第四章化学与材料-2.

第四章化学与材料人类利用材料的历史：陶器青铜铁器高分子材料半导体材料发光二极管材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类进步的重要里程碑。各种材料百花齐放：复合材料材料的分类结构材料——力学性能建筑材料2、按使用性能分：1、按化学组成分：3、按材料的应用对象：金属材料无机非金属材料有机高分子材料功能材料——光、电、磁、热、声特性和效应信息材料能源材料生物材料•§4.1金属材料•§4.2无机非金属材料•§4.3高分子材料•§4.4复合材料本章目录金属分类：§4.1金属材料铝元素是自然界含量最多的金属元素。青铜钢铁铝及铝合金钛及钛合金黑色金属——铁、锰、铬及其合金——除去黑色金属外的金属有色金属一、首饰金属材料化学性质极为稳定。在任何温度下，都不与空气或氧气反应。金Au不溶于单一的盐酸、硝酸、硫酸等强酸中，只溶于王水生成氯金酸H[AuCl4]；“真金不怕火炼”浓HCl:浓HNO3=3:1•金的成色有三种表示方法：1)百分率法：2)成色法：3)“K”法：（金的纯度）以百分比率(%)表示金的含量。是以千分比率(‰)表示金的含量，使用时省去千分符号。在24份物质中金所占的份额用“K”来表示。如24K表示纯金(实际含量99.99%)。18K金中金的含量为75%。万足金、千足金、足金区别：万足金含金量等于或大于999.9‰含金量等于或大于999‰，印记是999金千足金足金含金量等于或大于990‰,印记是99金1)眼看法2)手掂法3)看硬度5)条痕法•黄金饰品的鉴别“七青八黄九五赤、黄白带灰对半金”；拿在手中有坠手感，而铜或其它只有重感而无坠感；纯金的硬度很低，用指甲能划出浅痕，牙咬能留下牙印；含铜越多越硬；把黄金置于试金石上一划，根据条痕的颜色，可以判断黄金成色；黑色硅质岩银Ag白色金属，质软，但比金更硬，是导电率和导热性最大的金属，延展性仅次于金。反光能力很强。化学性质稳定。一般不与氧起作用，不溶于盐酸和稀硫酸，能溶于硝酸和热的浓硫酸。在常温下能与硫化氢反应生成黑色硫化银（Ag2S），这是银及银器变暗的原因。银钗能验毒吗？宋代著名法医学家宋慈的《洗冤集录》中就有用银针验尸的记载。砒霜（As2O3）由元素砷氧化而来，而砷是亲硫元素，主要的矿石为硫化物矿。古人制取砒霜的技术不高，所用砒霜里可能伴有少量硫化物，会使银变色。银钗验毒的方法，大约产生于一千多年前，一直到清末，在实际验尸时都在采用。原理：铂Pt（白金）白色金属，硬度不高，延展性好，可拉成直径0.001mm的细丝，还能压成0.1127mm的薄片。铂有很高的化学稳定性，除溶于王水和熔融的碱外，还溶于盐酸和过氧化氢、盐酸和高氯酸的混合物中。不与一般强酸、碱和其他试剂作用。铂的年产量80吨左右，而黄金年产量超过1000吨。“一克的产品，一年的辛劳。”密度最小的金属钨汞锂金属之最熔点最高的金属熔点最低的金属1、钢铁二、合金材料钢铁用量占金属材料总用量的80%，品质繁多；生铁2.0~4.3%C钢铁都为铁炭合金按含炭量多少分为：钢0.3~2.0%C熟铁＜0.3%C铁钢减少碳、除杂Si、S、P、Mn+O2氧化物，称为炉渣铁矿石石灰石、碳高炉炼铁化学原理（生铁）：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2,Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2C(焦炭)+O2=CO2C焦炭+CO2=2CO赤铁矿、磁铁矿Fe2O3Fe3O4造渣剂CaCO3炼铁的原理C：可提高钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性；钢铁中几种元素的影响：S：常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985℃)，热加工时(1150~1200℃)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性；P：有害元素，低温时使钢显著变脆，称为冷脆性。