第六章化學(xué)與工程材料

1、第六章 化學(xué)與工程材料工程材料：在工程技術(shù)中使用的材料叫工程材料 不銹鋼 氧化鋯 聚甲醛主要內(nèi)容6.1 材料性能的內(nèi)在依據(jù)6.2 工程材料與元素周期表6.3 材料的化學(xué)制備6.4 幾種重要材料簡介6.5 復(fù)合材料6.6 材料的設(shè)計(jì)6.1 材料性能的內(nèi)在依據(jù)學(xué)習(xí)要求：1. 了解工程材料的重要性及其發(fā)展2. 熟悉“材料的性能取決于它的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)以及加工工藝”這一基本原理3. 能分別從材料的化學(xué)組成、化學(xué)鍵型、晶體結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)缺陷等方面進(jìn)行分析6.1.1 材料的重要性材料是推動社會前進(jìn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是人類賴以生存和發(fā)展、征服自然的基本條件。按材料的發(fā)展情況看，大致分為五代天然材料石器、骨器、獸皮等燒

2、煉材料磚瓦、陶瓷、玻璃等青銅、鐵器等合成材料合成塑料、合成橡膠、合成纖維等新型無機(jī)非金屬材料可設(shè)計(jì)材料特殊性能材料智能材料感知、自我調(diào)節(jié)和反饋，敏感和驅(qū)動雙重功能 材料的組成和性能：組成不同可以得到物理、化學(xué)性質(zhì)迥異的物質(zhì)6.1.2 材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能H2OxH2O:十分穩(wěn)定，呈中性，良好的溶劑H2O2:極易分解，呈弱酸性，可以作為氧化劑或者還原劑鐵碳合金C0.03%為熟鐵，質(zhì)軟，不能作為結(jié)構(gòu)材料0.03%C2.0%為鑄鐵（生鐵），硬而脆但耐壓耐磨在碳鋼里面加入一種或多種合金元素，得到高硬度、高強(qiáng)度、高韌性、高耐蝕性、高耐熱性和高耐磨性等（合金化）硅雜質(zhì)會影響硅的性能；摻入少量雜質(zhì)提高半導(dǎo)

3、體性能，并得到不同的半導(dǎo)體類型和特性 化學(xué)鍵類型和材料性能：按化學(xué)鍵類型區(qū)分三大工程材料6.1.2 材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能材料分類鍵合類型性能金屬材料金屬鍵金屬光澤；良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性；高強(qiáng)度和硬度；良好的韌性和機(jī)械加工性能；易受化學(xué)和電化學(xué)腐蝕；高溫強(qiáng)度差（高溫下金屬中正離子間距變大，金屬鍵減弱，金屬材料的機(jī)械強(qiáng)度顯著下降，氧化腐蝕趨勢變大）無機(jī)非金屬材料離子鍵或共價鍵硬度大；強(qiáng)度高；耐熱性好；抗高溫氧化鋅能和耐酸堿侵蝕能力強(qiáng)；是熱和電良好的絕緣體；脆性大，難以作為工程材料（細(xì)化晶粒，減少氣孔率。利用相變增韌和設(shè)置消耗能量的附加材料相）；成型加工困難，需要若干特殊的燒結(jié)工藝有機(jī)高分子化合物

4、共價鍵密度?。粡椥院?；比強(qiáng)度高；塑性和韌性好；減摩、耐磨性強(qiáng)，有自潤滑性；化學(xué)穩(wěn)定性高，耐水、酸和堿的腐蝕；絕緣性好；耐熱性差，有的易燃，安全性差；在溶劑、空氣、熱和光線作用下，高聚物易產(chǎn)生老化現(xiàn)象 晶體結(jié)構(gòu)與材料性能：晶格類型相同的物質(zhì)往往具有相似或相近的性質(zhì) 金剛石和石墨是碳的兩種同素異形體6.1.2 材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能 結(jié)構(gòu)缺陷與材料性能： 點(diǎn)缺陷：晶格結(jié)點(diǎn)上的粒子和粒子的間隙處產(chǎn)生的偏離理想晶體的缺陷 線缺陷：晶體中某一列或若干列原子發(fā)生的規(guī)律性搓牌現(xiàn)象，通常稱為位錯。位錯對很多固態(tài)反應(yīng)都有不同程度的加速作用晶界：多晶體中不同晶粒間的交界面稱為晶面。晶界處原子能量高，雜質(zhì)原子集中或

