大学化学第03章-材料化学基础-2013-8-27.ppt

1、2020/7/18,1,第3章 材料化学 Chapter 3 Material Chemistry,现代大学化学 Modern College Chemistry,2020/7/18,2,我国当前注重发展的十个新领域 电子与信息技术 生物技术 新型材料技术 新能源与高效节能技术 光-机-电一体化技术 医药与医学工程技术 环境保护技术 航空航天技术 地球、空间及海洋技术 核应用技术,2020/7/18,3,材料是科技进步的核心,建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程等，无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破 没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦 没有专门为喷气发动机设计的材料，就

2、没有靠飞机旅行的今天 没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船 没有固体微电子电路，就没有计算机,2020/7/18,4,材料的分类,按出现的先后: 传统材料和新型材料,按用途不同: 结构材料和功能材料,按化学组成和特性不同 : 金属材料、无机非金属材料、 高分子材料和复合材料,结构材料:指以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料.当然，其对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、抗腐蚀、抗氧化等。 功能材料:指具有优良的电学、磁学、光学、热学、生物医学等功能，主要用来制造各种功能元器件。,2020/7/18,5,本章概要 3.1 金属材料 3.1.1 金属单质的物理化学性质; 3.1.2

3、 钢铁; 3.1.3 铝及其合金; 3.1.4 铬, 钛, 锰; 3.1.5 合金; 3.1.6 金属结构材料 3.2 无机非金属材料 3.2.1 水泥; 3.2.2 陶瓷材料; 3.2.3 玻璃 3.3 纳米材料 3.4 有机高分子材料 3.4.1 有机高分子化合物（聚合物）的定义; 3.4.2 有机高分子化合物的合成; 3.4.3 有机高分子化合物的结构与性能; 3.4.4 一些重要的合成高分子聚合物 3.5 复合材料,2020/7/18,6,复习：第09章（p162p180） 预习：第10章（p182p196） ：9.1； 9.8； 9.12； 9.13,作业,2020/7/18,7,3

4、.1 金属材料（Metalic Material） 3.1.1 金属单质的物理化学性质 3.1.1.1 金属在周期表中的位置与金属性的大小,2020/7/18,8,3.1.1.2 金属的分类,按颜色来分,黑色金属（铁、锰、铬及其合金）,有色金属（金、银、铜、铝，等）,按密度来分,轻金属（d5g/cm3，如铝、钠、钾，等）,重金属（d5g/cm3，铜、铁、锌、铅，等）,按丰度来分,基本金属（铝、铁、钙、钠，等）,稀有金属（含量少,分布散,发现晚,提取难）,按稳定性来分,活泼金属（铁、铝、钠、钙，等）,贵金属（性质稳定,含量少,如金,银,铂,等）,放射性金属（能自发衰变的金属,如镭,等）,2020

5、/7/18,9,3.1.1.3 金属单质的物理性质 导电性与导热性：由于金属原子的价电子的电离能较 低，在外界环境（温度梯度、电场，等）的影响下，价电子可脱离原子，在晶格中自由运动，称为自由电子。自由电子是金属导热与导电的基础。 延展性：金属的延展性与金属中化学键的类型与强度有关。金属中的化学键是金属键，属离域键。因此金属具有良好的延展性？。 (金属晶体受外力作用时，金属键瞬间发生断开，但自由电子随时补充形成金属键),2020/7/18,10,离子化合物，有无延展性 ？,离子晶体，受力时发生错位，使正正离子相切，负负离子相切，彼此排斥，离子键失去作用，故离子晶体无延展性 。,2020/7/18

6、,11,3.1.1.4 金属元素的化学性质 金属元素的化学性质很多。在此只讨论与材料应用有关的化学性质。 金属与空气中氧的作用：金属的还原性越强，越易与氧作用。其与氧反应的剧烈程度与其金属性顺序一致: mM + (n/2)O2 MmOn 碱金属、碱土金属、Al、Zn、Fe等均易与氧反应； Cr、Cu、Mo等与氧的反应速度较慢；Ti、Ag、Au、Pt等不与空气中的氧反应。,2020/7/18,12,钝化作用：如果所生成的氧化物均匀而致密，则可阻止金属与氧的进一步接触和氧化，对金属起到了保护作用，这个过程叫钝化。如Na、Al、Zn、Cr等的氧化物。 金属与水的作用：许多金属（碱金属、碱土金属、Fe

7、、Al、Zn等）都能与水发生不同程度的作用，生成相应的氢氧化物和氢气：M+nH2O M(OH)n + (n/2)H2(g) 如果所生成的氢氧化物均匀、致密且不溶于水，则可阻止金属与水的进一步接触和反应，对金属起到了保护作用。如Al、Zn等的氧化物。,2020/7/18,13,应用广泛的金属材料?,2020/7/18,14,军事上离不开?,F-18大黄蜂战斗机,我军陆战王牌-99式主战坦克,海军109驱逐舰,中国九五式突击步枪,2020/7/18,15,神五,神六,神七,2020/7/18,16,我们的生活中也离不开？,大桥,汽车,生活用品,磁悬浮列车,2020/7/18,17,应用广泛的金属材

