化學(xué)與材料省公開(kāi)課金獎(jiǎng)全國(guó)賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

第5章

化學(xué)與材料1/58基本要求1、掌握各區(qū)元素原子結(jié)構(gòu)特征，并能從原子電子層結(jié)構(gòu)了解慣用工程材料在元素周期系中分布2、了解近年來(lái)新型材料(高分子材料,陶瓷材料,納米材料,復(fù)合材料,液晶材料)組成與性能2/585.1慣用工程材料在周期系中分布5.2幾個(gè)新型材料5.2.1金屬材料5.2.2高分子材料5.2.3陶瓷材料5.2.4復(fù)合材料5.2.5液晶材料3/58材料分類

1）

按用途分為結(jié)構(gòu)材料和功效材料

結(jié)構(gòu)材料：利用材料力學(xué)和理、化性質(zhì)

功效材料：利用材料熱、光、電、磁等性能

2）

按成份、特征分為：

金屬材料

黑金屬：鐵、鉻、錳及合金

有色金屬：除了黑金屬以外金屬

無(wú)機(jī)非金屬材料（陶瓷材料）傳統(tǒng)陶瓷

精細(xì)陶瓷

有機(jī)高分子材料：塑料、纖維、橡膠以及涂料、黏合劑等

復(fù)合材料：由以上三種材料復(fù)合而成4/58按化學(xué)活潑性分：

活潑中等活潑不活潑s區(qū)ds區(qū)、p區(qū)d區(qū)5.1慣用工程材料在周期系中分布5/58

Li--密度最小金屬,0.5gml-1He----熔點(diǎn)最低單質(zhì)Cr----硬度最大金屬(9)W----熔點(diǎn)最高金屬(3410℃)Hg---熔點(diǎn)最低金屬6/581金屬性質(zhì)物理性質(zhì)：①光澤：金屬晶體大多呈銀白色，Au—黃色，Bi—淡紅，Cu—紫紅色；②密度：按5g.cm-3為標(biāo)準(zhǔn),分為輕金屬,重金屬；5.2

金屬材料7/58③熔點(diǎn)：金屬熔點(diǎn)差異很大。如：Hg、W；⑤磁性：分鐵磁材料(Fe、Co、Ni)；順磁材料(Mn、Cr、Mo、W）；逆磁材料(Cu、Sn、Pb、Zn）；

⑥延、展性：即機(jī)械加工性能良好；⑦熱脹冷縮(但Sb、Bi相反)。④導(dǎo)電、導(dǎo)熱

：金屬越純，導(dǎo)電、熱性越好;8/582幾個(gè)新型金屬材料輕質(zhì)合金—以輕金屬為主要成份合金。鋁合金：密度小，強(qiáng)度高。“硬鋁”耐蝕，可用于車，不用于船。鈦合金：密度不大，強(qiáng)度很高，抗蝕性好，耐高、低溫（-200-500℃），用于飛機(jī)。9/58硬質(zhì)合金—以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相，以合金為粘結(jié)相復(fù)合材料（TiN、AlN、TiC、WC、SiC）含有高硬度、耐磨、強(qiáng)度、韌性。

—含有“記憶”自己形狀特征合金。如Ti-Ni（各50%）合金，在溫度40度發(fā)生晶格轉(zhuǎn)變：菱形晶格立方晶格晶格改變，改變了合金形狀。記憶合金10/58貯氫合金—以金屬氫化物形式吸收氫，是一個(gè)安全、經(jīng)濟(jì)而有效貯氫方法。金屬氫化物不但含有貯氫特征，而且含有將化學(xué)能與熱能或機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化機(jī)能，從而能利用反應(yīng)過(guò)程中焓變開(kāi)發(fā)燒能化學(xué)儲(chǔ)存與輸送。

