材料和化学知识专业知识讲座.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。,本章内容,1,、材料科学发展概况,2,、金属材料化学,3,、无机非金属材料,4,、有机高分子材料,5,、复合材料,第一节、材料科学发展概况,材料：名词，指物质或构成器件之物。化学：名词，指研究物质的性质、组成及性质变化的科学。,、材料发展的历史从生产力的侧面反映了人类社会发展的文明史,。,代表性的材料将人类社会划分为：,（）石器时代：（旧石器时代原始人采用天然的石、木、竹、骨等材料作为狩猎工具；新石器时代公元前年，人类发明了火，掌握了钻木取火技术，用以烧制陶瓷。）,瓷器的出现已成为中华民族文化的象征之一，对世界文化产生过深远的影响,。,（）青铜器时代：,这是人类社会出现最早的金属材料，中国历史上曾有过灿烂的青铜文化。,（）铁器时代：用铁作为材料来制造农具，,铁在农业上的广泛应用，推动了以农业为中心的科学技术日益进步,；,以钢铁为中心的金属材料大规模发展，有力地摧毁了封建社会的生产方式，萌发了资本主义。,（）聚合物时代,二战后各国致力于恢复经济，发展工农业生产，对材料提出了质量轻、强度高、价格低等一系列要求。具有优良性能的工程塑料部分地代替了金属材料。,合成高分子材料的问世是材料发展的重大突破，从此以金属材料、陶瓷材料、高分子材料为主体，建立了完整的材料体系,，,形成了材料科学。,世纪年代以来，在世界范围内高新技术（生物技术、信息技术、空间技术、能源技术、海洋技术）迅猛发展，国际上展开激烈的竟争。,发展高新技术的关键往往与材料有关，即根据需要来设计具有特定功能的新材料。,能源、信息和材料已被公认为当今社会发展的三大支柱产业。,例：计算机发展史,1946年世界第一台电子计算机问世时，它是用18000只电子管组装而成，计算机总质量达30多吨，占地150m,2,，耗电几百千瓦。（计算速度不如现在的一台微型计算器）；,半导体材料的发展，用半导体材料代替电子管，使计算机技术跨进了一大步；,为了使计算机体积小、质量轻，人们把许多晶体管和连线集成在硅基片上，出现了集成电路。,集成电路不仅是计算机技术的基础，也是现代社会中通迅、电视、遥控等微电子技术的基础。,现在最大规模的集成电路，每个硅基片上的晶体管数目已达到万个(Pentium PRO1995)，,因而对新单晶硅材料的纯度要求日益提高。（,例如计算机内存为64，则要求集成电路在7mm,2,大小的芯片上连接10万个晶体管，晶体管之间用线宽为3um的布线互相连接起来。）,目前人们正在探索实现三维集成电路的可能性。,、化学是材料发展的源泉,化学与材料科学保持着相互依存、相互促进。,新分子和新材料的飞速增长（平均每天递增7000种）年份 1900 1945 1970 1975 1980 1985 1990 1999,化合物数目/万,55 110 236.7,414.8,593 785 1057.6 2000,、材料分类,（）按用途分：,结构材料和功能材料。结构材料,主要是利用材料的力学和理化性质，广泛用于机械制造、工程建设、交通运输、和能源等各个部门；,功能材料,则利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。,功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能、自我修复功能和时间轴功能，智能材料是21世纪材料。,（）按材料成分和特性分,：金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料。,复合材料是由金属材料、陶瓷材料、高分子材料组成的,。复合材料的强度、刚度和耐腐蚀性能比单一材料更为优越，是一类更为广阔发展前景的新型材料。,（）材料也可分为,传统材料和新型材料,。,传统材料,是指生产工艺已经成熟，并投入工业生产的材料。,新型材料,是指新发展或正在发展的具有特殊功能的材料，如高温超导材料、工种材料、功能高分子材料。,新型材料的特点：,（）具有特殊的性能，能满足尖端技术和设备制造的需要。,如能在接近极限条件下使用的超高温、超高压、极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料,。,（）新型材料的研制是多学科综合研究成果。,它要求以先进的科学技术为基础，往往涉及到物理、化学、冶金等多个学科,。,（）新型材料从设计到生产，需要专门的、复杂的设备和技术，它自身形成一个独特的领域，称为新材料技术。