(4)化学与现代社会.ppt

1、第四讲 化学与材料,进入21世纪，人们普遍认为能源、材料与信息并列为现代科技的三大支柱。可见材料对推动科学技术的发展极为重要。,材料的化学分类：,1、金属材料 2、无机非金属材料 3、高分子材料 4、纳米材料,按材料服役的领域来分类:,信息材料是指用于信息的探测、传输、显示、运算和处理的光电信息材料。 航空航天材料包括新型金属材料、烧蚀防热材料和新型复合材料。 能源材料是指能源工业和能源技术所使用的材料，可分为新能源材料、节能材料和储氢材料等。 生物医用材料是一类合成物质或天然物质或这些物质的复合，它能作用一个系统的整体或部分，在一定时期内治疗、增强或替换机体的组织、器官或功能。,按材料的性能

2、分类： 可分为结构材料和功能材料。 结构材料是指具有抗外场作用而保持自己的形状、结构不变的优良力学性能（强度和韧性等），用于结构目的的的材料。 功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、热学、声学、力学、化学和生物学功能及其相互转化的功能，被用于非结构目的的高科技术材料。,金属材料是最重要的工程材料。虽然在远古时代就已经使用金、银、汞和铅，但直到18世纪中叶，才开始对金属进行科学研究。金属元素作为元素的一大类，其原子结构特征是最外层电子数少而d电子较多。金属材料内部原子间的结合主要依靠金属键，这就是有别于其它材料的根本原因。,一、金属材料,1.物理性质： 有光泽、密度大、熔点高、导电、导热、有延展

3、性、有磁性、热胀冷缩 。 2.化学性质： “金属性”是指 M Mz+ Ze- （metal ） （1）与氧（空气）的反应 （2）金属与H2O的反应 （3）金属与酸的反应 （4）金属与碱的反应 （5）金属间置换反应,1. 钛 轻、强、高、稳，无磁性，去气剂； TiO2 （金红石）、钛白粉可做白色填料。,2. 铬 硬度最大的金属，熔点高；耐蚀； Cr2O3 铬绿，颜料、磨料；CrO3 铬酐，强氧化性，毒；K2Cr2O7 红矾钾，常用氧化剂。,常用金属,3.锰 硬而脆；吸气； KMnO4 常用作氧化剂。不稳定。,Mn,4.铜 有较高的韧性和良好的延展性； 导电性仅次于银居第二位； 导热和耐腐蚀性能好

4、。,5.铝 导电性仅次于铜、银、金，但质量只有铜的一半，适合代替铜制造高压电缆； 虽是活泼金属，但表面易形成致密的氧化膜，稳定性好。,合金材料,1、钢铁铁和碳的合金体系，特点是强度大、价格便宜、应用广泛，钢铁约占金属材料的总产量的90%，是世界上用量最大的金属材料。 钢铁中：含碳量 2.0%，称为生铁； 含碳量 0.60%，称为高碳钢；,合金是由一种金属与一种或几种其他金属、非金属融合在一起生成的具有金属特征的物质。有三种类型：机械混合物、固溶体和金属化合物。,2、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，可用于建材、导线、食品包装等。 钛合金：密度不大，强度很

5、高，抗蚀性好，耐高、低温（-200-500），用于航空航天。 3、硬质合金以硬质化合物为硬质相（ TiN、AlN、TiC、WC、SiC），有很高的硬度和熔点，耐磨、强度、韧性。用于制造刀具及钻头等。,5、贮氢合金 两种特定金属的合金: （1）可大量吸收H2的金属； （2）不吸收氢的金属制成的合金。 氢可在其中“移动”。是理想的氢能源材料。,4、记忆合金具有“记忆”自己形状特性的合金。如Ti-Ni（各50%）合金，在 一定温度T 时发生晶形转变：菱形晶格 立方晶格 晶格的变化，改变了材料形状。因此，只要控制温度就可以控制合金材料的形状。,稀土金属 稀土金属包括：Sc、Y、La、还有La系金属Ce

6、、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu。（17种元素） 1.通性 （1）电子层结构 IIIB: (n-1)d1ns2 （Sc,Y） Ln: (n-2)f1-14(n-1)d0-1ns2 （2）原子和离子半径镧系收缩：是指Ln的原子和离子半径比过渡元素更缓慢缩小。镧系收缩的后果是：6周期的原子半径与5周期的十分相近；二、三过渡系元素性质相似而有别于一过渡系。,2.应用 (1) 冶金工业的“维生素” 应用混合稀土可大大改善合金性能：脱O、S、H；氮化物细化，石墨球化；改善延展性，提高抗氧化能力、可锻性等。 (2) 石油化工中主要用做催化剂 (3) 玻璃陶瓷工