Mn：炼钢时作为脱氧剂加入，与S生成MnS(熔点1600℃)可清除S的影响；比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中应用：2、铝合金金属铝的密度仅2.7g/cm3,导电导热,但强度、硬度和耐磨性能差,若与Mg、Cu、Zn、Mn、Si等形成合金,机械性能会大幅度改善.硬铝合金：强度和钢相近,而质量仅为钢的1／4左右,但耐腐蚀性较差。如Al-Cu-Mg,Al-Cu-Mg-Zn等.防锈铝合金：用压力加工法提高强度的变形铝合金,可耐海水腐蚀,可用于造船工业等.如Al-Mn,Al-Mg等铝锂合金：锂是最轻金属,其密度为0.534g/cm3，是铝的1/5.飞机上改用铝锂合金后,重量可减轻8％~16％.如B737可减重2178kg,B747SP可减重4200kg.铝合金约占机体结构重量81%3、钛合金钛被誉为“2l世纪金属”密度小，强度高（比钢轻，但机械强度可与钢媲美）；钛合金喇叭佳能数码相机采用钛合金机身钛用量15-17%热强度高（工作温度可达500℃，铝合金则在200℃以下）；抗蚀性能好（在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢）；低温性能好（在-253℃下还能保持一定的塑性）；未来的金属合金三、几种特殊的合金材料形状记忆合金储氢合金金属的超导性金属玻璃在20世纪60年代初，美国海军研究所一个研究小组，偶然发现NiTi合金竟然具有一种“形状记忆”的本领。科学家们对此进行了深入的研究，发现CuZn合金、CuAlNi合金等也都具有这种奇特的本领，即人们可以在一定温度范围根据需要改变它们的形状，到了一定的特定温度，它们便一个个自动恢复到自己原来的形状。人们把这种现象叫做“形状记忆效应”，将具有“形状记忆效应”的合金，叫做“形状记忆合金”。何谓形状记忆合金1、形状记忆合金永不忘本的神奇金属合金的这种记忆效应是由合金的“相变化”来实现的，随着温度的改变，合金的结构从一相转变到另一相。在转变温度以下，金属晶体结构处于一种不稳定结构状态，在转变温度以上，金属结构是一种稳定结构状态，一旦把材料加热到转变温度以上，不稳定的晶体结构就转变成稳定结构，材料也就恢复了原来的形状。记忆合金为何具有“记忆”?记忆合金的应用航空航天领域的舱内，在月面上经太阳光的照射加热使它恢复到原来的抛物面形状。这样就能用空间有限的火箭舱运送体积庞大的天线了。在室温下用形状记忆合金制成抛物面天线，然后把它揉成直径5厘米以下的小团，放入阿波罗11号记忆合金弹簧可制成防烫伤莲蓬头，当水的温度太高时，弹簧可以自行关闭热水，以防止淋浴时意外烫伤。记忆合金制成元件，安装在工厂、仓库、宾馆等建筑的电路中，人们会迅速将火灾消灭在发生之前。机械电子产品当这种眼镜架弯曲时，只要将它放入55℃的温水中，即可恢复到原来的形状移动电话天线、钓鱼线、眼镜的镜架等。用于矫正脊椎骨，校正牙齿。形状记忆合金矫正牙齿民用产品方面：医疗器械方面：20世纪60年代中期，科学家发现LaNi5和FeTi合金具有可逆储氢的作用，即能与氢气发生化学反应，使氢分子在其表面被催化分解成氢原子，然后氢原子再进入金属点阵内部，生成金属氢化物。加热后又能释放出氢，相当于储氢“容器”。从理论上讲，相当于氢气瓶重量1/3的某些金属，其体积却不到氢气瓶的1/10，就能吸收与氢气瓶贮氢容量相当的氢气。具有储氢能力的金属和合金已经发现不少，其中接近实用化的有：钛铁合金、镧镍合金、镁镍合金。2、储氢合金会“呼吸”的金属制造贮氢电池，并将作为各种高级电子设备（如摄像机、磁带录象机、液晶电视接受器、语言处理机）以及其他紧凑、轻便、易携带的电子设备中的电源。储氢材料应用以H2为燃料的汽车在低温情况下，许多金属电阻急剧下降，甚至消失！这意味着金属在低温条件下的导电本领突增亿万倍，将节约大量电能。各国科学家争相进行这方面的研究。现已发现有几百种金属、合金、化合物在低温下有这种电阻几乎消失的特性。人们称这种现象为“超导现象”。何谓超导现象？3、金属的超导性在低温下一些金属和化合物的原子被“冻僵”，因此，当通上电流后，自由电子便不会像原来那样处处受到阻碍、碰撞，而是畅通无阻。超导体在低温下工作时失去电阻的温度称作“临界温度”。显然，临界温度越高，超导材料就越有应用价值。目前实用价值最高的三种超导材料是NbTi(铌钛)合金、NbNi合金和VGa(钒镓)合金。