第5章 化学与材料.ppt

1、第5章化学与材料,基本要求,1、掌握各区元素原子的结构特征，并能从原子的电子层结构了解常用工程材料在元素周期系中的分布 2、了解近年来的新型材料(高分子材料, 陶瓷材料, 纳米材料, 复合材料, 液晶材料)的组成与性能,5.1 常用工程材料在周期系中的分布 5.2 几种新型材料 5.2.1 金属材料 5.2.2 高分子材料 5.2.3 陶瓷材料 5.2.4 复合材料 5.2.5 液晶材料,材料的分类 1） 按用途分为结构材料和功能材料 结构材料：利用材料的力学和理、化性质 功能材料：利用材料的热、光、电、磁等性能 2） 按成分、特性分为： 金属材料 黑金属：铁、铬、锰及合金 有色金属：除了黑金

2、属以外的金属 无机非金属材料（陶瓷材料）传统陶瓷 精细陶瓷 有机高分子材料：塑料、纤维、橡胶以及涂 料、黏合剂等 复合材料：由以上三种材料复合而成,按化学活泼性分： 活泼 中等活泼 不活泼 s 区 ds区、p区 d区,5.1常用工程材料在周期系中的分布,Li-密度最小的金属,0.5gml-1 He-熔点最低的单质 Cr-硬度最大的金属(9) W-熔点最高的金属(3410) Hg-熔点最低的金属,1 金属的性质,物理性质：,光泽：金属晶体大多呈银白色， Au黄色，Bi淡红，Cu紫红色；,密度：按5g.cm-3为标准, 分为轻金属,重金属；,5.2 金属材料,熔点：金属熔点差别很大。 如：Hg、W

3、；,磁性：分铁磁材料(Fe、Co、Ni)； 顺磁材料(Mn、Cr、Mo、W）； 逆磁材料(Cu、Sn、Pb、Zn）；,延、展性：即机械加工性能良好；,热胀冷缩(但Sb 、Bi相反)。,导电、导热 ：金属越纯，导电、热性 越好;,2 几种新型金属材料,轻质合金以轻金属为主要成分的合金。,铝合金：密度小，强度高。 “硬铝”耐蚀，可用于车，不用于船。,钛合金：密度不大，强度很高，抗蚀 性好，耐高、低温（-200- 500），用于飞机。,硬质合金以硬质化合物为硬质相， 以合金为粘结相的复合材料（TiN、AlN、TiC、WC、SiC）具有高硬度、耐磨、强度、韧性。,具有“记忆”自己形状特性 的合金。如T

4、i-Ni（各50%）合金，在 温度40度发生晶格转变：,菱形晶格,立方晶格,晶格的变化，改变了合金形状。,记忆合金,贮氢合金以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而有效的贮氢方法。 金属氢化物不仅具有贮氢特性，而且具有将化学能与热能或机械能相互转化的机能，从而能利用反应过程中的焓变开发热能的化学储存与输送。,贮氢的原理 金属(M)与氢生成金属氢化物(MHx),金属与氢的反应，是一个可逆过程。 正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热。 改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。,M + xH2 MHx + H（生成热）,贮氢合金要求: 贮氢量大； 金属氢化物容

5、易形成，稍加热又容易分解； 室温下吸、放氢的速度快； 使用寿命长；成本低。,贮氢合金主要有三大系列： 镁系贮氢合金：MgH2, Mg2Ni 稀土系贮氢合金： 如：LaNi5中添加MnNiMn, MnNiAl 钛系贮氢合金： TiH4, TiMn1.5,1. 光导纤维 从高纯的二氧化硅或石英玻璃的熔融体中，拉出直径约为100微米的细丝，称为石英玻璃纤维。 （玻璃可以透光，但在传播过程中光损耗较大，而用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维。）,5.3 陶瓷材料,皮料低折射率的玻璃；,光纤的组成：,芯料高折射率，高透光度，不析晶 的玻璃；,获得2009年度诺贝尔物理学奖的华人高锟发明了

6、石英玻璃，制造出世界上第一根光导纤维，因此被冠以“光纤之父”的称号。,多组分玻璃光纤； 复合材料光纤； 石英光纤（高纯度或掺杂）。,光在芯料和皮料界面上全反射，入射光封闭在芯料内，经过无数次全反射，锯齿状传播。,通信原理：,光纤材料：,光缆结构图,利用光导纤维可以进行光纤通讯，用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需要任何中继站。 光损耗较大光导纤维可以在短距离使用，特别适合做人体内窥镜，如：胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等。,2.超导陶瓷 1911年荷兰物理学家Onnes发现汞（水银）在4.2K附近电阻突然下降为零. 超导电性：零电阻现象. 超导临界温度：电阻突然消失的

