陶瓷比镍基合金更耐高温，比高熔点金属如钼、钨等更耐腐蚀，是空间技术和能源开发的重要如钼、钨等更耐腐蚀，是空间技术和能源开发的重要材料。在众多成分和用途各不相同的高温陶瓷中，最材料。在众多成分和用途各不相同的高温陶瓷中，最引人注目的是引人注目的是Si3N4，它极有可能替代单晶镍基高温合它极有可能替代单晶镍基高温合金在高

39、于金在高于1373K温度下作陶瓷发动机材料。温度下作陶瓷发动机材料。Si3N4中，硅、氮原子是以中，硅、氮原子是以共价键结合共价键结合，因此，因此Si3N4具具有高硬度、高强度、耐高温、热膨胀系数小等优点。有高硬度、高强度、耐高温、热膨胀系数小等优点。氮化硅的合成方法氮化硅的合成方法硅氮结合法硅氮结合法 还原氧化法还原氧化法 化学气相法化学气相法 热分解法热分解法 制成的制成的Si3N4粉体还需要经成型，烧结制成粉体还需要经成型，烧结制成43K15732NSiN2Si3 ，无氧，无氧CO6NSiN2C6SiO34322 HCl12NSiNH4SiCl343K167334 343423432NH

40、8NSi)NH(Si3NH2NSi)NH(Si3 结构陶瓷应用结构陶瓷应用陶瓷刀陶瓷刀耐磨損、耐腐蝕，不易殘留異味耐磨損、耐腐蝕，不易殘留異味 高速軸承高速軸承氮化硅陶瓷转子氮化硅陶瓷转子7-2-2-2 超硬陶瓷超硬陶瓷超硬陶瓷是较硬质合金性能更为优异的硬质超硬陶瓷是较硬质合金性能更为优异的硬质材料。金刚石、宝石、立方氮化硼等都属超硬材料。金刚石、宝石、立方氮化硼等都属超硬陶瓷，这些陶瓷如金刚石、宝石等尽管价格昂陶瓷，这些陶瓷如金刚石、宝石等尽管价格昂贵，但它们还是成为商品作为高速切削刀具等，贵，但它们还是成为商品作为高速切削刀具等，用来切削高硬难加工材料。用来切削高硬难加工材料。人造金刚石人

41、造金刚石 金刚石不仅可作首饰，还因其具有的高硬度金刚石不仅可作首饰，还因其具有的高硬度在工业上作硬质刀具和拔丝的磨具。工业用金在工业上作硬质刀具和拔丝的磨具。工业用金刚石主要来源于人工合成，其硬度和强度不亚刚石主要来源于人工合成，其硬度和强度不亚于天然金刚石。金刚石的合成方法有两种，一于天然金刚石。金刚石的合成方法有两种，一种是种是静水超高压高温合成法静水超高压高温合成法，一种是，一种是冲击波超冲击波超高压高温合成法高压高温合成法。氮化硼材料氮化硼材料 氮化硼中氮化硼中BN与碳单质中与碳单质中CC是等电子体（总价电是等电子体（总价电子数目相同，原子数目也相同的两种分子称为等电子子数目相同，原子

42、数目也相同的两种分子称为等电子分子）。按等电子原理，它们应有相似的分子）。按等电子原理，它们应有相似的立方氮化硼立方氮化硼，也有类似于石墨结构的也有类似于石墨结构的六方氮化硼六方氮化硼。六方氮化硼性质。六方氮化硼性质除导电性外，其余均与石墨极为相似，是一种具有润除导电性外，其余均与石墨极为相似，是一种具有润滑性的白色层状固体，故有白色石墨之称。它是耐高滑性的白色层状固体，故有白色石墨之称。它是耐高温、耐蚀、高硬度、质轻、电绝缘和化学性质十分稳温、耐蚀、高硬度、质轻、电绝缘和化学性质十分稳定的优良材料。立方氮化硼硬度略低于金刚石，但是定的优良材料。立方氮化硼硬度略低于金刚石，但是耐热性能好比金刚

43、石高。耐热性能好比金刚石高。人造宝石人造宝石 自然界中以晶体存在的氧化铝称为自然界中以晶体存在的氧化铝称为刚玉刚玉。其硬度仅。其硬度仅次于金刚石和金刚砂。刚玉中含有少量其他氧化物后，次于金刚石和金刚砂。刚玉中含有少量其他氧化物后，呈现不同的颜色，如含少量呈现不同的颜色，如含少量Cr2O3是是红宝石红宝石，含少量，含少量铁和钛的氧化物是铁和钛的氧化物是蓝宝石蓝宝石。人工高温烧结的氧化铝称。人工高温烧结的氧化铝称为人造刚玉，其抗弯强度大，韧性好，但硬度较低，为人造刚玉，其抗弯强度大，韧性好，但硬度较低，适用于磨削抗张强度大和有韧性的材料，如碳钢、合适用于磨削抗张强度大和有韧性的材料，如碳钢、合金钢

