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第六章化学与材料材料定义：含有功效材料分类金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料纳米材料

第一节金属材料♦黑色金属材料♦有色金属材料铁、锰、铬以及它们合金，应用最广除黑色金属以外其它各种金属及其合金

金属材料轻金属稀土金属重金属

金属材料性质金属普通性质与自由电子存在亲密相关。●金属含有光泽，不透明；●导电性和传热性都非常好；●有优异延展性。

金属材料性质纯金属强度较低，工业上用大多是合金。★两种或两种以上金属经高温熔融后冷却得到，也能够由金属元素和非金属元素组成，如碳钢★合金品种繁多，性能各异。如不锈钢，钢中加入一定量铬；

有色金属合金，主要有铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、镍合金和锌合金等。铝合金制备金属铝惯用电解法。Al2O3是非常稳定化合物。在高温下对熔融氧化铝进行电解，其反应以下：♦金属铝强度和弹性模量较低，硬度和耐磨性较差♦镁、铜、锌、锰、硅等元素与铝形成合金后，不但提升了强度，而且还含有良好塑性和压力加工性能。♦铝合金强度高、相对密度小、易成型，广泛用于飞机制造业、汽车工业及建筑业。形状记忆合金♦将变形合金加热到相变温度时，发生相转变而完全恢复原来形状。♦最早研究成功形状记忆合金是Ni-Ti合金，可靠性强、功效好，但价格高。♦铜基形状记忆合金加Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni，铁基形状记忆合金。应用航空航天领域：人造卫星上庞大天线能够用记忆合金制作。发射之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温自然展开，恢复抛物面形状。临床医疗领域：如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等。消防报警装置及电器设备保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成弹簧发生形变，开启消防报警装置。还能够把用记忆合金制成弹簧放在暖气阀门内，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气阀门。

贮氢合金♦原理：利用合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。♦要求

贮氢量大；金属氢化物既轻易形成，稍稍加热又轻易分解；室温下吸、放氢速度快；使用寿命长和成本低。♦当前正在研究开发贮氢合金主要有：镁系贮氢合金如MgH2,Mg2Ni等；稀土系贮氢合金如LaNi5；钛系贮氢合金如TiH2,TiMn1.5。♦应用：氢动力汽车试验已取得成功。在氢回收、分离、净化等方面

第二节无机非金属材料♦单晶Si、单质C♦矾土Al2O3♦陶瓷

陶瓷材料♦传统陶瓷材料是以硅和铝氧化物为主硅酸盐材料，新近发展起来特种陶瓷或称精细陶瓷，成份扩展到纯氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，♦按使用性能分为：结构陶瓷和功效陶瓷

结构陶瓷材料♦优点：耐高温、高强度、高硬度、耐磨损、抗腐蚀等♦应用：能源技术、宇航技术、超导技术等当代科学技术需要大量特殊性能新材料♦实例：透明陶瓷、耐高温陶瓷高温陶瓷♦优点：工作温度稳定在1300℃左右，热效率大幅度提升；发动机可减轻汽车质量♦应用：汽车发动机、航天航空♦陶瓷发动机材料选取氮化硅，它机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高透明陶瓷♦普通陶瓷不透明原因：内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射。♦选取高纯原料，并经过工艺伎俩排除气孔♦早期透明陶瓷是氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆等♦近期研制出非氧化物透明陶瓷：砷化镓（GaAs）、硫化锌(ZnS)、硒化锌（ZnSe）、氟化镁(MgF2)等。♦强度、硬度都高于普通玻璃，耐磨损、耐划伤，可制造防弹汽车窗、坦克观察窗、轰炸机轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。

功效陶瓷材料♦定义：以声、光、电、磁、热和力学性能及其相互转化为主要特征材料♦应用：能源开发、空间技术、生物技术、计算机技术、电子通讯、信息处理等方面♦实例：压电陶瓷、高温超导陶瓷、敏感陶瓷、生物功效陶瓷等。

高温超导陶瓷超导电性：19发觉汞（水银）在4.2k附近电阻突然降为零在一定温度下含有超导电性物体称为超导体。合金Tc/k合金Tc/k合金Tc/kV3Si17.0Nb3Al18.8Nb3(Al0.75Ge0.25)21.0V3Ga16.8Nb3Sn18.1Nb3Ge23.2当前新超导氧化物系列不停涌现，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它们超导转变温度超出了120K。

高温超导陶瓷C60与碱金属作用形成AxC60(A－钾、铷、铯等)是超导体，转变温度比金属合金高。♦金属氧化物超导体属二维超导。而AxC60则属三维超导。超导体Tc/k超导体Tc/kK3C60

