大學(xué)工程化學(xué)-化學(xué)與材料科學(xué)

1、第五章化學(xué)與材料科學(xué)T材料的發(fā)展水平和利用程度已成為人類(lèi)文明進(jìn)步的標(biāo)志新材料時(shí)優(yōu)材料的發(fā)展與人類(lèi)社會(huì)簡(jiǎn)圖新材料在不斷地涌現(xiàn)按成分和特性分金屬材料復(fù)合材料材料無(wú)機(jī)非金屬材料高分子材料金屬材料：凡由金屬元素或以金屬元素為主形成的具有一般金屬特性的材料，分為金屬和合金（由一種金屬與另一種或幾種金屬或非金屬熔合在一起形成的。第一節(jié)金屬和合金材料司母戊鼎T鐵鋤與鐵犁鋁窗金屬的一些共性：常溫下除汞外均為固體；有金屬光澤;電和熱的良導(dǎo)體；大多有良好的延展性。T思考：上面金屬都是利用了金屬的哪些物理性質(zhì)?一、常見(jiàn)的合金材料（一）鐵的合金一一鋼將生鐵中的 S S、P P、SiSi 等雜質(zhì)去除，并且將碳的含量調(diào)到

2、規(guī)定范圍，就得到鋼。（碳素鋼、合金鋼）。碳素鋼：鐵和碳的合金，分為：低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。（建筑結(jié)構(gòu)和各種型鋼一一低碳鋼；各種機(jī)械零件一一中碳鋼；各種工具一一高碳鋼）合金鋼：鋼中添加不同合金元素可得到各種性能的合金鋼。如:不銹鋼（合金元素為銘Cr和鎮(zhèn)Ni）鐵及鐵合金稱(chēng)為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產(chǎn)量已達(dá)10億噸，在機(jī)械產(chǎn)品中的用量已占整個(gè)用材的60噂上（二）輕質(zhì)合金以輕金屬為主要成分的合金材料。常用的輕金屬是鎂、鋁、鈦及鋰、鍍等。鋁合金純鋁的機(jī)械性能差，導(dǎo)電性能好，大量用于電氣工業(yè)。硬鋁：Cu40%、Mg0.5%、Mn0.5%、Si7%性能：密度小、強(qiáng)度大、抗腐蝕、鋁有較好的延展性，可制

3、成0.01mm的鋁箔、導(dǎo)電性好。素的含量，合金的性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變。世界上鋁的年產(chǎn)量?jī)H次于鐵，居第二位C制造飛機(jī)的材料中為什么大量使用鋁合金而不用純鋁？合金的成分不同，其性質(zhì)也不相同；如果改變某一合金元被認(rèn)為是 2121 世紀(jì)的重要材料，它具有很多優(yōu)良的性能，如熔點(diǎn)高、密度小、強(qiáng)度高、可塑性好、易于加工、機(jī)械性能好等。尤其是抗腐蝕性能非常好，即使把它們放在海水中數(shù)年，取出后仍光亮如新。鈦合金與人體有很好的“相容性”，因此可用來(lái)制造人造骨。鈦金鋼鈦金屬腕表（三）硬質(zhì)合金硬質(zhì)金屬是一種以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相， 以金屬或合金作為粘接相的復(fù)合材料。它具有硬質(zhì)化合物的硬度和耐磨性及鋼的強(qiáng)度和韌性。硬質(zhì)合金鉆

4、頭硬質(zhì)合金模具.屈（四）記憶合金如果某種合金在一定外力作用下時(shí)期幾何形態(tài)發(fā)生改變，而當(dāng)加熱到某一定溫度時(shí)，它又完全恢復(fù)到以前的形狀，像這種具有形狀記憶效應(yīng)的合金叫形狀記憶合金，簡(jiǎn)稱(chēng)記憶合金14用鈦-鑲形狀記憶合金制成的人造衛(wèi)星天線派的麴開(kāi)版復(fù)低溫下（五）儲(chǔ)氫合金儲(chǔ)氫合金是兩種特定金屬的合金：一種金屬可以大量吸進(jìn)H2,形成穩(wěn)定的氫化物，。2；而另一種金屬與氫的親和力小，使氫很容易在其中移動(dòng)。儲(chǔ)氫合金能大量的“呼吸”H2,是開(kāi)發(fā)利用氫能源、分離精制高純氫的理想材料。氫能源、分離精制裝置（六）非晶態(tài)合金將熔融狀態(tài)的合金以極高的速度的速度驟冷，不給原子有序化排列時(shí)間，把原子瞬間凍結(jié)在像液體一樣的無(wú)序排