,4、材料的组成、结构与材料的性能,（1）材料的组成和性能的关系,所有的材料都是由已知的109种元素单质和它们的化合物组成的，组成不同，便会得到物理、化学性质迥异的物质，材料的组成对于控制、改变材料性能具重要作用。,例如钢铁的性质与其中碳含量有密切关系。不含碳或含碳少(0.04%以下)的铁称熟铁，其质软，不能作为结构材料使用。含碳量在2.0%以上称铸铁，其抟硬而脆。含量在0.7-1.8%之间，则称钢，钢兼具较高的强度和韧性，因此在工程上获得广泛的应用。,与此相似合金钢的性能是以合金元素的一定含量为条件的。钢中加铬，可提高钢的耐蚀性，但只有当钢中含铬量在12以上时，才能成为耐蚀性强的不锈钢。加入锰特别硬，称为猛钢。,杂质对材料性能有严重的影响，要提高材料的纯度。,（2）化学键类型与材料性能的关系,化学键类型是决定材料性能的主要依据，三大类材料的划分，就是按各类材料中起主要作用的化学键类型。,金属材料主要由金属元素所组成，以金属键为其中的基本结合方式，并以固溶体和金属化合物合金形式出现。因此表现出与金属键有关的特性，如金属光泽、良好的导电导热性，较高强度、硬度和机械加工性能。,无机非金属材料多由非金属元素与金属元素所组成。以离子键或共价键为结合方式，以氧化物、碳化物等非金属化合物为表现形式。因而具有许多独特的性能，如硬度大，熔点高，耐热性好，热和电的良好绝缘体。,有机高分子材料，主要是由以共价键结合的碳氢化合物“大分子链”组成的聚合物为基础的材料。这些“大分子链”长而柔曲，相互间以范德华力结合，或以共价键“交联”产生网状或体型结构；或以线型分子链整齐排列而成高聚物晶体。因而它们质轻，有弹性，韧性好，耐磨，自润滑，耐腐蚀，电绝缘性好，不易传热，成型性能好，其比强度能达到或超过钢铁等。,（3）晶体结构与材料性能的关系,固体材料可分为两类即晶体和非晶体（玻璃体）,晶体结构与物质的性能关系密切，实践中发现，不少晶格类型相同的物质，也具有相以或相近的性质。,例如，碳的两种同素异形体金刚石和石墨的不同性质，产生于晶格类型不同。金刚石属立方晶型，而石墨则为六方层状晶型。与碳元素同为等电子体的氮化硼BN，也有立方和六方两种晶型。立方BN性质与金刚石相以，硬度近于10，有很好的化学稳定性和抗氧化性，用作高级磨料和切割工具。六方BN性质则与石墨相以，较软（硬度仅为2），高温稳定性好，作为高温固体润滑剂，比石墨效果还好，故有“白色石墨”之称。,非晶态金属材料由于原子或分子不呈规则排列，由液态到固态没有突变现象，因而表现出三大优异的性能：强度高而韧性好；突出的耐腐蚀性和很好的磁性能。,非晶态金属材料是目前研究最多，发展最快的一个方向。例如非晶硅的制备和研究，将为人类大规模利用太阳能，打开十分广阔的前景。（过去太阳能电池用单晶硅制造，其工艺复杂、成本高而无法大面积推广，非晶硅则可连续生产、薄膜化而成卷。）,（4）结构缺陷与材料性能的关系,在实际晶体中由于或多或少存在空位、位错、杂质原子等缺陷，这些因素促使实际晶体偏离理想的周期性重复排列。称之为晶体缺陷。,晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷等。,固体材料中的缺陷对材料的性能产生重大影响。由于晶体缺陷使材料显示出特殊的电、磁、和光学性质，发展为功能材料。,例如ZnS,晶体与蓝色荧光粉：蓝色荧光粉的主要原料是硫化锌(ZnS)晶体，它是白色的。如果往晶体中掺入约0.0001%的氯化银(AgCl)时，Ag,+,和Cl,-,分别占据了ZnS晶体中Zn,2+,和S,2-,的位置，造成晶体缺陷，破坏了ZnS晶体的周期性结构，使得杂质原子周围的电子能级与Zn,2+,和S,2-,周围不同。这种掺杂的ZnS晶体，在阴极射线激发下，放出波长为450nm的荧光，可做彩色电视荧光屏中的蓝色荧光粉。,第二节 金属材料化学,一、金属在,周期表,中的位置及分类,按其物理性质可分为：轻金属（密度小于5g/cm)和脆性，展性以及低熔点金属。,按金属的性能特点分为：碱土金属、轻金属、稀土金属、易熔金属、难熔金属、铁族金属、锕系金属和贵金属。,按金属的原子结构特点分：s区金属、p区金属、d区金属、ds区金属。,二、各类金属材料的特点和性能,1、s区金属,s区金属包括,A碱金属和A碱土金属共12种，其中钫和镭是放射性元素。,特点：少（价电子数少）、大（原子半径大）、轻（密度小于,5g/cm,）、软（硬度较小）、易熔（铍的熔点高达1278除外）、活泼（易失去电子）,元素周期表,附：铝及其性质,铝在周期表中是第13号元素，相对原子量是26.98.