5、者偏析，粒子擴(kuò)散快，熔點(diǎn)低，容易俘獲電子形成勢壘6.1.2 材料的組成、結(jié)構(gòu)和性能6.2 工程材料與元素周期表學(xué)習(xí)要求：1. 通過半導(dǎo)體和超導(dǎo)體的實(shí)例，熟悉元素周期表對尋找、研究工程材料的指導(dǎo)作用2. 從組成和結(jié)構(gòu)上了解半導(dǎo)體的機(jī)理6.2.1 周期表中元素的分類 半導(dǎo)體材料：半導(dǎo)體是室溫電阻率介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料。 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電機(jī)理：6.2.2 工程材料與元素周期表外界提供足夠能量價電子躍遷形成自由電子和空穴自由電子向空穴躍遷產(chǎn)生新的空穴空穴在原子間轉(zhuǎn)移外加電場中自由電子和空穴逆向運(yùn)動形成電流電子或空穴被稱為“載流子”，以電子導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體叫n型半導(dǎo)體，以空穴導(dǎo)電為主的半導(dǎo)體叫p型

6、半導(dǎo)體6.2.2 工程材料與元素周期表半導(dǎo)體材料的分類超導(dǎo)材料：具有在一定的低溫條件下呈現(xiàn)出零電阻以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料臨界條件：臨界溫度Tc，臨界磁場強(qiáng)度Hc和臨界電流密度Jc。臨界值越高，超導(dǎo)材料實(shí)用價值越大。獲得工業(yè)應(yīng)用的超導(dǎo)材料：Ni-Ti類、Nb-Zr類超導(dǎo)合金和V3Ga、Nb3Sn、V2（HfZr）、V2（HfNb）類化合物超導(dǎo)材料6.2.2 工程材料與元素周期表 超導(dǎo)材料的應(yīng)用6.2.2 工程材料與元素周期表 學(xué)習(xí)要求： 了解制備金屬、現(xiàn)代陶瓷和有機(jī)高聚物的一般方法6.3 材料的化學(xué)制備 從礦石中制取金屬單質(zhì)的過程稱為冶金，實(shí)質(zhì)是用還原的方法，使金屬化合物中的金屬陽離子得到電

7、子變成金屬原子（單質(zhì)）6.3.1 金屬的冶煉即：即：Mn+ + ne-M赤鐵礦赤鐵礦 ( Fe2O3 )磁鐵礦磁鐵礦 ( Fe3O4 )轉(zhuǎn)變鐵塊鐵塊鐵鐵釘釘 冶金過程分為三個步驟預(yù)處理 除雜和富集冶煉 在一定條件下將金屬離子還原成金屬單質(zhì)，分為濕法冶金和火法冶金精煉 出去冶煉產(chǎn)品中的雜質(zhì)，常用的有氧化雜質(zhì)法、熱分解法、區(qū)域精煉法和電解精煉法6.3.1 金屬的冶煉 金屬的冶煉方法 （1）電解法： 通過電解熔融鹽或氧化物及金屬鹽水溶液來制備金屬單質(zhì) 電解法適用于制備活潑金屬6.3.1 金屬的冶煉2NaCl電解電解2Na + Cl2 電解電解MgCl2Mg + Cl2 電解電解4Al + 3O2 2

8、Al2O3（1）熱還原法：在一定條件下用還原劑還原金屬氧化物而得到金屬單質(zhì)適用于金屬活動性順序表中的中間的多數(shù)金屬。它是金屬冶煉最常用的方法。常用的還原劑有：焦炭 、CO 、氫氣 、 活潑金屬等。6.3.1 金屬的冶煉3CO + Fe2O3高溫高溫2Fe + 3CO22Al + Fe2O3高溫高溫2Fe + Al2O33H2 + WO3高溫高溫W + 3H2O（3）熱分解法：加熱金屬氧化物，使其分解得到金屬單質(zhì)適用于很不活潑的金屬（金屬活動性順序表中氫后面的金屬）6.3.1 金屬的冶煉2HgO2 Hg + O2 2Ag2O4 Ag + O2 不同金屬冶煉方法的選擇依據(jù) 金屬活動性順序表K Ca

9、 Na Mg Al Zn Fe Sn Pb (H) Cu Hg Ag Pt Au電解法電解法熱還原法熱還原法熱分解法熱分解法 物理方法物理方法6.3.1 金屬的冶煉 無機(jī)材料存在的形態(tài)又很多，如單晶體、多晶體和非晶體等，對應(yīng)了相應(yīng)的制備方法。 1. 燒結(jié)法：制備多晶材料 2. 熔融法制取非晶體（玻璃體）6.3.2 無機(jī)非金屬材料的制備粉體成型高溫?zé)Y(jié)加熱熔融除氣泡、雜質(zhì)快速冷卻3. 制備單晶6.3.2 無機(jī)非金屬材料的制備高聚物指由許多相同的、簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵重復(fù)連接而成的高分子量(通?？蛇_(dá)104106)化合物由低分子單體合成有機(jī)高聚物稱為聚合反應(yīng)，分為加成聚合反應(yīng)（加聚反應(yīng)）和縮合聚