44、等。人造宝石也常作耐磨材料用于仪器、仪表的金钢等。人造宝石也常作耐磨材料用于仪器、仪表的轴和手表中的钻石。人造宝石除有氧化铝外，还有其轴和手表中的钻石。人造宝石除有氧化铝外，还有其他元素的氧化物（他元素的氧化物（ZrO）。）。 7-2-3 无机功能材料无机功能材料光电子信息材料光电子信息材料新能源材料新能源材料医用生物材料医用生物材料智能材料智能材料7-2-3-1 光导纤维（光导纤维（1） 光通讯技术已进入了实用阶段。光通讯技术已进入了实用阶段。光通讯中使用的纤维总称光通讯中使用的纤维总称为光导纤维。为光导纤维。光导纤维是由中心部位的芯纤和包敷此芯纤光导纤维是由中心部位的芯纤和包敷此芯纤的包皮

45、料组成。其中芯纤的折射率要高于包皮料的折射率。的包皮料组成。其中芯纤的折射率要高于包皮料的折射率。这样以一定角度入射的光就可以在芯纤和包皮料的界面上这样以一定角度入射的光就可以在芯纤和包皮料的界面上发生光的全反射，使入射光几乎全部被封闭在芯纤内部，发生光的全反射，使入射光几乎全部被封闭在芯纤内部，经反复曲折前进到达光的输出端。经反复曲折前进到达光的输出端。 被研究的光纤材料很多，根据其成分可将其分为：氧化物被研究的光纤材料很多，根据其成分可将其分为：氧化物玻璃光纤、非氧化物玻璃光纤和聚合物光纤。玻璃光纤、非氧化物玻璃光纤和聚合物光纤。石英光纤是石英光纤是最具实用价值的光纤最具实用价值的光纤，它

46、已广泛用于各种通讯系统。石英，它已广泛用于各种通讯系统。石英光纤的主要成分为光纤的主要成分为SiO2，还要添加少量的，还要添加少量的GeO2、P2O5及及F等，以控制光纤的折射率。等，以控制光纤的折射率。7-2-3-1 光导纤维（光导纤维（2） 光导纤维传导光的能力非常强，利用光缆通信，能同时传光导纤维传导光的能力非常强，利用光缆通信，能同时传输大量信息。输大量信息。例如：一条光缆通路可同时容纳十亿人通话，例如：一条光缆通路可同时容纳十亿人通话，也可同时传送多套电视节目。也可同时传送多套电视节目。光纤的抗干扰性能好，不发光纤的抗干扰性能好，不发生电辐射，通信质量高，能防窃听。光缆的质量小而且细

47、，生电辐射，通信质量高，能防窃听。光缆的质量小而且细，耐腐蚀，铺设也很方便，因此是非常好的通信材料。目前，耐腐蚀，铺设也很方便，因此是非常好的通信材料。目前，许多国家已使用光缆作为长途通信的干线。我国也开始生许多国家已使用光缆作为长途通信的干线。我国也开始生产光导纤维，并在部分城市和地区投入使用。随着时代的产光导纤维，并在部分城市和地区投入使用。随着时代的进步和科学的发展，进步和科学的发展，光纤通信必将大为普及。光纤通信必将大为普及。7-2-3-2 红宝石激光晶体红宝石激光晶体普通光源发光普通光源发光-受激吸收和自发辐射受激吸收和自发辐射受激辐射：处于亚稳态（受激辐射：处于亚稳态（E2）的原子

48、在）的原子在hv = E2 E1 的光子的诱发下向的光子的诱发下向E1跃迁，并放出光子的辐跃迁，并放出光子的辐射射激光激光2E1Eh2E1Eh12EEh2E1E3E23EEh4E1E3E2E激光的应用激光的应用人造卫星激光测距（人造卫星激光测距（SLR）利用激光杀死病人鼻癌细胞利用激光杀死病人鼻癌细胞把装着光纤维的导管插入病人鼻腔把装着光纤维的导管插入病人鼻腔内，靠光纤维所发射的激光，与一内，靠光纤维所发射的激光，与一种化学物质起作用，杀死癌细胞。种化学物质起作用，杀死癌细胞。7-2-3-3 超导材料（超导材料（1） 1911年，荷兰氦液化器的发明者昂尼斯偶然发现液氦温度年，荷兰氦液化器的发明