其固体密度为2.7g cm,-3,.熔点660,，,而单质外观如左图。,1S,2,2S,2,2P,6,3S,2,3P,1,13,其原子核外的电子排,布如右图所示。,所以，铝的核,外电子构型表示为:,铝及其性质,纯铝的“空间群”结构如右图。其晶体结构为紧密型立方体，单质的晶体结构如右图所示。由于铝具有较小的,密度，所以，它的质,地较轻，其合金被广,泛用于装潢材料、家,居生活的容器及超音,速飞机的制造中。,铝的发现与崛起,自100多年前科学家发现“铝”后,其产量便立刻突飞猛进，很快超过了有几千年历史的铜,成为断钢铁之后的“年轻金属”。,铝在地壳中的丰度是7.4%，仅次于氧和硅，是贮量最多的元素之一。但由于自然界尚有游离态的铝，都以化合态(长石、云母、高岭土、铝土矿等)形式存在,而从铝化合物中炼出金属铝非常困难，所以它的开发与利用较迟。,铝的发现与崛起,1827年，德国化学家维勒以铝土矿和熔融的钾反应，得到少量的铝，1854年法国化学家德维尔又以铝土矿和熔融的钠反应，也得到少量的铝。由于钾和钠均极难制得,所以,当时其价格比黄金还要昂贵。,法国皇帝拿破仑三世,曾用铝制做了一顶头盔,以显示自己的富有。所以,铝曾被列为“稀有金属”。,铝制头盔,铝的工业化生产,1886年美国的豪尔和法国的海朗分别以电解铝土矿和冰晶石的混合物而制得金属铝，由此便奠定了今天大规模生产铝的基础。也使铝的价格一落千丈。,铝电解槽示意图,电解铝生产车间,铝及其合金的应用,除纯铝之外，铝合金是现代生活和现代化技术中不可缺少的材料。大到宇宙飞船、航天飞机，小到居家生活用品，都有铝合金的“身影”。它已以经完全渗透到了我们生活的方方面面。所以，铝被称为咄咄逼人的“年轻人”。,铝及其合金的应用,铝对人类最大的贡献，就在于航天航空事业。虽然其单质的密度小，强度不大，但与一些金属形成合金后，就具有了轻而结实的优越性能。所以航空、航天工业上发挥了极大的作用。,用铝合金代替飞机上的钢铁部件，可大大减轻飞机的自重，同时也就提高了飞机的载重能力。目前，一架超音速飞机，铝合金的用量已占用材的70%。,铝及其合金的应用,在各种航天器上也大量使用铝合金，目的自然是减轻其自重，以能携带更多的科学实验仪器。我国第一颗人造地球卫星东方红I号”的外壳，就是全,东方红I号人造卫星,阿波罗II号宇宙飞船,部用铝合金制成的,美国,“阿波罗号”,宇宙飞船使用的金属材料中,75%,以上是铝合金。,铝及其合金的应用,若将铝粉、石墨及氧化钛等物质按一定比例混合,涂在火箭、导弹的金属外壳表面,再经高温处理后，可使火箭与导弹“穿”了一层特殊的“外衣”,经能保护火箭与导弹在飞行过程中不会因与空气摩擦而烧毁。,俄罗斯KH29空地导弹,美国AGM86B巡航导弹,中国长征运载火箭,美国中程空对空导弹,铝及其合金的应用,由于铝燃烧时会发出耀眼的白光，故节日的焰火就有铝的身影;装潢家居的“银粉”实际上就是铝粉;用铝粉制作反光镜;利用铝的延展性，可制成铝箔;铝有良好的热与电的传导性，所以可制造热交换器、散热板、家用炊具及电线等。既轻又便宜，还可省去紧缺价高的铜材。,铝及其合金的应用,当铝与一些金属氧化物(如铁、铬及钒的氧化物)一起引燃后，可制得熔融状态的铁、铬、钒，既可用以修补铁轨，又可冶炼这些难熔金属。同时，铝又是“抗酸能力”。由于常温下，浓硫酸或浓硝酸会在铝表面形成一层致密的氧化层保护膜，因而，用铝制成的桶、罐，是盛放两种浓酸的最佳容器。,铝元素的危害,铝的发现与应用为人类生活做出了很大贡献。但近年来的研究表明，过量的铝元素进入人体后，给人造成诸如痴呆、骨痛、贫血、甲,镰刀细胞地中海贫血,脑底模型与脑痴呆,状腺功能降低、胃液分,泌减少等疾病。而对脑,组织及智力的损害更为,严重。,铝元素的危害,1970年，美国杜诺德博士用AAS法分析了健康人与衰老者的脑组织中铝的含量，结果是后者是前者的4倍。,脑海马结构图,人脑右视图,1980年美国波尔,博士用X-Ray 分析老年,痴呆者脑内海马神经纤,维中有铝的沉积。,预防措施,减少食用水中的含铝量,明矾是含铝化合物,它常用于作净化自来水的沉淀剂;而铝制水管或贮水容器也会使水中铝。,减少烹调过程铝的摄入,用铝炊具烧饭，估计日铝的摄入量为56毫克。应尽量改用不锈钢和玻璃炊具。,明矾,铝炊具,预防措施,减少从药物中摄入铝,口服氢氧化凝胶的病人,每天摄铝量高达1000 mg,吸收率达25%,相当于每天向血液中加入250mg铝；治疗胃病的药物中多也含氢氧化铝或铝酸盐。