材料組成的優(yōu)化選修IB.ppt

1、第二單元 材料組成的優(yōu)化,材料的性能取決于材料的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)。,1. 合金,由金屬與另一種(或幾種)金屬或非金屬所組成的具有金屬通性的物質(zhì)。,根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，合金主要類型是：,(1)混合物合金（共熔混合物），當(dāng)液態(tài)合金凝固時，構(gòu)成合金的各組分分別結(jié)晶而成的合金，如焊錫、鉍鎘合金等；,(2)固熔體合金，當(dāng)液態(tài)合金凝固時形成固溶體的合金，如金銀合金等；,改變材料的組成,(3)金屬互化物合金，各組分相互形成化合物的合金，如銅、鋅組成的黃銅（-黃銅、-黃銅和-黃銅）等。,各類型合金都有以下通性：,(1)多數(shù)合金熔點低于其組分中任一種組成金屬的熔點；(2)硬度比其組分中任一金屬的硬度大； (3)合金的

2、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性低于任一組分金屬。利用合金的這一特性，可以制造高電阻和高熱阻材料。還可制造有特殊性能的材料，如在鐵中摻入15鉻和9鎳得到一種耐腐蝕的不銹鋼，適用于化學(xué)工業(yè)。(4)有的抗腐蝕能力強(如不銹鋼),常用合金：鋼鐵、鋁合金、銅合金,特種合金：耐蝕合金、耐熱合金 、鈦合金 （Ti-Al-V合金為代表的超塑性合金 ）、磁性合金（永磁合金有稀土、鈷系、鐵、鉻、鈷系和錳、鋁、碳系合金 ） 、鉀鈉合金 、貯氫合金,儲氫合金：能以金屬氫化物的形式吸收氫，是一種安全、經(jīng)濟而有效的儲氫方法。,金屬貯氫的原理在于金屬(M)與氫生成金屬氫化物(MHx) ：,金屬與氫的反應(yīng)，是一個可逆過程。正向反應(yīng)，吸氫、放

3、熱；逆向反應(yīng)，釋氫、吸熱。改變溫度與壓力條件可使反應(yīng)按正向、逆向反復(fù)進行，實現(xiàn)材料的吸釋氫功能。,2.硅酸鹽材料和特種陶瓷,硅酸鹽材料是以含硅物質(zhì)為原料高溫?zé)贫傻摹?水泥工業(yè),原料,設(shè)備,主要性質(zhì),反應(yīng)條件,水泥成分,水泥應(yīng)用,硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣,石灰石、黏土、輔助原料,水 泥 回 轉(zhuǎn) 窯,高溫,水硬性,建筑粘合劑,水泥砂漿、 鋼筋混凝土,玻璃,（1）含有Na2SiO3,CaSiO3和 SiO2 ，主要成分是SiO2，玻璃態(tài)物質(zhì)，沒有固定熔點,（2）反應(yīng)材料：石灰石，純堿，石英,（3）反應(yīng)原理：,Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2,高溫,CaCO3+SiO2=CaSi

4、O3+CO2,高溫,（4）玻璃的種類,陶瓷,（1）主要原料：黏土 Al2O32SiO22H2O,（2）釉料金屬及其化合物,使陶瓷表面光滑，不滲水，具有豐富的色彩。,（3）特性：抗氧化性，抗酸堿腐蝕，耐高溫，易成形。,（4）傳統(tǒng)生產(chǎn)過程：混和、成型、干燥、燒結(jié)、冷卻,（5）主要種類：,土器：磚瓦,紅瓦（自然冷卻，F(xiàn)e2O3含量較多）,青瓦 (淋水冷卻，F(xiàn)e3O4、FeO較多),炻器： 水缸、砂鍋,陶器：江蘇宜興的紫砂壺、秦漢兵馬俑,瓷器：,唐三彩,宋代鈞瓷,特種陶瓷：是有別于傳統(tǒng)或普通陶瓷而言的，又叫高技術(shù)陶瓷、先進陶瓷、精細陶瓷、新型陶瓷、現(xiàn)代陶瓷、高性能陶瓷、工程陶瓷等。,特種陶瓷是在傳統(tǒng)陶