7、温度. 超导体：在一定温度下具有超导电性的物体.,目前已发现30种单质，8000种金属、合金、化合物具有超导性。,1987年 赵宗贤等，,YBa2Cu3O7-x (Tc=90K),1993年,Hg-Ba-Cu-O (Tc=133.5K),应用： 1） 用超导材料输电 2） 超导发电机 3） 磁力悬浮高速列车 4） 可控热核聚变,3.纳米陶瓷 从陶瓷材料的发展史上看，经历了三次飞跃 从陶器到瓷器-第一次飞跃 从传统陶瓷到精细陶瓷-第二次飞跃 从精细陶瓷到纳米陶瓷-第三次飞跃 （超韧性陶瓷） 纳米材料：粒径为1-100纳米，纳米材料具有表面效应、界面效应、量子尺寸效应。,棉、麻、丝、毛、角、胶、塑

8、料、 橡胶、纤维它们是人们越来越熟悉 的有机高分子材料。无论是天然的 或合成的这类材料，在人们的生活和 工程技术中都占有越来越重要的地位。,5.4 高分子材料,高分子化合物：由一种或几种低分子化合物聚合而成的相对分子量较高的化合物（也称高聚物）,1 高分子化合物的组成： 特定结构单元多次重复而成:,聚合度,CH2CH2,2 相对分子质量:, 高分子化合物的相对分子质量应为：,M = 链节化学式量n,但，同种高聚物，其聚合度并不相同。,聚乙烯,链节,n,因此，每一个大分子的相对分子质量 都不相同。, 高聚物的相对分子质量只有平均意义。, 由于聚合度不同引起的高聚物相对 分子质量各不相同的现象高聚

9、物相对 分子质量的多分散性, 高聚物链节相同而聚合度不同的 混合物。,单体： 形成高聚物的低分子量化合物。 链节： 高分子化合物中重复的结构单元。 聚合度： 高分子化合物化学式中链节的个数。,3 高分子化合物的几何形状,线型结构 分子易蜷 曲，制品有弹性(热塑性)；,大分子被化学键交联起 来，不易蜷曲，制品无弹 性和塑性（热固性）。,体型(网状)结构,4 高分子化合物的制备,加聚反应,由一种或几种有不饱和键的单体通过加成反 应结合成高分子化合物的反应。 如：,nCH2=CH2,聚乙烯,聚氧化乙烯,特点： 1）参与加聚反应的单体具有不饱和键; 2）没有小分子物质产生，高聚物化学组成与单体相同;

10、3）加聚反应快，副产物较少.,加聚物可能是线状也可能是体型结构；,加聚反应可分为：均聚，共聚（又分 接枝、镶嵌共聚）。,缩聚反应,具有两个或两个以上官能团的一种 或几种单体缩合成高聚物，同时析出低 子物质（如：水、氨、醇、卤化物等） 的反应。,特点： 1）单体必须含有两个或两个以上的官能团； 2）有小分子副产物生成，高聚物化学组成与单体不同。,n HO-R-OH + n HOOC-R-COOH ,二元醇 二元酸,聚 酯,缩聚反应可以得到体型高聚物； 缩聚反应可分为： （按产物）体型缩聚，线型缩聚； （按单体）均缩，混缩，共缩。,5 高聚物的结构和性能,高聚物的结构特点,高聚物的相对分子质 量很

11、大，所以，分子间 力很强。因此，高聚物 无气态，机械强度较高。,高分子链中有许多C-C 键，此单键可按键角自 由旋转。,因此，高分子的形状便有无数可能（构象）高分子链的柔顺性。,高聚物的聚集态有： 晶 态大分子排列有序；, 非晶态大分子 排列无序；,高聚物整体无序，但在小区域内有不 同状态：晶区和非晶区。,一个大分子可穿过几个不同的区域。 高聚物中晶区多称结晶度大，力学性 能强。,玻璃态：TTg,温度低，动能小。大分子不能运动，只能振动；链段也不能运动。分子的形态和位置固定。受外力，只产生微小变形，是塑料的使用状态。,高聚物的物理状态,高弹态：TfTTg 分子动能不大，大分子不动，链段可 动。