8、料钢铁、铝合金,2020/7/18,18,3.1.2 钢铁（Iron and steel） 铁是一种有磁性和延展性的银白色金属。在地壳中的含量约为5%，居第4位。在室温下可与水反应；在潮湿空气中容易生锈，氧化物性脆、不致密。掺入杂质可改变其性能。铁在自然界的存在形式？,2020/7/18,19,黄铁矿FeS2 （愚人金）,磁铁矿Fe3O4,褐铁矿2Fe2O3.3H2O,菱铁矿FeCO3,赤铁矿 Fe2O3,铁在自然界的存在：以氧化物、硫化物形式存在,如何冶炼铁？,2020/7/18,20,3.1.2.1 钢铁的冶炼 选矿：铁矿砂主要分为磁铁矿、 赤铁矿、褐铁矿、 菱铁矿四种。含铁量在60%以上

9、的铁矿称为富铁矿。,2020/7/18,21,炼铣：铁矿砂在高炉中提炼成铁的过程称为炼铣(铸铁)。炼铣时，自高炉上方将铁矿砂、焦炭、石灰石等交互投入，热风炉加热过的空气由高炉下部吹入，炉内焦炭燃烧生成CO2, 达到1500高温，继续反应产生一氧化碳自炉中上升，并把铁矿砂还原成铁，杂质SiO2反应成CaSiO3 。,2020/7/18,22,高炉熔出的铣铁碳含量在3%以上，硅、磷、硫等不纯物多，产品既硬且脆。 炼钢 炼钢：炼钢是减低杂质含量并使材料具有强韧性质的过程。 炼钢主要原理：在高温下用氧气或铁的氧化物把生铁中所含的过量的碳和其它杂质转变为气体或炉渣除去。,2020/7/18,23,炼钢原

10、料：除铣铁、废钢外，还有去除不纯物用的熔剂 (生石灰、萤石、脱氧剂合金铁) 等，使钢的品质提高。 炼钢方法：主要有转炉、电炉、平炉三种。转炉用以熔铣，电炉以废钢为主原料，平炉使用铣铁和废钢。,2020/7/18,24,钢铁具有延展性，易加工成型；提高铁纯度、加入极少量其它物质、热处理等均可使物性变硬或软。 钢铁的缺点是会生锈。为避免钢铁制品与空气中的氧接触，一般都采用涂装物、镀锌等，或熔炼时添加镍、铬等制成不锈钢。,2020/7/18,25,3.1.2.3 钢铁按化学成份的分类 生铁(铸铁)：含碳量2%的铁-碳合金 灰口铁：铁水缓慢冷却时，Fe3C分解为铁和石墨，断口为 灰色。灰口铁柔软有韧性

11、，可用于切削加工和浇铸成型。 白口铁：铁水骤冷时，Fe3C来不及分解，断口为白色。白 口铁质硬性脆，主要用来炼钢。 球墨铸铁：向铁水中加入少量镁或稀土金属，可使生铁中 的碳变成球形。球墨铸铁的铸造性能优于灰口铁。,2020/7/18,26,碳钢：低碳钢 C0.25%；中碳钢 C=0.250.60%；高碳钢 C=0.602.0%； 合金钢：低合金钢 (合金元素总含量5%)；中合金钢 (=510%)；高合金钢 (10%)。 不锈钢：C0.2%, Cr=1222%, Ni=510%, Mo=04%,2020/7/18,27,3.1.2.2 钢铁的热处理 退火：将钢加热到发生相变或部分相变的温度并保温

12、一段时间，然后慢慢冷却的过程。 退火的目的：消除组织缺陷、成分均匀、提高钢的力学性能、减少残余应力、降低硬度、提高塑性和韧性，改善切削加工性能。,2020/7/18,28,淬火：是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低急速冷却，而获得某种不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，减少其塑性。 常用的淬火剂：水、油、碱水和盐类溶液等。 退火和淬火的方法和作用相反,2020/7/18,29,回火：将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却。 目的：消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性， 达到预期的力学性能。 回火分为：高温回火、中温回火和低温回火

13、三类。 回火多与淬火配合使用,2020/7/18,30,表面热处理 表面淬火：是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到中心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而中心部没有发生相变，这就实现了表面脆硬而中心部不变的目的。适用于中碳钢。,2020/7/18,31,化学表面热处理：是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。按照渗入元素的种类不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等四种。 （内部柔软，外部刚硬）,2020/7/1

14、8,32,渗碳：渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是 使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。 渗氮：又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。目前生产中多采用气体渗氮法。,2020/7/18,33,氰化：又称碳氮共渗，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。它使钢表面同时具有渗碳与渗氮的特性。 渗金属：是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐

