材料组成的优化选修IB

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1、第二单元 材料组成的优化材料的性能取决于材料的化学组成和结构。材料的性能取决于材料的化学组成和结构。1. 1. 合金合金 由金属与另一种(或几种)金属或非金属所组成的具有金属 通性的物质。 根据结构的不同，合金主要类型是： (1)混合物合金（共熔混合物），当液态合金凝固时，构成合 金的各组分分别结晶而成的合金，如焊锡、铋镉合金等； (2)固熔体合金，当液态合金凝固时形成固溶体的合金，如 金银合金等； 改变材料的组成改变材料的组成(3)金属互化物合金，各组分相互形成化合物的合金，如铜、 锌组成的黄铜（-黄铜、-黄铜和-黄铜）等。各类型合金都有以下通性：各类型合金都有以下通性：(1)(1)多数合金

2、多数合金熔点熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；低于其组分中任一种组成金属的熔点； (2)(2)硬度硬度比其组分中任一金属的硬度大；比其组分中任一金属的硬度大； ( (3)3)合金的合金的导电性导电性和和导热性导热性低于任一组分金属。利用合金的这低于任一组分金属。利用合金的这一特性，可以制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能一特性，可以制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能 的的材料，如在铁中掺入材料，如在铁中掺入1515铬和铬和9 9镍得到一种耐腐蚀的不锈镍得到一种耐腐蚀的不锈钢，适用于化学工业。钢，适用于化学工业。 (4)(4)有的抗腐蚀能力强有的抗腐蚀能力强( (如不锈钢如不锈

3、钢) )常用合金常用合金：钢铁、铝合金、铜合金：钢铁、铝合金、铜合金 特种合金：特种合金：耐蚀合金、耐热合金耐蚀合金、耐热合金 、钛合金、钛合金 （Ti-Al-VTi-Al-V合金为合金为 代表的代表的超塑性合金超塑性合金 ）、磁性合金（永磁合金有稀土、钴系、）、磁性合金（永磁合金有稀土、钴系、 铁、铬、钴系和锰、铝、碳系合金铁、铬、钴系和锰、铝、碳系合金 ） 、钾钠合金、钾钠合金 、贮氢合、贮氢合 金金 储氢合金：储氢合金：能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经 济而有效的储氢方法。济而有效的储氢方法。金属贮氢的原理在于金属金属贮氢的原理在于金属

4、( (M)M)与氢生成金属氢化物与氢生成金属氢化物( (MHxMHx) ) ：金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热 ；逆向反应，释氢、吸热。改变温度与压力条件可使反应按；逆向反应，释氢、吸热。改变温度与压力条件可使反应按 正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。LaNiLaNi5 5+ 3H + 3H2 2 LaNi LaNi5 5HH6 6H= - 31.77kJmolH= - 31.77kJmol-1-1 200300200300kPakPa2.2.硅酸盐材料和特种陶瓷硅酸盐材料

5、和特种陶瓷硅酸盐材料是以含硅物质为原料高温烧制而成的 。水泥工业水泥工业原料原料设备设备主要性质主要性质反应条件反应条件水泥成分水泥成分水泥应用水泥应用硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙石灰石、黏土、辅助原料石灰石、黏土、辅助原料水水 泥泥 回回 转转 窑窑高温高温水硬性水硬性建筑粘合剂建筑粘合剂水泥砂浆、水泥砂浆、 钢筋混凝土钢筋混凝土玻璃玻璃（1 1）含有）含有NaNa2 2SiOSiO3 3,CaSiO,CaSiO3 3和和 SiOSiO2 2 ，主要成分是主要成分是SiOSiO2 2，玻璃玻璃 态物质，没有固定熔点态物质，没有固定熔点（2 2）反应材料：石灰石，纯

6、碱，石英）反应材料：石灰石，纯碱，石英（3 3）反应原理：）反应原理：NaNa2 2COCO3 3+SiO+SiO2 2=Na=Na2 2SiOSiO3 3+CO+CO2 2 高温高温CaCOCaCO3 3+SiO+SiO2 2=CaSiO=CaSiO3 3+CO+CO2 2 高温高温（4 4）玻璃的种类）玻璃的种类种种类类类类特性特性用途用途普通玻璃普通玻璃在在较较较较高温度下易高温度下易软软软软化化窗窗玻璃、玻璃器皿玻璃、玻璃器皿石英玻璃石英玻璃膨膨胀胀胀胀系数小，耐酸碱，系数小，耐酸碱，强强 度大，度大，滤滤滤滤光光化学化学仪仪仪仪器，高器，高压压压压水水 银银银银灯，紫外灯罩灯，紫外灯

