化学与生活金属材料

关于化学与生活金属材料第1页，共73页，2023年，2月20日，星期三本章内容1、材料科学发展概况2、金属材料化学3、无机非金属材料4、有机高分子材料5、复合材料第2页，共73页，2023年，2月20日，星期三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。第3页，共73页，2023年，2月20日，星期三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。化学：名词，指研究物质的性质、组成及性质变化的科学。１、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：第4页，共73页，2023年，2月20日，星期三（１）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６０００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。第5页，共73页，2023年，2月20日，星期三（２）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。第6页，共73页，2023年，2月20日，星期三（３）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。第7页，共73页，2023年，2月20日，星期三（４）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。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。第8页，共73页，2023年，2月20日，星期三2、材料分类按材料成分和特性分：金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料。复合材料是由金属材料、无机非金属材料、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。第9页，共73页，2023年，2月20日，星期三第二节金属材料化学MetalMaterialChemistry金属材料：金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。

第10页，共73页，2023年，2月20日，星期三S区金属包括ⅠA碱金属和ⅡA碱土金属共12种，其中钫和镭是放射性元素。特点：少（价电子数少）、大（原子半径大）、轻（密度小于5g/cm）、软（硬度较小）、易熔（铍的熔点高达1278℃除外）、活泼（易失去电子）1、s区金属第11页，共73页，2023年，2月20日，星期三第12页，共73页，2023年，2月20日，星期三第13页，共73页，2023年，2月20日，星期三S区金属都有活泼性较高的自由电子，因而都具有较高的导电性，碱金属以Na最高，碱土金属中Mg的导电性最好。基于S区金属都为轻金属，常用作制造金，其合金的特点为单位质量材料强度高，能承受较大的冲击裁荷，具优良的机械加工性能。S区金属应用举例第14页，共73页，2023年，2月20日，星期三Na第15页，共73页，2023年，2月20日，星期三Mg第16页，共73页，2023年，2月20日，星期三锂（密度仅为0.5g/cm3）是常温下最轻的固体单质，铍锂合金称超轻合金，是金属结构材料中最轻的一种。铍铝合金（含铍６２％、铝３８％），质量轻、耐高温、强度大，加式性能好等优点，应用于导弹、火箭、超音速飞机的结构部件，电子计算机、核燃料包壳。镁合金是镁和铝、锌、锰等的合金。用于制造仪器、仪表零件，飞机起落架等。第17页，共73页，2023年，2月20日，星期三２、p区金属p区金属包括ⅢＡ（铝Al、锗Ge、铟In、铊Tl）ⅣＡ（锡Sn、铅Pb）ⅤＡ（锑Sb、铋Bi）等.第18页，共73页，2023年，2月20日，星期三第19页，共73页，2023年，2月20日，星期三(1)p区金属唯有铝较活泼，但它是易“钝化”的金属，有很大的延展性和韧性、导热导电性好。密度（2.702g/cm3）只有铁或铜的三分之一。铝中加入少量的铜、锰、镁、锌等合金元素后形成的合金，强度达到并超过钢材的强度，而质量却仅为钢材的四分之一左右。因此铝合金可代替钢铁和铜，用作航空、航天飞行器的主要结构材料。此外，铝还具有良好的导电性（导电率为铜的６０％），常用来代替铜制造导电材料，特别是高压电缆。p区金属应用举例-----铝第20页，共73页，2023年，2月20日，星期三铝在周期表中是第13号元素，相对原子量是26.98.其固体密度为2.7gcm-3.熔点660℃，而单质外观如左图。

1S22S22P63S23P1其原子核外的电子排布如右图所示。所以，铝的核外电子构型表示为:第21页，共73页，2023年，2月20日，星期三铝的发现与崛起自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,成为断钢铁之后的“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。但由于自然界尚有游离态的铝，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。第22页，共73页，2023年，2月20日，星期三铝的发现与崛起

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”。铝制头盔第23页，共73页，2023年，2月20日，星期三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”。第24页，共73页，2023年，2月20日，星期三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%。第25页，共73页，2023年，2月20日，星期三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，就是全部用铝合金制成的。美国“阿波罗Ⅱ号”宇宙飞船使用的金属材料中,75%以上是铝合金。东方红I号人造卫星阿波罗II号宇宙飞船第26页，共73页，2023年，2月20日，星期三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。脑底模型与脑痴呆第27页，共73页，2023年，2月20日，星期三预防措施(1)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。明矾第28页，共73页，2023年，2月20日，星期三(2)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5～6毫克。应尽量改用不锈钢和玻璃炊具。铝炊具第29页，共73页，2023年，2月20日，星期三(3)减少从药物中摄入铝

口服氢氧化铝凝胶的病人,每天摄铝量高达1000mg,吸收率达25%,相当于每天向血液中加入250mg铝；

治疗胃病的药物中多也含氢氧化铝或铝酸盐。所以,服用这些药物时,势必导致铝的体内污染。第30页，共73页，2023年，2月20日，星期三(4)防止从食物中摄入铝在制作面粉加工中的发酵粉(磷铝酸钠,一茶匙含铝70mg)(可改用酵母菌)、油条、粉条、粉丝、凉粉及腌菜时要加明矾，因而铝的含量很高。长期食用这些食物,都会引起体内铝的积淀。第31页，共73页，2023年，2月20日，星期三相关视频：铝

