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Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,第十一章探索生活材料,材料是人类赖以生存和发展的物质基础。,20,世纪,70,年代人们把信息、材料和能源誉为当代文明的三大支柱。,80,年代以高技术群为代表的新技术革命，又把新材料、信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要标志。这主要是因为材料与国民经济建设、国防建设和人民生活密切相关。材料除了具有重要性和普遍性以外，还具有多样性。由于多种多样，分类方法也就没有一个统一标准。从物理化学属性来分，可分为金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和不同类型材料所组成的复合材料。从用途来分，又分为电子材料、航空航天材料、核材料、建筑材料、能源材料、生物材料等。更常见的两种分类方法则是结构材料与功能材料；传统材料与新型材料。,合金,1,认识合金合金是两种或两种以上的,_(,或,_),_,而成的具有,_,的物质。合金与各成分纯金属在性能上有很大差异。如合金比它的成分金属具有许多良好的物理、化学或机械等方面的性能。合金的熔点一般比它的各成分金属的熔点,_,，合金的硬度一般较,_,。,金属,金属跟非金属,熔合,金属特性,低,大,造成这种差异的原因是合金与纯金属结构不同。在纯金属内，所有原子的大小和形状都相同，原子的排列十分规整。而合金内加入了其他元素或大或小的原子，改变了原子有规则的层状排列，使原子层之间的相对滑动变得困难。因此，在一般情况下，合金比纯金属硬度大。,2,使用合金常用的合金有铁合金、铝合金、铜合金和新型合金。,(1),铁合金：,_,和,_,是含碳量不同的两种铁碳合金。生铁的含碳量为,_,，钢的含碳量为,_,。钢一般分为,_,和,_,两大类。根据含碳量的不同，碳素钢可以分为,_,、,_,和,_,。含碳量高，硬度较大；含碳量低，韧性较强。,生铁,钢,2%,4.3%,0.03%,2%,碳素钢,合金钢,高碳钢,中碳钢,低碳钢,合金钢又叫特种钢，在碳素钢的基础上加入一种或多种合金元素，使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能，如高硬度、高耐磨性、高韧性、耐腐蚀性等等。经常加入钢中的合金元素有,Si,、,W,、,Mn,、,Cr,、,Ni,、,Mo,、,V,、,Ti,等。,_,是最常见的一种合金钢，在空气中比较稳定，不容易生锈，具有很强的抗腐蚀能力。,不锈钢,(2),铝合金：纯铝的硬度和强度较小，不适合制造机器零件等，向铝中加入少量的合金元素如,Cu,、,Mg,、,Si,、,Mn,、,Zn,及稀土元素等可制成铝合金，铝合金是目前用途广泛的合金之一。铝合金的突出特点是密度小、强度高。硬铝中含铜,4%,、镁,0.5%,、锰,0.5%,、硅,0.7%,，它的密度小、强度高，具有较强的抗腐蚀能力，是制造飞机和宇宙飞船的理想材料。,(3),常见的铜合金有,_,。,Cu,与,Zn,的合金称黄铜，其中,Zn,占,20%,36%,，有优良的导热性和耐腐蚀性，可用作各种仪器零件。青铜是人类使用历史最久的金属材料，它是,Cu,、,Sn,合金。锡的加入明显地提高了铜的强度，并使其塑性得到改善，抗腐蚀性增强，因此青铜常用于制造齿轮等耐磨零部件和耐蚀配件。,(4),新型合金：为了满足某些尖端技术发展的需要，设计和合成许多新型合金材料。如储氢合金、钛合金、耐热合金、形状记忆合金等。