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1、2020 4 23 1 第三章化学与材料的发展 第一节无机非金属材料 第2课时 新课标人教版高中化学课件系列 选修2化学与技术 2020 4 23 2 教学目标 1 了解传统的硅酸盐工业的生产特点 知道其生产原理和产品的主要成分 2 能举例说明无机非金属材料的特点 3 讨论社会发展和科技进步对材料的要求 认识化学对材料科学发展的促进作用 新型无机非金属材料 2020 4 23 3 定义 特性 种类 具有特殊结构和特殊功能 性质 的新材料 能承受高温 强度大 氮化硅陶瓷 耐1200OC 具有光学特性 光导纤维具有电学特性 K3C60超导体具有生物功能 如Ca3 PO4 2系陶瓷 用途 氮化硅陶瓷
2、 光导纤维 医学 日常生活 交通 通讯 机械 建筑航空 航天等 二 新型无机非金属材料 新型无机非金属材料 2020 4 23 4 传统无机非金属材料与新型材料的比较 传统的硅酸盐材料优 缺点 优点 抗腐蚀 耐高温 缺点 质脆 经不起热冲击 新型无机非金属材料特性 承受高温 强度高 具有光学特性 具有电学特性 具有生物功能 新型无机非金属材料 2020 4 23 5 新型无机非金属材料的特性 1 能承受高温 强度高 例如 氮化硅陶瓷在1200 左右的高温下 仍具有很高的强度 可用来制造汽轮机叶片 轴承 永久性模具等 新型无机非金属材料 2020 4 23 6 2 具有电学特性 一些新型无机非金
3、属材料可以作为半导体 导体 超导体等 一些绝缘性材料常被用于集成电路的基板 新型无机非金属材料 2020 4 23 7 3 具有光学特性 有些新型无机非金属材料能发出各色的光 有的能透过可见光 有的能使红外线 雷达射线穿过 处于高温下的光导纤维 新型无机非金属材料 2020 4 23 8 4 具有生物特性 有些新型无机非金属材料强度高 无毒 不溶于水 对人体组织有较好的适应性 可直接植入人体内 用这类材料制成的人造牙齿 人造骨骼 已被应用在医疗上 人造关节 新型无机非金属材料 2020 4 23 9 新型陶瓷材料 习惯上把陶瓷 ceramics 分为传统陶瓷和特种陶瓷 传统陶瓷是以粘土 长石
4、石英等天然矿物为原料经烧结而成的 特种陶瓷是以人工合成的氧化物 氮化物 碳化物 硅化物 硼化物超细微粒为原料特制而成 又称精细陶瓷 精密陶瓷 新型陶瓷 2020 4 23 10 碳化硅SiC 俗称金刚砂 熔点高 2450 硬度大 9 2 是重要的工业磨料 如其中掺入某些杂质 会使之出现半导体 作为高温半导体 用于电热元件 作为高温结构陶瓷 日益受到人们的重视 它最适宜的应用领域是高温 耐磨和耐蚀的环境 现已用作火箭喷嘴 热电偶保护管 热交换器和耐磨 耐蚀的零件 碳化硅制成的涡轮叶片 1 新型陶瓷 新型陶瓷 2020 4 23 11 氮化硅陶瓷 Si3N4 是灰白色固体 硬度为9 是最硬的材料之
5、一 它的导热性好且膨胀系数小 可经受低温高温 骤冷骤热反复上千次的变化而不破坏 因此是十分理想的高温结构材料 新型陶瓷 2020 4 23 12 科技人员发现 如果用耐高温的陶瓷 如氮化硅陶瓷等代替合金钢制造陶瓷发动机 其工作温度可达1300 1500 美国军方曾做过一次有趣的实验 在演习场200米跑道的起跑线上 停放着两辆坦克 一辆装有500马力的钢质发动机 而另一辆装有同样马力的陶瓷发动机 陶瓷发动机果然身手不凡 那辆坦克仅用了19秒钟就首先到达终点 而钢质发动机坦克在充分预热运转后 用了26秒才跑完全程 其奥秘就在于陶瓷发动机的热效率高 不仅可节省30 的热能 而且工作功率比钢质发动机提