,所以,服用这些药物时,势必导致铝的体内污染。,防止从食物中摄入铝,在制作面粉加工中的发酵粉(磷铝酸钠,一茶匙含铝70mg)(可改用酵母菌)、油条、粉条、粉丝、凉粉及腌菜时要加明矾，因而铝的含量很高。长期食用这些食物,都会引起体内铝的积淀。,、过渡金属,元素周期表中d,区、ds区元素，通称为过渡元素或过渡金属。d区金属元素的密度均大于 5g/cm,3,，属重金属。大多是高熔点金属且硬度较大，这些元素形成的金属键很强。因此它们是合金材料的重要组成部分。,（）耐蚀金属及合金：能很好地抵抗大气及其它侵蚀性介质腐蚀的金属材料，称耐蚀金属。主要有三种情况：,、因热力学稳定而耐蚀。Cu、Ag、Pd、Rh、Pt和At等贵金属具有较好的热力学稳定性。但它们价格较贵，仅用于特殊场合中。,、因钝化而耐蚀。其中最易钝化的金属是Ti、Zr、Nb、Ta、Cr,和Al等。,、在金属表面形成难溶和保护性能良好的腐蚀产物膜而耐蚀。,附：钛及其性质,钛在周期表中是第22号元素，相对原子量是47.867.其固体密度为4.5g cm,-3,.熔点1668,，,而单质外观如左图。,22,1s,2,2s,2,2p,6,3s,2,3p,6,4s,2,4p,2,其原子核外的,电子排布如右图所示。,所以，钛的核外电子构型表示为：,钛的贮量与赋存形态,钛有如此生命力的另一外原因是因为它在地球上分布很广，地壳中的丰度为0.6%，仅次于铝、钙、钠、钾和镁，比铜、锡、锰、锌等金属多。所以，钛不是稀有金属。,钛的主要赋存形式是钛铁矿、钒钛矿及金红石(TiO,2,)。我国四川省攀枝花地区已发现了储量约为15亿吨的钒钛铁矿。,钛的发现与工业化,英国化学家格里戈尔于1791年首次发现了钛的存在。但直到1910年，美国化学家亨特才用化学方法制得纯度99.9%、总量不足1克的钛。前后历经约120年。,1947年钛的提炼工业化，当时产量只有2吨。但不到10年，其产量增至2万吨,到1972年,年产量达20万吨。,钛及其性质,钛原子的“空间群”结构(局部)如右图，而其单质的晶体结构如下图所示。,由于其结构上的特殊,性，所以钛具有神奇,的耐超低温和耐超高,温的性质。,钛的应用性能,钛与铝比,硬度是其2倍，制成合金则比铝高出24倍。而与钢相比钛的密度仅相当于钢(7.8g/cm,3,)的57%，但强度与硬度与之接近。,所以，钛同时兼有钢(高强度)和铝(质地轻)的优点。在原来使用钢材和铝材的地方，它可以而代之；而在钢和铝不能胜任的地方，钛则能“轻松应对”。,钛合金的性能与应用,钛的某些合金硬度特别大,可用来制造切削刀具；用钛制造的外科手术器械锋利、轻巧而不变形；利用一些钛合金的“吸氢”本领，可以贮存氢气，对新能源的开发意义重大；,有的钛合金有“可塑性”，可以容易加工成任意形状；有的钛合金具有神奇的“记忆”能力,总之，钛能“上九天揽月，下五洋捉,鳖”,21世纪必将创造更加灿烂的奇迹。,钛制高尔夫球杆,钛合金制自行车,钛合金制螺丝、螺帽,钛氧化物的特性,钛的氧化物为TiO,2,，雪白色粉末，它是最好的白色颜料，俗称“钛白粉”。1克钛白粉可以将,450多平方厘米的面积,涂的雪白。因此,TiO,2,是世界上最白的颜料。,上九天揽月,钛是制造宇宙飞船的关键材料。由于太空的温度低达零下100200,，,这个环境中的飞船所需要的液氢和液氧燃料，必须贮藏在用耐超低温的容器中。但大多数金属罐均会破裂，而钛制成的容器非但不破,且强度还会增加.,所以，液氢和液氧是贮藏在用钛制成罐中。,美国航天飞机,上九天揽月,当美国航天飞机从太空返回地球时，必须穿过大气层。但由于高速摩擦会使航天飞机表面温度高达1000,。,一般金属及其合金都难以抵抗，也只有钛合金作为其“蒙皮”，才能担此重任。,上九天揽月,钛材同时也是现代飞机的主要材料。以前飞机的外壳都用铝合金，但当飞机的速度超过音速的2.2倍时,飞机外壳与空气,的剧烈,摩擦而产生很高的温度。一般铝合金在300,以上强度便大大下降。而钛合金在650,以上仍泰然无事。,上九天揽月,因而制造超音速飞机的外壳材料就非钛莫属了。,美国制造的著名“黑鸟”战机，其飞行速度已达3200千米/小时,是音速,的2.5倍以上，其表面材料即为钛合金。,“黑鸟”军用飞机,上九天揽月,利用钛重量轻的特点，可用它来替代钢制部件，不仅使飞机的强度增大，且可使其自重大大降低。同时也就增加了飞机的载重量,节约了燃料。目前时速在3320千米、高度近10万米、有效载重达,100,吨的“巨无霸”飞机,钛的用量都在其机身的93%以上。