,黄铜、青铜,金属的腐蚀和防护,金属的腐蚀是,_,_,。由于与金属接触的介质不同，发生腐蚀的化学原理也不同，一般可以分为,_,和,_,。其实质是金属原子失去电子被氧化成金属阳离子的过程。,指金属或合金与周围接触到的气体,或液体进行化学反应,(,氧化还原反应,),而腐蚀损耗,的过程,化学腐蚀,电化学腐蚀,化学腐蚀：金属跟接触到的物质,(,如,O,2,、,Cl,2,、,SO,2,等,),直接发生化学反应而引起的腐蚀叫做化学腐蚀。反应原理比较简单，仅仅是金属与氧化剂之间的氧化还原反应。一般情况下，温度升高会加快化学反应速率，因此温度对化学腐蚀的影响较明显。电化学腐蚀：不纯的金属,(,或合金,),跟电解质溶液接触时，会发生原电池反应，比较活泼的金属失去电子而被氧化，这种腐蚀叫做电化学腐蚀。电化学腐蚀是造成钢铁腐蚀的主要原因。,钢铁的电化学腐蚀原理：在潮湿空气中钢铁表面会吸附一层溶有,CO,2,的水膜，此时钢铁里的铁和少量碳与钢铁表面的电解质溶液薄膜构成无数微小的原电池，铁为负极，铁失去电子而氧化成,Fe,2,：,_,；溶解在水膜中的,O,2,得到电子而被还原,_(,水膜酸性弱或呈中性,),。如果溶液酸性较强则在正极是溶液中的,H,得到电子被还原：,_(,水膜酸性较强,),。,Fe,2e,=Fe,2,O,2,2H,2,O,4e,=4OH,2H,2e,=H,2,2,金属的防护影响金属腐蚀的因素包括,_,和,_,两个方面。金属防腐蚀的方法很多，主要有改善金属的内部结构,(,如不锈钢,),，在金属表面覆盖保护层,(,如刷上油漆、镀锡,),，改善腐蚀环境以及电化学保护等。改善金属的内部结构：根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。,金属的本质,介质,在金属表面覆盖保护层：在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。如金属的磷化处理；金属的氧化处理；非金属涂层；金属保护层等。改善腐蚀环境：改善环境对减少和防止腐蚀有重要意义。如减小腐蚀介质的浓度，除去介质中的氧，控制环境温度、湿度等都可以减少和防止金属腐蚀。也可以采用在腐蚀介质中添加能降低腐蚀速率的物质,(,称缓蚀剂,),来减少和防止金属腐蚀。,电化学保护法：金属腐蚀的本质是金属原子失去电子变成阳离子的过程，越活泼的金属，越容易被腐蚀，如果连上更容易失电子的金属或合金就可以保护原金属不被腐蚀。如一般常用铝、锌及其合金固定在被保护金属上来保护海轮外壳，防止海水中的各种金属设备、构件和巨型设备,(,如贮油罐,),以及石油管道的腐蚀。,玻璃、陶瓷和水泥,1,玻璃生产玻璃原料：,_,；两个反应方程式：,_,普通玻璃的成分：,Na,2,SiO,3,、,CaSiO,3,、,SiO,2,，主要成分是,SiO,2,。,纯碱、石灰石、石英,调整玻璃的化学组成和对玻璃进行各种工艺处理，可制得具有不同性能和用途的玻璃。如,(1),普通玻璃,(,Na,2,SiO,3,、,CaSiO,3,、,SiO,2,),；,(2),石英玻璃,(,以纯净的石英为主要原料制成的玻璃，成分仅为,SiO,2,),；,(3),钢化玻璃,(,与普通玻璃成分相同,),；,(4),钾玻璃,(,K,2,O,、,CaO,、,SiO,2,),；,(5),硼硅酸盐玻璃,(,SiO,2,、,B,2,O,3,),；,(6),有色玻璃,(,在普通玻璃制造过程中加入一些金属氧化物：,Cu,2,O,红色；,FeO,蓝绿色；,CdO,浅黄色；,Co,2,O,3,蓝色；,Ni,2,O,3,墨绿色；,MnO,2,紫色,),；,(7),变色玻璃,(,在普通的硅酸盐玻璃原料中加入少量对光敏感的物质，如,AgCl,、,AgBr,等，再加入极少量的敏化剂，如,CuO,等，使玻璃对光线变得更加敏感,),；,(8),彩虹玻璃,(,在普通玻璃原料中加入大量氟化物、少量的敏化剂和溴化物制成,),；,(9),防护玻璃,(,在普通玻璃制造过程加入适当辅料，使其具有防止强光、强热或辐射线透过而保护人身安全的功能,),。