5、列狀態(tài)，得到的是非晶態(tài)合金。該合金力具有學(xué)性能優(yōu)良、電阻率高及抗腐蝕性能優(yōu)良等優(yōu)異性能。非晶態(tài)合金雷尼鎮(zhèn)催化劑非晶態(tài)合金變壓器（七）智能材料在材料或結(jié)構(gòu)中植入傳感器、信號(hào)處理器、通信與控制器及執(zhí)行器，使材料或結(jié)構(gòu)具有自診斷、自適應(yīng)，甚至損失自愈合等某些智能功能與生命特征。二、金屬納米材料它的顆粒大小一般在微米級(jí)，一個(gè)顆粒包含著無(wú)數(shù)原子和分子,這時(shí)材料顯示的是大量分子的宏觀性質(zhì)。智能材料隱身轟炸機(jī)智能材料涂層窗戶(hù)（控制光和熱透過(guò)率）智能材料手表智能材料擺閘特性的表現(xiàn)（一）特殊的光學(xué)性質(zhì)當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，便失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色

6、。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的粕（白金）變成粕黑，金屬銘變成銘黑。金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于1%,大約幾微米的厚度就能完全消光。（二）特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微7化后其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。（三）特殊的磁學(xué)性質(zhì)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類(lèi)生物在地磁場(chǎng)導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤(pán)。第二節(jié)無(wú)機(jī)非金屬材料一、一些非金屬單質(zhì)及化合物無(wú)機(jī)非金屬材料又稱(chēng)陶瓷材料，包括各種金屬元素與非金屬元素形成的無(wú)機(jī)化合物和非金屬單質(zhì)材料（傳統(tǒng)硅酸鹽

7、材料和新型無(wú)機(jī)非金屬材料）。非金屬元素一般具有較大的電負(fù)性，其單質(zhì)的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)及硬度等物理性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。N N2、ArAr 和 HeHe 等不活潑氣體常用作金屬焊接或熱處理過(guò)程的保護(hù)氣氛。金剛石用作鉆頭、刀具以及精密軸承，石墨用作電極、塔氓等，硅是重要的半導(dǎo)體材料:、傳統(tǒng)硅酸鹽材料硅酸鹽制品：天然硅酸鹽和人造硅酸鹽土（高嶺土）、石英和長(zhǎng)石為原料，其性質(zhì)穩(wěn)定、于水、用途廣泛。混凝土水泥玻璃陶瓷-傳統(tǒng)陶瓷乂稱(chēng)普通陶瓷，是以天然材料等）為原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。 人造硅酸鹽是以黏熔點(diǎn)高、難溶（如黏土、石英、長(zhǎng)石o半導(dǎo)體材料導(dǎo)電機(jī)理借電子和空穴這兩類(lèi)載流子的遷移來(lái)實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體種類(lèi)應(yīng)

8、用最多的是雜質(zhì)半導(dǎo)體：p p 型半導(dǎo)體（空穴半導(dǎo)體）和 n n 型半導(dǎo)體（電子半導(dǎo)體）。半導(dǎo)體應(yīng)用主要應(yīng)用是制成具有特殊功能的元器件，如晶體管、集成電路、整流器、發(fā)光二極管等整流器晶體管集成電路發(fā)光二極管22四、新型無(wú)機(jī)非金屬材料（一）精細(xì)陶瓷耐高溫、耐腐蝕的透明陶瓷材料陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)功能陶瓷高溫超導(dǎo)體陶瓷剎車(chē)片高速超導(dǎo)體磁懸浮列車(chē)生物陶瓷光導(dǎo)纖維（二）納米陶瓷材料絕大多數(shù)是固體物質(zhì)，它的顆粒大小一般在微米級(jí)，一個(gè)顆粒包含著無(wú)數(shù)原子和分子，這時(shí)材料顯示的是大量分子的宏觀性質(zhì)。陶瓷材料在通常情況下呈脆性，陶瓷茶壺一摔就碎，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料，竟然可以象彈簧一樣具有良好的韌性。研究