,US隐形战斗机,法国阵风战斗机,普通钢铁制成的船体易被海水侵蚀，且海水深度每增加10米，压力就增大1个大气压。潜艇或军舰须用超强耐腐蚀材料来制造。而钛及其合金长期浸泡在海水中不被,下五洋捉鳖,海狼号核动力攻击潜艇,英国大刀级导弹护卫舰,腐蚀，且由于其没有磁性，,故用钛合金制造的舰船，可,免受磁性水雷的攻击。所以,美国的深海潜艇就是用钛合,金制成的，它能够在4500米,深海中航行。,钛在生活中的应用,钛金计算机,钛金插座板,钛金支架托,钛金水笼头,钛金手机,钛金直角锅,钛在医学上的应用,钛是一种纯性金属，也就是说,因为钛的耐腐蚀性、稳定性高，使它在和人长期接触以后也不影响其本质，所以不会造成人的过敏，被人们称为“亲生物金属”。由于钛的密度与人骨相近，所,以,钛在医学上有着独特的用途。医学上“钛,骨”就如真的骨头一样，甚至可以用钛制人,钛种植体-骨界面的高分辨透射电镜图,造骨头来代替人骨治疗骨折。,钛在医学上的应用,股骨远端髁,支持接骨板,纯钛腕关节,融合接骨板,4.5mm,髋部,钩状接骨板,锁定加压,接 骨 板,空心钛螺钉,钛合金髋,动力螺钉,钛骨植入物,X 光透视图,（）耐热合金,能在高温（,）下工作的金属，通称为耐热金属，“耐热”是指金属在高温下能保持足够的强度和良好的抗氧化性。它们广泛地应用于制造航空涡轮发动机，各种燃气轮机热端部件，应用领域涉及航艇、火车、汽车、火箭发动机、核反应堆等高技术领域。,耐热金属主要集中于周期表的中部，、元素，其中钨的熔点最高（），通常将熔点高于铬（熔点）的金属，叫做高熔点金属或难熔金属。,工业上常用的高熔点金属，主要有Mo、W、Nb、Ta等金属及其合金，但它们的价格高，数量少。常采用合金化的方法提高金属的耐热性。即在钢铁中添加某些元素，制成耐热抗氧化的合金钢，合金元素有W、Mo、Cr、V、Nb、Al、Si等,耐热合金目前有铁基、钴基、镍基、钼基、铌基、钽基和钨基合金等。,(3)磁性合金,大多数过渡金属具有顺磁性，而铁、钴、镍等少数金属是铁磁性的，因此在铁、钴、镍的基础上发展出许多铁磁性的合金材料。磁性合金在电机、电子、计算机技术和信息控制等领域中有十分重要的应用。,铁磁性合金材料可分为软磁性材料和硬磁性材料两大类。,软磁性材料磁导率高，易于磁化和消磁，适用于制造变夺压器的铁芯、电机和机电器等、常见的有硅钢片、铁镍合金和铁钴合金等。,(3)磁性合金,硬磁性材料在磁场中化后，除去外磁场时仍能对外产生较强的磁场，成为永久磁性体，故名为永磁材料。这类材料中主要有碳钢、铬、钨、钴合金钢、铝铁镍合金和稀土永磁材料等。,稀土永磁材料因为有未成对的f电子，显示出很好的顺磁性和铁磁性，是极有希望的永磁材料。年代开发成功的钕铁硼是第三代永磁材料，其中主要成分是铁（约占），成本显著降低，性能更好。我国目前生产的钕铁硼合金的磁性性能，在国际上处于领先的地位。,（）稀土金属,稀土金属包括种元素，即元素周期表中,中的钪、钇和镧系的种元素。,稀土金属质地较软，可以切开，熔点较高，但导电性并不良好，比碱金属和碱土金属都差。,室温时，稀土金属可吸收大量的氢，形成固溶体或化合物，高温时可逆放氢，因此，是相当理想的吸氢贮氢材料。,在冶金工业中，稀土是很好的脱氧、脱硫剂。钢铁中少量的稀土，能大大地改善其热加工性，韧性和高温性能，提高其抗氧化、耐腐蚀性等，其综合作用是任何其它金属所不及的。,稀土金属,在电子工业中，稀土及其化合物是制造激光、荧光、电磁、电极材料的重要物质。Eu,和Y的氧化物用作发光材料，是彩色电视机中红色荧光体，光亮度强、性能稳定。,化学工业中，稀土及其化合物是性能极好的催化剂；陶瓷制品中应用稀土配成钕紫，铒红、铈黄和镨铽锆绿等，产品色泽明亮鲜艳，十分稳定。,三、新型金属材料,、形状记忆合金。,形状记忆合金是一种新的功能金属材料，用这种合金做成的金属丝，即使将它揉成一团，但只要达到某个温度，它便能在瞬间恢复原来形状。,例如，最早研究成功的形状记忆合金镍钛脑(Ni-Ti合金)，如果把它加工成Nitanon字样，然后加热到,再冷却，再把字形弄成一团，当把它加热到 时发现它又重现了Nitanon字样。,这种能“记忆”起自己受外力作用而变形前的形状，并能自动恢复的合金，称为形状记忆合金。广泛地用于卫星,、,航空,、,生物工程,、,医药,、,能源和自动化等方面。,形状记忆合金的这种“记忆”功能，是因为这类合金具有马氏体相变。凡是具有马氏体相变的合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体转变为奥氏体结构，完全恢复原来的形状。