19Rb2CsC60

30Rb3C60

28RbCs2C60

33Cs3C60

30

（1）超导材料输电发电站（2）超导发电机，线圈不会发烧，无冷却难题，而且功率损失可降低50%（3）磁力悬浮高速列车超导磁体

生物功效陶瓷♦应用：人体器官和组织修复或再造氧化铝陶瓷可做成假牙，还可做人工关节ZrO2陶瓷强度、断裂韧性和耐磨性更加好，可用以制造牙根、骨和股关节等。人工合成羟基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]与骨生物相容性好，可用于颌骨、耳听骨修复等。♦陶瓷材料最大弱点是性脆，韧性不足。

第三节有机高分子材料1.高分子化合物概述2.高分子化合物结构3.高分子化合物性能4.主要高分子化合物高分子化合物概述（1）基本概念高分子化合物——相对分子量尤其大一类化合物，简称高分子或聚合物

低分子化合物高分子化合物原子数目：几个~几十个几千~几万或几十万相对分子质量：＜1000104~106♦天然高分子，如淀粉、纤维素、棉、麻丝、毛，人体中蛋白质、糖类、核酸等也是天然高分子。♦用化学方法合成高分子称为合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺（尼龙）等都是惯用合成高分子材料。

合成高分子简写：—CH2—CH—nCl链节——重复结构单元聚合度——链节数目单体——合成高分子所用低分子原料组成：聚氯乙烯nCH2=CH→···—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—···ClClClCl（2）高分子化合物分类及命名

1）分类

按材料性能和用途分类塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂、功效高分子等。按聚合物分子结构分类碳链聚合物：大分子主链全部由碳原子组成。如，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。杂链聚合物：大分子主链上除碳原子外，还有氧、硫、氮等元素。如，聚酯、聚醚、聚酰胺、聚胺酯元素有机聚合物：大分子主链上没有碳原子，由硅、硼、铝、氧、氮、硫等元素组成，但侧基由有机基团组成。如，有机硅橡胶、有机硅树脂。按聚合物热行为分类热塑性聚合物：加热变软，冷却变硬。热固性聚合物：加热时，其化学结构发生改变，形成不溶解、不熔化固体。2）聚合物命名天然高分子，普通按起源和性质有专有名词。如纤维素、蛋白质等。合成高分子，是在单体名称前冠以“聚”字。由两种单体缩聚而成聚合物，假如结构比较复杂或不太明确，往往在单体名称后加上“树脂”二字来命名。聚合物通俗名称、商品名称及简写代号通俗名称商品名称简写代号聚氯乙烯氯纶PVC聚丙烯丙纶PP

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS树脂ABS聚对苯二甲酸乙二酯涤纶PET

聚甲基丙烯酸甲酯有机玻璃PMMA聚丙烯腈腈纶PAN

3.2高分子化合物结构（1）线型长链状（不带支链、带支链）特点：1）分子链柔顺，易卷曲。2）弹性好，塑性好，硬度、脆性较小。3）含有溶、熔性，易于加工。如：合成纤维、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。（2）体型：线型或支链型之间以化学键交联而成。特点：1）弹性、塑性差，硬度、脆性较大。2）不含有溶、熔性。如：酚醛树脂、环氧树脂、离子交换树脂等。3.3高分子化合物特征短程有序

高分子不轻易形成完整晶体。在局部范围内，分子链有可能排列整齐，形成结晶态。不均一性不一样聚合度高分子混合物，无法确定高分子分子量。只是统计平均结果。含有热塑性、热固性、绝缘性、相对密度小、比强度高等特殊性能。特点化学稳定性与老化老化——高聚物及其材料在加工、贮存和使用过程中，长久受化学和物理(热、光、电、机械等)以及生物(霉菌)原因综合影响，发生裂解或交联，造成性能变坏现象。比如，塑料制品变脆、橡胶龟裂、油漆发粘等。1）交联反应——在分子链之间形成化学键，使大分子从线型结构转变成体型结构过程。2）裂解反应（降解反应）——指大分子断链变为小分子过程。例：橡胶氧化裂解主要高分子材料♦通用高分子塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂♦功效高分子塑料

♦塑料是在一定温度和压力下可塑制成型合成高分子材料。♦分为热塑性塑料和热固性塑料。聚乙烯

♦不一样反应条件下可得到不一样性能聚乙烯。♦若选择0.2~1.5MPa低压聚合，用Ziegler-Natta催化剂，得到产品是线型高分子，排列比较规整、紧密，可做桶、瓶、管、棒等塑料制品，。♦若在150MPa高压下用自由基引发聚合，得到产品支链化程度较高，结晶度、密度降低，又称低密度聚乙烯。可做食品包装袋、奶瓶等软塑料制品。工程塑料

