1、第五章化學與材料科學T材料的發展水平和利用程度已成為人類文明進步的標志新材料時優材料的發展與人類社會簡圖新材料在不斷地涌現按成分和特性分金屬材料復合材料材料無機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?一、常見的合金材料（一）鐵的合金一一鋼將生鐵中的 S S、P P、SiSi 等雜質去除，并且將碳的含量調到

2、規定范圍，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。（建筑結構和各種型鋼一一低碳鋼；各種機械零件一一中碳鋼；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Ni）鐵及鐵合金稱為黑色金屬，即鋼鐵材料，其世界年產量已達10億噸，在機械產品中的用量已占整個用材的60噂上（二）輕質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。鋁合金純鋁的機械性能差，導電性能好，大量用于電氣工業。硬鋁：Cu40%、Mg0.5%、Mn0.5%、Si7%性能：密度小、強度大、抗腐蝕、鋁有較好的延展性，可制

3、成0.01mm的鋁箔、導電性好。素的含量，合金的性質也會發生改變。世界上鋁的年產量僅次于鐵，居第二位C制造飛機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，其性質也不相同；如果改變某一合金元被認為是 2121 世紀的重要材料，它具有很多優良的性能，如熔點高、密度小、強度高、可塑性好、易于加工、機械性能好等。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”，因此可用來制造人造骨。鈦金鋼鈦金屬腕表（三）硬質合金硬質金屬是一種以硬質化合物為硬質相， 以金屬或合金作為粘接相的復合材料。它具有硬質化合物的硬度和耐磨性及鋼的強度和韌性。硬質合金鉆

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

5、列狀態，得到的是非晶態合金。該合金力具有學性能優良、電阻率高及抗腐蝕性能優良等優異性能。非晶態合金雷尼鎮催化劑非晶態合金變壓器（七）智能材料在材料或結構中植入傳感器、信號處理器、通信與控制器及執行器，使材料或結構具有自診斷、自適應，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，一個顆粒包含著無數原子和分子,這時材料顯示的是大量分子的宏觀性質。智能材料隱身轟炸機智能材料涂層窗戶（控制光和熱透過率）智能材料手表智能材料擺閘特性的表現（一）特殊的光學性質當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，便失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色

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）特殊的熱學性質固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微7化后其熔點將顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。（三）特殊的磁學性質鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領。磁性超微顆粒實質上是一個生物磁羅盤。第二節無機非金屬材料一、一些非金屬單質及化合物無機非金屬材料又稱陶瓷材料，包括各種金屬元素與非金屬元素形成的無機化合物和非金屬單質材料（傳統硅酸鹽

7、材料和新型無機非金屬材料）。非金屬元素一般具有較大的電負性，其單質的熔點、沸點及硬度等物理性質與其結構密切相關。N N2、ArAr 和 HeHe 等不活潑氣體常用作金屬焊接或熱處理過程的保護氣氛。金剛石用作鉆頭、刀具以及精密軸承，石墨用作電極、塔氓等，硅是重要的半導體材料:、傳統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）、石英和長石為原料，其性質穩定、于水、用途廣泛。混凝土水泥玻璃陶瓷-傳統陶瓷乂稱普通陶瓷，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高、難溶（如黏土、石英、長石o半導體材料導電機理借電子和空穴這兩類載流子的遷移來實現的。半導體種類應

8、用最多的是雜質半導體：p p 型半導體（空穴半導體）和 n n 型半導體（電子半導體）。半導體應用主要應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、發光二極管等整流器晶體管集成電路發光二極管22四、新型無機非金屬材料（一）精細陶瓷耐高溫、耐腐蝕的透明陶瓷材料陶瓷發動機功能陶瓷高溫超導體陶瓷剎車片高速超導體磁懸浮列車生物陶瓷光導纖維（二）納米陶瓷材料絕大多數是固體物質，它的顆粒大小一般在微米級，一個顆粒包含著無數原子和分子，這時材料顯示的是大量分子的宏觀性質。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度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬-陶瓷等復合納米材料,其應用前景十分寬廣。固態物質在其形態為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后其熔點將顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為顯著第三節高分子化合物材料，。9一、高分子化合物概述高分子化合物主要指有機高分子化合物，以 C C、H H、N N、O O 元素為基礎，一般由結構相同的單元（單體）多次重復連接（聚合）而成，分子量通常在 1000010000 以上并在某一范圍內變化。命名習慣命名法：在單體名稱前加聚”或在單體名稱后加樹脂”進行命名：如聚乙烯、聚氯乙

10、烯、酚醛樹脂等。商品命名法：聚酰胺常用商品名稱尼龍稱呼，聚對苯二甲酸乙二酯（滌綸），聚乙烯醇縮甲醛（維尼綸）。系統命名法：高分子化合物的鏈節按有機化合物系統命名法命名，再在其前面加聚”字。或后面加“樹脂”。英文縮寫命名法：聚氯乙烯（PVCPVC、聚乙烯（PEPE）、聚四氟乙烯（PTFBPTFB、聚甲醛（POMPOM、聚酰胺（PAPA）、酚醛樹脂等。合成1加成反應：加聚反應由一種或多種單體經過加成反應相互結合生成高分子化合物的反應稱為加聚反應。nCHaCHCl*fCHjCH3TICl氯乙烯聚氯乙烯2縮聚反應：由具有兩個或兩個以上官能團的單體相互縮合形成高分子化合物。引發劑nNH2(CH2)5CO

