材料和化学专题知识省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

材料与化学第1页本章内容1、材料科学发展概况、材料科学发展概况2 2、金属材料化学、金属材料化学3 3、无机非金属材料、无机非金属材料4 4、有机高分子材料、有机高分子材料5 5、复合材料、复合材料第2页第一节、材料科学发展概况第一节、材料科学发展概况材料：名词，指物质或组成器件之物。化学：名词，指研究物质性质、组成及性质改变科学。、材料发展历史从生产力侧面反应了人类社会发展文、材料发展历史从生产力侧面反应了人类社会发展文明史明史。代表性材料将人类社会划分为：（）石器时代：（旧石器时代原始人采取天然石、木、竹、骨等材料作为狩猎工具；新石器时代公元前年，人类创造了火，掌握了钻木取火技术，用以烧制陶瓷。）瓷器出现已成为中华民族文化象征之一，对世界文化产生过深远影响。（）青铜器时代：这是人类社会出现最早金属材料，中国历史上曾有过灿烂青铜文化。（）铁器时代：用铁作为材料来制造农具，铁在农业上广泛应用，推进了以农业为中心科学技术日益进步；以钢铁为中心金属材料大规模发展，有力地摧毁了封建社会生产方式，萌发了资本主义。第3页（）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。含有优良性能工程塑料部分地代替了金属材料。合成高分子材料问世是材料发展重大突破，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，国际上展开激烈竟争。发展高新技术关键往往与材料相关，即依据需要来设计含有特定功效新材料。能源、信息和材料已被公认为当今社会发展三大支柱产业。第4页例：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150m2，耗电几百千瓦。（计算速度不如现在一台微型计算器）；半导体材料发展，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。集成电路不但是计算机技术基础，也是当代社会中通迅、电视、遥控等微电子技术基础。现在最大规模集成电路，每个硅基片上晶体管数目已到达万个(PentiumPRO1995)，因而对新单晶硅材料纯度要求日益提升。（比如计算机内存为64，则要求集成电路在7mm2大小芯片上连接10万个晶体管，晶体管之间用线宽为3um布线相互连接起来。）当前人们正在探索实现三维集成电路可能性。第5页、化学是材料发展源泉、化学是材料发展源泉化学与材料科学保持着相互依存、相互促进。新分子和新材料飞速增加（平均每天递增7000种）年份19001945197019751980198519901999化合物数目/万55110236.7414.85937851057.62000、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，智能材料是二十一世纪材料。（）按材料成分和特征分：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。复合材料强度、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新型材料。第6页（）材料也可分为（）材料也可分为传统材料和新型材料传统材料和新型材料。传统材料传统材料是指生产工艺已经成熟，并投入工业生产材是指生产工艺已经成熟，并投入工业生产材料。料。新型材料新型材料是指新发展或正在发展含有特殊功效材是指新发展或正在发展含有特殊功效材料，如高温超导材料、工种材料、功效高分子材料。料，如高温超导材料、工种材料、功效高分子材料。新型材料特点：新型材料特点：（）含有特殊性能，能满足尖端技术和设备制造需（）含有特殊性能，能满足尖端技术和设备制造需要。要。如能在靠近极限条件下使用超高温、超高压、极如能在靠近极限条件下使用超高温、超高压、极低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料低压、耐腐蚀、耐摩擦等材料。（）新型材料研制是多学科综合研究结果。（）新型材料研制是多学科综合研究结果。它要求它要求以先进科学技术为基础，往往包括到物理、化学、冶以先进科学技术为基础，往往包括到物理、化学、冶金等多个学科金等多个学科。（）新型材料从设计到生产，需要专门、复杂设备（）新型材料从设计到生产，需要专门、复杂设备和技术，它本身形成一个独特领域，称为新材料技术。