自然科学概要（第二版）（微课版）课件 15.1材料

1材料CONTENTS第15章材料和能源能源215.1课程标准

1.知识目标古德伊尔（美国）、齐格勒（美国）、卡罗瑟斯(美国)、高锟（英籍华裔）、肖克利（美国）、昂里斯(荷兰)的创新成果。

理解常规材料的分类。理解光导纤维、形状记忆合金、贮氢合金、半导体材料、超导材料、纳米材料的内涵和用途。

2.能力目标具备初步批判性思维能力。3.素质目标弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。第一节材料

一、常规材料

（一）金属材料金属材料分黑色金属和有色金属两大类。目前主要的金属材料有铜、铁、铝等。所谓材料，一般指人类能用来制作有用物件的物质。一般倾向于根据其物理化学属性，分为金属、无机非金属、有机高分子以及复合材料四大类。金属材料1.铜含铜的矿石主要有：

黄铜矿(CuFeS2)；孔雀石[CuCO3·Cu(OH）2]蓝铜矿[2Cu(OH）2·CuCO3]等

这些矿石若与碳一起熔烧，就可生成铜。将铜矿石和锡矿石共同冶炼，就可以得到性能好得多的青铜（熔点700℃-900℃）。Cu(OH)2·CuCO3+2C=2Cu+2CO+CO2+H2O

2.铁铁矿石主要有磁体矿（Fe3O4）、赤铁矿（Fe2O3）等，铁器的出现普遍比铜器晚，主要原因在于铁的熔点(1539℃)比铜的熔点高。铁矿石、燃料等原料在炉子里加热、混合，铁矿石中的铁就可以被还原出来。Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2在钢中掺入了18％的铬和8％镍，就得到“不锈钢”。青铜器混凝土

（二）无机非金属材料

3.铝铝的主要矿物是铝土矿（

Al2O3

）,通过冶炼和电解可以得到纯铝。1906年德国人威尔姆在铝中加入铜、镁和锰等形成了第一种铝合金——硬铝，它被用来制造飞机。现代家庭中装修门窗所用的又轻又硬的铝合金是铝与镁或锰的合金。

1.水泥硅酸盐水泥是在1824年由英国泥水匠约瑟夫·阿斯普丁发明的。

制造水泥时以碳酸钙（CaCO3

）和黏土（高岭石Al2H4Si2O9

）为主要原料，经过研磨、混合后在水泥回转窑中煅烧，再加上适量石膏（CaSO4），以调节水泥的凝结时间，并研细成粉末就得到普通的水泥了。水泥中只需加入砂、石就能成为混凝土，再加入钢筋就成为钢筋混凝土了。铝合金2.玻璃

普通玻璃的主要原料是纯碱(Na2CO3)石灰石(CaCO3)和石英（SiO2）

生产时，把原料粉碎，按适当的比例混合后，放入玻璃窑中加强热就可以制造得到透明的普通玻璃。如果添加某些金属氧化物，可以制出具有各种美丽颜色的玻璃，如氧化钴(Co2O3)可使玻璃呈蓝色，氧化铜(Cu2O)或金的氧化物可使玻璃呈红色。3.陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的总称。两者的差别在于，陶器表面没有釉质或只有低温釉（铅釉料），原料是高岭土（Al2H4Si2O9），烧制温度较低(低于1000℃)；而瓷器表面有高温釉，用高岭土在高温下(达1200℃)烧制而成。

水晶玻璃，即在普通玻璃里面加入氧化铅和氧化钾。陶瓷水晶玻璃（三）有机高分子材料1.合成橡胶

1839年，美国人古德伊尔成功地将天然橡胶硫化，实现了橡胶分子链的交联，使橡胶具备了良好的弹性。

1955年美国人利用齐格勒催化剂聚合异戊二烯，首次用人工方法合成了结构与天然橡胶基本一样的合成天然橡胶。不久用乙烯、丙烯这两种最简单的单体制合成橡胶造的乙丙橡胶也获成功。2.合成纤维

合成纤维是由小分子化合物通过聚合得到的。第一种合成纤维尼龙66是美国科学家卡罗瑟斯(1896—1937)领导的小组1938年研制成功的，它的主要成分是“聚己二酰己二胺(尼龙-66)”；1968年，美国杜邦公司研制的一种芳纶（凯芙拉）纤维，“聚对苯二甲酰对苯二胺”，它的强度达到铝合金的45倍，可用来制作降落伞、机轮帘布、航天飞机热防护材料、耐压软管以及军事上的避弹衣、头盔等.合成纤维合成橡胶3.塑料

