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1、第三章 材料的性能,材料化学的主要目的：从分子水平到宏观尺度认识结构 与性能的相互关系，在合成和加工材料过程中有意识地控制 材料的组成和结构，从而获得具有预期使用性能的材料。,主讲赵建波,材料的性能,def： 材料的性能是一种参量，用于表征材料在给定外界条件下的行为，它是材料微观结构特征的宏观反映。只有在充分了解各种材料性能特点的前提下，才能合理地选择、应用和发展各种材料。 eg: 1、结构材料首先关注材料的力学性能 2、电子材料关注其电性能 3、光学材料则关注其光学性能 ,你所熟知的有哪些材料？他们的性能如何？,材料的性能,材料的性能,三大材料的一般特点： 金属材料： 在常温下一般为固体（汞
2、例外）。 熔点一般较高，（Sn（232）、Pb（327 ）、Zn（420）、Al（659） 密度一般都较大，（Mg、Al密度为3g/m3以下） 呈现固有的金属光泽； 纯金属的延展性较大 因自由电子是能量的载流子，所以导热性和导电性好，特别是Ag、Cu、Al等尤为明显； 多数金属在空气中易被氧化； 合金的性质取决于母相金属的性质和合金的组成，一般合金较硬、较脆，延展性变小、导电性也变小。,材料的性能,无机非金属材料： 与金属不同，自由电子的数目少，因此导电性和导热性均小，除离子化者外，在常温下是电的绝缘体，但在高温下表现出导电性； 由于共价键键合力强，质坚硬，抗压强度虽高，但抗拉强度却小，且呈脆
3、性； 材料的熔点都较高，耐热性好，且化学稳定性较强，但二水石膏在120发生热解，氧化硅系统的结晶质矿物（长石、石英等）在较低温度(560- 570）发生相变，表现出剧烈的膨胀，耐热性较差，石灰石在900 发生热分解。,材料的性能,高分子材料的特性为： 随聚合度增大，熔融状态时的粘度增大，固态时的强度增大； 有热塑性树脂（加热时软化，温度降低时凝固，可反复进行）和热固性树脂（加热时发生反应固化，且不熔不溶）之分； 具有较高的比强度（强度除以材料的密度所得到的比值）； 一般耐水性和耐化学试剂侵蚀性较优良； 耐热性、耐老化性较差，易蠕变，热膨胀率大； 易燃烧，有的会产生有害气体。,3.1材料的化学性
4、能,材料的化学性能,金属材料,材料,氧化腐蚀,耐酸碱性,耐有机溶剂性及老化问题,材料,无机非金属材料,高分子材料,金属材料,材料的化学性能：材料对外界接触物的耐受性，即化学稳定性,3.11耐氧化性,金属化学特性：易失去电子被氧化（多数为锈蚀）。 锈蚀的破坏作用：钢材锈蚀1%，它的强度就要降低5%10%（图片） 常识：钢材在干燥空气中不易生锈，在潮湿空气（尤其是在海水中）很容易生锈。 锈蚀机理： 一、化学锈蚀： 金属与非电解质相接触时，介质中的分子被金属表面所吸附，并分解为原子，然后与金属原子化合，生产锈蚀产物。 如：在空气中的金属首先吸附氧分子，然后发生氧化还原反应形成金属氧化物，氧化物成核、
5、生长并形成氧化膜。氧化膜很致密时，氧分子不能穿过氧化膜，阻止了金属的进一步氧化（如金属铝），在材料设计中，利用致密氧化膜的保护特性，以改善材料的耐氧化腐蚀性能。 应用：在钢中加入对氧的亲和力比铁强的Cr、Si、Al等，形成致密的Cr2O3、 SiO2、Al2O3等保护膜，从而提高了钢的高温抗腐蚀性能。,3.11耐氧化性,二、电化学锈蚀： 原理：金属原电池、电解池原理。 形成腐蚀电池（原电池）三个基本条件：,范围：金属在潮湿空气中的大气锈蚀，在酸、碱、盐溶液和海水中发生的锈蚀，在地下 土壤中的锈蚀，在不同金属接触处的锈蚀均属于电化学锈蚀。,3.11耐氧化性,当两种金属材料在电解质溶液中构成原电池
6、时，负极金属即被腐蚀：一旦形成腐蚀电池后，阳极金属又会由于发生氧化还原反应而发生电化学腐蚀。 铁的电化学腐蚀机理： 电极反应 阳极：Fe Fe2+ + 2e 阴极：H2O+1/2O2+2e 2OH- 具体反应： Fe+2OH- Fe(OH)2 Fe(OH)2 +O2 2(Fe2O3H2O)+2H2O,3.1.1耐氧化性,由于空气中不可避免地存在着水蒸气、酸性气体，所以电化学腐蚀要比化学 腐蚀更普遍，危害性也更大。为了防止金属发生电化学腐蚀，可以通过抑制以上三个条件的任意一个条件。 用途： 法一、在金属涂料底漆中加入具有表面活性的缓蚀剂，借助其界面吸附作用可将金属表面上吸附的水置换出来。此外，底