10、合反應(yīng)（縮聚反應(yīng)）兩種6.3.3 有機(jī)高聚物的合成有機(jī)高分子天然高分子：淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)等合成高分子：合成纖維、塑料、合成橡膠等1.由若干單體經(jīng)加成反應(yīng)而聚合生成高聚物的過程，叫加聚反應(yīng)，單體中都含有不飽和鍵。 6.3.3 有機(jī)高聚物的合成不同種類聚合物單體連接方式2. 縮聚反應(yīng)：具有兩個或兩個以上官能團(tuán)的單體，相互反應(yīng)生成高分子化合物，同時產(chǎn)生有簡單分子（如 H2O、HX、醇等）的化學(xué)反應(yīng)。以合成尼龍66為例 6.3.3 有機(jī)高聚物的合成nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOHHO-OC(CH2)4COHN(CH2)6NHn-H+(n-1)H2O許多重要的天然高聚物，如

11、蛋白質(zhì)、淀粉、纖維素等都是經(jīng)縮聚反應(yīng)而形成的縮聚物學(xué)習(xí)要求：1、了解合金概念類型和“合金化原理”的一般應(yīng)用，熟悉結(jié)構(gòu)性和功能性材料的區(qū)別2、了解各類重要的金屬、陶瓷、有機(jī)高聚物的性能和應(yīng)用。6.4 幾類重要材料簡介1.耐熱合金：能在高于700的高溫下工作的金屬通稱耐熱合金，“耐熱”是指金屬在高溫下能保持足夠的強(qiáng)度、韌性和良好的抗氧化性溫度/ 70010001100鐵基、鎳基和鈷基高溫合金鎳基高溫合金鎢、鉬、鈮、鉭等難熔金屬提高鐵基合金高溫性能的方法6.4.1 特種合金2.鈦合金6.4.1 特種合金鈦及鈦合金比強(qiáng)度高高的熱強(qiáng)性耐低溫易鈍化生物相容性關(guān)節(jié)、骨骼耐蝕材料、海洋工程低溫容器、貯氣罐、高

12、壓瓶耐熱材料航空航天但目前鈦因冶煉困難，價格昂貴，限制了它的普遍使用3. 磁性合金材料在磁場中，可表現(xiàn)出三種情況：6.4.1 特種合金材料種類在磁場中的反應(yīng)原理反磁性材料不被磁場吸引原子中電子均成對，電子自選磁矩相互抵消順磁性材料微弱地被磁場吸引原子中有未成對電子，原子磁矩不為零鐵磁性材料（永磁材料）被磁場強(qiáng)烈地吸引且外磁場移走后仍能保留磁性未成對電子和磁疇鐵磁性：鐵磁性來源是未成對電子，但在鐵磁性材料內(nèi)部存在“磁疇”，“磁疇”內(nèi)相鄰原子磁矩取向一致6.4.1 特種合金 未磁化 磁化金屬中組成永磁材料的主要元素是Fe、Co、Ni和稀土金屬，比較有代表性的是稀土鈷系、FeCrCo系和MnAlC系

13、永磁材料貯氫合金：某些金屬或合金具有吸收氫氣的能力，在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο拢膳c氫氣反應(yīng)生成金屬氫化物，吸收并儲存氫氣；而在另一溫度和壓力下，金屬氫化物又會分解并釋放氫氣6.4.1 特種合金M + x/2H2Abs.Des.MHx + H 貯氫合金的性能要求：（1）活性大，吸附氫量大并易于獲得，價格低廉（2）用來吸附氫氣時，標(biāo)準(zhǔn)生成焓要小；用來儲熱時，標(biāo)準(zhǔn)生成焓要大（3）吸氫析氫速率要大，氫的平衡壓差要?。?）使用過程中，材料破碎和粉化率低，力學(xué)性能無明顯變化貯氫合金按合金系統(tǒng)分類6.4.1 特種合金貯氫合金稀土貯氫合金鎂系貯氫合金鈦系貯氫合金鈣系貯氫合金鋯系貯氫合金貯氫合金的應(yīng)用： a. 儲運(yùn)

14、氫氣的容器 b. 氫制冷取暖設(shè)備 c. 氫的分離精制超塑性合金：金屬在適當(dāng)?shù)臏囟认伦兊孟褴浱且粯尤彳洠移鋺?yīng)變速度為每秒10毫米時產(chǎn)生300%以上的延伸率，稱為超塑性現(xiàn)象，相應(yīng)的合金稱超塑性合金。超塑性合金的應(yīng)用（1）利用高的形變能力來實(shí)現(xiàn)通常壓力加工方法難于完成或用多道工序才能完成的加工任務(wù)（2）利用低壓力下易于固相結(jié)合的特性，制造軋合多層材料、包覆材料和各種復(fù)合材料（3）利用減振特性，可將超塑性合金直接制成各種零件以適應(yīng)不同溫度下的減振需要6.4.1 特種合金6.4.2 非晶態(tài)材料固體晶態(tài)材料粒子排列長程有序結(jié)構(gòu)具有周期性和對稱性產(chǎn)生X射線衍射宏觀上有棱有角（晶體的自限性）非晶態(tài)材料粒子