49、者昂尼斯偶然发现液氦温度（4.2K）下，汞电阻突然消失的现象，由此开始了被称为）下，汞电阻突然消失的现象，由此开始了被称为超导现象超导现象的研究。进一步研究表明，的研究。进一步研究表明，要成为超导状态，温要成为超导状态，温度度T、磁场强度、磁场强度H和电流密度和电流密度J都必须分别处于临界温度都必须分别处于临界温度Tc，临界磁场强度临界磁场强度Hc和临界电流密度和临界电流密度Jc以下以下。物质在超导状态。物质在超导状态下，不仅电阻为零而且其内部的磁感应强度也为零（也就下，不仅电阻为零而且其内部的磁感应强度也为零（也就是说是完全性抗磁性的）。是说是完全性抗磁性的）。 超导体的电阻为零意味着电能在

50、产生和输送的过程中将无超导体的电阻为零意味着电能在产生和输送的过程中将无电阻损耗，这是及其诱人的应用前景之一。然而液氦电阻损耗，这是及其诱人的应用前景之一。然而液氦（4.2K）温度的苛刻使用条件则严格地限制了超导材料的）温度的苛刻使用条件则严格地限制了超导材料的普遍应用。液氮无论在价格、来源、制备还是使用上都比普遍应用。液氮无论在价格、来源、制备还是使用上都比液氦有较大的优势。液氦有较大的优势。7-2-3-3 超导材料（超导材料（2）所谓超导电性，是指物质在一定的温度条件下其电阻所谓超导电性，是指物质在一定的温度条件下其电阻下降为零的现象。科学家们在研究超导化合物时发现，下降为零的现象。科学家

51、们在研究超导化合物时发现，化合物内部电子的分布是不平均的，在电子分布稀少化合物内部电子的分布是不平均的，在电子分布稀少或者没有电子的地方会形成一个或者没有电子的地方会形成一个空穴空穴，而这个空穴，而这个空穴可能就是让物质具备超导能力的原因。可能就是让物质具备超导能力的原因。 7-2-3-4 医用生物材料（医用生物材料（1） 生物金属材料生物金属材料 在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历在生物医学材料中，金属材料应用最早，已有数百年的历史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）史。唐代就用银汞合金（主要成份：汞、银、铜、锡、锌）来补牙。来补牙。 医用金属材料是指一类用作生

52、物材料的金属或合金，又称医用金属材料是指一类用作生物材料的金属或合金，又称外科用金属材料。外科用金属材料。它是一类生物惰性材料，除具有较高的它是一类生物惰性材料，除具有较高的机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关机械强度和抗疲劳性能，具有良好的生物力学性能及相关的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相的物理性质外，还必须具有优良的抗生理腐蚀性、生物相容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。容性、无毒性和简易可行及确切的手术操作技术。人造髋关节的头杆部分。从股骨上端人造髋关节的头杆部分。从股骨上端插进金属杆，杆头有一个金属头，它插进金属杆，杆头有一个金属头，它嵌在粘于髋

53、骨窝中的一个塑料臼中嵌在粘于髋骨窝中的一个塑料臼中。7-2-3-4 医用生物材料（医用生物材料（2） 生物陶瓷材料生物陶瓷材料 18世纪初开始应用。无毒、与生世纪初开始应用。无毒、与生物体组织有良好的生物相容性、物体组织有良好的生物相容性、耐腐蚀。耐腐蚀。 包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三大类，主要用于齿科、骨材料三大类，主要用于齿科、骨科修复和植入材料。科修复和植入材料。 基本都是脆性材料，容易破裂，基本都是脆性材料，容易破裂，发展方向应向开发复合（多相）发展方向应向开发复合（多相）生物材料以及在金属基体上加涂生物材料以及在金属基体上加涂无机生物陶瓷涂层（薄膜）

54、材料无机生物陶瓷涂层（薄膜）材料的方面引导。的方面引导。Al2O3陶瓷陶瓷-金属组合全髋关节金属组合全髋关节 7-2-3-5 形状记忆合金形状记忆合金 金属材料发生塑性变形后，经加热到某一温度之上，能够金属材料发生塑性变形后，经加热到某一温度之上，能够恢复到变形前形状的现象，叫做恢复到变形前形状的现象，叫做形状记忆效应形状记忆效应，具有此效，具有此效应的合金称为应的合金称为形状记忆合金形状记忆合金。 形状记忆现象的实质是合金形状记忆现象的实质是合金发生了相变发生了相变。形状记忆合金的。形状记忆合金的低温相比高温相软得多，低温相很容易发生塑性变形而改低温相比高温相软得多，低温相很容易发生塑性变形