,2,陶瓷制造陶瓷的主要原料是,_(,主要成分可表示为,Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,),。陶瓷生产过程包括坯料制造、坯体成型、瓷器烧结等三个基本阶段。陶瓷具有抗氧化、抗酸碱腐蚀、耐高温、绝缘、易成型等许多优点。,黏土,3,水泥制造水泥的主要原料：,_,和适量石膏。设备：水泥回转窑。主要成分：,_,，,_,，,_,。,水泥的吸水能力很强，存放时注意防潮，不要超过保质期。水泥、沙子和水的混合物叫水泥砂浆，水泥、沙子和碎石的混合物叫混凝土。光导纤维的成分是高纯度的二氧化硅,(,SiO,2,),。高温结构陶瓷具有在高温下强度高、硬度大、抗氧化、耐腐蚀、耐磨损、耐烧蚀等优点，有氮化硅、氧化铝、碳化硅和二氧化锆等。,黏土、石灰石,硅酸三钙：,3CaOSiO,2,硅酸二钙：,2CaOSiO,2,铝酸三钙：,3CaOAl,2,O,3,塑料、纤维和橡胶,_,是常说的三大合成材料。,1,塑料由合成树脂及填料、增塑剂、稳定剂、润滑剂、色料等添加剂组成，它的主要成分是合成树脂。塑料的基本性能主要取决于树脂的本性，但添加剂也起着重要作用。有些塑料基本上是由合成树脂所组成，不含或少含添加剂，如有机玻璃、聚苯乙烯等。,塑料、合成纤维和合成橡胶,塑料可分为热固性与热塑性两类，前者无法重新塑造使用，后者可一再重复生产。塑料高分子的结构基本有两种类型：第一种是线型结构，具有这种结构的高分子化合物称为线型高分子化合物；第二种是体型结构，具有这种结构的高分子化合物称为体型高分子化合物。热塑性塑料具有线型结构，热固性塑料具有体型网状结构。根据各种塑料不同的使用特性，通常将塑料分为通用塑料、工程塑料和特种塑料三种类型。,2,纤维大体分为,_,。天然纤维：指自然界生长或形成的纤维，包括植物纤维,(,天然纤维素纤维,),、动物纤维,(,天然蛋白质纤维,),和矿物纤维。如棉、木棉、亚麻、苎麻、羊毛、蚕丝。人造纤维：人造纤维是利用自然界的天然高分子化合物,纤维素或蛋白质做原料,(,如木材、棉籽绒、稻草、甘蔗渣等纤维或牛奶、大豆、花生等蛋白质,),，经过一系列的化学处理与机械加工而制成类似棉花、羊毛、蚕丝一样能够用来纺织的纤维。如人造棉、人造丝等。,天然纤维、人造纤维和合成纤维,合成纤维：合成纤维的化学组成和天然纤维完全不同，是从一些本身并不含有纤维素或蛋白质的物质如石油、煤、天然气、石灰石或农副产品，加工提炼出来的有机物质，再用化学合成与机械加工的方法制成纤维。如“六大纶”：涤纶、锦纶、腈纶、维纶、丙纶、氯纶等。天然纤维在一定条件下可发生水解反应，而合成纤维耐化学腐蚀。,3,橡胶分为,_,。橡胶硫化的作用是使橡胶的线型结构变成体型网状结构，从而改善橡胶的性能。塑料、纤维和橡胶属于高分子化合物。复合材料是以一种材料为基体，另一种材料为增强体组合而成的材料。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。,天然橡胶,(,聚异戊二烯,),和合成橡胶,答案：,C,A,2H,2,O+O,2,+4e,=4OH,答案：,(1)B,(2)B,(3)A,答案：,(1)A,(2)B,(3)Pb,2,S,2,=,PbS,谢谢,!,
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