和技术，它本身形成一个独特领域，称为新材料技术。第7页4 4、材料组成、结构与材料性能、材料组成、结构与材料性能（1）材料组成和性能关系全部材料都是由已知109种元素单质和它们化合物组成，组成不一样，便会得到物理、化学性质迥异物质，材料组成对于控制、改变材料性能具主要作用。比如钢铁性质与其中碳含量有亲密关系。不含碳或含碳少(0.04%以下)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，钢兼具较高强度和韧性，所以在工程上取得广泛应用。与此相同合金钢性能是以合金元素一定含量为条件。钢中加铬，可提升钢耐蚀性，但只有当钢中含铬量在12以上时，才能成为耐蚀性强不锈钢。加入锰尤其硬，称为猛钢。杂质对材料性能有严重影响，要提升材料纯度。第8页（2）化学键类型与材料性能关系化学键类型是决定材料性能主要依据，三大类材料划分，就是按各类材料中起主要作用化学键类型。金属材料主要由金属元素所组成，以金属键为其中基本结合方式，并以固溶体和金属化合物合金形式出现。所以表现出与金属键相关特征，如金属光泽、良好导电导热性，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。因而含有许多独特性能，如硬度大，熔点高，耐热性好，热和电良好绝缘体。有机高分子材料，主要是由以共价键结合碳氢化合物“大分子链”组成聚合物为基础材料。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，其比强度能到达或超出钢铁等。第9页（3）晶体结构与材料性能关系固体材料可分为两类即晶体和非晶体（玻璃体）晶体结构与物质性能关系亲密，实践中发觉，不少晶格类型相同物质，也含有相以或相近性质。比如，碳两种同素异形体金刚石和石墨不一样性质，产生于晶格类型不一样。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。非晶态金属材料因为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性能：强度高而韧性好；突出耐腐蚀性和很好磁性能。非晶态金属材料是当前研究最多，发展最快一个方向。比如非晶硅制备和研究，将为人类大规模利用太阳能，打开十分辽阔前景。（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。）第10页（4）结构缺点与材料性能关系在实际晶体中因为或多或少存在空位、位错、杂质原子等缺点，这些原因促使实际晶体偏离理想周期性重复排列。称之为晶体缺点。晶体缺点可分为点缺点、线缺点、面缺点、体缺点等。固体材料中缺点对材料性能产生重大影响。因为晶体缺点使材料显示出特殊电、磁、和光学性质，发展为功效材料。比如ZnS晶体与蓝色荧光粉：蓝色荧光粉主要原料是硫化锌(ZnS)晶体，它是白色。假如往晶体中掺入约0.0001%氯化银(AgCl)时，Ag+和Cl-分别占据了ZnS晶体中Zn2+和S2-位置，造成晶体缺点，破坏了ZnS晶体周期性结构，使得杂质原子周围电子能级与Zn2+和S2-周围不一样。这种掺杂ZnS晶体，在阴极射线激发下，放出波长为450nm荧光，可做彩色电视荧光屏中蓝色荧光粉。第11页第二节 金属材料化学一、金属在周期表中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、各类金属材料特点和性能1、s区金属s区金属包含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（铍熔点高达1278除外）、活泼（易失去电子）第12页元素周期表第13页附：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2.7gcm-3.熔点660，而单质外观如左图。1S22S22P63S23P113其原子核外电子排布如右图所表示。所以，铝核外电子构型表示为:第14页铝及其性质纯铝“空间群”结构如右图。其晶体结构为紧密型立方体，单质晶体结构如右图所表示。因为铝含有较小密度，所以，它质地较轻，其合金被广泛用于装潢材料、家居生活容器及超音速飞机制造中。第15页铝发觉与崛起自100多年前科学家发觉“铝”后,其产量便立刻突飞猛进，很快超出了有几千年历史铜,成为断钢铁之后“年轻金属”。