11/58貯氫原理金屬(M)與氫生成金屬氫化物(MHx)金屬與氫反應(yīng)，是一個(gè)可逆過(guò)程。正向反應(yīng)，吸氫、放熱；逆向反應(yīng)，釋氫、吸熱。改變溫度與壓力條件可使反應(yīng)按正向、逆向重復(fù)進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)材料吸釋氫功效。M+xH2→MHx+H（生成熱）12/58貯氫合金要求:貯氫量大；金屬氫化物輕易形成，稍加熱又輕易分解；室溫下吸、放氫速度快；使用壽命長(zhǎng)；成本低。13/58貯氫合金主要有三大系列：鎂系貯氫合金：MgH2,Mg2Ni稀土系貯氫合金：如：LaNi5中添加MnNiMn,MnNiAl鈦系貯氫合金：TiH4,TiMn1.514/581.光導(dǎo)纖維從高純二氧化硅或石英玻璃熔融體中，拉出直徑約為100微米細(xì)絲，稱為石英玻璃纖維。（玻璃能夠透光，但在傳輸過(guò)程中光損耗較大，而用石英玻璃纖維光損耗大為降低，故這種纖維稱為光導(dǎo)纖維。）5.3陶瓷材料15/58皮料—低折射率玻璃；光纖組成：芯料—高折射率，高透光度，不析晶玻璃；取得年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)華人高錕創(chuàng)造了石英玻璃，制造出世界上第一根光導(dǎo)纖維，所以被冠以“光纖之父”稱號(hào)。16/58

多組分玻璃光纖；復(fù)合材料光纖；石英光纖（高純度或摻雜）。光在芯料和皮料界面上全反射，入射光封閉在芯料內(nèi)，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次全反射，鋸齒狀傳輸。通信原理：光纖材料：17/58光纜結(jié)構(gòu)圖18/58利用光導(dǎo)纖維能夠進(jìn)行光纖通訊，用最新氟玻璃制成光導(dǎo)纖維，能夠把光信號(hào)傳輸?shù)教窖蟊税抖恍枰魏沃欣^站。光損耗較大光導(dǎo)纖維能夠在短距離使用，尤其適合做人體內(nèi)窺鏡，如：胃鏡、膀胱鏡、直腸鏡、子宮鏡等。19/58

2.超導(dǎo)陶瓷1911年荷蘭物理學(xué)家Onnes發(fā)覺(jué)汞（水銀）在4.2K附近電阻突然下降為零.超導(dǎo)電性：零電阻現(xiàn)象.超導(dǎo)臨界溫度：電阻突然消失溫度.超導(dǎo)體：在一定溫度下含有超導(dǎo)電性物體.20/58當(dāng)前已發(fā)覺(jué)30種單質(zhì)，8000種金屬、合金、化合物含有超導(dǎo)性。1987年趙宗賢等，YBa2Cu3O7-x

(Tc=90K)1993年Hg-Ba-Cu-O

(Tc=133.5K)21/58應(yīng)用：1）

用超導(dǎo)材料輸電2）

超導(dǎo)發(fā)電機(jī)3）

磁力懸浮高速列車4）

可控?zé)岷司圩?2/583.納米陶瓷從陶瓷材料發(fā)展史上看，經(jīng)歷了三次飛躍從陶器到瓷器-----第一次飛躍從傳統(tǒng)陶瓷到精細(xì)陶瓷---第二次飛躍從精細(xì)陶瓷到納米陶瓷---第三次飛躍（超韌性陶瓷）納米材料：粒徑為1-100納米，納米材料含有表面效應(yīng)、界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)。23/58

棉、麻、絲、毛、角、膠、塑料、橡膠、纖維┄它們是人們?cè)絹?lái)越熟悉有機(jī)高分子材料。不論是天然或合成這類材料，在人們生活和工程技術(shù)中都占有越來(lái)越主要地位。5.4高分子材料24/58高分子化合物：由一個(gè)或幾個(gè)低分子化合物聚合而成相對(duì)分子量較高化合物（也稱高聚物）25/581高分子化合物組成：

特定結(jié)構(gòu)單元屢次重復(fù)而成:

聚合度—CH2—CH2—2相對(duì)分子質(zhì)量:⑴高分子化合物相對(duì)分子質(zhì)量應(yīng)為：M=鏈節(jié)化學(xué)式量×n但，同種高聚物，其聚合度并不相同。聚乙烯鏈節(jié)n26/58所以，每一個(gè)大分子相對(duì)分子質(zhì)量都不相同。⑵高聚物相對(duì)分子質(zhì)量只有平均意義。⑶因?yàn)榫酆隙炔灰粯右l(fā)高聚物相對(duì)分子質(zhì)量各不相同現(xiàn)象—高聚物相對(duì)分子質(zhì)量多分散性⑷高聚物—鏈節(jié)相同而聚合度不一樣混合物。27/58單體：形成高聚物低分子量化合物。鏈節(jié)：高分子化合物中重復(fù)結(jié)構(gòu)單元。聚合度：高分子化合物化學(xué)式中鏈節(jié)個(gè)數(shù)。28/583高分子化合物幾何形狀線型結(jié)構(gòu)

