第4章化学与材料

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1、第四章 化学与材料,材料的分类 金属材料 无机非金属材料 有机高分子材料 复合材料 纳米材料,第一节 金属材料,黑色金属材料,有色金属(nonferrous)材料,铁、锰、铬以及它们的合金，应用最广,除黑色金属以外的其他各种金属及其合金,金属材料,轻金属,稀土金属,重金属,金属材料的性质,金属的一般性质与自由电子的存在密切相关。 金属具有光泽，不透明； 导电性和传热性都非常好； 有优异的延展性。,金属材料的性质,纯金属的强度较低，工业上用的大多是合金。 合金:两种或两种以上金属经高温熔融后冷却得到，也可以由金属元素和非金属元素组成，如碳钢。 合金品种繁多，性能各异。如不锈钢，钢中加入一定量的铬

2、。 有色金属的合金，主要有铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、镍合金和锌合金等。,铝合金,制备金属铝常用电解法。Al2O3是非常稳定的化合物。在高温下对熔融的氧化铝进行电解，其反应如下：,金属铝的强度和弹性模量较低，硬度和耐磨性较差 镁、铜、锌、锰、硅等元素与铝形成合金后，不但提高了强度，而且还具有良好的塑性和压力加工性能。 铝合金强度高、相对密度小、易成型，广泛用于飞机制造业、汽车工业及建筑业。,形状记忆合金, 将变形的合金加热到相变温度时，发生相转变而完全恢复原来的形状。 最早研究成功的形状记忆合金是Ni-Ti合金，可靠性强、功能好，但价格高。 铜基形状记忆合金加Cu-Zn-Al和Cu-Al-

3、Ni，铁基形状记忆合金。,应用,航空航天领域：人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温自然展开，恢复抛物面形状。 临床医疗领域：如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等。 消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。,贮氢合金,原理：利用合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。 要求 贮氢量大；金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解；室温下吸、放氢的速度快；使用寿命长和成本

4、低。 目前正在研究开发的贮氢合金主要有： 镁系贮氢合金如MgH2,Mg2Ni等； 稀土系贮氢合金如LaNi5； 钛系贮氢合金如TiH2,TiMn1.5。 应用：氢动力汽车的试验已获得成功。 氢的回收、分离、净化,第二节 无机非金属材料,陶瓷 矾土Al2O3 单晶Si、单质C,陶瓷材料,传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，新近发展起来的特种陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等， 按使用性能分为：结构陶瓷和功能陶瓷,结构陶瓷材料,优点：耐高温、高强度、高硬度、耐磨损、抗腐蚀等 应用：能源技术、宇航技术、超导技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料 实例：

5、透明陶瓷、耐高温陶瓷,高温陶瓷,优点：工作温度稳定在1300左右，热效率大幅度提高；发动机可减轻汽车的质量 应用：汽车发动机、航天航空 陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高,透明陶瓷,一般陶瓷不透明的原因：内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射。 选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔 早期透明陶瓷是氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆等 近期研制出非氧化物透明陶瓷：砷化镓（GaAs）、硫化锌(ZnS)、硒化锌（ZnSe）、氟化镁(MgF2)等。 强度、硬度都高于普通玻璃，耐磨损、耐划伤，可制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器

6、和高级防护眼镜等。,功能陶瓷材料,定义：以声、光、电、磁、热和力学性能及其相互转化为主要特征的材料 应用：能源开发、空间技术、生物技术、计算机技术、电子通讯、信息处理等方面 实例：压电陶瓷、高温超导陶瓷、敏感陶瓷、生物功能陶瓷等。,高温超导陶瓷,超导电性：1911年发现汞（水银）在4.2k附近电阻突然降为零 在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。,目前新的超导氧化物系列不断涌现，如Bi-Ca-CuO，Ti-Ba-Ca-CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。,高温超导陶瓷,C60与碱金属作用形成AxC60(A钾、铷、铯等) 是超导体，转变温度比金属合金高。 金属氧化物超导体属二维超导。