铝在地壳中丰度是7.4%，仅次于氧和硅，是贮量最多元素之一。但因为自然界还有游离态铝，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，所以它开发与利用较迟。第16页铝发觉与崛起1827年，德国化学家维勒以铝土矿和熔融钾反应，得到少许铝，1854年法国化学家德维尔又以铝土矿和熔融钠反应，也得到少许铝。因为钾和钠均极难制得,所以,当初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,以显示自己富有。所以,铝曾被列为“稀有金属”。铝制头盔第17页铝工业化生产1886年美国豪尔和法国海朗分别以电解铝土矿和冰晶石混合物而制得金属铝，由此便奠定了今天大规模生产铝基础。也使铝价格一落千丈。铝电解槽示意图电解铝生产车间第18页铝及其合金应用除纯铝之外，铝合金是当代生活和当代化技术中不可缺乏材料。大到宇宙飞船、航天飞机，小到居家生活用具，都有铝合金“身影”。它已以经完全渗透到了我们生活方方面面。所以，铝被称为咄咄逼人“年轻人”。第19页铝及其合金应用铝对人类最大贡献，就在于航天航空事业。即使其单质密度小，强度不大，但与一些金属形成合金后，就含有了轻而坚固优越性能。所以航空、航天工业上发挥了极大作用。用铝合金代替飞机上钢铁部件，可大大减轻飞机自重，同时也就提升了飞机载重能力。当前，一架超音速飞机，铝合金用量已占用材70%。第20页铝及其合金应用在各种航天器上也大量使用铝合金，目标自然是减轻其自重，以能携带更多科学试验仪器。我国第一颗人造地球卫星东方红I号”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,美国“阿波罗号”宇宙飞船使用金属材料中,75%以上是铝合金。第21页铝及其合金应用若将铝粉、石墨及氧化钛等物质按一定百分比混合,涂在火箭、导弹金属外壳表面,再经高温处理后，可使火箭与导弹“穿”了一层特殊“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 第22页铝及其合金应用因为铝燃烧时会发出刺眼白光，故节日焰火就有铝身影;装潢家居“银粉”实际上就是铝粉;用铝粉制作反光镜;利用铝延展性，可制成铝箔;铝有良好热与电传导性，所以可制造热交换器、散热板、家用炊具及电线等。既轻又廉价，还可省去紧缺价高铜材。第23页铝及其合金应用当铝与一些金属氧化物(如铁、铬及钒氧化物)一起引燃后，可制得熔融状态铁、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”。因为常温下，浓硫酸或浓硝酸会在铝表面形成一层致密氧化层保护膜，因而，用铝制成桶、罐，是盛放两种浓酸最正确容器。第24页铝元素危害铝发觉与应用为人类生活做出了很大贡献。但近年来研究表明，过量铝元素进入人体后，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效降低、胃液分泌降低等疾病。而对脑组织及智力损害更为严重。第25页铝元素危害1970年，美国杜诺德博士用AAS法分析了健康人与衰老者脑组织中铝含量，结果是后者是前者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沉积。第26页预防办法降低食用水中含铝量明矾是含铝化合物,它惯用于作净化自来水沉淀剂;而铝制水管或贮水容器也会使水中铝。降低烹调过程铝摄入用铝炊具烧饭，预计日铝摄入量为56毫克。应尽可能改用不锈钢和玻璃炊具。明矾铝炊具第27页预防办法降低从药品中摄入铝口服氢氧化凝胶病人,天天摄铝量高达1000mg,吸收率达25%,相当于天天向血液中加入250mg铝；治疗胃病药品中多也含氢氧化铝或铝酸盐。所以,服用这些药品时,势必造成铝体内污染。预防从食物中摄入铝 在制作面粉加工中发酵粉(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，因而铝含量很高。长久食用这些食物,都会引发体内铝积淀。第28页、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区金属元素密度均大于5g/cm3，属重金属。大多是高熔点金属且硬度较大，这些元素形成金属键很强。所以它们是合金材料主要组成部分。（）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等贵金属含有很好热力学稳定性。