分子易蜷曲，制品有彈性(熱塑性)；大分子被化學(xué)鍵交聯(lián)起來(lái)，不易蜷曲，制品無(wú)彈性和塑性（熱固性）。體型(網(wǎng)狀)結(jié)構(gòu)29/584高分子化合物制備加聚反應(yīng)由一個(gè)或幾個(gè)有不飽和鍵單體經(jīng)過(guò)加成反應(yīng)結(jié)合成高分子化合物反應(yīng)。如：

nCH2=CH2→聚乙烯聚氧化乙烯30/58特點(diǎn)：1）參加加聚反應(yīng)單體含有不飽和鍵;2）沒(méi)有小分子物質(zhì)產(chǎn)生，高聚物化學(xué)組成與單體相同;3）

加聚反應(yīng)快，副產(chǎn)物較少.31/58加聚物可能是線狀也可能是體型結(jié)構(gòu)；加聚反應(yīng)可分為：均聚，共聚（又分接枝、鑲嵌共聚）?？s聚反應(yīng)含有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)一個(gè)或幾個(gè)單體縮合成高聚物，同時(shí)析出低子物質(zhì)（如：水、氨、醇、鹵化物等）反應(yīng)。32/58特點(diǎn)：1）單體必須含有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)；2）有小分子副產(chǎn)物生成，高聚物化學(xué)組成與單體不一樣。33/58nHO-R-OH+nHOOC-R′-COOH→二元醇二元酸HOR-OCO-R′-COnOH

+(n-1)H2O聚酯縮聚反應(yīng)能夠得到體型高聚物；縮聚反應(yīng)可分為：（按產(chǎn)物）體型縮聚，線型縮聚；（按單體）均縮，混縮，共縮。34/58

5高聚物結(jié)構(gòu)和性能高聚物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高聚物相對(duì)分子質(zhì)量很大，所以，分子間力很強(qiáng)。所以，高聚物無(wú)氣態(tài)，機(jī)械強(qiáng)度較高。高分子鏈中有許多C-C鍵，此單鍵可按鍵角自由旋轉(zhuǎn)。35/5836/58所以，高分子形狀便有沒(méi)有數(shù)可能（構(gòu)象）—高分子鏈柔順性。高聚物聚集態(tài)有：①晶態(tài)—大分子排列有序；

②非晶態(tài)—大分子排列無(wú)序；37/58高聚物整體無(wú)序，但在小區(qū)域內(nèi)有不同狀態(tài)：晶區(qū)和非晶區(qū)。一個(gè)大分子可穿過(guò)幾個(gè)不一樣區(qū)域。高聚物中晶區(qū)多稱結(jié)晶度大，力學(xué)性能強(qiáng)。38/58玻璃態(tài)：T<Tg溫度低，動(dòng)能小。大分子不能運(yùn)動(dòng)，只能振動(dòng)；鏈段也不能運(yùn)動(dòng)。分子形態(tài)和位置固定。受外力，只產(chǎn)生微小變形，是塑料使用狀態(tài)。高聚物物理狀態(tài)39/58高彈態(tài)：Tf>T>Tg

分子動(dòng)能不大，大分子不動(dòng)，鏈段可動(dòng)。受外力，大分子或蜷曲或伸展；除去外力，分子復(fù)原，屬高彈形變。高聚物柔軟，有彈性。是橡膠使用狀態(tài).