15、排列長程無序、短程有序結(jié)構(gòu)不具備周期性和對稱性不產(chǎn)生X射線衍射宏觀上比較圓滑1.非晶態(tài)金屬：在特殊冷卻條件下凝固時，熔液態(tài)金屬沒有發(fā)生結(jié)晶而形成的具有短程有序而長程無序結(jié)構(gòu)的固體。由于結(jié)構(gòu)類似于玻璃，也稱金屬玻璃。6.4.2 非晶態(tài)材料 性質(zhì)來源高強(qiáng)度、高硬度和高韌性兼具1非晶態(tài)合金中原子間有很強(qiáng)的化學(xué)鍵，使得合金強(qiáng)度大2非晶態(tài)合金中原子間不規(guī)則排列使其有良好的韌性優(yōu)良的耐蝕性1均勻的纖維組織，不存在位錯、晶界等缺陷2自身具有高活性，在表面迅速生成均勻、牢固的鈍化膜良好的磁學(xué)性能非晶態(tài)合金中沒有晶粒，不存在磁晶的各向異性，磁特性極軟，高磁導(dǎo)、低損耗獨(dú)特的催化特性非晶態(tài)合金表面原子混亂的排列有利

16、于反應(yīng)物的吸附和進(jìn)行反應(yīng)非晶態(tài)金屬的分類：單獨(dú)金屬元素難以形成非晶態(tài) 金屬+金屬型非晶態(tài)合金，Cu60Zn40、La76Au24、U70Cr30 金屬+某些非金屬型非晶態(tài)合金，F(xiàn)e80B20、Fe40Ni40P14O6、Fe5Co70Si15B106.4.2 非晶態(tài)材料軟磁材料如非晶鐵芯非晶合金傳感器非晶催化劑結(jié)構(gòu)材料2.非晶硅6.4.2 非晶態(tài)材料非晶硅中原子的分布基本上是正四面體的形式，但是卻發(fā)生了變形，即產(chǎn)生出了許多缺陷出現(xiàn)大量的懸掛鍵和空洞等非晶硅中的懸空鍵可以被氫所填充，經(jīng)氫化之后，非晶硅的懸空鍵密度會顯著減小。少量的摻雜就能改變非晶硅的能級和導(dǎo)電性能。非晶硅在太陽能電池上的應(yīng)用單晶

17、硅的光電轉(zhuǎn)換效率非晶硅高，但單晶硅的加工費(fèi)用高，難以工業(yè)化。非晶硅雖然轉(zhuǎn)換效率不高，但相比單晶硅有很多優(yōu)點(diǎn) 非晶態(tài)硅可大面積成卷生產(chǎn)，成本是晶態(tài)硅的一半 生產(chǎn)能耗少，價格低 耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性好 尺寸穩(wěn)定，可靠性好6.4.2 非晶態(tài)材料精細(xì)陶瓷：又稱現(xiàn)代陶瓷，按功能又可以分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類6.4.3 精細(xì)陶瓷材料精細(xì)陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷功能陶瓷高硬度、高強(qiáng)度、耐磨耐蝕、潤滑性好，用作機(jī)械結(jié)構(gòu)零部件的陶瓷材料具有聲、光、熱、電、磁特性的化學(xué)、生物功能的陶瓷材料1.結(jié)構(gòu)陶瓷6.4.3 精細(xì)陶瓷材料陶瓷種類性質(zhì)用途氧化鋁硬度大、耐高溫、抗氧化、耐急冷急熱、化學(xué)穩(wěn)定性好、絕緣性好機(jī)械部件、工具和刀具

18、氧化鋯高溫?zé)岱€(wěn)定性、隔熱性最好、熱膨脹系數(shù)與金屬材料相近，通過控制晶型轉(zhuǎn)變（其他氧化物的加入量）可以得到完全和部分穩(wěn)定的氧化鋯耐火材料、隔熱材料、電子材料及結(jié)構(gòu)陶瓷氮化硅原子晶體、機(jī)械高、導(dǎo)熱性好、熱穩(wěn)定性高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨、耐驟冷驟熱、抗高溫腐蝕陶瓷發(fā)動機(jī)、宇航工程、陶瓷軸承和超精密車床、刀具碳化硅原子晶體、熔點(diǎn)高、硬度大、高溫強(qiáng)度最好火箭噴嘴、熱電偶保護(hù)管、渦輪葉片和耐磨耐蝕零件2.功能陶瓷材料6.4.3 精細(xì)陶瓷材料功能陶瓷材料單一功能材料能量轉(zhuǎn)換材料交互感應(yīng)材料傳感敏感材料功能陶瓷材料種類繁多，著重介紹幾種（1）光導(dǎo)纖維 光通信原理：6.4.3 精細(xì)陶瓷材料送話器發(fā)光元件光導(dǎo)纖維受