但它们价格较贵，仅用于特殊场所中。、因钝化而耐蚀。其中最易钝化金属是Ti、Zr、Nb、Ta、Cr和Al等。、在金属表面形成难溶和保护性能良好腐蚀产物膜而耐蚀。第29页附：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4.5gcm-3.熔点1668，而单质外观如左图。221s22s22p63s23p64s24p2其原子核外电子排布如右图所表示。所以，钛核外电子构型表示为：第30页钛贮量与赋存形态钛有如此生命力另一外原因是因为它在地球上分布很广，地壳中丰度为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。钛主要赋存形式是钛铁矿、钒钛矿及金红石(TiO2)。我国四川省攀枝花地域已发觉了储量约为15亿吨钒钛铁矿。第31页钛发觉与工业化英国化学家格里戈尔于1791年首次发觉了钛存在。但直到19，美国化学家亨特才用化学方法制得纯度99.9%、总量不足1克钛。前后历经约1。1947年钛提炼工业化，当初产量只有2吨。但不到，其产量增至2万吨,到1972年,年产量达20万吨。第32页钛及其性质钛原子“空间群”结构(局部)如右图，而其单质晶体结构以下列图所表示。因为其结构上特殊性，所以钛含有神奇耐超低温和耐超高温性质。第33页钛应用性能钛与铝比,硬度是其2倍，制成合金则比铝高出24倍。而与钢相比钛密度仅相当于钢(7.8g/cm3)57%，但强度与硬度与之靠近。所以，钛同时兼有钢(高强度)和铝(质地轻)优点。在原来使用钢材和铝材地方，它能够而代之；而在钢和铝不能胜任地方，钛则能“轻松应对”。第34页钛合金性能与应用钛一些合金硬度尤其大,可用来制造切削刀具；用钛制造外科手术器械尖锐、轻巧而不变形；利用一些钛合金“吸氢”本事，能够贮存氢气，对新能源开发意义重大；有钛合金有“可塑性”，能够轻易加工成任意形状；有钛合金含有神奇“记忆”能力总之，钛能“上九天揽月，下五洋捉鳖”,二十一世纪必将创造更加灿烂奇迹。钛制高尔夫球杆钛合金制自行车钛合金制螺丝、螺帽第35页钛氧化物特征钛氧化物为TiO2，雪白色粉末，它是最好白色颜料，俗称“钛白粉”。1克钛白粉能够将450多平方厘米面积涂雪白。所以,TiO2是世界上最白颜料。第36页上九天揽月钛是制造宇宙飞船关键材料。因为太空温度低达零下100200，这个环境中飞船所需要液氢和液氧燃料，必须贮藏在用耐超低温容器中。但大多数金属罐均会破裂，而钛制成容器非但不破,且强度还会增加.所以，液氢和液氧是贮藏在用钛制成罐中。美国航天飞机第37页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。但因为高速摩擦会使航天飞机表面温度高达1000。普通金属及其合金都难以抵抗，也只有钛合金作为其“蒙皮”，才能担此重担。第38页上九天揽月钛材同时也是当代飞机主要材料。以前飞机外壳都用铝合金，但当飞机速度超出音速2.2倍时,飞机外壳与空气猛烈摩擦而产生很高温度。普通铝合金在300以上强度便大大下降。而钛合金在650以上仍泰然无事。第39页上九天揽月因而制造超音速飞机外壳材料就非钛莫属了。美国制造著名“黑鸟”战机，其飞行速度已达3200千米/小时,是音速2.5倍以上，其表面材料即为钛合金。“黑鸟”军用飞机第40页上九天揽月利用钛重量轻特点，可用它来替换钢制部件，不但使飞机强度增大，且可使其自重大大降低。同时也就增加了飞机载重量,节约了燃料。当前时速在3320千米、高度近10万米、有效载重达100吨“巨无霸”飞机,钛用量都在其机身93%以上。US隐形战斗机法国阵风战斗机 第41页普通钢铁制成船体易被海水侵蚀，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。而钛及其合金长久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，且因为其没有磁性，故用钛合金制造舰船，可免受磁性水雷攻击。所以美国深海潜艇就是用钛合金制成，它能够在4500米深海中航行。第42页钛在生活中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 机钛金直角锅第43页钛在医学上应用钛是一个纯性金属，也就是说,因为钛耐腐蚀性、稳定性高，使它在和人长久接触以后也不影响其本质，所以不会造成人过敏，被人们称为“亲生物金属”。