15、蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。 （外部不锈钢，内部不变。成本低，效果好，性价比高）,2020/7/18,34,钢铁联合企业工艺流程,2020/7/18,35,3.1.3 铝（Aluminium）及其合金 3.1.3.1 铝的基本性质 铝为银白色轻金属。在地壳中的含量为8%，仅次于O和Si居第三。密度低、来源广、耐腐蚀、导电导热性好。在干燥空气中易与氧作用生成致密氧化膜 (Al2O3),该膜不溶于水,可吸附染料而着色。,2020/7/18,36,3.1.3.2 铝的冶炼 氧化铝主要用拜耳法生产：用苛性钠溶液加温加压溶出矿中的氧化铝得铝酸钠溶液，分离残渣后，降温，加入氢氧化铝作晶种

16、，搅拌、析出氢氧化铝，再洗净、煅烧即得氧化铝。,2020/7/18,37,铝电解是使直流电通过以氧化铝为原料、冰晶石（六氟铝酸钠, Na3AlF6）为熔剂组成的电解质，铝液在阴极上析出，汇集于电解槽槽底，吸出后经净化、澄清然后铸成铝锭。 3.1.3.3 铝合金 铝是轻质合金的基本成分。加入铜、镁、锌、锂等金属，可大大提高合金的强度，广泛应用于飞机、航天、建筑等领域。,2020/7/18,38,铝合金的 主要应用领域,战机,舰船,人造卫星,2020/7/18,39,3.1.4 铬 (Chromium), 锰(Manganese),钛(Titanium) 铬为钢灰色金属，在地壳中的含量为0.01%

17、，居第17位。有很强的还原性，在一定的条件下所形成的氧化膜具极高惰性，不溶于酸、碱、王水，因而是不锈钢的基本组分。铬化合物是常用的无机颜料。 锰是钢灰色硬脆性金属，在地壳中的含量为0.085%。在空气中易被氧化。与铁形成的锰铁合金（锰钢）具有很高的硬度，可用做设备的耐磨部件。,2020/7/18,40,钛是一种低密度、质软、有延展性的金属，在地壳中的含量为0.6%，居第9位。钛易被氧化而在表面形成极致密氧化膜，该氧化膜具有优异的耐腐蚀性能，不受湿空气、湿氯气、海水、稀酸碱、硝酸、王水等的侵蚀。是高强度、低密度、耐腐蚀合金的基本成分。二氧化钛（钛白粉）是传统的白色无机颜料。,2020/7/18,

18、41,3.1.5 合金（Alloys） 3.1.5.1 合金的定义 一种金属元素与其它一种或数种金属元素或非金属元 素融合在一起所得到的具有金属特性的物质称为合金。,2020/7/18,42,3.1.5.2 传统合金材料 铜合金：紫铜(纯铜)；X黄铜(铜-锌-X合金)；Y白铜(铜-镍- Y合金); Z青铜(铜-锡-Z、铜-铅-Z合金)； 铝合金：铝-铜-镁合金(建筑铝合金)；铝-锂合金(航空铝合金)； 焊锡(锡-铅合金)； 伍德合金:含铋3850、铅2531、 锡12.515、镉12.516，是一类以铋为基的低熔点合金，熔点为70。,2020/7/18,43,3.1.5.3 几种特殊的合金材料

19、 高硬低密合金：如铝-锂合金，等； 高温抗氧化合金：如 (铁、钴、镍)基体+其它高熔点金属； 低温防脆合金：如镍-铁合金，等； 贮氢合金：能储存氢的金属和合金。如镧-镍（LaNi5）合金，钛-铁（TiFe）合金；,2020/7/18,44,储氢原理: 它可以在一定的温度和压力条件下，氢分子在合金中先分解成单个的原子，进入合金原子缝隙中，并与合金发生反应生成金属氢化物，外在表现为大量“吸收”氢气，同时放出大量热量。若对金属氢化物进行加热，又会发生分解，生成氢原子，氢原子又结合成氢分子释放出来。,2020/7/18,45,几种贮氢方法比较,2020/7/18,46,氢的储存方法: 气态储氢：能量密

20、度低、不太安全 液化储氢：能耗高、对储罐绝热性能要求高 固态储氢的优势：（金属或合金储氢） 体积储氢容量高、无需高压及隔热容器、 安全性好、无爆炸危险、可得到高纯氢. 贮氢合金具有良好的应用前景。,2020/7/18,47,形状记忆合金：如镍-钛合金，铜-锌-铝合金，铁-铂合金； 单程记忆效应：在马氏体状态下受力变形，加热时恢复高温相形状，冷却时不恢复低温相形状。 双程记忆效应：加热时恢复高温形状，冷却时恢复低温形状，即通过温度升降自发地可逆地反复恢复高低温的形状。 全程记忆效应：加热时恢复高温相形状，冷却时变为形状相同而取向相反的高温相形状。,2020/7/18,48,在航空航天中的应用,先