7、业中CeO2 用来脱色、抛光；Pr2O3、Nd2O3 用于着色（红、绿）；La2O3高折射率、低散射的玻璃纤维；用于光学窥镜；Y2O3、Dy2O3 用于激光窗、红外窗、高温炉窗；,二、无机非金属材料,硅酸盐结构 硅酸盐是陶瓷材料的重要原料。研究发现，硅酸盐是由硅氧四面体SiO4为基本结构单元的各种硅氧集团组成的。 其晶体结构分为： 岛状硅酸盐(无共顶点) (a) ：SiO44， 如镁橄榄石Mg2SiO4，锆英石ZrSiO4等； 鼓型(双四面体)硅酸盐(单共顶点)(b)： Si2O76， 如硅钙石Ca3Si2O7； 环状及链状硅酸盐(二共顶点) ： Si6O1812、辉石(SiO3)n2n 及

8、闪石(Si4O11)n2n，正离子为 Mg2+、Ca2+等。如闪石结构的石棉； 层状硅酸盐(三共顶点)： (Si4O10)n4n，如高岭石、云母、滑石等； 骨架状硅酸盐(四共顶点)： SiO4四面体构成三维骨架状结构。 如方石英(SiO2)、沸石、长石。,陶瓷材料的定义及制备工艺 1、定义：陶瓷是无机非金属材料，用天然的或人工合成粉状化合物通过成型、高温烧结而制成的多晶固体材料。 2、陶瓷材料 的制备工艺 制粉 压坯 烧结 成品,2、玻璃相：非晶态固体，将晶相粘结在一起，降低烧结温度，抑制晶相晶粒长大和填充气孔。,陶瓷材料的组织结构 1、晶相：主要组成相，由离子键或共价键结合而成，决定陶瓷的性

9、能：高熔点、高耐热性、高化学稳定性、高绝缘性、高脆性。,3、气相：气孔（510）。 对性能的不利影响：增加脆性、降低强度、电击穿强度降低，绝缘性能降低。 对性能的有利影响：提高吸振性，使陶瓷密度减小。,陶瓷的性能 1、力学性能： 硬度极高： 高弹性模量; 高脆性；高的抗压强度； 低的抗拉强度： 低的塑性、韧性； 抗热振性能较低。 2、物理化学性能： 高熔点 （ Tm 2000C） (高温强度、高温蠕变抗力) 低的热膨胀系数、热导率，良好的绝缘性。 特殊的光、电、磁性能：如压电性能、激光性能等 结构稳定，化学稳定高。,陶瓷的分类及应用 1、普通陶瓷：由粘土、长石、石英为原料配制，烧结而成。 组织

10、：主晶相 莫来石2530% ， 次晶相 SiO2 ； 玻璃相 3560% 气相 13% 性能特点：质地坚硬，不氧化、不生锈、耐高温； 成型性好，成本低。强度低，绝缘性、耐高温性不如其它陶瓷。 应用： 生活中常用的各类陶瓷制品；电瓷绝缘子，耐酸、碱的容器和反应塔管道，纺织机械中的导纱零件。,2、特种陶瓷 （1）氧化铝陶瓷 组织：AL2O3 主晶相，还有少量SiO2； 性能：硬度高； 耐高温（抗氧化性能，高的蠕变抗力）； 耐腐蚀，绝缘性好； 脆性大，抗热振性差； 缺点 应用：内燃机火花塞；火箭导弹的导流罩； 制造耐磨零件，如轴承，纺织机上的导纱器等；冶炼金属的坩埚；合成纤维喷嘴，和各种切削刀具等。

11、,（2）氮化硅陶瓷 主要成分：Si3N4 制备有两种方法：热压烧结；反应烧结 性能特点：硬度高，摩擦系数小，极优异的耐磨材料。蠕变抗力高，热膨胀系数小，抗热振性能最好。化学稳定性好(除氢氟酸外)，优异的绝缘性能。 应用：用于耐磨、耐高温、耐腐蚀、且形状复杂、尺寸精度高的陶瓷制品，如高温轴承、燃气轮机转子叶片。热电偶套管、石油化工泵的密封环（动密封）；切削刀具。,（3）碳化硅陶瓷： 主要成分：SiC. 制备：反应烧结；热压烧结； 性能特点：高温强度高，导热性好。耐放射元素辐射；热稳定性、抗蠕变、耐腐蚀性能好； 应用：高温结构材料； 火箭尾喷管的喷嘴；高温轴承；热交换器，核燃料包封材料。 （4）氮