因为钛密度与人骨相近，所以,钛在医学上有着独特用途。医学上“钛骨”就如真骨头一样，甚至能够用钛制人钛种植体-骨界面高分辨透射电镜图 造骨头来代替人骨治疗骨折。第44页钛在医学上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 光透视图第45页（）耐热合金能在高温（）下工作金属，通称为耐热金属，“耐热”是指金属在高温下能保持足够强度和良好抗氧化性。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，应用领域包括航艇、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中部，、元素，其中钨熔点最高（），通常将熔点高于铬（熔点）金属，叫做高熔点金属或难熔金属。工业上惯用高熔点金属，主要有Mo、W、Nb、Ta等金属及其合金，但它们价格高，数量少。常采取合金化方法提升金属耐热性。即在钢铁中添加一些元素，制成耐热抗氧化合金钢，合金元素有W、Mo、Cr、V、Nb、Al、Si等耐热合金当前有铁基、钴基、镍基、钼基、铌基、钽基和钨基合金等。第46页(3)磁性合金大多数过渡金属含有顺磁性，而铁、钴、镍等少数金属是铁磁性，所以在铁、钴、镍基础上发展出许多铁磁性合金材料。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主要应用。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，适合用于制造变夺压器铁芯、电机和机电器等、常见有硅钢片、铁镍合金和铁钴合金等。第47页(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正确f电子，显示出很好顺磁性和铁磁性，是极有希望永磁材料。年代开发成功钕铁硼是第三代永磁材料，其中主要成份是铁（约占），成本显著降低，性能更加好。我国当前生产钕铁硼合金磁性性能，在国际上处于领先地位。第48页（）稀土金属稀土金属包含种元素，即元素周期表中中钪、钇和镧系种元素。稀土金属质地较软，能够切开，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氢，形成固溶体或化合物，高温时可逆放氢，所以，是相当理想吸氢贮氢材料。在冶金工业中，稀土是很好脱氧、脱硫剂。钢铁中少许稀土，能大大地改进其热加工性，韧性和高温性能，提升其抗氧化、耐腐蚀性等，其综合作用是任何其它金属所不及。第49页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、电极材料主要物质。Eu和Y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。第50页三、新型金属材料三、新型金属材料、形状记忆合金。形状记忆合金是一个新功效金属材料，用这种合金做成金属丝，即使将它揉成一团，但只要到达某个温度，它便能在瞬间恢复原来形状。比如，最早研究成功形状记忆合金镍钛脑(Ni-Ti合金)，假如把它加工成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 时发觉它又重现了Nitanon字样。这种能“记忆”起自己受外力作用而变形前形状，并能自动恢复合金，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。形状记忆合金这种“记忆”功效，是因为这类合金含有马氏体相变。凡是含有马氏体相变合金，将它加热到相变温度时，就能从马氏体转变为奥氏体结构，完全恢复原来形状。含有形状记忆效应合金现已发觉很多，主要有Ni-Ti体系合金、Cu-Zn-Al合金以及Cu-Al-Ni系合金。近年来发觉在高分子材料、铁磁性材料和超导材料中也存在形状记忆效应。第51页、贮氢合金氢作为常规能源必须处理氢贮存和运输问题。传统上采取气态或液态贮存，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，但运输粗笨钢瓶很不方便。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，能够容纳半径较小氢原子。比如LaNi5若吸氢后形成LaNi5H6，这时在合金中氢密度为0.111g/cm3，它比标准状态下氢气密度大千余倍，也比液氢密度大。