1、第七章 化學與材料chemistry and material7-1 材料的概述材料：材料是指人類制作物品、器件、構(gòu)件和機器或其它有用物品的物質(zhì)。材料是一切科學技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類文明進步的里程碑化學是材料發(fā)展的基礎(chǔ)。化學是在分子、原子、離子的層次上研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)、變化及應(yīng)用的科學。材料的分類傳統(tǒng)上根據(jù)材料的成分與特性，把物質(zhì)分為無機材料（金屬材料和無機非金屬材料）、有機高分子材料和復(fù)合材料依據(jù)材料的用途，通常將材料分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料兩大類。結(jié)構(gòu)材料是指利用材料具有的力學和物理、化學性質(zhì)，被廣泛用于機械制造、工程建設(shè)、交通運輸及能源等部門的材料。功能材料是指利用具有的某種聲、光

2、、電、磁和熱等性能，應(yīng)用于微電子、激光、通訊、能源和生物工程等許多高新技術(shù)領(lǐng)域的材料。智能材料是功能材料的最新發(fā)展，它具有環(huán)境判斷功能、自我修復(fù)功能和時間軸功能，智能材料被譽為21世紀材料。7-2 無機材料金屬材料無機非金屬材料無機功能材料納米材料粉末冶金法7-2-1 金屬材料金屬材料可分為黑色金屬材料和有色金屬材料兩大類。黑色金屬材料包括鐵、錳和鉻以及它們的合金。除黑色金屬外的其他各種金屬及其合金統(tǒng)稱為有色金屬。有色金屬品種繁多，又可細分為輕金屬、重金屬、高熔點金屬、稀土金屬、稀散金屬和貴金屬7-2-1-1 鋼鐵（1）鋼鐵是使用最廣泛的一類黑色金屬材料，其消耗量約占金屬材料的90。其冶煉方法

3、是用焦炭高溫還原精選過的氧化鐵礦石，冶煉時還需加入一定比例的石灰石作助熔劑造渣，其主要反應(yīng)如下：鐵水中含34%的C，以Fe3C形式存在7-2-1-1 鋼鐵（2）鐵水以不同方式冷卻，可以得到性質(zhì)不同，用途也各不相同的生鐵。當鐵水緩慢冷卻時，F(xiàn)e3C分解為鐵和石墨，因其斷口為灰色被稱為灰口鐵；若將鐵水驟冷，F(xiàn)e3C來不及分解，其斷口為白色故稱為白口鐵。鋼鐵是鐵碳合金的總稱。鋼鐵中含碳2的叫生鐵， 0.02的叫純鐵，介于二者之間的稱為鋼。其中含碳0.020.25的稱為低碳鋼，介于0.250.60的稱為中碳鋼，含碳量在0.602的稱為高碳鋼。7-2-1-1 鋼鐵（3）純鐵的晶體結(jié)構(gòu)碳在鋼中存在的方式是

4、間充在鐵晶格的空隙中，形成間隙合金結(jié)構(gòu)。碳在鋼中能夠以4種方式間充在鐵的金屬晶格中，形成奧氏體、滲碳體、馬氏體、鐵素體4種物相。體心立方面心立方體心立方C的可能位置金屬的腐蝕與防止當金屬與周圍介質(zhì)接觸時，由于發(fā)生化學作用或電化學作用而引起的破壞叫做金屬的腐蝕。 估計每年腐蝕而報廢的鋼鐵設(shè)備相當于鋼鐵年產(chǎn)量的1/4,發(fā)達國家年經(jīng)濟損失占GDP的34%。因此在了解金屬腐蝕機理的基礎(chǔ)上懂得如何防止金屬腐蝕和了解如何進行金屬材料的化學保護十分必要。 金屬腐蝕的本質(zhì)都是金屬原子失電子被氧化的過程。 鋼鐵的腐蝕鋼鐵的腐蝕：指鋼鐵和周圍介質(zhì)接觸時，由于發(fā)生化學作用或電化學作用而引起的破壞。根據(jù)腐蝕發(fā)生的機理