6、高45 以上 另外 陶瓷发动机无需水冷系统 其密度也只有钢的一半左右 这对减小发动机自身重量也有重要意义 新型陶瓷 2020 4 23 13 氧化铝陶瓷 性能 用途 熔点高 坩埚 高温炉管 硬度大 刚玉球磨机 透明 耐高温 高压钠灯灯管 新型陶瓷 2020 4 23 14 高纯氧化铝透明陶瓷管 新型陶瓷 2020 4 23 15 高压钠灯 新型陶瓷 2020 4 23 16 交流 1 新兴陶瓷材料具有那些优良的性能 2 碳化硅结构同硅相似 分析其可能的性质 3 写出制取碳化硅 氮化硅的化学反应方程式 SiO2 3C SiC 2CO 3Si 2N2 Si3N43SiCl4 2N2 6H2 Si3
7、N4 12HCl 原子晶体 新型陶瓷 2020 4 23 17 功能陶瓷 functionalceramics 材料是以特定的性能或通过各种物理因素 如声 光 电 磁 作用而显示出独特功能的材料 功能陶瓷 新型陶瓷 2020 4 23 18 TiO2 ZrO2 LaCrO3等高温电子陶瓷 用于制造电容器和电子工业中的高温高频器件 如BaTiO3类陶瓷用于制造温度传感材料 CdS PbTiO3系陶瓷用于制造光敏传感材料 ZnO系陶瓷 SiC BaTiO3系陶瓷用于制造压力和振动传感材料等 功能陶瓷的用途 新型陶瓷 2020 4 23 19 生物陶瓷是用于人体器官替换 修补 及外科矫形的陶瓷材料
8、主要包括羟基磷灰石 氧化铝 生物活性玻璃陶瓷等 生物陶瓷材料 羟基磷灰石 Ca10 PO4 6 OH 2 陶瓷的用途 它具有良好的生物活性 能与人骨紧密结合 主要用于不承载的小型种植体 如耳骨 用金属支撑加强的牙科种植体 新型陶瓷 2020 4 23 20 生物陶瓷人工听小骨假体由羟基磷灰石 HA 陶瓷制成 表面具有微孔 可使患者听力平均高20 30dB 适用于慢性化脓性中耳炎患者作听小骨置换和鼓腊修复手术 自1989年以来已临床应用800多例 通过省级鉴定 新型陶瓷 2020 4 23 21 透明陶瓷和纳米陶瓷一般陶瓷因为内部有杂质和气孔而不透明 用高纯度的原料可获得透明陶瓷 这些透明陶瓷不
9、仅光学性能优异 而且耐高温 熔点一般都在2000 以上 透明陶瓷的透明度 强度 硬度都高于普通玻璃 用透明陶瓷制造高压钠灯 发光效率比高压汞灯高一倍 使用寿命可达2万小时 人们把陶瓷粉体的颗粒加工到纳米级 便得到了纳米陶瓷 纳米陶瓷成功地解决了陶瓷易碎的问题 纳米陶瓷还具有延展性 如室温下合成的Ti02陶瓷可以弯曲 塑性 韧性好 纳米氧化锆陶瓷颗粒 新型陶瓷 2020 4 23 22 单晶硅在日常生活中是电子计算机 自动控制系统等现代科学技术中不可缺少的基本材料 电视 电脑 冰箱 电话 手表 汽车 处处都离不开单晶硅材料 单晶硅作为科技应用普及材料之一 已经渗透到人们生活中的各个角落 单晶硅在
10、火星上是火星探测器中太阳能转换器的制成材料 火星探测器在火星上的能量全部来自太阳光 探测器白天休息 利用太阳能电池板把光能转化为电能存储起来 晚上则进行科学研究活动 也就是说 只要有了单晶硅 在太阳光照到的地方 就有了能量来源 单晶硅在太空中是航天飞机 宇宙飞船 人造卫星必不可少的原材料 人类在征服宇宙的征途上 所取得的每一步进步 都有着单晶硅的身影 航天器材大部分的零部件都要以单晶硅为基础 离开单晶硅 卫星会没有能源 没有单晶硅 航天飞机和宇航员不会和地球取得联系 单晶硅作为人类科技进步的基石 为人类征服太空作出了不可磨灭的贡献 单晶硅在太阳能电池中的应用高纯的单晶硅是重要的半导体材料 在光