11、OH-ENHYCH2片CO*+nH2O6 6-氨基己酸聚酰胺(尼龍-6)-6)分類?按高分子主鏈：碳鏈高分子化合物;雜鏈高分子化合物;?按聚合反應類型：加成聚合物、縮合聚合物?按使用性能分：塑料、橡膠和纖維類YCHaCH*IC1-ENHYCHz-ENHYCHz 為CCHT元素有機高分子化合物;芳、雜環高分子化合物。R RR RIIMeOMeO- -Si-OSiSi-OSiO OIISiOMeSiOMe:、高分子化合物的結構和性能(一)高分子化合物的結構(1)(1)分子的結構與形態高分子化合物根據分子鏈的形態不同，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線型高分子化合物隨溫度的高會呈現三種不同的物理狀態，玻璃態、高彈態和黏流態。高分子化合物三種狀態隨溫度的變化而逐漸相互轉化， 都有一定的轉化溫度。高彈態與玻璃態的轉化溫度稱為玻璃化溫度，TgTgo o高彈態與黏流態轉化溫度稱為黏流化溫度，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。狀傳統高分子材料(一)塑料(1)(1)組成：以合成樹脂為主要成分，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

13、構，再加熱將不能熔融，也不溶于溶劑。合成樹脂合成樹脂的種類和含量決定了塑料的基本性質，故塑料常以樹脂的名稱來命名，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械強度的作用，同時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。固化劑使樹脂進一步交聯成體型結構而固化，形成體型結構可以使塑料制品的強度增加；增塑劑用來提高樹脂的可塑性，增加了高聚物的柔韌性和熔融流動性；其他添加劑還有著色劑、穩定劑（防老化）、阻燃劑（減緩燃燒）、抗靜電劑、發泡劑等。(2)(2)通用塑料產量大(總量 80%)80%)、價格低、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，結晶性材料，屈服能力高但不易回復，優良的介電性能，透水率低耐水性好，化學穩定性高，使用溫度可達 80-10080-100 度，摩擦性能和耐寒性好,但機械強度不高，質軟，成型收縮大，表面不易粘貼，印刷.T瓢圖工啖空執型轉收員乙坤牌膜PPPP 聚丙烯類似白色蠟狀， 比聚乙烯更透明更輕， 注塑時流動性好， 吸水性低于0.02%,0.02%,耐化學有機溶劑，除濃硝酸濃硫酸外在很多介質中很穩定，抗沖擊強度高，來回屈服力非常高，高頻電性能不好，易成型收縮率大，耐溫度性強，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增強其耐熱性，韌性,延展性等，它是當今世界上深受喜愛、頗為流行并且也被廣泛應用的一種合成材料。(3)(3)工程塑料可作為工程材料和代替金屬使用的塑料，其機械強度高、耐磨性、耐熱性和化學穩定性好。聚四氟乙烯俗稱“塑料王”O 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，并有一定的抗腐蝕能力，但成型條件要求高。可在較高干溫度、高載荷下條件下長期使用，但不可在濕溫下使用。ABSABS 樹脂目前產量最大，應用最廣泛的聚合物，兼具韌、硬、剛相均衡的

16、優良力學性能。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。丁二烯一一加強柔順性，保持材料韌彈性及耐沖擊強度。苯乙烯一一保持良好成型性（流動性、著色性）及保持材料剛性。（注：根據組份不同，派生出多種規格）（二）橡膠?橡膠分為天然橡膠和合成橡膠兩大類?天然橡膠：來自橡膠樹。?合成橡膠：生橡膠，再加入各種配合劑，有時還要加入骨架材料,常用橡膠：丁苯橡膠（合成橡膠中產量最大）、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，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，又具有液體的流動性。液晶的結構會隨外場（電、磁、熱、力）的變化而變化，如光電效應（在電場作用下，液晶分子的排列方式會發生變化，從而使液晶光學性質發生變化）是液晶最有用的性質之一，如液晶顯示器（液晶顯示的驅動電壓力低，可靠性高，外界光線越強，顯示反而越清晰。液晶顯示無閃爍，不產生對人體有害的輻射，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。導電高分子材料:特點：導電高分子的結構特征和獨特的

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

19、酸或堿溶液浸泡已失去交換能力的交換樹脂，使其發生離子交換反應的逆過程，即用 H+H+或 OHOH-再將樹脂上的陽離子或陰離子交換出來。第四節復合材料復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、復合材料中的基體材料和增強材料(1)(1)基體材料：高分子聚合物、金屬材料、無機非金屬材料。作用：把增強材料粘在一起。(2)(2)增強材料： 凡是能提高基體材料力學性能的物質均稱為增強材料。 作用：起提高強度和韌性作用。T草增強泥HT按基體材料種類分聚合物基復合材料:、復合材料的分類按增強的方式分金屬基復合材料無機非金屬基復合材料顆粒增強復合材料纖維增強復合材料夾層增強復合材料三、聚合物基復合材料聚合物基復合材料