19、光元件受話器聲音電信號光信號光信號電信號聲音光通信的優(yōu)勢：1.光導(dǎo)纖維質(zhì)輕而軟、彎曲自如、傳光效率高、抗機(jī)械振動性強(qiáng)、耐蝕性強(qiáng)；2.光通信容量比微波通信打100010000倍，能量損耗小、抗干擾力強(qiáng)、保密性好；3.用光導(dǎo)纖維代替電纜可以節(jié)省有色金屬，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀光導(dǎo)纖維的用途：國防建設(shè)、交通、精密儀器制造、宇航、醫(yī)學(xué)、傳感器和各種通訊事業(yè)（2）固體電解質(zhì)離子晶體通常屬于絕緣體、因?yàn)槠渲袩o可自由移動的離子或電子；若其中存在非密堆積或一定量的空位、間隙離子等缺陷，則可借助缺陷實(shí)現(xiàn)某些離子的擴(kuò)散，在外電場下便可以實(shí)現(xiàn)離子遷移而導(dǎo)電固體電解質(zhì)一維：單向隧道結(jié)構(gòu)二維：層狀結(jié)構(gòu) -Al2O3三維：骨架

20、結(jié)構(gòu) Li3N、Na1+xZr2P3-xSixO14廣泛應(yīng)用于新型固體電池、高溫氧化物燃料電池、電致變色器件和離子傳導(dǎo)型傳感器件6.4.3 精細(xì)陶瓷材料（3）磁性陶瓷：主要指鐵氧體，是將鐵的氧化物與其他某些金屬氧化物用燒結(jié)法制得的復(fù)合氧化物磁性材料6.4.3 精細(xì)陶瓷材料磁性陶瓷尖晶石型 MFe2O4石榴石型 M2Fe2O6鈣鈦礦型 MFeO3尖晶石型 MFe12O19鐵氧體的磁導(dǎo)率與磁化率比金屬磁性材料大，且電阻比金屬磁性材料打1011個數(shù)量級，渦流損失小、介質(zhì)損耗低。磁性陶瓷按照磁性分類1.軟磁鐵氧體性質(zhì)：易于磁化和去磁、磁導(dǎo)率高、剩磁和矯頑力小應(yīng)用：高頻磁芯、錄像機(jī)和電子計(jì)算機(jī)的磁頭鐵心

21、、飽和電抗器、磁放大器等2.硬磁鐵氧體性質(zhì)：高矯頑力、高剩余磁感強(qiáng)度應(yīng)用：聲電器件（揚(yáng)聲器、助聽器、錄音磁頭）；電器儀表（電磁式儀表、磁通計(jì)、示波器）；控制器件（極化繼電器、電壓調(diào)整器、溫度和壓力控制、限制開關(guān)）6.4.3 精細(xì)陶瓷材料6.4.3 精細(xì)陶瓷材料磁性陶瓷按照磁性分類3.旋磁鐵氧體性質(zhì)：在高頻磁場作用下,平面偏振的電磁波在鐵氧體中一定的方向傳播時,偏振面會不斷繞傳播方向旋轉(zhuǎn)應(yīng)用：環(huán)行器、隔離器等不可逆器件、磁共振型隔離器、衰減器、移相器、調(diào)諧器等4.磁致伸縮鐵氧體性質(zhì)：被磁化時會產(chǎn)生極小的變形應(yīng)用：超聲波換能器和接收器、濾波器、穩(wěn)壓器等5.矩磁鐵氧體性質(zhì)：磁滯回線呈矩形、剩磁和最大

22、磁感應(yīng)強(qiáng)度盡可能接近應(yīng)用：磁放大器、脈沖變壓器等非線性器件和磁記憶元件（4）傳感材料傳感材料：可以代替人的感覺視覺、聽覺、嗅覺、觸覺、味覺的器件材料傳感器：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置6.4.3 精細(xì)陶瓷材料 濕氣 溫度光線氣體探測器電子線路記錄儀計(jì)算機(jī)控 制顯示器傳感材料電信號傳感器工作原理1.溫度傳感材料：這類陶瓷材料的電阻或介電、半導(dǎo)等電性隨溫度而變化，其中電阻隨溫度變化顯著，稱為熱敏電阻。按照其溫度特性分為三類 a. 負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（NTC） b. 正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC） c. 臨界溫度電阻（CTR） 熱敏電阻可以用于溫度測量、控制等熱敏元件，

23、可以測到2000，測量溫區(qū)大，準(zhǔn)確度高，較為靈敏，操作簡便。6.4.3 精細(xì)陶瓷材料abc2.氣體傳感材料：某些半導(dǎo)體陶瓷材料表面吸附氣體分子后，其電導(dǎo)率將隨材料的類型和氣體分子的種類而變化，利用這一現(xiàn)象，可以得到對不同氣體敏感的氣體傳感器。6.4.3 精細(xì)陶瓷材料n型半導(dǎo)體吸附H2，CxHy等還原性氣體電導(dǎo)率增加吸附O2等氧化性氣體電導(dǎo)率降低P型半導(dǎo)體正好相反氣體傳感器可用作氣體檢測、氣體泄漏報警裝置元件；也用于控制鍋爐燃燒、大氣污染檢測、汽車尾氣檢測等。3.濕度傳感器：作為濕度傳感器的陶瓷，具有特定的孔隙度，表面積很大，吸附力強(qiáng)，可以吸附、吸收或凝結(jié)水蒸氣而引起電阻變化 Fe3O4、Al2