,具有形状记忆效应的合金现已发现很多，主要的有Ni-Ti体系合金、Cu-Zn-Al合金以及Cu-Al-Ni系合金。,近年来发现在高分子材料、铁磁性材料和超导材料中也存在形状记忆效应。,、贮氢合金,氢作为常规能源必须解决氢的贮存和运输问题。传统上采用气态或液态贮存，前者在高压下把氢气压入钢瓶，后者在,低温下将氢气液化，然后灌入钢瓶，但运送笨重的钢瓶很不方便。,贮氢合金是利用金属或合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。金属都是密堆积结构，结构中存在许多四面体和八面体空隙，可以容纳半径较小的氢原子。例如LaNi,5,若吸氢后形成LaNi,5,H,6,，,这时在合金中氢的密度为0.111g/cm,3,，,它比标准状态下氢气的密度大千余倍，也比液氢密度大。,具有实用价值的贮材料要求贮量大，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三大系列：镁系贮氢合金如Mg,2,Ni；,稀土贮氢合金如LaNi,5,；,钛系贮氢合金如TiMn,1.5,。,第三节 无机非金属材料,无机非金属材料又称陶瓷材料。可分为传统陶瓷材料和精细陶瓷材料。,传统陶瓷材料的主要成分是各种氧化物，传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥、耐火材料、建筑材料和搪瓷等，主要是烧结体。,精细陶瓷材料的成分除氧化物外还有氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。精细陶瓷产品可以是烧结体，还可以做成单晶、纤维、薄膜和粉末，具有强度高、耐高温、耐腐蚀，并可有声、电、光、热、磁等多方面的特殊功能，是新一代的特种陶瓷，所以它们的用途极为广泛，遍及现代科技的各个领域。,一、传统陶瓷材料,传统陶瓷材料的主要成分是硅酸盐，自然界中存在大量的天然硅酸盐，如岩石、砂子、粘土、土壤等，还有许多矿物如云母、滑石、石棉、高岭石、锆英石、绿柱石、石英等。,人们为了满足生产和生活的需要，生产了大量的工业硅酸盐，主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及某些分子筛等。硅酸盐制品性质稳定、熔点较高、难溶于水，有很广泛的用途。,、玻璃,广义上说，凡熔融体通过一定方式冷却，因粘度逐渐增加而具有固体性质和结构特征的非晶体物质，都称为玻璃。,玻璃的发现,众所周知,玻璃有很广泛的用途,且与我们的生活已割舍不开。但它的发现却是,3000,多年以前。在古代，玻璃曾经比黄金还要贵重。相传地中海东岸腓尼基人的一艘满载天然苏打晶体的船途中搁浅，船员在沙滩上用几块苏打晶体地支锅做饭。但吃完饭，却发现与沙土接触的地方，出现了许多透明光滑、晶莹发亮的珠子。,玻璃的发展,聪明的腓尼基人立刻在特制的炉子里,将石英砂和苏打放在一起熔炼,结果制作出人造珠子。这就是现在所说的“玻璃”。,腓尼基人开始大量生产，并用它作为珍宝去换黄金。后来这种制作秘密被传到埃及甚至更远的地方，因而玻璃的生产便发展起来，其价格也就越来越平民化。,玻璃的组成与制作,普通玻璃为钠玻璃，,玻璃中的主要成分是,硅酸钠,、,硅酸钙,及,二氧化硅,。,制玻璃时，将石灰石、纯碱和二氧化硅以一定比例混合后，放在大型的容器中加热熔炼，先得到熔融状玻璃，取出后成柔软而有可塑性的固体，经,吹制,、,压制,、,模制,等工艺，可制成平板玻璃或,各种玻璃器皿。,其反应为：Na,2,CO,3,+CaCO,3,+6SiO,2,Na,2,CaSi,6,O,14,+2CO,2,所得产物以化学式Na,2,CaSi,6,O,14,或Na,2,OCaO6SiO,2,表示，但不能认为是一种确定的化合物，实际上是一种组成不确定的不同硅酸盐的混合物。,钠玻璃主要成分是硅酸钠和硅酸钙，用于制造玻璃瓶、玻璃管和玻璃门窗。,如以钾代替钠，则可得到熔点较高和较耐化学作用的钾玻璃。这种玻璃多用于制造耐高温的化学玻璃仪器，如燃烧管、高温反应器等。,如果钠玻璃中的钙，同时以铅代替，则可制得有高折光性和高比重的钾铅玻璃，这是光学玻璃的原料，也是用于雕刻艺术的车料玻璃。,减少钠玻璃中,Na,2,O,的量而增加,2,（使含量为），即得质硬而耐热的硼硅酸玻璃，最高使用温度可达以上，故又称硬质玻璃或耐热玻璃，是制造实验仪器和化工设备的重要材料。,在玻璃中加入Li,2,O为催化剂或成核剂，用紫外线照射或在一定湿度范围内加热处理，内部可形成的微晶，得到微晶玻璃。