7、而AxC60则属三维超导。,（1）超导材料输电发电站 （2）超导发电机，线圈不会发热，无冷却难题，而且功率损失可减少50% （3）磁力悬浮高速列车的超导磁体,生物功能陶瓷,应用：人体器官和组织的修复或再造 氧化铝陶瓷可做成假牙，还可做人工关节 ZrO2陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性更好，可用以制造牙根、骨和关节等。 人工合成羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 与骨的生物相容性好，可用于颌骨、耳听骨修复等。 陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足。,第三节 有机高分子材料,1.高分子化合物概述 2. 高分子化合物的结构 3.高分子化合物的性能 4.重要的高分子化合物,3.1高分子化合物概述,（1

8、）基本概念 高分子化合物相对分子量特别大的一类化合物，简称高分子或聚合物,低分子化合物 高分子化合物 原子数目： 几个几十个 几千几万或几十万 相对分子质量： 1000 104 106,天然高分子，如淀粉、纤维素、棉、麻丝、毛，人体中的蛋白质、糖类、核酸等也是天然高分子。 用化学方法合成的高分子称为合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺（尼龙）等都是常用的合成高分子材料。,合成高分子,链节重复的结构单元 聚合度链节的数目 单体合成高分子所用的低分子原料,（2）高分子化合物的分类及命名,1）分类,2）聚合物的命名,天然高分子，一般按来源和性质有专有名词。如纤维素、蛋白质等。 合成高分子

9、，是在单体名称前冠以“聚”字。 由两种单体缩聚而成的聚合物，如果结构比较复杂或不太明确，往往在单体名称后加上“树脂”二字来命名。,聚合物的通俗名称、商品名称及简写代号,3.2 高分子化合物的结构,（1）线型长链状（不带支链的、带支链）,特点：1）分子链柔顺，易卷曲。 2）弹性好，塑性好，硬度、脆性较小。 3）具有溶、熔性，易于加工。 如：合成纤维、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。,（2）体型：线型或支链型之间以化学键交联而成。,特点：1）弹性、塑性差，硬度、脆性较大。2）不具有溶、熔性。 如：酚醛树脂、环氧树脂、离子交换树脂等。,3.3高分子化合物的特性,短程有序 高分子不容易形成完整的晶体。在局部范

10、围内， 分子链有可能排列整齐，形成结晶态。 不均一性 不同聚合度的高分子的混合物，无法确定高分子 的分子量，只是统计平均结果。,具有热塑性、热固性、绝缘性、相对密度小、比强度高等特殊的性能。,特点,化学稳定性与老化,老化高聚物及其材料在加工、贮存和使用过程中，长期受化学和物理(热、光、电、机械等)以及生物(霉菌)因素的综合影响，发生裂解或交联，导致性能变坏的现象。例如，塑料制品变脆、橡胶龟裂、油漆发粘等。,1）交联反应在分子链之间形成化学键，使大分子从线型结构 转变成体型结构的过程。,2）裂解反应（降解反应）指大分子断链变为小分子的过程。 例：橡胶氧化裂解,重要的高分子材料,通用高分子 塑料、

11、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂 功能高分子,塑料,塑料是在一定的温度和压力下可塑制成型的合成高分子材料。 分为热塑性塑料和热固性塑料。,聚乙烯,不同的反应条件下可得到不同性能的聚乙烯。 若选择0.21.5MPa低压聚合，用Ziegler-Natta催化剂，得到的产品是线型高分子，排列比较规整、紧密，可做桶、瓶、管、棒等塑料制品。 若在150MPa高压下用自由基引发聚合，得到的产品支链化程度较高，结晶度、密度降低，又称低密度聚乙烯。可做食品包装袋、奶瓶等软塑料制品。,工程塑料,要求有优良的机械性能、耐热性和尺寸稳定性。 聚甲醛的力学、机械性能与铜、锌相似，用它做汽车上的轴承，使用寿命比金属的长一倍。