24、O3、Cr2O3等氧化物與其他氧化物的二元或多元材料，可測30%95%的相對濕度 MgCr2O4+TiO2混合物，可從高濕度測到小于1%的低濕度，靈敏度高，在相對濕度低于10%以下，響應(yīng)時間為1s 濕度傳感器在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、儀器制造、醫(yī)療、汽車和家電制造等部門中，有著廣泛的應(yīng)用。6.4.3 精細(xì)陶瓷材料4.壓力和振動傳感材料：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負(fù)相反的電荷6.4.3 精細(xì)陶瓷材料壓力傳感材料主要是鈦酸鋇、鈦酸鉛和鋯酸鉛固溶體和鈮酸鹽應(yīng)用： 振動傳感器（人工耳），用以探測超聲、次聲或極微弱的聲音；雷達(dá)、宇航、導(dǎo)彈、超

25、聲技術(shù)、精密測量等1.合成樹脂與塑料：塑料是在一定溫度和壓力下可以塑制成型的有機(jī)高聚物材料的通稱。 由單體經(jīng)加聚反應(yīng)所得的有機(jī)高聚物通稱合成樹脂，是塑料的主要成分，起黏結(jié)作用。6.4.4 重要有機(jī)高聚物塑料通用塑料工程塑料綜合性能（機(jī)械性能、電性能、耐高溫耐低溫等）好，可代替金屬用作工程材料如聚甲醛、聚酰胺、聚碳酸酯等應(yīng)用廣、產(chǎn)量大而價格低廉的塑料如聚乙烯、聚丙烯等名稱性質(zhì)用途聚甲醛耐磨、自潤滑、耐過氧化物、不耐酸堿軸承、齒輪、葉片和管道聚酰胺強(qiáng)度高、耐磨、耐腐蝕、自潤滑軸承、齒輪、輪胎簾子布、降落傘、潛水服、船纜和濾布聚碳酸酯高韌性和抗沖擊性、尺寸穩(wěn)定、透明度高機(jī)械、汽車、儀器儀表、無線電、

26、電器工業(yè)聚四氟乙 烯耐化學(xué)腐蝕、耐熱耐寒、自潤滑、不粘附耐蝕部件、自潤滑部件、絕緣器件、醫(yī)療器械A(chǔ)BS樹脂耐熱耐蝕、表面硬度高、尺寸穩(wěn)定、電性能好、易加工成型機(jī)械工業(yè)、電氣、飛機(jī)、汽車、造船、化工和紡織工業(yè)6.4.4 重要有機(jī)高聚物幾種重要工程塑料簡介2.黏結(jié)劑：能將兩種固體材料連接起來，具有較好黏結(jié)性能的物質(zhì)叫做黏結(jié)劑。6.4.4 重要有機(jī)高聚物黏結(jié)劑無機(jī)有機(jī)天然 淀粉、蟲膠、松香合成 主要是合成樹脂黏結(jié)劑的性質(zhì)： a. 黏度適中，容易流動 b. 能充分潤濕被黏物表面，填補(bǔ)其凹凸不平處 c. 將被黏物黏結(jié)起來，具有較強(qiáng)的附著力和內(nèi)聚力 分子鏈中含有極性基團(tuán)，如羥基、羧基、酰胺基、氨基和環(huán)氧基

27、等的高聚物，都有很好的黏結(jié)能力。如環(huán)氧樹脂，對金屬、玻璃、陶瓷和木材等都有牢固的粘結(jié)力，被稱為萬能膠6.4.4 重要有機(jī)高聚物具體應(yīng)用時，黏結(jié)劑有三種類型：a. 使用單體或預(yù)聚狀態(tài)的黏結(jié)劑，粘合后在加熱或催化劑作用下何成體型高聚物，稱為反應(yīng)固化型反應(yīng)固化型。如環(huán)氧、呋喃、異氰酸樹脂等b.將高聚物分散成溶液或乳液，溶劑是高分子鏈松弛，易在被黏物表面鋪開而充分潤濕、密切接觸，稱為溶液溶液-乳乳液型。液型。如橡膠類黏結(jié)劑、聚丙烯酸類黏結(jié)劑和聚乙酸乙烯酯類黏結(jié)劑等c.將高聚物加熱熔化、減小其黏度，有助于黏結(jié)劑分子鋪展并吸附于被黏物表面上。這類受熱熔化，冷卻固話而具有一定黏結(jié)強(qiáng)度的黏結(jié)劑，稱為熱熔膠熱熔