/special/show_3564004/1zDUI6bfJ3IYoMqx.html第32页，共73页，2023年，2月20日，星期三p区金属应用举例-----汞锡、铅、锑、铋的共同特点是熔点较低、密度较大，硬度较小、金属性较弱，属低熔点金属。制造各种低熔合金，是铅、锡、锑、铋四种金属共同的重要应用。汞（熔点-38.8℃)在室温时呈液态，且在０－２００℃时体积膨胀系数均匀，常用作温度计、气压计中的液柱。第33页，共73页，2023年，2月20日，星期三３、过渡金属元素周期表中d区、ds区元素，通称为过渡元素或过渡金属。d区金属元素的密度均大于5g/cm3，属重金属。第34页，共73页，2023年，2月20日，星期三第35页，共73页，2023年，2月20日，星期三第36页，共73页，2023年，2月20日，星期三贵金属Cu、Ag、Pd、Rh、Pt和At等贵金属具有较好的热力学稳定性。但它们价格较贵，仅用于特殊场合中。第37页，共73页，2023年，2月20日，星期三第38页，共73页，2023年，2月20日，星期三自然界以单质形式存在的金第39页，共73页，2023年，2月20日，星期三自然界以单质形式存在的银第40页，共73页，2023年，2月20日，星期三材料新宠---钛钛在周期表中是第22号元素，相对原子量是47.867。其固体密度为4.5gcm-3。熔点1668℃，而单质外观如左图。1s22s22p63s23p64s24p2其原子核外的电子排布如右图所示。所以，钛的核外电子构型表示为：第41页，共73页，2023年，2月20日，星期三第42页，共73页，2023年，2月20日，星期三钛的贮量与储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。钛的主要储存形式是钛铁矿、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。第43页，共73页，2023年，2月20日，星期三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。第44页，共73页，2023年，2月20日，星期三钛的应用钛与铝比,硬度是其2倍，制成合金则比铝高出2～4倍。而与钢相比钛的密度仅为钢的57%，但强度与硬度与之接近。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”。钛制高尔夫球杆第45页，共73页，2023年，2月20日，星期三钛合金的应用钛的某些合金硬度特别大,可用来制造切削刀具；用钛制造的外科手术器械锋利、轻巧而不变形；利用一些钛合金的“吸氢”本领，可以贮存氢气，对新能源的开发意义重大；有的钛合金有“可塑性”，可以容易加工成任意形状；有的钛合金具有神奇的“记忆”能力……钛合金制自行车钛合金制螺丝、螺帽第46页，共73页，2023年，2月20日，星期三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。第47页，共73页，2023年，2月20日，星期三钛是制造宇宙飞船的关键材料。由于太空的温度低达零下100～200℃，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。美国航天飞机第48页，共73页，2023年，2月20日，星期三当美国航天飞机从太空返回地球时，必须穿过大气层。但由于高速摩擦会使航天飞机表面温度高达1000℃。一般金属及其合金都难以抵抗，也只有钛合金作为其“蒙皮”，才能担此重任。第49页，共73页，2023年，2月20日，星期三钛材同时也是现代飞机的主要材料。以前飞机的外壳都用铝合金，但当飞机的速度超过音速的2.2倍时,飞机外壳与空气的剧烈摩擦而产生很高的温度。一般铝合金在300℃以上强度便大大下降。而钛合金在650℃以上仍泰然无事，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”军用飞机第50页，共73页，2023年，2月20日，星期三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。第51页，共73页，2023年，2月20日，星期三相关视频：

钛性质与用途/special/show_3564004/DucG_uizmvyAtgRd.html

我国的钛合金

/special/show_3564004/Sz_yIiA3VlazS6T9.html第52页，共73页，2023年，2月20日，星期三钛在生活中的应用钛金计算机钛金水笼头第53页，共73页，2023年，2月20日，星期三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，甚至可以用钛制人造骨头来代替人骨治疗骨折。第54页，共73页，2023年，2月20日，星期三4、合金材料合金：两种或两种以上的金属（或金属跟非金属）熔合而成的具有金属特性的物质。合金具有许多优良的物理、化学或机械性能。一般来说:

具有金属通性

硬度大于各成分金属

熔点低于各成分金属第55页，共73页，2023年，2月20日，星期三（１）铜合金：我国使用最早的合金司母戊鼎青铜：主要含铜和锡，有良好的强度和塑性、耐磨、耐腐蚀，用于制机器零件如轴承、齿轮等。第56页，共73页，2023年，2月20日，星期三黄铜：主要含铜和锌，有良好的强度和塑性、易加工、耐腐蚀，主要用于制机器零件、仪表和日用品。白铜：主要含铜和镍，它不容易生铜绿，用于制造精密仪器和装饰品。工业上常用铜合金来制造各种机械零件第57页，共73页，2023年，2月20日，星期三工业上常用铜合金来制造各种机械零件相关视频：/special/show_3564004/u7zaTqSg4h41hq9f.html第58页，共73页，2023年，2月20日，星期三（2）铁合金生铁钢（含碳量在2％～4.3％之间,还含硅、锰及少量硫、磷）碳素钢低碳钢（含碳0.3％～0.6％）高碳钢（含碳0.03％～0.3％）中碳钢（含碳0.6％～2％）合金钢

在碳素钢中加入铬、锰、钨、镍、钼、钴等合金元素(如不锈钢)第59页，共73页，2023年，2月20日，星期三钢，用量最大,用途最广的合金锰钢制成的钢轨第60页，共73页，2023年，2月20日，星期三钢的含碳量越低，韧性越好，硬度越低；含碳量越高，韧性越差，硬度越高。第61页，共73页，2023年，2月20日，星期三相关视频：纯铁及其合金

/special/show_3564004/ldpop11JkFla6ZWD.htm