大学化学教程10化学与材料.ppt
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1、第六章 化学与材料,材料的定义:具有功能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。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;有色金属的合金,主要有铝合金、
2、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-Ni,铁基形状记忆合金。,应用,航空航天领域
3、: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;使用寿命长和成本低。目前正在研究开发的贮氢合金主要有:镁系贮氢合金
4、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。在氢的回收、分离、净化等方面,第二节 无机非金属材料,单晶Si、单质C矾土Al2O3陶瓷,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:透明陶瓷、耐高温陶瓷,高温陶瓷,优点:工作温度稳定在1300左
5、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
6、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,Tl-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。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,
7、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、骨和股关节等。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,高分子化合物概述,(1)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
8、: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,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
9、。,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
10、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、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
11、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。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
12、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、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。,
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