28、膠6.4.4 重要有機(jī)高聚物3.功能高分子材料功能高分子材料是具有特殊力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、電磁、化學(xué)和生物功能的新型高聚物。6.4.4 重要有機(jī)高聚物功能高分子材料離子交換樹脂高分子分離膜感光性樹脂導(dǎo)電高聚物光導(dǎo)纖維（1）離子交換樹脂：在具有立體交聯(lián)結(jié)構(gòu)的高分子基體上，接有能進(jìn)行離子交換官能團(tuán)的物質(zhì)的總稱。它在電解質(zhì)溶液中能與帶相同電荷的離子進(jìn)行交換反應(yīng)。a.陽離子交換樹脂，這類樹脂中具有活性的酸性官能團(tuán)（SO3H、COOH等），H+是交換離子b. 陰離子交換樹脂，這類樹脂含有活性的堿性基團(tuán)（NH2、NHR、NR2和N+R3OH-等），能交換陰離子6.4.4 重要有機(jī)高聚物以NaCl溶液的離子交

29、換過程為例 當(dāng)陽離子交換樹脂與NaCl溶液相遇時，交換反應(yīng)如下 RSO3H+NaCl RSO3Na+HCl 該反應(yīng)可逆，交換后用鹽酸淋洗，又可再生 當(dāng)陰離子交換樹脂與NaCl溶液相遇時，交換反應(yīng)如下RN（CH2）3OH+NaCl RN（CH2）3Cl+NaOH 該反應(yīng)可逆，交換后用氫氧化鈉淋洗，又可再生 被交換出來的H+和OH-再經(jīng)過陰和陽離子交換樹脂便可生成純度很高的水。 離子交換樹脂廣泛用于水處理，鈾和貴金屬提取，稀土元素分離，醫(yī)藥、食品工業(yè)中化合物的分離和提純等。6.4.4 重要有機(jī)高聚物（2）高分子分離膜：具有選擇透過性而實(shí)現(xiàn)某些特定物質(zhì)分離的高聚物薄膜材料。6.4.4 重要有機(jī)高聚物

30、高分子分離膜離子交換膜 海水淡化、工業(yè)廢水處理、電解食鹽制堿反滲透膜 海水淡化氣體分離膜 分離氣體（3）感光性樹脂：在短時間光照下即能發(fā)生聚合、交聯(lián)或解聚等反應(yīng)，從而引起物理和化學(xué)性質(zhì)變化的樹脂，又稱光致抗蝕劑。6.4.4 重要有機(jī)高聚物 按光作用和成像性質(zhì)的不同，有負(fù)性和正性感光性樹脂 負(fù)性感光樹脂：受光部分發(fā)生聚合、交聯(lián)反應(yīng)而固化 正性感光樹脂：光照部分發(fā)生光分解反應(yīng)（a）負(fù)性（b）正性光刻工藝流程圖（4）導(dǎo)電高聚物：具有共扼-鍵的高分子經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)“摻雜”使其由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的一類高分子材料1.高聚物導(dǎo)電材料：選用性能合適的合成樹脂，以橡膠作為黏結(jié)劑，加入導(dǎo)電性良好的金屬超微粒子、金

31、屬氧化物和炭黑等混配成的復(fù)合材料。樹脂起支持體和成型作用，起導(dǎo)電作用的是金屬粒子等，因此稱為摻雜型導(dǎo)電高聚物。2.導(dǎo)電高聚物：從具有電絕緣性的高聚物中開發(fā)出導(dǎo)電性，稱為本征型導(dǎo)電高聚物。以聚乙炔為例：聚乙炔強(qiáng)度高、耐磨性好，而且還有導(dǎo)電性，有“合成金屬”之稱；如在合成過程中加入某些粒子，則其導(dǎo)電性劇增。6.4.4 重要有機(jī)高聚物（5）光導(dǎo)纖維：利用透明高聚物的光傳播特性開發(fā)出的非線性光學(xué)元件。拉伸時，不產(chǎn)生雙折射和偏光的材料，才適合制造光導(dǎo)纖維 經(jīng)高度純化的有機(jī)玻璃制造的光導(dǎo)纖維的傳輸損耗已接近石英光導(dǎo)纖維。 優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)輕而柔軟，抗曲撓、抗沖擊性強(qiáng)；易加工；價格低。6.4.4 重要有機(jī)高聚物納米

32、材料：納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料6.4.5 納米材料納米材料四大效應(yīng)表面效應(yīng)：納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化小尺寸效應(yīng)：顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)：吸收光譜闕值向短波方向移動(藍(lán)移)宏觀量子隧道效應(yīng)：當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘納米材料的特殊性質(zhì)： 具有很高的活性具有很高的活性 特殊特殊的光學(xué)性質(zhì)的光學(xué)性質(zhì) 特殊特殊的熱學(xué)性質(zhì)的熱學(xué)性質(zhì) 特殊特殊的磁學(xué)性質(zhì)的磁學(xué)性質(zhì) 特殊特殊的力學(xué)性質(zhì)的力學(xué)性質(zhì) 特殊特殊的電學(xué)