21、用镍钛合金在高温下制成半球形的月面天线,合金非常强硬，刚度很好，再让天线冷却到28以下,合金变得非常柔软，很容易把天线折叠成一团，放进宇宙飞船的船舱里。 到达月球后，把变软的天线放在月面上，在阳光加热下又恢复原先定形的抛物状天线。,月面天线,2020/7/18,49,记忆铆钉,在飞机的制造工艺中，需要用大量的连接件如铆钉进行连接。 铆钉尾部记忆成型为开口状,紧固前,将铆钉在干冰中冷却后把尾部拉直,插入被紧固件的孔中,温度上升产生形状恢复,铆钉尾部叉开即可实现紧固。,在航空航天中的应用,2020/7/18,50,形状记忆合金还可制成各类心脏修补器、血栓过滤器、伤骨固定器、脊柱矫正器、手术缝合线、

22、人造骨骼等等。,在医学中的应用,记忆食道架能在喉部膨胀成新的食道。必要时只要向食道里加上冰块，“食道”又会遇冷收缩，从而可轻易取出，使失去进食功能的食道癌患者提高了生活质量。,（a）预压缩 （b）受热扩张后 （c）植入腔道内效果,记忆食道支架,2020/7/18,51,利用Cu-Zn-Al形状记忆合金双程记忆恢复特性制成的记忆合金花瓣，动作幅度为180。采用CuZnAl记忆合金片，以热水或热风为热源，开放温度为6585，闭合温度为室温。花蕾直径80mm,展开直径200mm。,记忆合金花,在生活中的应用,2020/7/18,52,记忆眼镜框如果不小心被碰弯曲了，只要将其放在热水中加热，就可以恢复

23、原状。而且这种眼镜框具有超弹性，使人佩戴后感到非常舒适。,记忆眼镜框,在生活中的应用,2020/7/18,53,记忆照明灯罩,用形状记忆合金制造汽车的外壳，万一被撞瘪，只要浇上一桶热水就可恢复到原来的形状。,记忆汽车外壳,城市照明灯，有两瓣随着灯的亮灭而逐渐张开或合上的金属叶片。白天，路灯熄灭，叶片合上；傍晚，路灯亮起,灯泡发热，叶片受热而逐渐张开，使灯泡显露出来。,其他应用,2020/7/18,54,记忆衣服,用记忆合金丝混合羊毛织成衣服，当人运动后体温上升，衣服就会根据人的体温自动地调整使衣服变得宽松，使人感觉更舒适。,记忆车钉,用形状记忆合金制成的钉子安装在汽车外胎上，当气温降低、公路结

24、冰时，钉子会“自动”从外胎里伸出来，防止车轮打滑。,其他应用,2020/7/18,55,3.1.6 金属结构材料 从力学的角度出发，在不增 加材料耗量的情况下改变材料的 结构，以提高材料的力学性能是 材料科学与工程领域的一个重要 研究内容。因此，人们根据不同 的实际需要，设计出了不同的材 料结构。,2020/7/18,56,3.2 无机非金属材料 3.2.1 水泥（Cement） 3.2.1.1 水泥的定义 凡细磨成粉末状，加入适量水后，可成为塑性浆体，既能在空气中硬化，又能在水中硬化，并能将砂、石等材料牢固地胶结在一起的水硬性胶凝材料，通称水泥。 3.2.1.2 水泥的组成 水泥是一种人造硅

25、铝酸盐粉末，其主要成分为硅酸三钙Ca3SiO5 (3CaOSiO2)、硅酸二钙Ca2SiO4 (2CaOSiO2)、铝酸一钙Ca(AlO2)2 (CaOAl2O3)、铝酸三钙Ca3(AlO3)2 (3CaOAl2O3)等,2020/7/18,57,3.2.1.3 水泥的固化作用 水泥遇水反应并凝结成硬块，其反应方程式主要有： Ca3SiO5 + 5H2O Ca2SiO44H2O + Ca(OH)2 Ca2SiO4 + 4H2O Ca2SiO44H2O 2Ca(AlO2)2 + 10H2O Ca2Al2O57H2O + 2Al(OH)3 Ca3(AlO3)2 + 6H2O Ca3(AlO3)26

26、H2O 反应产物为大小不等、形状不一、交错形式的固形物（硅铝酸钙）。,2020/7/18,58,3.2.1.4 水泥的分类,(1) 按照水泥的用途及性能分：通用水泥、专用水泥、 特性水泥。 通用水泥：一般土木建筑工程中采用的水泥。有硅酸盐 水泥、复合硅酸盐水泥等。 专用水泥：专门用途的水泥。如油井水泥、道路水泥等。 特性水泥：某种性能比较突出的水泥。如快硬硅酸盐水 泥、白色硅酸盐水泥等。,2020/7/18,59,(2) 按照水泥的组成分类： A、硅酸盐水泥系列：以硅酸盐矿物为主。 B、铝酸盐水泥系列：以铝酸钙为主。 C、氟铝酸盐水泥系列：以氟铝酸盐为主。 D、硫铝酸盐水泥系列：如高强硫铝酸盐