55、而改变形状。变形状。 镍钛形状记忆合金是最早开发成功的形状记忆合金镍钛形状记忆合金是最早开发成功的形状记忆合金，它可，它可靠性强、功能好，但价格昂贵；价格便宜的铜基形状记忆靠性强、功能好，但价格昂贵；价格便宜的铜基形状记忆合金如合金如Cu-Zn-Al和和Cu-Al-Ni存在着可靠性差的缺点；铁基存在着可靠性差的缺点；铁基形状合金强度高、刚性好、易加工、价格便宜，是一类很形状合金强度高、刚性好、易加工、价格便宜，是一类很有开发前途的形状记忆合金。目前还合成出一些有机高分有开发前途的形状记忆合金。目前还合成出一些有机高分子树脂也具有形状记忆功能，称为形状记忆树脂。子树脂也具有形状记忆功能，称为形状

56、记忆树脂。7-5-2 压电材料压电材料压电效应压电效应指对某种电介质施加应力，则出现与此力量相应指对某种电介质施加应力，则出现与此力量相应的极化，在电介质的两边就会产生电压，反之对的极化，在电介质的两边就会产生电压，反之对材料施加电场而产生形变。具有压电效应的材料材料施加电场而产生形变。具有压电效应的材料叫做压电材料。通过压电材料可将机械能和电能叫做压电材料。通过压电材料可将机械能和电能相互转换。相互转换。B超探头用高性能压电陶瓷晶片超探头用高性能压电陶瓷晶片主要用途：高档医用主要用途：高档医用B超探头超探头材料性能：介电常数可高达材料性能：介电常数可高达5000、6000、7000系列系列7

57、-4 有机高分子材料有机高分子材料 高分子化合物高分子化合物（macromolecular compounds）又称高聚物（又称高聚物（polymer），其相对分子质量很），其相对分子质量很大，通常大于大，通常大于104，键长在，键长在102 104 nm间甚至间甚至更长的分子。尽管高分子化合物的分子很大，更长的分子。尽管高分子化合物的分子很大，其化学组成却往往是比较简单的，一般都是由其化学组成却往往是比较简单的，一般都是由相同的结构单元重复而成。相同的结构单元重复而成。氯乙稀分子聚合形成聚氯乙烯氯乙稀分子聚合形成聚氯乙烯CH2CH聚合CH2CHnClCln氯乙烯称为氯乙烯称为单体单体(mon

58、omer)，组成高分子链的重复结构单，组成高分子链的重复结构单位位CH2CHCl称为称为链节链节(chain)，链节的数目，链节的数目n称为称为聚合聚合度度(degree of polymerization)。对同一种高聚物来说，。对同一种高聚物来说，n并不并不相同，所以高分子化合物的分子量是指平均分子量，即高分相同，所以高分子化合物的分子量是指平均分子量，即高分子化合物实质上是子化合物实质上是聚合度不同的分子的混合物聚合度不同的分子的混合物。7-4-1 加聚反应和缩聚反应加聚反应和缩聚反应由小分子单体合成聚合物的化学反应称聚由小分子单体合成聚合物的化学反应称聚合反应，聚合反应种类繁多，如果按

59、照有合反应，聚合反应种类繁多，如果按照有无低分子物析出可分为加成聚合反应和缩无低分子物析出可分为加成聚合反应和缩合聚合反应，简称合聚合反应，简称“加聚加聚”和和“缩聚缩聚”。加聚反应加聚反应由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开环后相互由一种或多种单体相互加成，或由环状化合物开环后相互结合成聚合物的反应称为加聚反应，反应过程中不产生其结合成聚合物的反应称为加聚反应，反应过程中不产生其它副产物，生成的聚合物的化学组成与单体基本相同。它副产物，生成的聚合物的化学组成与单体基本相同。 发生加聚反应的一个显著特点是，参与反应的单体分子有发生加聚反应的一个显著特点是，参与反应的单体分子有不饱和键或具

60、有环状结构不饱和键或具有环状结构。如乙烯类单体：。如乙烯类单体： X可以是可以是H、Cl、CN或烷基、苯基等或烷基、苯基等在光、热或引发剂的作用，双键中的在光、热或引发剂的作用，双键中的键被打开，发生加键被打开，发生加聚反应：聚反应：CH2CHXnCH2CHX(CH2CH )nX缩聚反应缩聚反应由一种或多种单体相互缩合成高分子同时析出低分子物质由一种或多种单体相互缩合成高分子同时析出低分子物质（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应称为缩聚反应，在缩（如水、氨、醇、卤化氢等）的反应称为缩聚反应，在缩聚反应中，由于有低分子物析出，所以缩聚物中链节的化聚反应中，由于有低分子物析出，所以缩聚物中链节的化学组