分子動(dòng)能大。大分子可運(yùn)動(dòng)，含有流動(dòng)性和可塑性，不會(huì)復(fù)原。是高聚物工藝狀態(tài)；粘流態(tài)：T>Tf40/58

⑴玻璃態(tài)（對(duì)塑料）、高彈態(tài)（對(duì)橡膠）是使用狀態(tài)，粘流態(tài)是工藝狀態(tài)。

⑵

塑料Tg應(yīng)高于室溫。Tg是塑料使用最高溫度；

橡膠Tg應(yīng)低于室溫。Tg是橡膠使用最低溫度。

⑶

為便于加工，Tf應(yīng)低些。如塑料，Tf-Tg差應(yīng)小;

為利于使用，Tf應(yīng)高些。如橡膠。討論41/58討論題：以下三種溫度-形變曲線，各對(duì)應(yīng)于何種高分子材料？①對(duì)應(yīng)于塑料。使用狀態(tài)是玻璃態(tài)，處于室溫；Tg-Tf差值小；②對(duì)應(yīng)于橡膠。使用狀態(tài)是高彈態(tài)，處于室溫；Tg-Tf差值大；討論：42/58③對(duì)應(yīng)于纖維。使用狀態(tài)是玻璃態(tài)，處于室溫；Tg-Tf差值較大。高聚物性能基本性能：質(zhì)輕，有彈性，塑性，絕緣，耐腐蝕。機(jī)械性能：聚合度n大，分子間力大，強(qiáng)度大（結(jié)晶度，極性基團(tuán)都能增強(qiáng)分子間力）。43/58

高聚物無(wú)電子、離子，多是絕緣體。但極性基團(tuán)在電場(chǎng)中會(huì)周期性取向，產(chǎn)生位移電流，使其含有導(dǎo)電性。

高聚物經(jīng)摩擦而帶靜電，因絕緣而不易消除。符合“相同相溶”原理，但不一樣于低分子，其溶解過(guò)程分為：電性能：溶解性：44/58

①溶脹—溶劑分子進(jìn)入高分子鏈，使鏈距增大，體積增大；②溶解—溶脹到使高分子鏈彼此分離，分子進(jìn)入溶劑。體型高分子只溶脹不溶解。45/58②特點(diǎn)：“強(qiáng)而韌”，耐磨性最好纖維。柔順性好。③用途：繩索，簾子線，漁網(wǎng)，飛行服，運(yùn)輸帶，降落傘，襪子。①結(jié)構(gòu)：聚酰胺纖維（尼龍錦綸PA）46/585.5復(fù)合材料1定義：由兩種以上物理和化學(xué)性質(zhì)不同物質(zhì)組合起來(lái)得到一個(gè)多相固體材料。2組成：基體材料（金屬或高聚物）；

增強(qiáng)材料（纖維、粒子）。47/583類型：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（增強(qiáng)材料是纖維）

粒子改性復(fù)合材料(增強(qiáng)材料是粒子)

夾層復(fù)合材料（芯、面料間以膠粘劑結(jié)合）48/58包含：玻璃纖維，陶瓷纖維，合成纖維，金屬絲包含：SiO2、CaCO3、CaSO4

石棉、碳黑、陶土；纖維增強(qiáng)材料粒子增強(qiáng)材料作用：承受載荷，傳遞和分散應(yīng)力，提升強(qiáng)度。作用：阻止基體位錯(cuò)，提升強(qiáng)度，降低成本。49/58包含：機(jī)械力（釘、鉤、鉚），分子間力，氫鍵，化學(xué)鍵。復(fù)合材料應(yīng)用⑴組成：以樹(shù)脂為基體（環(huán)氧樹(shù)脂，酚醛樹(shù)脂，不飽和聚酯樹(shù)脂，有機(jī)硅）。以玻璃纖維為增強(qiáng)材料。復(fù)合材料界面結(jié)協(xié)力1玻璃纖維增強(qiáng)塑料——玻璃鋼50/58⑵特點(diǎn)：質(zhì)輕，耐熱，耐蝕，耐老化，絕緣，加工性好。剛度不及金屬。⑴組成：以樹(shù)脂（環(huán)氧，酚醛）為基體，以碳纖維（有機(jī)纖維，絕氧碳化）為增強(qiáng)材料。⑶應(yīng)用：車體，船體，罐，管，泵，塔，零部件。碳纖維增強(qiáng)塑料51/58⑵特點(diǎn)：質(zhì)輕、耐熱、導(dǎo)熱、強(qiáng)度高。⑴母材：銅、鋼、不銹鋼。⑵被復(fù)材料：Al、Cu、Ag、Au、Zn、