这种玻璃强度比普通玻璃大倍，比高碳钢硬，比铝轻，有很高的热稳定性，加热至，骤然投入冷水中也不会炸裂，在工业上，广泛用于无线电、电子、航空航天、原子能和化工生产中。,彩色玻璃是在玻璃中加入少量有颜色的金属化合物而使之着色。CuO或Cr,2,O,可着绿色，Co,2,O,着蓝色，Cu,2,O着红色，MnO,2,着紫色。乳色玻璃则含有SnO,2,或CaF,2,。FeSO,量多时则为黑色，量少时则为暗绿色。,钢化玻璃,普通玻璃的易碎性，给人们的生活与工作带来很多不便，特别是锋利的尖角，很容易伤人。为此，工程师们想出为玻璃“淬火”的工艺。即在玻璃被加热到快软化时，快速将其放在油或其他液体中骤冷。处理后,玻璃的抗张强度是普通玻璃的,78倍。具有结实、耐冷热及不易爆裂的特,性。这就是钢化玻璃。,普通玻璃,钢化玻璃,钢化玻璃制品及特性,用钢化玻璃制作的产品(杯子、汽车风挡玻璃及门窗玻璃等)最大的特点是：破碎后不会形成锋利的碎片,而是很碎的“玻璃粒”，因而不会伤人。,变色玻璃,盛夏时节，多数人都喜欢戴墨镜或太阳镜，其主要作用就是阻挡阳光对眼睛的直射。但若患了近视，则就比较麻烦。所以，人们发明了变色眼镜。并可根据近视的程度配上相应度数的变色近视镜。,玻璃可以染色，那又是怎样变色的呢？这要归功于卤化银。,玻璃变色原理,玻璃能变色是因为在材料中加入了能感光的卤化银(,AgCl,AgBr,AgI,)作为感光剂，并加入极微量的敏化剂，以提高光色互变的灵敏度。敏化剂以氧化铜效果最好，其原理如下:,玻璃变色原理,在变色玻璃中由于玻璃是固体,加上玻璃的不渗透性和惰性,分解后的银原子和卤素原子都留在原处(并不象照相底片在显影与定影时银留下而溴化银被,洗掉)。当光照减弱时，在,氧化铜的催化下,银原子与,卤素原子又重新结合,变成,无色的卤化银分子,使玻璃,的颜色变浅。,、水泥,水泥是最常用的建筑材料，它也是硅酸盐，是由石灰石（有时需加入少量氧化铁粉）和粘土（主要成分是SiO,2,）作为原料，经煅烧成熟料，将熟料磨细，再加入一定量的石膏制成。其中主要成分是CaO(约占总重量的62-67%),SiO,2,(20-24%),Al,2,O,3,(4-7%),Fe,2,O,3,(2-5%)等。这些氧化物组成了硅酸盐水泥的四种基本矿物组分：,硅酸盐水泥的四种基本矿物组分：,(1)硅酸三钙（3CaOSiO,2,简写C,S）是熟料的主要矿物，含量通常在50以上。加水后,C,S水化速度很快，水化热很大，水化物强度高，是硅酸盐水泥早期强度来源。C,S的含量高，水泥的标号就高。,（）硅酸二钙（2CaOSiO,2,简写C,2,S）含量约20，加水后，水化速度慢，水化热很小，如水足量水化强度逐渐增加，故对水泥的后期强度起决定作用。,（）铝酸三钙（3CaOAl,2,O,3,简写C,3,A）含量为7-15，加水后水化速度极快，水化热很大，并能促进C,S及其它矿物的水化。,（）铁铝酸四钙（4CaOAl,2,O,3,Fe,2,O,3,简写C,4,A F）含量为10-18，水化速度分仅次于C,3,A，水化热小，在水泥生产中中，起助熔作用。,二、精细陶瓷材料,精细陶瓷分为结构陶瓷和功能陶瓷。,结构陶瓷是具有高硬、高强、耐磨耐蚀、耐高温和润滑性好等性能，用作机械结构零部件的陶瓷材料。,功能陶瓷则是具有声、光、热、电、磁特性和化学、生物功能的陶瓷材料。,、结构陶瓷材料。,目前已经应用的结构陶瓷材料，主要有四种。,（）氧化铝结构陶瓷。其特点是：高温硬度大、耐高温、抗氧化，耐急冷急热，可使用温度高达1980，机械强度高，化学稳定性好，且具有高绝缘性。可用作机械部件、工具和刀具。,（）氧化锆结构材料。其特点是具有很高的强度和韧性，能承受铁锤的敲击，强度可与高强度合金钢媲美，故有“陶瓷钢”的美称，是十分重要的耐火材料。,（）氮化硅结构陶瓷。其硬度为，是最硬的材料之一。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。,（）碳化硅结构材料。,具有很好的热稳定性和化学稳定性，热膨胀系数小，其高温强度是所有陶瓷材料中最好的。作为高温结构，最适宜的应用领域是高温、耐磨和耐蚀的环境。,氮化硅结构陶瓷制品,、功能陶瓷材料,（）光导纤维 从高纯度的二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100um,的细丝，称为石英玻璃纤维。其特点是光损耗小，故称为光导纤维，是精细陶瓷中的一种。,利用光导纤维进行光纤通讯。激光的方向性强，频率高，是进行光张通讯的理想光源。