27、水泥等。 E、铁铝酸盐水泥系列：如膨胀铁铝酸盐水泥等。,2020/7/18,60,3.2.1.5 水泥的制备 把磨碎的石灰石（CaCO3）和高二氧化硅（SiO2） 含量、高氧化铝（Al2O3）含量的黏土按比例混合，在回 转窑内加热到1500，生成铝酸钙与硅酸钙。出窑后冷 却并加入少量石膏(CaSO4)，一起研磨成细粉即得成品 水泥。(水泥厂),(石膏作用是调节水泥硬化速度),2020/7/18,61,3.2.2 陶瓷材料 陶瓷材料是天然硅酸盐、铝酸盐矿物的烧结体。它们是一种各向同性的无晶态无机物。 陶瓷材料的特点： 硬度高、耐磨性好； 耐高温，耐骤冷急热； 耐酸碱腐蚀；绝缘性好。 3.2.2.

28、1 陶、瓷的定义 陶和瓷是按它们的吸水率来区分的：吸水率小于0.5%的为瓷，大于10%的为陶。介于陶器和瓷器中间的为炻器。,2020/7/18,62,2020/7/18,63,2020/7/18,64,3.2.2.2 陶瓷材料的分类 A、按使用的原材料分类 可将陶瓷材料分为普通陶瓷和特种陶瓷。 普通陶瓷:以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。,普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。 除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。 特种陶瓷:采用人工合成的材料作原料。,2020/7/18,65,B、按化学成分分类 氧化物陶瓷、碳化物陶瓷、氮化物陶瓷及其它化合物陶瓷 C、按性能和用

29、途分类 结构陶瓷和功能陶瓷,2020/7/18,66,3.2.2.3 结构陶瓷材料 具有高硬度、高强度、耐磨蚀、耐高温，通常用作机械 结构的零部件。 氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硅陶瓷、 碳化硅陶瓷、 陶瓷膜材料 陶瓷膜材料：化学稳定性好、耐酸碱、耐高温、抗污染等。可用于分离、澄清、纯化、浓缩、除盐等。,2020/7/18,67, 氧化铝陶瓷 以氧化铝（-Al2O3，刚玉）为主体的陶瓷：一种高级 耐火材料, 熔点很高, 可使用到1950, 具有良好的电绝 缘性能及耐磨性。如坩埚、高温炉管等。,2020/7/18,68,(2) 氧化锆陶瓷 以氧化锆（ZrO2）为主体的陶瓷：高强度、高韧性、 耐撞

30、击、不易碎。,2020/7/18,69,(3) 氮化硅（Si3N4）陶瓷 氮化硅是由Si3N4四面体组成的共 价键固体。 氮化硅的制备与烧结工艺 工业硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4 二氧化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO,2020/7/18,70, 性能特点及应用 氮化硅的硬度高（9），耐骤冷急热，用作切削工具、 汽轮机部件，等。,2020/7/18,71,(4) 碳化硅（SiC，金刚砂）陶瓷 碳化硅:通过键能很高的共价键结合的晶体。 碳化硅:用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热至高温还原而 成：SiO2+3CSiC+2CO。,碳化硅的最大特点是硬度高 (9.2)，熔

31、点高(2450 ) ，有很好的耐磨损、耐腐蚀性能，其热传导能力很强。,2020/7/18,72,碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、 浇注金属的喉管、炉管、燃气轮机 叶片及轴承，拉丝成型模具等。,2020/7/18,73,3.2.2.4 功能陶瓷材料 具特定的性能，在一定的条件下显示出独特功能的材 料称为功能材料。 高温超导材料 某些金属、合金和化合物，在温度降到绝对零度附近某一特定温度时，它们的电阻率突然减小到无法测量的现象叫做超导现象。 超导材料的电阻变为零的温度称为临界温度（Tc）。,2020/7/18,74,磁性陶瓷：将含铁氧体的磁性物质用制造陶瓷的工艺方法制成的非金属磁性材料。它同时具有磁性

32、和陶瓷的耐高温、高强度、耐腐蚀性能。 压电陶瓷：一种可将电能与机械能相互转换的功能材料。物质在压力的作用下发生形变，某些物质晶胞中正负离子的相对位移使得正负离子的电荷中心出现不相等的移动，导致晶体发生宏观极化，最后在晶体两端表面间出现电位差的现象。常用的压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）陶瓷和锆钛酸铅（PbTiO3PbZrO3)等。,2020/7/18,75,3.2.2.5 陶瓷制作工艺 淘泥: 把瓷土淘成可用的瓷泥。 摞泥:将淘好的瓷泥分割开来，摞成柱状，以便于储存。 拉坯:将摞好的瓷泥放入大转盘内，将瓷泥拉成瓷坯。 印坯:选取不同的印模将瓷坯印成各种不同的形状 。 修坯:因印好的毛坯厚薄不均