33、性質(zhì)的電學(xué)性質(zhì) 6.4.5 納米材料納米材料的高活性： 隨著納米微粒粒徑減小，比表面積增大，表面原子數(shù)增多及表面原子配位不飽和性導(dǎo)致大量的懸鍵和不飽和鍵等，這就使納米微粒具有高的表面活性 并且粒徑越小，表面原子數(shù)所占比率越大，比表面積越大，表面光滑程度變差，形成凹凸不平的原子臺階，增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面，使其具有優(yōu)良的催化性能。6.4.5 納米材料納米材料特殊的光學(xué)性質(zhì)：1、寬頻帶強(qiáng)吸收，當(dāng)尺寸減小到納米級時，各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色，它們對可見光的反射率極低。這就是納米材料的強(qiáng)吸收率、低反射率。 2、納米微粒分散物系的光學(xué)性質(zhì)和發(fā)光效應(yīng)，納米分散物系具有特殊的光學(xué)特性，當(dāng)納米微粒的尺寸小

34、到一定值時，可在一定波長的光激發(fā)下發(fā)光 。 6.4.5 納米材料納米材料特殊的熱學(xué)性質(zhì)： 固體物質(zhì)在其形態(tài)為粗晶粒尺寸時（大尺寸時），其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后，其熔點(diǎn)顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm時尤為顯著。 例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時，則降低27，2納米尺寸時的熔點(diǎn)僅為327左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100。6.4.5 納米材料納米材料特殊的磁學(xué)性質(zhì) 主要表現(xiàn)為：超順磁性、高矯頑力、低居里溫度、高磁化率 。 小尺寸超微顆粒的磁性比大塊材料強(qiáng)許多倍，大塊的純鐵矯頑力約為80A/m，而當(dāng)顆粒尺寸見效到20nm以下時，其矯頑力可增加100

35、0倍，若進(jìn)一步減小尺寸，大約小于6nm時，其矯頑力反而降低到零，表現(xiàn)出所謂超順磁性。6.4.5 納米材料納米材料特殊的力學(xué)性質(zhì)： 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。 納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。6.4.5 納米材料形狀記憶效應(yīng)：具有一定形狀的固體材料,在某種條件下經(jīng)過一定的塑性變形后,加熱到一

36、定溫度時,材料又完全恢復(fù)到變形前原來形狀的現(xiàn)象。具有這種效應(yīng)的材料稱為形狀記憶材料。形狀記憶效應(yīng)分為單向、雙向和全程記憶三類。6.4.6 形狀記憶材料（a）單向（b）雙向（c）全程形狀記憶效應(yīng)示意圖6.4.6 形狀記憶材料形狀記憶材料形狀記憶合金 馬氏體相變“冷脹熱縮”的性質(zhì)形狀記憶陶瓷 單斜晶型向四方晶型轉(zhuǎn)變“熱脹冷縮”的性質(zhì)形狀記憶樹脂 存在保持固定形狀的固定相和可發(fā)生可逆軟化硬化的可逆相形狀記憶材料的分類形狀記憶材料的應(yīng)用6.4.6 形狀記憶材料應(yīng)用原理宇航天線發(fā)射時低溫處理并折疊起來，進(jìn)入軌道后張開點(diǎn)接觸器通過接觸棒形狀記憶效應(yīng)控制開關(guān)閉合管道緊固低溫時機(jī)械擴(kuò)張接口，室溫時接口恢復(fù)而緊

37、密配合熱致機(jī)械利用形狀記憶材料與預(yù)壓彈簧力的大小來帶動機(jī)械醫(yī)療方面體外局部加熱實(shí)現(xiàn)彎曲部位矯正等學(xué)習(xí)要求：1、認(rèn)識復(fù)合材料的特性2、了解復(fù)合材料的分類3、了解顆粒增強(qiáng)和纖維增強(qiáng)兩大類結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料的性能和應(yīng)用6.5 復(fù)合材料復(fù)合材料：由兩種及兩種以上性質(zhì)不同的物質(zhì)或材料組合在一起的新材料。復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)：1. 克服了組成材料的弱點(diǎn)，充分利用它們的優(yōu)點(diǎn)2. 可按照構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和受力要求，進(jìn)行材料的最佳設(shè)計(jì)3. 創(chuàng)造了單一材料不易具備的性能6.5.1 復(fù)合材料概述6.5.1 復(fù)合材料概述基體增強(qiáng)相黏結(jié)劑或成型作用增加強(qiáng)度或韌性基體和增強(qiáng)材料的要求：（1）基體對增強(qiáng)材料較好的潤濕；具有較好的塑性和韌性；能保護(hù)增強(qiáng)材料表面；基體和增強(qiáng)材料間易形成化學(xué)鍵（或分子間力）（2）增強(qiáng)材料具有高強(qiáng)度、剛度和較高的熱穩(wěn)定性（3）基體與增強(qiáng)材料間應(yīng)有合適的結(jié)合強(qiáng)度（4）增強(qiáng)材料在基體中有合理的含量、尺寸和均勻分布顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料：由基體和均勻