♦要求有优良机械性能、耐热性和尺寸稳定性。♦聚甲醛力学、机械性能与铜、锌相同，用它做汽车上轴承，使用寿命比金属长一倍。♦聚碳酸酯不但能够代替一些金属，还可代替玻璃、木材和合金等，做各种仪器外壳、自行车车架、飞机挡风玻璃和高级家俱等。特种塑料

♦是在高温、腐蚀或高辐射等特殊条件下使用塑料，它们主要用在尖端技术设备上。♦比如聚四氟乙烯含有优异绝缘性能，抗腐蚀性好，能耐高温和低温，可在-200~250℃范围内长久使用，在宇航、冷冻、化工、电器、医疗器械等工业部门都有广泛应用。合成纤维

♦合成高分子为原料，经过拉丝工艺取得。♦聚酯（涤纶）、聚酰胺（尼龙、锦纶）、聚丙烯腈（腈纶），占世界合成纤维总产量度90%以上。♦聚乙烯醇缩甲醛（维纶）、聚丙烯（丙纶）、聚氯乙烯（氯纶）等。♦天然高分子纤维素或蛋白质为原料♦粘胶纤维（人造棉）、醋酸纤维（人造丝）等棉、麻、丝、毛人造纤维合成纤维纤维天然纤维化学纤维聚酯纤维♦主要用于织衣料，也可做运输带、轮胎帘子线、过滤布、缆绳、渔网等。♦涤纶分子链结构中含有酯基，这类刚性基团存在，使分子排列规整、紧密，不易变形，受力形变后也易恢复，这是涤纶抗皱性好原因。聚酰胺纤维

♦最常见是尼龙-6和尼龙-66。♦主要用于制做渔网、降落伞、宇航飞行服、丝袜及针织内衣等。♦特点是强度大，弹性好，耐磨性好。聚酰胺分子链中存在酰胺基，分子链间酰胺基能够经过氢键作用，使分子链之间作用力大为加强，确保了织物强度。合成橡胶♦橡胶分天然橡胶和合成橡胶。♦天然橡胶仅占15%左右，其余都是合成橡胶。♦合成橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。通用橡胶

特种橡胶♦特殊性质，如耐高温、耐低温、耐油、耐化学腐蚀和含有高弹性等。♦硅橡胶是以硅氧原子取代主链中碳原子，它柔软、光滑，能耐高温，适宜做医用制品。♦氟硅橡胶是将氟原子引入硅橡胶中，是一个耐高、低温高弹性材料。丁腈橡胶和聚硫橡胶耐油性好。♦许多合成橡胶是线型高分子，含有可塑性，但强度低，回弹力差，轻易产生永久变形。若加入硫磺与橡胶分子作用，转变为体型结构，使橡胶失去塑性，同时取得高弹性。反应以下：功效高分子

♦含有光、电、磁、化学、生物、医学等方面功效高分子导电高分子

♦70年代人们合成了聚乙炔，发觉它有导电性能。♦聚乙炔是一个双键、单键间隔连接线型高分子，分子中存在共轭π键体系，π电子能够在整个共轭体系中自由流动，所以能够导电。若将碘掺杂到聚乙炔中，导电率会大幅度提升。♦聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等都含有导电性，导电高分子材料引发人们重视。♦用导电塑料做成电池已进入市场，硬币大小，一个电极是金属锂，另一个电极是聚苯胺导电塑料，电池可屡次重复充电使用，工作寿命长。导电高分子

♦因为固态电容采取导电性高分子产品作为介电材料，通电后不致于发生爆炸现象；同时它为固态产品，不存在因为受热膨胀造成爆裂情况。医用高分子

一些合成高分子与人体器官组织天然高分子有着极其相同化学结构和物理性能，所以用高分子材料做成人工器官含有很好生物相容性，不会因与人体接触而产生排斥和其它作用。

第四节复合材料♦合成高分子材料、金属材料和无机非金属材料各有其优点和短处，假如将这三类不一样材料经过复合工艺组成新复合材料，它既能保持原来材料优点，又能填补短处。♦按增体形状分类，复合材料可分为：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。♦当前发展较快、应用较广是纤维增强复合材料

碳纤维增强塑料

♦当前制备碳纤维方法是将聚丙烯腈合成纤维在200~300℃空气中使其氧化，然后在1000~1500℃惰性气体中碳化，即可得到强度很高碳纤维。♦碳纤维增强塑料能够依据使用温度不一样选择不一样树脂基体。如环氧树脂使用温度150~200℃；聚双马来酰亚胺为200~250℃；而聚酰亚胺在300℃以上。♦应用于制造航天飞行器外壳或火箭喷管耐烧蚀材料、新一代运动器材如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑雪杖、滑雪板等碳纤维增强塑料