与电波通讯相比，光纤通讯能提供更多的通讯通路，可满足大容量通讯系统的需要。,光导纤维的烧制：,光导纤维,光导纤维也是玻璃的一种。,通常光是直线传播，但当光线从一种折射率较大的介质射向折射率较小的介质时，若光线的入射角度超过某一数值，则光线就会全部反射原来的介质。因此，科学家们就想是否用一种“管道”，让光在其中发生全反射而不能出去，只能在“管道”的界面上作波浪式前进，并从“管道”的另一端出来。于是，就发明了能任意弯曲的石英玻璃纤维。,光导纤维一般由两层组成，里面一层称为内芯，直径几十微米，但折射率较高；外面一层称包层，折射率较低。从光导纤维一端入射的光线，经内芯反复折射而传到末端，由于两层折射率的差别，使进入内芯的光始终保持在内芯中传输着。,光导纤维,但光在玻璃纤维中传播时,往往会被一些杂质吸收而减弱.经过长时间的试验与探索,工程师们最终制造了杂质含量仅有十亿分之一,的光导纤维,这样光的损耗率达到了103分贝/千米.所以,在现代信息时代,光电通讯事业得以迅速发展。,在实际使用时，常把千百根光导纤维组合在一起并加以增强处理，制成象电缆一样的光缆，既提高了光导纤维的强度，又大大增加了通讯容量。,石英玻璃坩埚,（）生物医学材料,对植入生物部件的代替物的要求：,、生物相容性好，对肌体无免疫排异反应；、血液相容好，无溶血、凝血反应；、不会引起代谢作用异常现象；、对人体无毒、不会致癌。,如高分子量的聚乳酸作为可生物降解的类骨骼材料；含氟人造血浆用于输血材料；用有机硅材料作为亲水性的隐形眼镜材料，但功能仍不理想。用聚氨酯做成人造皮肤，骨胶原材料及其它人造血管材料，人造肾，人造心脏等都在研究之中。,生物合金的缺点：易腐蚀。如把不锈钢做成人工关节植入人体内，三五年内便会出现腐蚀斑，并且还会有微量金属离子析出。,有机高分子材料做成的人工器官容易老化。,生物陶瓷是惰性材料，耐腐蚀，更适合植入人体。但最大缺点是性脆，韧性不足，这就严重影响了它作为人工人体器官的推广应用。,另外一类材料是药物制剂材料。如可将药物包埋在材料中，制成缓释或控释制剂。,（）超导材料,超导现象是1911年荷兰物理学家HK onnes（昂纳斯）发现的。当汞冷却到时，其电阻突然消失。这种现象提供了十分诱人的工业前景，但的低温让人失去了的信心。1973年发现金属间化合物Nb,3,Ge的Tc最高温度为23K，并在理论上预言金属最高的Tc不会超过30。,直到1986年IBM公司瑞士苏黎世研究实验室的J G Bednorz和K A Mueller报道了一种La-Ba-CuO的陶瓷材料具有超导性，转变温度为35K，这是一种完全与过去已知超导体不同的新型材料，才激起了汉时世界的超导热，他们因此而获得了1987年的诺贝尔物理奖。,1987年，中国科学院赵忠贤和美国朱经武等独立地发现了Tc 达90K 的Y-Ba-Cu-O 超导氧化物，实现了液氮区的超导性。不久以后，相继有Bi-Sr-Ca-CuO 系及 Tl-Ba-Ca-CuO系Tc 超过120K的超导体发现。,1991年有两项重要发展：一是有机超导体的临界转变温度达到12.5K；另外发现了碱金属掺杂的C60也具有超导性，临界转变温度达到33K。到1993年俄罗斯L N Grigorov发现了经过氧化的聚丙烯体系能在300K呈现超导性。,世纪超导材料的研究目标是室温超导，这将是能源工业的一次革命。,富勒烯,1985年，英国Sussex大学的H.W.Kroto等人用激光作石墨的气化试验发现了C,60,，这是一种由60个碳原子组成的稳定原子簇。此后又发现了C,50,、C,70,、C,240,乃至C,540,，它们都是具有空心的球形结构，属于笼形碳原子簇分子。由于C,60,的结构类似建筑师Buckminster Fuller设计的圆顶建筑，因而称为富勒烯(Fullerend)，也有布基球、足球烯、球碳、笼碳等名称。,以,C,60,为代表的富勒烯是继金刚石、石墨后发现的第,3,种碳的同素异形体。在富勒烯中，人们对,C,60,研究得最深入。它独特的结构和奇异的物理化学性质备受国际科学界的关注，其研究不仅涉及到化学的各个分支，而且还涉及到生命科学、材料科学及固体物理等诸多领域。因此，,C,60,是,20,世纪的重大科学发现之一。,Kroto,等人因此而荣获,1996,年诺贝尔化学奖。,C,60,富勒烯的结构特点,以,C,60,为代表的富勒烯均是空心球形构型，碳原子分别以五元环和六元环而构成球状。如,C,60,就是由,12,个正五边形和,20,个正六边形组成的三十二面体，像一个足球。