12、化硼陶瓷： 主要成分：BN； 晶体结构为六方结构，与石墨相似，称“白石墨”。 性能特点：耐热性、导热性好；热稳定好，抗热振性好；核反应堆中吸收热中子的控制棒,Czochralski Silicon Growth System,透明陶瓷 (激光材料),高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100m的细丝，称为石英玻璃纤维。,光导纤维,压电陶瓷,生物陶瓷,玻璃的结构特点玻璃态物质 玻璃是无定形硅酸盐的混合物，属于玻璃态物质。 玻璃态物质的粒子不像晶体那样有严格的空间排列，但也不完全是无规则的排列。人们把这种结构特征称为“短程有序、远程无序”，就是说从小范围看它有一定的晶型排列，从整体上看

13、却无晶型的排列规律。 玻璃态物质没有固定的熔点，可以在某一温度范围内逐渐软化变成液态。在软化状态时，玻璃可吹制或轧成一定形状的制品。,在玻璃中加入适量的溴化银(AgBr)和氧化铜的微小晶粒，经过适当的热处理，可以制成变色玻璃。当强光照射到玻璃上，溴化银分解为银和溴单质，分解出的银原子聚集成银的微小晶粒，使玻璃呈现暗棕色，能挡住大部分光线。 光线变暗，银和溴在氧化铜的催化作用下，重新生成溴化银。于是玻璃的颜色自动变浅，透光性增强。,变色玻璃,5。夹层玻璃 夹层玻璃受到撞击时只会裂开，而不会粉碎。夹层玻璃共有三层，两层玻璃夹着厚度约为0.76mm的中间层。夹层玻璃中间层的材料通常为性能较好的聚乙烯

14、醇丁醛（PVB）。当玻璃受到撞击而损坏时，中间的胶片便可粘着外面的玻璃，防止碎片四处飞散。,硅酸盐水泥是最常用的建筑材料,水泥的硬化过程可以分为两个阶段。第一阶段是水泥加水后逐步发生水化反应，从具有可塑性与流动性的水泥浆，变成非流动性的水泥颗粒并丧失可塑性。第二阶段是水泥颗粒逐步吸收水，进一步发生水化反应，硬化成机械强度高的固体。,三、有机高分子材料（高聚物）,人们对有机高分子化合物已不陌生，棉、麻、丝、毛、角、胶、塑料、橡胶、纤维，无论是天然的还是合成的 ，这类材料在人们日常生活和工程技术中都占有越来越重要的地位。,有机高分子（高聚物）是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的

15、化合物。高聚物的种类繁多，性能各异，其分类的方法多种多样。 按高分子来源分为天然高分子材料和合成高分子材料； 按材料的性能和用途可将高聚物分为橡胶、纤维、塑料和胶粘剂等。,高分子的基本概念 高分子化合物是由许多结构单元相同的小分子化合物通过化学键连接而成的。也称为聚合物。 例如，聚氯乙烯的化学结构为：,它是由小分子氯乙烯通过双键打开连接而成的。这里小分子氯乙烯称为单体。其中方括弧中的化学式表示高分子链中的重复单元，也叫结构单元、单体单元和链节。 n为重复单元的数量，称为聚合度。,通常，根据化合物的相对分子质量大小来划分高分子和小分子。 相对分子质量小于1000的，一般为小分子化合物；而相对分子

16、质量大于10000的，称为高分子或高聚物；处于中间范围的可能为高分子（低聚物），也可能为小分子。 重要概念： 当一个化合物的相对分子质量足够大，以至多一个链节或少一个链节不会影响其基本性能时，称为高分子。,高分子化合物分为热塑性高分子和热固性高分子两大类： 热塑性高分子在受热后会从固体状态逐步转变为流动状态。这种转变理论上可重复无穷多次。或者说，热塑性高分子是可以再生的。 热固性高分子在受热后先转变为流动状态，进一步加热则转变为固体状态。这种转变是不可逆的。换言之，热固性高分子是不可再生的。,典型的热塑性高分子：聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯和涤纶树脂等。 典型的热固性高分子：酚醛树脂、环

17、氧树脂、氨基树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、硫化橡胶等。,一次性餐具（聚氯乙烯）白色污染,纳米材料(nano material)与纳米粒子(nano particle)： 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子。从通常的微观和宏观的观点来看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。,四、纳米材料,表面效应 球形

18、颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加，表面活性也增强。 超微颗粒的表面具有很高的活性，利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。,小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。从而产生如下一系列新奇的性质。（1） 特殊的光学性质 所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属

19、超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。,（2） 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的。但超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。 （3） 特殊的磁学性质 人们发现生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超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。 人们利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的

20、特性，已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。,（4）特殊的力学性质 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，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是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金属硬35倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。 超微颗粒的小