9、表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬-陶瓷等復(fù)合納米材料,其應(yīng)用前景十分寬廣。固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級(jí)時(shí)尤為顯著第三節(jié)高分子化合物材料，。9一、高分子化合物概述高分子化合物主要指有機(jī)高分子化合物，以 C C、H H、N N、O O 元素為基礎(chǔ)，一般由結(jié)構(gòu)相同的單元（單體）多次重復(fù)連接（聚合）而成，分子量通常在 1000010000 以上并在某一范圍內(nèi)變化。命名習(xí)慣命名法：在單體名稱(chēng)前加聚”或在單體名稱(chēng)后加樹(shù)脂”進(jìn)行命名：如聚乙烯、聚氯乙

10、烯、酚醛樹(shù)脂等。商品命名法：聚酰胺常用商品名稱(chēng)尼龍稱(chēng)呼，聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（滌綸），聚乙烯醇縮甲醛（維尼綸）。系統(tǒng)命名法：高分子化合物的鏈節(jié)按有機(jī)化合物系統(tǒng)命名法命名，再在其前面加聚”字?；蚝竺婕印皹?shù)脂”。英文縮寫(xiě)命名法：聚氯乙烯（PVCPVC、聚乙烯（PEPE）、聚四氟乙烯（PTFBPTFB、聚甲醛（POMPOM、聚酰胺（PAPA）、酚醛樹(shù)脂等。合成1加成反應(yīng)：加聚反應(yīng)由一種或多種單體經(jīng)過(guò)加成反應(yīng)相互結(jié)合生成高分子化合物的反應(yīng)稱(chēng)為加聚反應(yīng)。nCHaCHCl*fCHjCH3TICl氯乙烯聚氯乙烯2縮聚反應(yīng)：由具有兩個(gè)或兩個(gè)以上官能團(tuán)的單體相互縮合形成高分子化合物。引發(fā)劑nNH2(CH2)5CO

11、OH-ENHYCH2片CO*+nH2O6 6-氨基己酸聚酰胺(尼龍-6)-6)分類(lèi)?按高分子主鏈：碳鏈高分子化合物;雜鏈高分子化合物;?按聚合反應(yīng)類(lèi)型：加成聚合物、縮合聚合物?按使用性能分：塑料、橡膠和纖維類(lèi)YCHaCH*IC1-ENHYCHz-ENHYCHz 為CCHT元素有機(jī)高分子化合物;芳、雜環(huán)高分子化合物。R RR RIIMeOMeO- -Si-OSiSi-OSiO OIISiOMeSiOMe:、高分子化合物的結(jié)構(gòu)和性能(一)高分子化合物的結(jié)構(gòu)(1)(1)分子的結(jié)構(gòu)與形態(tài)高分子化合物根據(jù)分子鏈的形態(tài)不同，分為線型高分子化合物和體型高分子化合物。NCH2OH+HOCH2-N8tNCH2Q

12、CH2N+H2Oo（二）高分子化合物的三種物理態(tài)線型高分子化合物隨溫度的高會(huì)呈現(xiàn)三種不同的物理狀態(tài)，玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)。高分子化合物三種狀態(tài)隨溫度的變化而逐漸相互轉(zhuǎn)化， 都有一定的轉(zhuǎn)化溫度。高彈態(tài)與玻璃態(tài)的轉(zhuǎn)化溫度稱(chēng)為玻璃化溫度，TgTgo o高彈態(tài)與黏流態(tài)轉(zhuǎn)化溫度稱(chēng)為黏流化溫度，TfTfo oTgTg 高于室溫的高分子化合物成為塑料，TgTg 低于室溫的高分子化合物成為橡膠。狀傳統(tǒng)高分子材料(一)塑料(1)(1)組成：以合成樹(shù)脂為主要成分，再加入填料和用于改善性能的各種添加劑制成。塑料也可以只由單一樹(shù)脂制成。熱塑性塑料固化成型后受熱可再軟化熔融重塑。熱固性塑料一旦固化成型后就變成了體型結(jié)