12、聚碳酸酯不但可以代替某些金属，还可代替玻璃、木材和合金等，做各种仪器的外壳、自行车车架、飞机的挡风玻璃和高级家具等。,特种塑料,是在高温、腐蚀或高辐射等特殊条件下使用的塑料，它们主要用在尖端技术设备上。 例如聚四氟乙烯具有优异的绝缘性能，抗腐蚀性好，能耐高温和低温，可在-200250范围内长期使用，在宇航、冷冻、化工、电器、医疗器械等工业部门都有广泛的应用。,合成纤维,合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得。 聚酯（涤纶）、聚酰胺（尼龙、锦纶）、聚丙烯腈（腈纶），占世界合成纤维总产量度90%以上。 聚乙烯醇缩甲醛（维纶）、聚丙烯（丙纶）、聚氯乙烯（氯纶）等。,聚酯纤维,主要用于织衣料，也可做运输带

13、、轮胎帘子线、过滤布、缆绳、渔网等。 涤纶的分子链结构中含有酯基，这类刚性基团的存在，使分子排列规整、紧密，不易变形，受力形变后也易恢复，这是涤纶抗皱性好的原因。,聚酰胺纤维,最常见的是尼龙-6和尼龙-66。 主要用于制做渔网、降落伞、宇航飞行服、丝袜及针织内衣等。 特点是强度大，弹性好，耐磨性好。聚酰胺分子链中存在酰胺基，分子链间的酰胺基可以通过氢键作用，使分子链之间的作用力大为加强，保证了织物的强度。,合成橡胶,橡胶分天然橡胶和合成橡胶。 天然橡胶仅占15%左右，其余都是合成橡胶。 合成橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。,通用橡胶,特种橡胶,特殊的性质，如耐高温、耐低温、耐油、耐化学腐蚀和具有

14、高弹性等。 硅橡胶是以硅氧原子取代主链中的碳原子，它柔软、光滑，能耐高温，适宜做医用制品。 氟硅橡胶是将氟原子引入硅橡胶中，是一种耐高、低温的高弹性材料。丁腈橡胶和聚硫橡胶耐油性好。 许多合成橡胶是线型高分子，具有可塑性，但强度低，回弹力差，容易产生永久变形。若加入硫磺与橡胶分子作用，转变为体型结构，使橡胶失去塑性，同时获得高弹性。反应如下：,功能高分子,具有光、电、磁、化学、生物、医学等方面的功能的高分子,导电高分子, 70年代人们合成了聚乙炔，发现它有导电性能。 聚乙炔是一种双键、单键间隔连接的线型高分子，分子中存在共轭键体系，电子可以在整个共轭体系中自由流动，因此可以导电。若将碘掺杂到聚

15、乙炔中，导电率会大幅度提高。 聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等都具有导电性，导电高分子材料引起人们的重视。 用导电塑料做成的电池已进入市场，硬币大小，一个电极是金属锂，另一个电极是聚苯胺导电塑料，电池可多次重复充电使用，工作寿命长。,导电高分子,由于固态电容采用导电性高分子产品作为介电材料，通电后不致于发生爆炸的现象；同时它为固态产品，不存在由于受热膨胀导致爆裂的情况。,医用高分子,某些合成高分子与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因此用高分子材料做成的人工器官具有很好的生物相容性，不会因与人体接触而产生排斥和其他作用。,第四节 复合材料,合成高分子材料、金属材料和无

16、机非金属材料各有其长处和短处，如果将这三类不同的材料通过复合工艺组成新的复合材料，它既能保持原来材料的长处，又能弥补短处。 按增体的形状分类，复合材料可分为：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。 目前发展较快、应用较广的是纤维增强复合材料,碳纤维增强塑料,目前制备碳纤维的方法是将聚丙烯腈合成纤维在200300的空气中使其氧化，然后在10001500的惰性气体中碳化，即可得到强度很高的碳纤维。 碳纤维增强塑料可以根据使用温度的不同选择不同的树脂基体。如环氧树脂使用温度150200；聚双马来酰亚胺为200250；而聚酰亚胺在300以上。 应用于制造航天飞行器外壳或火箭喷管的耐烧蚀