♦除了碳纤维外，作为纤维增强材料还有玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。

纤维增强复合聚烯烃材料碳纤维增强金属♦碳纤维增强铝含有耐高温、耐热疲劳、耐紫外线和耐潮湿等性能，适合于在航空、航天领域中做飞机结构材料。♦硼纤维增强铝也用于空间技术和军事方面。♦碳化硅纤维增强铝比铝轻10%，强度高10%，刚性高一倍，含有更加好化学稳定性、耐热性和高温抗氧化性。主要用于汽车工业和飞机制造业。用碳化硅纤维增强钛做成板材和管材已用来制造飞机垂尾、导弹壳体和空间部件。碳纤维增强陶瓷♦伴随对高温高强材料要求愈来愈高，人们转向研制陶瓷基复合材料。纤维增强陶瓷能够增强陶瓷韧性，这是处理陶瓷脆性路径之一。♦基体陶瓷大致有Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，Si3N4，SiC等。增强材料有碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须。♦纤维增强陶瓷做成陶瓷瓦片，用粘接剂贴在航天飞机机身上，使航飞机能安全地穿越大气层回到地球上。第五节纳米材料纳米与纳米技术用什么仪器看纳米碳纳米球纳米技术应用纳米与纳米技术纳米是一个计量单位，1nm=10-9m，人一根头发丝直径约为6万个纳米纳米技术是指在纳米尺度范围内，经过直接操纵分子、原子来组装、创造含有特定功效新物质。纳米材料：颗粒小到纳米数量级物质同一个物质，因为结构上以纳米为单位改变时，其物理性能和化学性质会发生意想不到巨变。花粉是纳米级粒子

粉尘是约300nm粒子

病毒也是纳米级粒子，约30~100nm用什么仪器看纳米假如把一个纳米粒子放在乒乓球上，相当于把乒乓球放在地球上。扫描隧道显微镜(scanningtunnelingmicroscope）透射电镜（transmissionelectronmicroscope）扫描电镜（scanningelectronmicroscope）惊人分辨率，水平分辨率可达0.1nm移动原子－－世界上最小广告

1990年IBM科学家展示了一项另世人瞠目结舌结果STM不但能够得到原子图像，而且能够将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个位置这意味着人类能够操控原子在金属镍表面操控惰性气体氙原子碳纳米球（富勒烯fullerenes）

1996年诺贝尔化学奖，美国Rice大学Kroto等人在激光汽化石墨试验中首次发觉，C60和C70，均含有笼形结构。C60中20个正六边形和12个正五边形组成圆球形结构，60个顶点分别由60个碳原子所占有又相继发觉了C44、C50、C76、C80、C84、C90、C94、C120、C180、C540等富勒烯家族组员，C60丰度约为50%,因为特殊结构和性质，在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异性能，得到广泛应用。富勒烯应用

超导体有机软铁磁体C60(TDAE)0.86四二氨基乙烯软铁磁性材料在磁性记忆材料中有主要应用，成本低光学材料C60分子中电子共轭结构使得它含有良好光学及非线性光学性能，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用功效高分子材料生物活性材料利用C60分子抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌变部位，能提升放射治疗效力并降低副作用。其它将锂原子嵌人碳笼内有望制成高效能锂电池。水溶性钆C60衍生物有望做为新型核磁造影剂．纳米材料妙用

铜是导电金属，当尺寸小到几个纳米时，就不导电了；而绝缘二氧化硅在尺寸减小到几个到十几个纳米时，电阻大大下降，变得能够导电通常情况下，陶瓷是脆性材料，因而限制了应用，但纳米陶瓷却是韧性材料，在室温下能弯曲，坚固无比纳米材料在环境中应用

纳米二氧化钛光催化降解有机物水处理技术含有显著优势，无二次污染，除净度高。含有巨大比表面积，可将有机物最大程度地吸附在它表面；含有更强紫外光吸收能力，因而含有更强光催化降解能力，快速涂料中加入空气触媒，可分解空气中有害物质自洁玻璃和自洁瓷砖检测环境中铅纳米金与纳米银纳米材料在生活中应用

纳米阻燃材料自洁服装抗菌冰箱纳米材料在生物医学中应用

纳米机器人是纳米生物学中最含有诱惑力内容第一代纳米机器人是生物系统和机械系统有机结合体，可注入人体血管内，进行健康检验和疾病治疗。还能够用来进行人体器官修复工作、作整容手术、从基因中除去有害ＤＮＡ，或把正常ＤＮＡ安装在基因中，使机体正常运行。第二