33、，通过修坯将印坯修刮整齐和匀称。 捺水:用清水洗去坯上的尘土，为画坯、上釉做好准备工作。,2020/7/18,76, 画坯: 在坯上作画。 上釉: 画坯，粗糙无光泽。上釉后，光滑又明亮。 烧成:坯体在高温下，发生一系列的物理化学反应，冷却至室温后，外形尺寸得以固定，强度得以提高，最终获得某种特定使用性能（如机械强度、致密度、绝缘、耐热等）陶瓷制品。,釉 以石英、长石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2) 、硼砂(Na2B4O710H2O)、黏土等为原料制成的东西，涂在瓷器、陶器外面，烧制后发出玻璃光泽，可增加陶瓷的机械强度和绝缘性能。,2020/7/18,77,3.2.3

34、 玻璃 3.2.3.1 玻璃的定义 玻璃(古代亦称琉璃)是一种透明度较高的固体物质， 普通玻璃（钠钙玻璃）的化学组成为 xNa2OyCaOzSiO2。 玻璃在日常环境中呈化学惰性，一般不溶于酸（氢氟酸除外）但溶于强碱。广泛应用于建筑物，用来隔风透光。,SiO2、Na2SiO3、CaSiO3,2020/7/18,78,3.2.3.1 玻璃的分类 一般分类：平板玻璃与特种玻璃（石英玻璃、光学玻璃、有色玻璃、钢化玻璃等）； 按组成分类：氧化物玻璃与非氧化物玻璃。 氧化物玻璃中最常见的为硅酸盐玻璃，包括石英玻璃(SiO2含量99.5%)、高硅氧玻璃(SiO2含量95%)、钠钙玻璃、钾钙玻璃、铝硅酸盐玻

35、璃（mAl2O3+nSiO2+）、硼硅酸盐玻璃，等。 注意：有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯) 、水玻璃(硅酸钠 )都不是玻璃。,2020/7/18,79,有色玻璃：金属氧化物均匀地分散到玻璃态物质里， 使玻璃呈现特征颜色。 蓝色(Co2O3)红色 (Cu2O) 淡绿色 (FeO) 玻璃纤维与玻璃钢 玻璃在熔化状态下抽成丝成为玻璃纤维. 玻璃纤维用合成树脂一层层胶合压制成一定形状，并在加压下加热固化，形成玻璃钢，强度大如钢，比钢轻。,2020/7/18,80,2020/7/18,81,3.2.3.2 玻璃的生产工艺 配料：将各种原料称量后在混料机内混合均匀。玻璃的主要原料有：石英砂、碳酸钙、铝硅酸盐

36、、纯碱、硼酸等。 熔制：将配好的原料经过高温加热，形成均匀的无气泡的玻璃液。,2020/7/18,82,Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2,CaCO3+SiO2=CaSiO3+CO2,高温,高温,反应原理：复杂的物理、化学变化，主要反应,2020/7/18,83,成形：将熔制好的玻璃液在一定温度范围内转变成具有固定形状的固体制品。成形方法可分为人工法和机械法两类。,2020/7/18,84,A人工成形 （1）吹制，用一根镍铬合金吹管，挑一团玻璃在模具中边转边吹。主要用来成形玻璃泡、瓶、球（划眼镜片用）等。 （2）拉制，在吹成小泡后，另一工人用顶盘粘住，二人边吹边拉主要用来制造玻璃管

37、或棒。 （3）压制，挑一团玻璃，用剪刀剪下使它掉入凹模中，再用凸模一压。主要用来成形杯、盘等。,2020/7/18,85,B机械成形 除了压制、吹制、拉制外，还有 （1）压延法，用来生产厚的平板玻璃、刻花玻璃、夹金属丝玻璃等。 （2）浇铸法，生产光学玻璃。 （3）离心浇铸法，用于制造大直径的玻璃管、器皿和大容量的反应锅。,2020/7/18,86,（4）烧结法，用于生产泡沫玻璃。它是在玻璃粉末中加入发泡剂，在有盖的金属模具中加热，玻璃在加热过程中形成很多闭口气泡这是一种很好的绝热、隔音材料。此外，平板玻璃的成形有垂直引上法、平拉法和浮法。浮法是让玻璃液流漂浮在熔融金属（锡）表面上形成平板玻璃的

38、方法，其主要优点是玻璃质量高（平整、光洁），拉引速度快，产量大。,2020/7/18,87,玻璃在成形过成中经受了温度变化和形状变化，这种变化在玻璃中留下了热应力。这种热应力会降低玻璃制品的强度和热稳定性。如果直接冷却，很可能在以后的存放、运输和使用过程中自行破裂（俗称玻璃的冷爆）。为了消除冷爆现象，玻璃制品在成形后必须进行退火。 退火:退火就是在某一温度范围内保温或缓慢降温一段时间以消除或减少玻璃中热应力到允许值。,2020/7/18,88,3.2.3.3 石英与水晶 玻璃、石英与水晶的主要成分均为SiO2，在空间为硅氧 四面体结构。 杂质含量高 (低) 的小颗粒SiO2称为砂子 (石英砂)