含有实用价值贮材料要求贮量大，金属氢化物既轻易形成，稍稍加热又轻易分解，室温下吸、放氢速度快，使用寿命长和成本低。当前正在研究开发贮氢合金主要有三大系列：镁系贮氢合金如Mg2Ni；稀土贮氢合金如LaNi5；钛系贮氢合金如TiMn1.5。第52页第三节 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。传统陶瓷材料主要成份是各种氧化物，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。精细陶瓷材料成份除氧化物外还有氮化物、碳化物、硅化物和硼化物等。精细陶瓷产品能够是烧结体，还能够做成单晶、纤维、薄膜和粉末，含有强度高、耐高温、耐腐蚀，并可有声、电、光、热、磁等多方面特殊功效，是新一代特种陶瓷，所以它们用途极为广泛，遍布当代科技各个领域。一、传统陶瓷材料传统陶瓷材料主要成份是硅酸盐，自然界中存在大量天然硅酸盐，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。第53页人们为了满足生产和生活需要，生产了大量工业硅酸盐，主要有玻璃、水泥、各种陶瓷、砖瓦、耐火砖、水玻璃以及一些分子筛等。硅酸盐制品性质稳定、熔点较高、难溶于水，有很广泛用途。、玻璃广义上说，凡熔融体经过一定方式冷却，因粘度逐步增加而含有固体性质和结构特征非晶体物质，都称为玻璃。第54页玻璃发觉 众所周知,玻璃有很广泛用途,且与我们生活已割舍不开。但它发觉却是3000多年以前。在古代，玻璃曾经比黄金还要珍贵。相传地中海东岸腓尼基人一艘满载天然苏打晶体船途中搁浅，船员在沙滩上用几块苏打晶体地支锅做饭。但吃完饭，却发觉与沙土接触地方，出现了许多透明光滑、晶莹发亮珠子。第55页玻璃发展聪明腓尼基人立刻在特制炉子里,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“玻璃”。腓尼基人开始大量生产，并用它作为珍宝去换黄金。以后这种制作秘密被传到埃及甚至更远地方，因而玻璃生产便发展起来，其价格也就越来越平民化。第56页玻璃组成与制作普通玻璃为钠玻璃，玻璃中主要成份是硅酸钠、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百分比混合后，放在大型容器中加热熔炼，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：Na2CO3+CaCO3+6SiO2Na2CaSi6O14+2CO2 所得产物以化学式Na2CaSi6O14或Na2OCaO6SiO2表示，但不能认为是一个确定化合物，实际上是一个组成不确定不一样硅酸盐混合物。钠玻璃主要成份是硅酸钠和硅酸钙，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钾玻璃。这种玻璃多用于制造耐高温化学玻璃仪器，如燃烧管、高温反应器等。第57页假如钠玻璃中钙，同时以铅代替，则可制得有高折光性和高比重钾铅玻璃，这是光学玻璃原料，也是用于雕刻艺术车料玻璃。降低钠玻璃中Na2O量而增加2（使含量为），即得质硬而耐热硼硅酸玻璃，最高使用温度可达以上，故又称硬质玻璃或耐热玻璃，是制造试验仪器和化工设备主要材料。在玻璃中加入Li2O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许有颜色金属化合物而使之着色。CuO或Cr2O可着绿色，Co2O着蓝色，Cu2O着红色，MnO2着紫色。乳色玻璃则含有SnO2或CaF2。FeSO量多时则为黑色，量少时则为暗绿色。第58页钢化玻璃普通玻璃易碎性，给人们生活与工作带来很多不便，尤其是尖锐尖角，很轻易伤人。为此，工程师们想出为玻璃“淬火”工艺。即在玻璃被加热到快软化时，快速将其放在油或其它液体中骤冷。处理后,玻璃抗张强度是普通玻璃78倍。含有坚固、耐冷热及不易爆裂特性。这就是钢化玻璃。普通玻璃钢化玻璃第59页钢化玻璃制品及特征用钢化玻璃制作产品(杯子、汽车风挡玻璃及门窗玻璃等)最大特点是：破碎后不会形成尖锐碎片,而是很碎“玻璃粒”，因而不会伤人。第60页变色玻璃盛夏时节，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直射。但若患了近视，则就比较麻烦。所以，人们创造了变色眼镜。并可依据近视程度配上对应度数变色近视镜。玻璃能够染色，那又是怎样变色呢？这要归功于卤化银。