13、構(gòu)，再加熱將不能熔融，也不溶于溶劑。合成樹(shù)脂合成樹(shù)脂的種類(lèi)和含量決定了塑料的基本性質(zhì)，故塑料常以樹(shù)脂的名稱(chēng)來(lái)命名，如聚乙烯塑料、聚苯乙烯塑料、聚四氟乙烯塑料、酚醛塑料等。2填料。填料是塑料中另一重要的組分，填料主要起著增加機(jī)械強(qiáng)度的作用，同時(shí)又可以降低原料的成本。例如石墨、滑石粉、石灰石、高嶺土等。3添加劑。固化劑使樹(shù)脂進(jìn)一步交聯(lián)成體型結(jié)構(gòu)而固化，形成體型結(jié)構(gòu)可以使塑料制品的強(qiáng)度增加；增塑劑用來(lái)提高樹(shù)脂的可塑性，增加了高聚物的柔韌性和熔融流動(dòng)性；其他添加劑還有著色劑、穩(wěn)定劑（防老化）、阻燃劑（減緩燃燒）、抗靜電劑、發(fā)泡劑等。(2)(2)通用塑料產(chǎn)量大(總量 80%)80%)、價(jià)格低、多用于日常

14、生活和包裝材料的塑料，包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。PEPE 聚乙烯最輕的塑料之一，半透明白色狀，結(jié)晶性材料，屈服能力高但不易回復(fù)，優(yōu)良的介電性能，透水率低耐水性好，化學(xué)穩(wěn)定性高，使用溫度可達(dá) 80-10080-100 度，摩擦性能和耐寒性好,但機(jī)械強(qiáng)度不高，質(zhì)軟，成型收縮大，表面不易粘貼，印刷.T瓢圖工啖空?qǐng)?zhí)型轉(zhuǎn)收員乙坤牌膜PPPP 聚丙烯類(lèi)似白色蠟狀， 比聚乙烯更透明更輕， 注塑時(shí)流動(dòng)性好， 吸水性低于0.02%,0.02%,耐化學(xué)有機(jī)溶劑，除濃硝酸濃硫酸外在很多介質(zhì)中很穩(wěn)定，抗沖擊強(qiáng)度高，來(lái)回屈服力非常高，高頻電性能不好，易成型收縮率大，耐溫度性強(qiáng)，低溫呈脆性，耐磨性不高。TdPVC

15、PVC 聚氯乙烯主要成份為聚氯乙烯，色澤鮮艷、耐腐蝕、牢固耐用，一般需要增加增塑劑、抗老化劑等一些有毒輔助材料來(lái)增強(qiáng)其耐熱性，韌性,延展性等，它是當(dāng)今世界上深受喜愛(ài)、頗為流行并且也被廣泛應(yīng)用的一種合成材料。(3)(3)工程塑料可作為工程材料和代替金屬使用的塑料，其機(jī)械強(qiáng)度高、耐磨性、耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性好。聚四氟乙烯俗稱(chēng)“塑料王”O(jiān) OPCPC 聚碳酸酯具有突出的沖擊韌性和抗蠕變性能，很好的耐熱性、耐寒性。耐磨性與尼龍相當(dāng)，并有一定的抗腐蝕能力，但成型條件要求高?？稍谳^高干溫度、高載荷下條件下長(zhǎng)期使用，但不可在濕溫下使用。ABSABS 樹(shù)脂目前產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣泛的聚合物，兼具韌、硬、剛相均衡的