12、受外力，大分子或蜷曲或伸展；除 去外力，分子复原，属高弹形变。高聚 物柔软，有弹性。是橡胶的使用状态.,分子动能大。大分子可运动，具有流动性和可塑性，不会复原。是高聚物的工艺状态；,粘流态：TTf, 玻璃态（对塑料）、高弹态（对橡胶）是使用状态，粘流态是工艺状态。, 塑料的Tg应高于室温。 Tg是塑料使用的最高温度； 橡胶的Tg应低于室温。 Tg是橡胶使用的最低温度。, 为便于加工，Tf应低些。 如塑料，Tf-Tg差应小; 为利于使用，Tf应高些。如橡胶。,讨论,讨论题：以下三种温度-形变曲线，各对 应于何种高分子材料？,对应于塑料。使用状态是玻璃态，处 于室温；Tg-Tf差值小；,对应于橡胶

13、。使用状态是高弹态，处 于室温；Tg-Tf差值大；,讨论：,对应于纤维。使用状态是玻璃态，处 于室温；Tg-Tf差值较大。,高聚物的性能,基本性能：质轻，有弹性，塑性， 绝缘，耐腐蚀。,机械性能：聚合度n大，分子间力大， 强度大（结晶度，极性基 团都能增强分子间力）。,高聚物无电子、离子，多是绝缘体。但极性基团在电场中会周期性取向，产生位移电流，使其具有导电性。,高聚物经摩擦而带静电，因绝缘而 不易消除。,符合“相似相溶”原理，但不同于低 分子，其溶解过程分为：,电性能：,溶解性：,溶胀溶剂分子进入高分子链，使 链距增大，体积增大；,溶解溶胀到使高分子链彼此分离， 分子进入溶剂。,体型高分子只

14、溶胀不溶解。, 特点：“强而韧”，耐磨性最好的纤 维。柔顺性好。, 用途：绳索，帘子线，渔网，飞行 服，运输带，降落伞，袜子。, 结构：,聚酰胺纤维（尼龙 锦纶 PA）,5.5 复合材料,1 定义：由两种以上物理和化学性质不 同的物质组合起来得到的一种 多相固体材料。,2 组成：基体材料（金属或高聚物）； 增强材料（纤维、粒子）。,3 类型：纤维增强复合材料 （增强材料是纤维） 粒子改性复合材料 (增强材料是粒子) 夹层复合材料 （芯、面料间以胶粘剂结合）,包括：玻璃纤维，陶瓷纤维，合成纤 维，金属丝,包括：SiO2、CaCO3、CaSO4 石棉、碳黑、陶土；,纤维增强材料,粒子增强材料,作用

15、：承受载荷，传递和分散应力， 提高强度。,作用：阻止基体位错，提高强度， 降低成本。,包括：机械力（钉、钩、铆），分子 间力，氢键，化学键。,复合材料的应用, 组成：以树脂为基体（环氧树脂， 酚醛树脂，不饱和聚酯树 脂，有机硅）。 以玻璃纤维为增强材料。,复合材料界面结合力,1 玻璃纤维增强塑料玻璃钢, 特点：质轻，耐热，耐蚀，耐老化， 绝缘，加工性好。刚度不及 金属。, 组成：以树脂（环氧，酚醛）为基体，以碳纤维（有机纤维，绝氧碳化）为增强材料。, 应用：车体，船体，罐，管，泵， 塔，零部件。,碳纤维增强塑料, 特点：质轻、耐热、导热、强度高。, 母材：铜、钢、不锈钢。 被复材料：Al、Cu、Ag、Au、Zn、 Sn、Ni等。 方法：电镀，热镀，浸镀，喷涂， 冷压，热压。,以物理、化学方法将不同金属组合在一起 的材料。,金属包层复合材料, 应用：航天器等高技术领域。,5.6 液晶材料,液晶：既具有液体的流动性和连续性，又具有晶体的各向异性的有机化合物。,热致液晶：呈现液晶相是由温度引起的，只能在一定温度范围内存在的单一组分，如胆甾醇苯甲酸酯。 溶致液晶：当某些溶质和溶剂混合时，在某浓度范围内液晶态存在。 如，“双亲化合物与极性水溶剂组成的二元或多元体系。,液晶的分类,