39、； 排列规则有周期性的纯SiO2称为石英,为晶体； 大而透明的石英称为水晶；含紫色杂质者为紫水晶；含黑色杂质者为墨水晶；微晶+杂质者为玛瑙、碧玉。,水晶,水晶玻璃,2020/7/18,89,规则的几何多面体形态 (晶体) ；不规则的排列 (非晶体) 。 性质各向异性 (晶体) ；性质各向同性 (非晶体) 。 固定的熔点 (晶体) ；没有固定的熔点 (非晶体) 。,2020/7/18,90,3.3 纳米材料 纳米（nanometer, 10-9m）材料是指材料的显微结构尺 寸均小于100nm，且具有某些特殊功能的材料。 纳米材料的特性主要表现在表面效应、小尺寸效应和量子尺寸效应。,2020/7/

40、18,91,纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3 nm的原子团包含大约900个原子。,2020/7/18,92,纳米材料的表面效应 纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。,界面层的分子所受合力不为零，它们比体相内分子具有更高能量。表面分子的能量较高！,2020/7/18,93,粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90

41、%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。,2020/7/18,94,纳米材料的小尺寸效应,当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。,2020/7/18,95,纳米材料的量子尺寸效应,当纳米粒子

42、的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。,2020/7/18,96,荧光粉中的应用 有些氧化物，如TiO2、 Fe2O3、 ZnO、 Al2O3，当达到纳米尺寸时对紫外光有强烈的吸收。 亚微米TiO2 对紫外光没吸收。 纳米TiO2 对400 nm以下紫外光有强烈的吸收。 纳米Fe2O3 对600 nm以下紫外光有强烈的吸收。 纳米Al2O3 对250 nm以下紫外光有强烈的吸收。 把几种纳米氧化物混到稀土荧光粉中，能有效地吸收掉有

43、害的紫外光而不降低荧光粉的发光效率。,纳米材料的应用,2020/7/18,97,日光灯是利用水银的紫外线来激发管壁的荧光粉导致高亮度的照明,但紫外光对荧光粉的寿命及人体有损害。所以要进行过滤。,大块金,防晒油、化妆品的应用 太阳光包含光的各种波长，有可见光、红外光、和紫外光。 对人体伤害的是紫外光, 300400nm之间。所以在防晒油、化妆品中加入TiO2等纳米氧化物能很好地吸收有害的射线，达到保护皮肤的目的。颗粒不能太大或太小，一般40 nm, 太大起不到吸收作用，太小会堵塞毛孔, 影响健康。,2020/7/18,98,力学性质,陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷

44、材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。,2020/7/18,99,2020/7/18,100,光学性质 由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，即吸收带移向短波方向。例如，纳米SiC颗粒和大块SiC固体的峰值红外吸收频率分且是814cm-1和794cm-1。纳米氮化硅颗粒和大块Si3N4，固体的峰值红外吸收频率分别是949cm-1和 935 cm-1 。光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。,2020/7/18,101,宽频带 强吸

45、收 大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们对可见光范围内各种颜色(波长)的光的反射和吸收能力不同。当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，例如铂金纳米粒子的反射率为l，金纳米粒子的反射率小于10。这种对可见光低反射率，强吸收率导致粒子变黑。,纳米粒子,微米粒子,大块金,2020/7/18,102,热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。,2020/7/18,103,生物医药材料应用 ：纳米粒子比红血细胞（69nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒

46、子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗， 疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。 在医药方面，制造具有特定功能的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。,2020/7/18,104,学习和生活用品中哪些是由有机高分子材料制成的？,有机高分子,天然高分子：淀粉、纤维素和蛋白质等,合成高分子：合成纤维、塑料、合成橡胶,2020/7/18,105,涤纶,尼龙,纺纶纤维织成的防弹衣腈纶,腈纶,2020/7/18,106,橡 胶 产 品,2020/7/18,107,3.4 有机高分子材料 3.4.1 有机高分子化合物（聚合物）的定义

47、由一种或若干种简单的结构单元重复连接而成的化合物称为聚合物。 分子量大于104的化合物称为高分子化合物。 如聚乙烯：-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2-CH2CH2- 可简写为 -CH2CH2n-。其中-CH2CH2-称为链节，聚合物中所含的链节数n称为聚合度，聚乙烯的原料乙烯（CH2=CH2)称为单体。,2020/7/18,108,3.4.2 有机高分子化合物的合成 3.4.2.1 均聚反应 由一种具有不饱和键（重键）的单体经加成反应生成产物的反应成为均聚反应。产物称为均聚物。如由乙烯生成聚乙烯，丙稀生成聚丙稀，等。,2020/7/18,109,+,+,+,乙烯发生加聚反应的过程：,