7、漆中的水分可被缓蚀剂的胶粒或界面膜稳定在油中，使其不能与金属接触。 法二、牺牲阳极法保护金属则是人为地构造腐蚀电池。通过在金属材料上外加较活泼的金属作为阳极，金属材料作阴极，而使阴极的金属材料得以被保护。,3.1.2耐酸碱性,一、无机非金属材料： 除了金刚石、石墨、单质硅等少数为单质外，大多数为化合物，价态较稳定，不易发生氧化还原反应，但是由于这些化合物大多具有一定的酸性或碱性，在接触酸碱时可能会被腐蚀。 如：1、酸性氧化物（如SiO2）。 腐蚀机理：SiO2+2NaOH Na2CO3+H2O 或SiO2+4HF SiF4+ 2H2O SiF4+2HF H2SiF6 用途？ 盛碱液的玻璃瓶不能
8、用玻璃盖；酸碱滴定管的构造。 2、碱性氧化物（大多数金属氧化物）。当材料中含有大量的碱性氧化物时表现出较强的耐碱性，而易受酸侵蚀或溶解。,材料的性能,二、金属材料： 1、耐碱性：氯碱工业中使用的不锈钢、碳钢和灰铸铁。他们在高温浓碱溶液中不耐蚀。 已有耐蚀材料：高镍奥氏体铸铁、(加适量的Mn、Cr、Cu并进行热处理)奥氏体+碳化物的白口组织：在海水中的耐蚀性可以和高镍耐蚀合金铸铁相比，且没有点蚀及石墨腐蚀现象。 加稀土，降低镍含量既可以降低成本，又可以保证合金铸铁良好的耐碱蚀性。机理：碱蚀后生成完整、致密的 -（Fe，Cr）2O3。 三、高分子材料 对酸碱较好耐受性：主链原子以共价键结合，而且即
9、使含有反应性基团，其长分子链对这些反应基团都有保护作用。,3.1.3耐有机溶剂性,金属材料和无机非金属材料有好的耐有机溶剂性能。 高分子材料： 1、热塑性高分子材料一般由线性高分子构成，很多有机溶剂都可以将其溶解。 2、交联型高分子在有机溶剂中不溶解，但能溶胀，使材料体积膨胀，性能变差。 总之，不同的高分子材料，其分子链以及侧基不同，对各种有机溶剂表现出不同的耐受性。此外，组织结构对耐溶剂性也有较大影响（如：作为结晶型聚合物，聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶，因而具有很好的耐溶剂型）。,3.1.4耐老化性,高分子材料的化学稳定性： 高分子材料的化学性质总的来说大多数是比较稳定的，其有良好的抗腐蚀
10、能力。 其主要原因有三方面：,高分子材料的稳定性,分子链上各原子是由共价键结 合而成，键能较高，结合很牢,高分子的特殊形态使得大分子链上 能够参加化学反应的基团在与化学 反应介质的接触上比较困难,高聚物大都是绝缘休， 不会产生电化学腐蚀,高分子 材料的化学稳定性使其具有良好的抗腐蚀能力,材料的性能,聚四氟乙烯： 具有极好的化学稳定性，即使在高温下也不与浓酸、浓碱、有机溶剂和强氧化剂等起反应，在沸腾的“王水”中也毫无损伤，可在-195250的温度范围内长期使用，所以获得“塑料王”的美称。 聚四氟乙烯产品1 2,材料的性能,高分子材料的老化: 是指在加工、储存和使用过程中，受化学结构影响，在光热、
11、氧、高能辐射、气候、生物等因素的综合作用下，使其失去原有性能而丧失使用价值的过程（即物理化学性质和机械性能变坏的现象）。 在太阳光的照射下，高分子材料内部存在的不饱和键、支链、羰基、末端基、引发剂残渣等吸收紫外光而引起光化学反应，会使其老化（太阳光的影响是高分子材料老化的最主要外因之一）。 反应机理参见课本47页。 羰基易吸收紫外光，故含羰基的聚合物在光照下易氧化降解 含RO-0H基的材料，反应更易按照步骤加速进行，使材料变脆。,材料的性能,为了避免或延缓高分子材料的光老化过程，需要消除紫外线对高分子材料的影响。 目前采取的方法有： 加入紫外线吸收剂 加入光屏蔽剂 加入螯合剂：螯合剂可与有加速
12、自动氧化性能的微量金属螯合，使其失去活性。 使用能量转移剂。,材料的性能,高分子材料的老化有两种情况： 一、是由于大分子链之间产生交联，使其从线型结构或支链型结构转变为体型结构，变脆，丧失弹性等。 二、是由于大分子链的降解，使其链长度减短，相对分子质量降低，即聚合度减少了，变软、变粘、脱色、丧失机械强度等。 另外，高分子的化学结构和物理状态对其老化变质有着极其重要的影响（结构决定性质）。 聚四氟乙烯聚乙烯聚丙烯 why？,几种主要高分子材料的老化与防老化,目前防老化的途径主要有： 改进聚合与加工工艺，减少老化弱点 对聚合物进行改性，引进耐老化结构 物理防护，采用油漆、镀金属等物理方法 添加防老剂，防老剂是一类能防护、抑制光、氧、热等外因对高分子材料产生破坏的物质，此方法简单，防老效果显著，是当前高分子防老的主要途径,Thank You !,金属腐蚀,金属被腐蚀后缩短金属设备的使用寿命,甚至造成火灾、爆炸等灾难性事故.美国1975年因金属腐蚀造成的经济损失为700亿美元,占当年国民经济生产总值的4.2.据统计,每年由于金属腐蚀造成的钢铁损失约占当年钢产量的1020%.金属腐蚀事故引起的停产、停电等间接损失就更无法计算.,返回,