1938年人工合成聚四氟乙烯，在王水中煮沸不会发生变化。-269.3℃不会被冻变脆，300℃的高温也不会融化裂解。1960年后，各种塑料中产量跃居首位的是聚烯烃。其中主要是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲醛等。塑料塑料制品

（四）复合材料

复合材料是由金属、有机高分子、无机非金属等具有不同结构和功能的材料，通过特殊工艺复合为一体的新型材料。如玻璃钢、碳纤维复合材料等。

复合材料复合材料

二、新材料

（一）高性能金属与合金1.形状记忆合金

1963年，美国一个海军研究所发现某些合金存在形状记忆效应，如Cu—Zn系；Al—Cu系；Ti—Ni系等。

发现不论把形状记忆合金变成什么样子，只要加热到转变温度，就能使它恢复原来的形状。2.贮氢合金1968年，美国布鲁赫本国立研究所发现了Mg—Ni具有贮氢的性能。

目前各国正在开发的贮氢合金主要有镁系、钛系、混合稀土系和铁系等。贮氢合金能够贮存比它自己体积大1000～1300倍的氢，是一种容量大、既轻便又安全的理想的贮存和运输氢的手段。

氢与这些金属的结合力很弱，若改变温度压力，金属氢化物就会分解释放出氢。3.非晶态金属1960年，美国的杜维茨发现Au—Si合金熔液以每秒106℃冷却获得的金属玻璃，其强度达4000N/mm2。（二）新型无机非金属和半导体材料

用氧化铝(Al2O3)烧制而成的陶瓷材料。利用它的耐热性来制造坩埚、高温炉管，利用它硬度高的特点来制造刚玉球磨机和切割用的陶瓷刀具。若使用高纯度原料，可以使氧化铝陶瓷变得透明，用于制作高压钠灯的灯管。

1.人造刚玉非晶态金属人造刚玉2.碳纤维碳纤维指的是含碳量在90%以上的高强度高模量纤维。碳纤维只是铁重量的1／4，强度却是钢的5倍；可以耐受2000℃以上的高温；具有优秀的抗腐蚀与辐射性能。3.光导纤维光导纤维是用纯度极高的石英玻璃拉制成的非常细的可有效地远距离传导光信号的纤维。

1966年，被誉为“光纤之父”的英籍华裔科学家高锟和他的合作者霍克汉提出用光纤进行长距离通信的建议，他们证明单模光纤每秒有可能传送10亿位数字信号，并论证了单模光纤的要求和特性。光导纤维的通信容量极大，一根光纤可通过1～2亿路电话，可同时传递5000路电视。碳纤维

4.半导体材料

1949～1950年间，美国贝尔电话实验室的肖克利根据能带理论的基本思想，创立了半导体的p—n结理论。将它作为晶体二极管，具有单向导电性。在面积比拇指的指甲还小的一块半导体晶片上，可以集成上百万个电子元件，集成电路的制成开辟了微电子技术的时代，电子计算机的发展得益于此。

（三）超导材料1911年荷兰莱顿大学的昂里斯(1853—1926)首次发现，当水银在冷却到4.2K以下时，电阻几乎完全消失，这便是所谓超导现象。

2025年，中国北京大学物理学院量子材料科学中心的王健团队及其合作者，以铜氧化物高温超导体为基础，成功制备了一种新型的超导二极管，并发现了其在零磁场下最高可达72开尔文（约-201.15摄氏度）的工作温度。

（四）纳米材料纳米材料是由尺寸在0.1～100nm之间的超微颗粒构成。1,特殊的力学性能研究表明，人的牙齿之所以有很高的强度，是因为它由磷酸钙等纳米材料构成的。

呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒的金属硬3—5倍。超导材料纳米材料

2.特殊的光学性能

金属在超微颗粒状态下都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑。这说明金属的超微颗粒对光的反射率极低。利用这个性质做成的材料可以高效率地将太阳能转换为热能、电能。

3.特殊的热学性固体物质超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10nm量级时尤为显著。金的熔点为1064℃，2nm尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。4.特殊的磁学性能

磁性超导微颗粒实质上是一个生物磁罗盘。生活在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。随着超微颗粒尺寸减小，它会呈现出超顺磁性。利用这种特性可制成用途广泛的磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙。5.特殊的电学性质当金属晶粒处于纳米范畴时，