第61页玻璃变色原理玻璃能变色是因为在材料中加入了能感光卤化银(AgCl,AgBr,AgI)作为感光剂，并加入极微量敏化剂，以提升光色互变灵敏度。敏化剂以氧化铜效果最好，其原理以下:第62页玻璃变色原理在变色玻璃中因为玻璃是固体,加上玻璃不渗透性和惰性,分解后银原子和卤素原子都留在原处(并不象摄影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，在氧化铜催化下,银原子与卤素原子又重新结合,变成无色卤化银分子,使玻璃颜色变浅。第63页、水泥水泥是最惯用建筑材料，它也是硅酸盐，是由石灰石（有时需加入少许氧化铁粉）和粘土（主要成份是SiO2）作为原料，经煅烧成熟料，将熟料磨细，再加入一定量石膏制成。其中主要成份是CaO(约占总重量62-67%),SiO2(20-24%),Al2O3(4-7%),Fe2O3(2-5%)等。这些氧化物组成了硅酸盐水泥四种基本矿物组分：第64页硅酸盐水泥四种基本矿物组分：(1)硅酸三钙（3CaOSiO2,简写CS）是熟料主要矿物，含量通常在50以上。加水后,CS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起源。CS含量高，水泥标号就高。（）硅酸二钙（2CaOSiO2,简写C2S）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步增加，故对水泥后期强度起决定作用。（）铝酸三钙（3CaOAl2O3,简写C3A）含量为7-15，加水后水化速度极快，水化热很大，并能促进CS及其它矿物水化。（）铁铝酸四钙（4CaOAl2O3Fe2O3,简写C4AF）含量为10-18，水化速度分仅次于C3A，水化热小，在水泥生产中中，起助熔作用。第65页二、精细陶瓷材料二、精细陶瓷材料精细陶瓷分为结构陶瓷和功效陶瓷。结构陶瓷是含有高硬、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陶瓷材料。功效陶瓷则是含有声、光、热、电、磁特征和化学、生物功效陶瓷材料。第66页、结构陶瓷材料。当前已经应用结构陶瓷材料，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，且含有高绝缘性。可用作机械部件、工具和刀具。（）氧化锆结构材料。其特点是含有很高强度和韧性，能承受铁锤敲击，强度可与高强度合金钢媲美，故有“陶瓷钢”美称，是十分主要耐火材料。（）氮化硅结构陶瓷。其硬度为，是最硬材料之一。它导热性好且膨胀系数小，可经受低温高温、骤冷骤热重复上千次改变而不破坏，所以是十分理想高温结构材料。（）碳化硅结构材料。含有很好热稳定性和化学稳定性，热膨胀系数小，其高温强度是全部陶瓷材料中最好。作为高温结构，最适宜应用领域是高温、耐磨和耐蚀环境。第67页氮化硅结构陶瓷制品第68页、功效陶瓷材料（）光导纤维从高纯度二氧化硅或称石英玻璃熔融体中，拉出直径约100um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，是精细陶瓷中一个。利用光导纤维进行光纤通讯。激光方向性强，频率高，是进行光张通讯理想光源。与电波通讯相比，光纤通讯能提供更多通讯通路，可满足大容量通讯系统需要。光导纤维烧制：第69页光导纤维光导纤维也是玻璃一个。通常光是直线传输，但当光线从一个折射率较大介质射向折射率较小介质时，若光线入射角度超出某一数值，则光线就会全部反射原来介质。所以，科学家们就想是否用一个“管道”，让光在其中发生全反射而不能出去，只能在“管道”界面上作波浪式前进，并从“管道”另一端出来。于是，就创造了能任意弯曲石英玻璃纤维。光导纤维普通由两层组成，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光线，经内芯重复折射而传到末端，因为两层折射率差异，使进入内芯光一直保持在内芯中传输着。第70页光导纤维 但光在玻璃纤维中传输时,往往会被一些杂质吸收而减弱.经过长时间试验与探索,工程师们最终制造了杂质含量仅有十亿分之一光导纤维,这么光损耗率到达了103分贝/千米.所以,在当代信息时代,光电通讯事业得以快速发展。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，制成象电缆一样光缆，既提升了光导纤维强度，又大大增加了通讯容量。