16、優(yōu)良力學(xué)性能。ABSABS 是丙烯睛、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A A 代表丙烯睛，B B 代表丁二烯，S S 代表苯乙烯。三種組份的作用丙烯睛一一使制品表面較高硬度，提高耐磨性、耐熱性。丁二烯一一加強(qiáng)柔順性，保持材料韌彈性及耐沖擊強(qiáng)度。苯乙烯一一保持良好成型性（流動(dòng)性、著色性）及保持材料剛性。（注：根據(jù)組份不同，派生出多種規(guī)格）（二）橡膠?橡膠分為天然橡膠和合成橡膠兩大類(lèi)?天然橡膠：來(lái)自橡膠樹(shù)。?合成橡膠：生橡膠，再加入各種配合劑，有時(shí)還要加入骨架材料,常用橡膠：丁苯橡膠（合成橡膠中產(chǎn)量最大）、氯丁橡膠硅橡膠（三）涂料通常叫作“油漆”，指涂到物體表面后，使觀并得到保護(hù)，或者在物體表面形成具

17、有其他均膜（防腐蝕、防氧化等）的化學(xué)品。T涂料的成分四、功能高分子材料高分子液晶材料：液晶既像晶體一樣具有各向異性，又具有液體的流動(dòng)性。液晶的結(jié)構(gòu)會(huì)隨外場(chǎng)（電、磁、熱、力）的變化而變化，如光電效應(yīng)（在電場(chǎng)作用下，液晶分子的排列方式會(huì)發(fā)生變化，從而使液晶光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化）是液晶最有用的性質(zhì)之一，如液晶顯示器（液晶顯示的驅(qū)動(dòng)電壓力低，可靠性高，外界光線越強(qiáng)，顯示反而越清晰。液晶顯示無(wú)閃爍，不產(chǎn)生對(duì)人體有害的輻射，非常適用于電視和電腦的顯示器）。光敏高分子材料：光敏高分子材料是指在光的作用下能夠顯示特殊性能的聚合物，如感光材料、光刻膠、光固化涂料等。導(dǎo)電高分子材料:特點(diǎn)：導(dǎo)電高分子的結(jié)構(gòu)特征和獨(dú)特的

18、摻雜機(jī)制，使其具有優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)。與金屬相比，導(dǎo)電高分子材料具有重量輕、易電磁屏蔽光電子器件成型、生物醫(yī)用高分子材料：生物醫(yī)用高分子材料是指用于生物體或治療過(guò)程的高分子材料。用途：組織修復(fù)、人工器官、治療用器材、藥物釋放等。離子交換樹(shù)脂：(1)(1)交換種類(lèi)：離子交換樹(shù)脂的在溶、不熔的體型高分子化合物，有陽(yáng)離子交換樹(shù)脂和陰離子交換樹(shù)脂之分。(2)(2)交換機(jī)理陽(yáng)離子交換反應(yīng) 2R-SO3H+Ca2+(R-SO3)2Ca+H22R-SO3H+Mg2+(R-SO3)2Mg+H2陰離子交換反應(yīng)2R-CH2N(CH3)30H+Cl-R-CH2N(CH3)3cl+OH-(3)(3)樹(shù)脂再生用強(qiáng)的無(wú)機(jī)

19、酸或堿溶液浸泡已失去交換能力的交換樹(shù)脂，使其發(fā)生離子交換反應(yīng)的逆過(guò)程，即用 H+H+或 OHOH-再將樹(shù)脂上的陽(yáng)離子或陰離子交換出來(lái)。第四節(jié)復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的不同材料組合而成的一種多相固體材料。一、復(fù)合材料中的基體材料和增強(qiáng)材料(1)(1)基體材料：高分子聚合物、金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料。作用：把增強(qiáng)材料粘在一起。(2)(2)增強(qiáng)材料： 凡是能提高基體材料力學(xué)性能的物質(zhì)均稱(chēng)為增強(qiáng)材料。 作用：起提高強(qiáng)度和韌性作用。T草增強(qiáng)泥HT按基體材料種類(lèi)分聚合物基復(fù)合材料:、復(fù)合材料的分類(lèi)按增強(qiáng)的方式分金屬基復(fù)合材料無(wú)機(jī)非金屬基復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾層增強(qiáng)復(fù)合材料三、聚合物基復(fù)合材料聚合物基復(fù)合材料