金属为何具有超导性？用以制造比现有发电机输出功率高100倍以上的超导发电机；可实现远距离无损耗输电；可以用来产生很强的磁场；(磁悬浮列车也是超导现象所产生的“魔力”！)用以制造高速运算的超导电子计算机。应用：神秘的低温世界，已被人们打开了大门，超导材料正愈来愈显示出强大的生命力！上海磁悬浮列车德国西门子1.5T超导核磁共振机研究结果表明，把高温熔化的金属液体超速骤冷，金属原子来不及按常规排列结晶，还处于不整齐、杂乱无章的状态便“冻结”了。这样，金属或合金就变成了像玻璃一样的非结晶态金属。人们把非结晶态的金属叫做“金属玻璃”或“玻璃态金属”。4、金属玻璃金属玻璃优越性？玻璃易碎，没有延展性，金属玻璃的强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，且具有一定的韧性和刚性。“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”§4.2无机非金属材料“硅酸盐材料”玻璃陶瓷水泥人工玻璃的制造，开始于公元前3000至4000年，是由陶瓷生产演变而来的。相传古埃及有位工匠一次在一个刚刚制好的泥坯上，无意中粘上苏打和沙粒的混合物。泥坯烧好后，外面就形成了一层致密而光滑的釉。后来人们学会了单独用釉来烧成小珠子之类的东西，这就是早期制造的玻璃。一、玻璃我国也是最早掌握玻璃制造技术的国家之一。原料：石英砂（SiO2）、纯碱（Na2CO3）、CaCO3原理：CaCO3+SiO2→CaSiO3+CO2↑Na2CO3+SiO2→Na2SiO3+CO2↑1、普通玻璃普通玻璃是无定形硅酸盐的混合物，它的基本结构是硅氧四面体；这些四面体之间排列杂乱无章，没有规律；而且钠离子的位置也毫无秩序。因此，玻璃没有固定熔点，而是在某一温度范围内逐渐软化。在软化状态时，玻璃可吹成或轧成任何形状。玻璃工艺品玻璃吹制①HF：SiO2+4HF=SiF4+2H2O可用于刻花玻璃，不能用玻璃瓶盛放。玻璃瓶装药品的几个问题：②玻璃塞：带有磨口的玻璃塞，与碱液反应。SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O使二者粘在一起，所以不能装碱液。③玻璃瓶可以装碱液，但是要用橡胶塞。在玻璃中加入卤化银和少量氧化铜，当它受紫外线或可见光短波照射时，卤化银可以暂时分解成卤素和银，微细的银粒可使玻璃变暗色，减少光线通过。光照停止后，在氧化铜的催化下，卤素和银又重新结合，形成无色卤化银微晶。变色玻璃2、特殊玻璃玻璃是绝缘体，但如果在玻璃的表面上覆以金属氧化物（In2O3/SnO2,）薄膜，这种玻璃便成了良好的导体。薄膜的厚度，通常不到1／4000厘米，所以几乎不影响玻璃的透明度，这种玻璃既叫导电玻璃(ITO玻璃）。用导电玻璃来作车辆、船舶和飞机的观察窗时，只要通上少量电流，就能使玻璃表面发热，无论是在高空或大冷天，窗玻璃上都不会结冰，从而大大增加了行进的安全。导电玻璃玻璃与光导纤维丁达尔在装满水的木桶上钻个孔，然后用灯从桶上边把水照亮。结果使观众们大吃一惊。人们看到，放光的水从水桶的小孔里流了出来，水流弯曲，光线也跟着弯曲，光居然被弯弯曲曲的水俘获了。光的全反射实验1870年后来人们造出一种透明度很高、粗细像蜘蛛丝一样的玻璃丝──玻璃纤维，当光线以合适的角度射入玻璃纤维时，光就沿着弯弯曲曲的玻璃纤维前进。由于这种纤维能够用来传输光线，所以称它为光导纤维。重量轻：铺设1000公里的电缆大约需要500吨铜，改用光纤通信只需几公斤石英；通讯容量大﹑抗干扰性好：一对金属电话线至多只能同时传送一千多路电话，而根据理论计算，一对细如蛛丝的光导纤维可以同时通一百亿路电话！新型陶瓷材料的化学组成已远远超出了硅酸盐的范围，例如透明的氧化铝陶瓷、耐高温的二氧化锆陶瓷、高熔点的氮化硅陶瓷等。传统陶瓷是从高温窑中烧制出来的硅酸盐产品，它的原料是普通和便宜的粘土。新型陶瓷氧化铝陶瓷喷嘴二、陶瓷1、传统陶瓷原料：黏土（主要成分是高岭土Al2O3·2SiO2·2H2O）工艺：精选原料—成型—绘图—上釉—烧制特点：抗氧化、耐酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成