第71页石英玻璃坩埚第72页（）生物医学材料对植入生物部件代替物要求：、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；、不会引发代谢作用异常现象；、对人体无毒、不会致癌。如高分子量聚乳酸作为可生物降解类骨骼材料；含氟人造血浆用于输血材料；用有机硅材料作为亲水性隐形眼镜材料，但功效仍不理想。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，而且还会有微量金属离子析出。有机高分子材料做成人工器官轻易老化。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推广应用。另外一类材料是药品制剂材料。如可将药品包埋在材料中，制成缓释或控释制剂。第73页（）超导材料超导现象是19荷兰物理学家HKonnes（昂纳斯）发觉。当汞冷却到时，其电阻突然消失。这种现象提供了十分诱人工业前景，但低温让人失去了信心。1973年发觉金属间化合物Nb3GeTc最高温度为23K，并在理论上预言金属最高Tc不会超出30。直到1986年IBM企业瑞士苏黎世研究试验室JGBednorz和KAMueller报道了一个La-Ba-CuO陶瓷材料含有超导性，转变温度为35K，这是一个完全与过去已知超导体不一样新型材料，才激起了汉时世界超导热，他们所以而取得了1987年诺贝尔物理奖。1987年，中国科学院赵忠贤和美国朱经武等独立地发觉了Tc达90KY-Ba-Cu-O超导氧化物，实现了液氮区超导性。很快以后，相继有Bi-Sr-Ca-CuO系及Tl-Ba-Ca-CuO系Tc超出120K超导体发觉。1991年有两项主要发展：一是有机超导体临界转变温度到达12.5K；另外发觉了碱金属掺杂C60也含有超导性，临界转变温度到达33K。到1993年俄罗斯LNGrigorov发觉了经过氧化聚丙烯体系能在300K展现超导性。世纪超导材料研究目标是室温超导，这将是能源工业一次革命。第74页富勒烯富勒烯1985年，英国Sussex大学H.W.Kroto等人用激光作石墨气化试验发觉了C60，这是一个由60个碳原子组成稳定原子簇。今后又发觉了C50、C70、C240乃至C540，它们都是含有空心球形结构，属于笼形碳原子簇分子。因为C60结构类似建筑师BuckminsterFuller设计 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C60为代表富勒烯是继金刚石、石墨后发觉第3种碳同素异形体。在富勒烯中，人们对C60研究得最深入。它独特结构和奇异物理化学性质备受国际科学界关注，其研究不但包括到化学各个分支，而且还包括到生命科学、材料科学及固体物理等很多领域。所以，C60是20世纪重大科学发觉之一。Kroto等人所以而荣获1996年诺贝尔化学奖。C60第75页富勒烯结构特点富勒烯结构特点 以C60为代表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组成球状。如C60就是由12个正五边形和20个正六边形组成三十二面体，像一个足球。每个五边形均被6个六边形包围,而每个六边形则邻接着3个五边形和3个六边形。富勒烯族分子中碳原子数是28、32、50、60、70240、540等偶数系列“幻数”。其部分分子构型如右图所表示。C28C32C50C60C70C240C540第76页 碳笼原子簇应用尽管有相当多报道，但仍处于研究阶段，其应用前景无法估量。从化学和材料科学角度来看，它们都含有主要学术意义和应用前景。富勒烯应用前景富勒烯应用前景其中最早令人关注是金属掺杂富勒烯超导性。因为室温下富勒烯是分子晶体，面心立方晶格C60能带结构表明是半导体，能隙为1.5eV。但经过适当金属掺杂后，都能变成超导体。掺杂富勒烯超导体有两个特点:一是与一维有机超导体和三维氧化物超导体不一样，掺杂富勒烯超导体是各向同性非金属三维超导体;二是超导临界温度Tc比金属超导体高，如掺杂IIxC60Tc已达57K。据推测，若C540合成取得突破，其掺杂物可能是室温超导体。第77页下表列出一些富勒烯衍生物超导体及其临界温度。第78页超导体一些应用。（）用超导材料输电发电站经过漫长输电线向用户送电。因为电线存在电阻，使电流经过输电线时电能被消耗一部分。因为超导体零电阻特征，假如用超导材料做成超导电缆用于输电，那么在输电线路上损耗为零。（）超导发电机制造大容量发电机，关键部件是线圈和磁体。因为导线存在电阻，造成线圈发烧