48、2020/7/18,110,2020/7/18,111,2020/7/18,112,3.4.2.2 共聚反应 由两种或两种以上的单体（其中至少一种具有不饱和键）经加成反应生成产物的反应称为共聚反应。产物称为共聚物。 如:n CH2=CH-CH=CH2 + n CH2=CHCN -CH2-CH=CH-CH2-CH(CN)-CH2-n 1,3-丁二烯 丙烯腈 丁腈橡胶 共聚分为：无规共聚、交替共聚、嵌段共聚、接枝共聚。,2020/7/18,113,3.4.2.3 缩聚反应 缩聚反应是指单体在聚合过程中，同时缩减掉一部分 低分子化合物的聚合反应。如己二胺与己二酸缩聚成 尼龙-66的反应： n NH2

49、-(CH2)6-NHH + HOCO-(CH2)4-COOH NH-(CH2)6-NH-CO-(CH2)4-CO n + (2n-1)H2O,2020/7/18,114,它们的单体各是什么？属于哪类反应的产物？,高分子化合物A和B的部分结构如下：,练 一 练,CH2CHCOOH,加聚,缩聚,方法点拨：寻找最小的结构重复单元，以此切割并恢复成单体的结构。,2020/7/18,115,3.4.3 有机高分子化合物的结构与性能 3.4.3.1 有机高分子化合物的结构 有机高分子链的结构可分为链型（含支链）和体型两种。,2020/7/18,116,体型结构高分子化合物,OH,OH,OH,OH,OH,O

50、,H,H,H,H,H,O,O,O,O,H20,H20,H20,H20,H20,2020/7/18,117,线型结构的高分子化合物可转变为体型结构：,CH2CH CHCH2,CH2CH CHCH2,CH2CH CHCH2,CH2CH CHCH2,CH2CH CHCH2,CH2CH CHCH2,CH2CH CHCH2,CH2CH CHCH2,S,S,S,S,S,S,S,S,S,S,2020/7/18,118,3.4.3.2 有机高分子化合物的性能 由于链型分子间相互作用力较弱，故常具有柔顺性和弹 性，可溶于适当溶剂中。加热时变软，冷却后又变硬，可 反复加工、成型，这种性质被称为热塑性。未硫化的天然

51、 橡胶、聚乙烯等均属于这类聚合物。 向液态链型聚合物中，加入某种特定的物质后发生交联作用生成体型聚合物，这种液态链型聚合物称为胶粘剂，所加入的物质称为固化剂。,2020/7/18,119,体型分子聚合物是由线型或支链型分子通过化学链交联而成，呈立体网状结构。体型高聚物交联程度小时，受热可以软化但不能熔融，加溶剂可使其溶胀但不能溶解。交联程度大时既难软化也难溶胀。体形高聚物一次加工成型后不能再熔化，这种性质被称为热固性。环氧树脂、酚醛树脂、硫化橡胶等属于体型分子聚合物。,2020/7/18,120,2020/7/18,121,3.4.3.3 链型高分子聚合物的温度特性 链型高分子聚合物随温度的变

52、化 呈现三种不同的状态。它们分别 是玻璃态、高弹态和粘流态。 所对应的两个转变温度分别是 玻璃化温度Tg和粘流化温度Tf。 玻璃化温度Tg高于室温的链型 高聚物室温下为玻璃态，常称为塑料； 玻璃化温度Tg低于室温而粘流态温度Tf高于室温的链型高聚物室温下为高弹态，常称为橡胶； 粘流态温度低于室温的某些链型高聚物可用做胶粘剂。,2020/7/18,122,3.4.3.4 有机高分子聚合物的老化与防老化 聚合物的老化是由分子链的交联反应和裂解反应引起的。 交联反应使链型分子变为体型分子，失去柔性、弹性，变硬、变脆； 裂解反应使分子链断裂，大分子变为小分子，体型聚合物变为链型聚合物，聚合物变软、发粘

53、，机械强度降低。 导致聚合物老化的因素主要由热、氧、光等。制备过程中加入一定量的热稳定剂、光稳定剂和抗氧化剂可降低聚合物的老化。,2020/7/18,123,3.4.4 一些重要的合成高分子聚合物 3.4.4.1 涂料 3.4.4.1 .1 涂料的定义 涂敷在物体表面能形成保护和装饰作用膜层的材料称为涂料。,2020/7/18,124,1. 保护作用 金属材料，尤其是钢铁，容易受到环境中腐蚀 性介质、水分和空气中氧的侵蚀和腐蚀； 木材易受潮气、微生物的作用而腐烂； 塑料会受光和热的作用而降解； 混凝土易风化或受化学品的侵蚀， 因此材料需要用涂层来保护。,2020/7/18,125,2. 装饰作用 由于涂料很容易配出成千上百种颜色，色彩丰富；涂层既可以做到平滑光亮，也可以做出各种立体质感的效果。,2020/7/