11、伏技术和微小型半导体逆变器技术飞速发展的今天 利用硅单晶所生产的太阳能电池可以直接把太阳能转化为光能 实现了迈向绿色能源革命的开始 现代信息基础材料 单晶硅 2020 4 23 23 由硅石 粗硅 高纯多晶硅 纯度在9个 9 以上 99 9999999 以上 单晶硅 1 粗硅的制备 又称工业硅 纯度在95 99 的硅 反应要点高温1600 1800 2 SiHCl3的制备多用粗硅与干燥氯化氢在200 以上反应 Si十3HCl SiHCl3 H2 3 精馏提纯后的SiHCl3用高纯氢气还原得到多晶硅SiHCl3十H2 Si十3HCl 2 现代信息技术材料 单晶硅 SiO2 s 十2C s Si
12、s 十2CO g 现代信息基础材料 单晶硅 2020 4 23 24 阅读 科学视野 太阳能电池 现代信息基础材料 单晶硅 2020 4 23 25 讨论 1 高压合成金刚石的局限性 2 化学气相沉积法制造金刚石薄膜的原理是什么 3 石墨 金刚石 C60新材料诞生新技术 石墨 金刚石和C60 2020 4 23 26 碳的三种同素异形体的比较 金刚石 石墨 C60 石墨 金刚石和C60 2020 4 23 27 注意 金刚石石墨C60之间的关系 碳的三种物质形态 石墨 金刚石和C60 2020 4 23 28 碳的三种同素异形体的比较 石墨 金刚石和C60 2020 4 23 29 C60及其
13、应用前景C60的发现1985年 美国科学家克罗托 H W K kroto 等用质谱仪 严格控制实验条件 得到以C60为主的质谱图 由于受建筑学家布克米尼斯持 富勒 BuckminsterFuller 设计的球形薄壳建筑结构的启发 克罗托 kroto 等提出C60是由60个碳原子构成的球形32面体 即由12个五边形和20个六边形构成 其中五边形彼此不相连 只与六边形相连 随后将C60分子命名为布克米尼斯持 富勒烯 BuckminsterFuller 由于C60分子的结构酷似足球 所以又称为足球烯 Footballene 除C60外 具有封闭笼状结构的还可能有C28 C32 C50 C70 C84
14、 C240 C540等 统称为Fullerenes 中文译名为富勒烯 石墨 金刚石和C60 2020 4 23 30 C60的超导性1991年 赫巴德 Hebard 等首先提出掺钾C60具有超导性 超导起始温度为18K 打破了有机超导体 Et 2Cu N CN 2 Cl超导起始温度为12 8K的纪录 不久又制备出Rb3C60的超导体 超导起始温度为29K 表1 1列出了已合成的各种掺杂C60的超导体和超导起始温度 说明掺杂C60的超导体已进入高温超导体的行列 我国在这方面的研究也很有成就 北京大学和中国科学院物理所合作 成功地合成了K3C60和Rb3C60的超导体 超导起始温度分别为8K和28K 有科学工作者预言 如果掺杂C240和掺杂C540 有可能合成出具有更高超导起始温度的超导体 石墨 金刚石和C60 2020 4 23 31 人们对C60的研究还在继续 希望同学们加油 将来的某一天你也会在这方面获得巨大成功 石墨 金刚石和C60 2020 4 23 32 科学视野技术进步对化学研究的影响P56 石墨 金刚石和C60 2020 4 23 33 小结 新型无机非金属材料