5、瓷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是指采用高度精選的原料，具有能精確控制的化學(xué)組成，按照便于進行的結(jié)構(gòu)設(shè)計及便于控制的制備方法進行制造、加工的，具有優(yōu)異特性的陶瓷。 特種陶瓷一般分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類，結(jié)構(gòu)陶瓷是指用于各種結(jié)構(gòu)部件，以發(fā)揮其機械、熱、化學(xué)和生物等功能的高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用電、磁、聲、光、熱、彈等性質(zhì)或其耦合效應(yīng)以實現(xiàn)某種使用功能的先進陶瓷，也可以叫做特種功能陶瓷。,精細陶瓷的應(yīng)用（P76),精細陶瓷,又稱高性能陶瓷、高技術(shù)陶瓷。按其用途可分成工程陶瓷和功能陶瓷兩大類。前者主要利用它們的高硬度、高熔點、耐磨損、耐腐蝕性能，又稱結(jié)構(gòu)陶瓷；后者主要利用它們的光、聲、電、熱、磁

6、等物理特性，又稱電子陶瓷。按化學(xué)組成可分成氧化物類和非氧化物類。前者包括各種氧化物和含氧酸鹽；后者包括氮化物、碳化物、硼化物等。前一類一般作功能陶瓷用，后一類作工程陶瓷用。有些品種用于制造發(fā)動機部件、汽車部件、電視機、吹風(fēng)機、火災(zāi)警報器、高溫擠型模具等。還可用于制造耐高溫噴嘴，適合國防的需要。,3、 在制備工藝上，突破了傳統(tǒng)陶瓷以爐窯為主要生產(chǎn)手段的界限，廣泛采用真空燒結(jié)，保護氣氛燒結(jié)、熱壓、熱靜壓等手段。,4、 在性能上，特種陶瓷具有不同的特殊性質(zhì)和功能，如高強度、高硬度、耐腐蝕、導(dǎo)電、絕緣以及在磁、電、光、聲、生物工程各方面具有的特殊功能，從而使其在高溫、機械、電子、宇航、醫(yī)學(xué)工程各方面得

7、到廣泛的應(yīng)用。,2、 在成分上，傳統(tǒng)陶瓷的組成由粘土的成分決定，所以不同產(chǎn)地和爐窯的陶瓷有不同的質(zhì)地。由于特種陶瓷的原料是純化合物，因此成分由人工配比決定，其性質(zhì)的優(yōu)劣由原料的純度和工藝，而不是由產(chǎn)地決定。,精細陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的主要區(qū)別,1、 在原料上，突破了傳統(tǒng)陶瓷以粘土為主要原料的界限，特種陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等為主要原料。,氮化硅陶瓷制取反應(yīng)原理：,方法一：3Si + 2N2 = Si3N4,1300,方法二： 3SiO2 + 6C+2Cl2 = SiCl4(液態(tài)) Si + 3HCl = SiHCl3 + H2,精餾提純SiCl4和SiHCl3后制高純硅 2

8、H2+ SiCl4 = Si +4 HCl SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl,提高材料的純度,超純硅的制取反應(yīng)原理：,制粗硅：SiO2 + 2C = Si + 2CO,高溫,粗硅轉(zhuǎn)變?yōu)镾iCl4或SiHCl3： Si + 2Cl2 = SiCl4(液態(tài)) Si + 3HCl = SiHCl3 + H2,精餾提純SiCl4和SiHCl3后制高純硅 2H2+ SiCl4 = Si +4 HCl SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl,研制納米材料,第三單元 復(fù)合材料的制造,1、什么是復(fù)合材料？你知道哪些復(fù)合材料？ 2、為什么人類要制造復(fù)合材料？,復(fù)合材料(Composite

9、materials)，是以一種材料為基體(Matrix)，另一種材料為增強體(reinforcement)組合而成的材料。各種材料在性能上互相取長補短，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，使復(fù)合材料的綜合性能優(yōu)于原組成材料而滿足各種不同的要求。復(fù)合材料的基體材料分為金屬和非金屬兩大類。金屬基體常用的有鋁、鎂、銅、鈦及其合金。非金屬基體主要有合成樹脂、橡膠、陶瓷、石墨、碳等。增強材料主要有玻璃纖維、碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維、石棉纖維、晶須、金屬絲和硬質(zhì)細粒等。,60年代，為滿足航空航天等尖端技術(shù)所用材料的需要，先后研制和生產(chǎn)了以高性能纖維（如碳纖維、硼纖維、芳綸纖維、碳化硅纖維等）為增強材料的復(fù)合材料，其比強度大于4106 cm ，比模量大于4108cm。為了與第一代玻璃纖維增強樹脂復(fù)合材料相區(qū)別，將這種復(fù)合材料稱為先進復(fù)合材料。按基體材料不同，先進復(fù)合材料分為樹脂基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。其