7、罩 光学玻璃光学玻璃透光性好，有折光性和色透光性好，有折光性和色 散性散性眼眼镜镜镜镜，照相机，照相机，显显显显 微微镜镜镜镜，望，望远镜远镜远镜远镜 透透 镜镜镜镜 玻璃玻璃纤维纤维纤维纤维耐耐腐腐蚀蚀蚀蚀，耐高温，不，耐高温，不导电导电导电导电 ，隔，隔热热热热，防虫蛀，防虫蛀玻璃玻璃钢钢钢钢，宇航服，宇航服， 光光导导导导，通，通讯讯讯讯材料材料 钢钢钢钢化玻璃化玻璃耐耐高温，耐腐高温，耐腐蚀蚀蚀蚀，高，高强强度度 ，抗震裂，抗震裂运运动动动动器材，汽器材，汽车车车车火火 车车车车用窗玻璃用窗玻璃陶瓷陶瓷（1 1）主要原料：黏土）主要原料：黏土 AlAl2 2OO3 32SiO2SiO2

8、 22H2H2 2OO（2 2）釉料）釉料金属及其化合物金属及其化合物使陶瓷表面光滑，不渗水，具有丰富的色彩。使陶瓷表面光滑，不渗水，具有丰富的色彩。（3 3）特性：抗氧化性，抗酸碱腐蚀，耐高温，易成形。）特性：抗氧化性，抗酸碱腐蚀，耐高温，易成形。（4 4）传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却）传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却 （5 5）主要种类：主要种类：土器：砖瓦土器：砖瓦红瓦（自然冷却，红瓦（自然冷却，FeFe2 2OO3 3含量较多）含量较多）青瓦青瓦 ( (淋水冷却，淋水冷却，FeFe3 3OO4 4、FeOFeO较多较多) )炻器：炻器： 水缸、砂锅水缸、砂锅陶器

9、：陶器：江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑瓷器：瓷器：唐三彩唐三彩宋代钧瓷宋代钧瓷 特种陶瓷：是有别于传统或普通陶瓷而言的，又叫高技术陶瓷 、先进陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷、高性能陶瓷、 工程陶瓷等。特种陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的，是指采用高度精 选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行的结构 设计及便于控制的制备方法进行制造、加工的，具有优异特性 的陶瓷。 特种陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类，结构陶瓷是指 用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学和生物等功能的 高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热、 弹等性质或其耦合效应以实

10、现某种使用功能的先进陶瓷，也可 以叫做特种功能陶瓷。精细陶瓷的应用（精细陶瓷的应用（P76)P76)精细细陶瓷又称高性能陶瓷、高技术陶瓷。按其用途可分成工程陶瓷和功 能陶瓷两大类。前者主要利用它们的高硬度、高熔点、耐磨损、耐 腐蚀性能，又称结构陶瓷；后者主要利用它们的光、声、电、热 、磁等物理特性，又称电子陶瓷。按化学组成可分成氧化物类和非 氧化物类。前者包括各种氧化物和含氧酸盐；后者包括氮化物、碳 化物、硼化物等。前一类一般作功能陶瓷用，后一类作工程陶瓷用 。有些品种用于制造发动机部件、汽车部件、电视机、吹风机、 火灾警报器、高温挤型模具等。还可用于制造耐高温喷嘴，适合国 防的需要。 3、

11、在制备工艺上，突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段 的界限，广泛采用真空烧结，保护气氛烧结、热压、热静压等手 段。 4、 在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强 度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、光、声、生物 工程各方面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、电子、宇航 、医学工程各方面得到广泛的应用。2、 在成分上，传统陶瓷的组成由粘土的成分决定，所以不同 产地和炉窑的陶瓷有不同的质地。由于特种陶瓷的原料是纯化合物 ，因此成分由人工配比决定，其性质的优劣由原料的纯度和工艺， 而不是由产地决定。 精细陶瓷与传统陶瓷的主要区别1、 在原料上，突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限

12、，特 种陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要 原料。 氮化硅陶瓷制取反应原理： 方法一：3Si + 2N2 = Si3N413001300 方法二：3SiO2 + 6C+2Cl2 = SiCl4(液态) Si + 3HCl = SiHCl3 + H2精馏提纯SiCl4和SiHCl3后制高纯硅2H2+ SiCl4 = Si +4 HCl SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl提高材料的纯度提高材料的纯度超纯硅的制取反应原理： 制粗硅：SiO2 + 2C = Si + 2CO高温高温粗硅转变为SiCl4或SiHCl3：Si + 2Cl2 = SiCl4(液态) Si +

13、 3HCl = SiHCl3 + H2精馏提纯SiCl4和SiHCl3后制高纯硅2H2+ SiCl4 = Si +4 HCl SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl研制纳米材料研制纳米材料第三单元 复合材料的制造1、什么是复合材料？你知道哪些复合材 料？2、为什么人类要制造复合材料？复合材料(Composite materials)，是以一种 材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体 (reinforcement)组合而成的材料。各种材料 在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复 合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种 不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和 非金属两大类。金

14、属基体常用的有铝、镁、铜 、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、 橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻 璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅 纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等 。60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要， 先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、 芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其 比强度大于4106 cm ，比模量大于4108cm。为了与 第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合 材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材 料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度 分别达250350、3501200和1200以上。先进 复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯 度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在 空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感 觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料 ）、仿生复合材料、隐身复合材料等。