5、不同，可分為：化學腐蝕：指單純由化學作用而引起的腐蝕。電化學腐蝕：指當金屬與電解質(zhì)溶液接觸時，由于電化學作用而引起的腐蝕。腐蝕的分類 金屬與周圍介質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而引起的腐蝕叫化學腐蝕。1.化學腐蝕 化學腐蝕發(fā)生在非電解質(zhì)溶液中或干燥的氣體中，在腐蝕過程中不產(chǎn)生電流。如：鋼鐵的高溫氧化脫碳、石油或天然氣輸送管部件的腐蝕等。化學腐蝕原理比較簡單,屬于一般的氧化還原反應(yīng)。化學腐蝕反應(yīng)示例1)鋼鐵的高溫氧化:高溫高溫致密疏松，易龜裂，向縱深腐蝕 2)鋼的脫碳。O2,H2OCO鋼的脫碳原理示意圖金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學作用而引起的金屬腐蝕。例如,鋼鐵在潮濕的環(huán)境中生銹,發(fā)生的就是電化學腐蝕。 較

6、小的金屬易失電子，被氧化而腐蝕，是腐蝕電池的陽極（也稱負極）。電化學腐蝕比化學腐蝕普遍得多,腐蝕的速率一般也快得多。2. 電化學腐蝕1）析氫腐蝕在酸性較強的條件下鋼鐵發(fā)生析氫腐蝕,電極反應(yīng)為:陽極:Fe2e-=Fe2+陰極:2H+2e-=H2 在弱酸性或中性條件下鋼鐵發(fā)生吸氧腐蝕,電極反應(yīng)為：陽極:Fe-2e-=Fe2+陰極:2H2O+O2+4e-=4OH吸氧腐蝕比析氫腐蝕更為普遍。2）吸氧腐蝕相關(guān)題型：1、分別寫出鐵在微酸性水膜中，與鐵完全浸沒在稀硫酸（1mol/L）中發(fā)生腐蝕的兩極反應(yīng)。2、什么是電化學腐蝕？以鋼鐵為例，說明電化學腐蝕的機理。 3、據(jù)估計，每年腐蝕而報廢的鋼鐵設(shè)備相當于鋼鐵

7、年產(chǎn)量的1/4,發(fā)達國家年經(jīng)濟損失占GDP的34%。請描述在酸性的雨水中造成鋼鐵腐蝕的兩種主要類型，并用化學反應(yīng)式表達出來 鐵制水管接頭處易受腐蝕，是電化學腐蝕。陽極（Fe）：Fe=F2+2e陰極（Cu）2H+2e=H2或O2+2H2O+4e=4OH-前者是電化學腐蝕，后者是差異空氣腐蝕（濃差腐蝕）。4、銅制水龍頭和鐵制水管接頭處，哪個部位容易遭受腐蝕？請指明機理并寫出反應(yīng)式。這種腐蝕現(xiàn)象與釘入木頭的鐵釘?shù)母g，在機理上有什么不同？ 金屬腐蝕的防止1.改變金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：例如，把鉻、鎳加入普通鋼中制成不銹鋼。2. 保護層法：例如，在金屬表面涂漆、電鍍或用化學方法形成致密而耐腐蝕的氧化膜等。如白

8、口鐵(鍍鋅鐵)、馬口鐵(鍍錫鐵)。3.緩蝕劑法:在腐蝕介質(zhì)中，加入少量能減小腐蝕速率的物質(zhì)以防止腐蝕的方法。 (1)無機緩蝕劑：在中性或堿性介質(zhì)中主要采用無機緩蝕劑，如鉻酸鹽、重鉻酸鹽、磷酸鹽、碳酸氫鹽等。主要是在金屬的表面形成氧化膜或沉淀物。 (2)有機緩蝕劑：在酸性介質(zhì)中，一般是含有N、S、O的有機化合物。常用的緩蝕劑有烏洛托品、若丁等。 (3)氣相緩蝕劑：如亞硝酸二環(huán)己烷基胺給機器產(chǎn)品（尤其是精密儀器）的包裝技術(shù)常帶來重大革新。4. 陰極保護法 將被保護的金屬作為腐蝕電池或電解池的陰極而 不受腐蝕 。它一般分為犧牲陽極保護法和外加電流法 。(1) 犧牲陽極保護法 用較活潑的金屬或其三元合

9、金如(Zn、Al)連接在被保護的金屬上，被保護的金屬作為腐蝕電池陰極而達到不遭腐蝕的目的。(2) 外加電流法 將被保護金屬與另一附加電極作為電解池的兩個電極。被保護金屬作為電解池陰極，在直流電的作用下陰極受到保護。 利用電解裝置,只要外加電壓足夠強,就可使被保護的金屬不被腐蝕。此法可用于防止土壤、海水和河水中金屬設(shè)備的腐蝕。 外加電流法示意圖鋼鐵的防腐鋼鐵的防腐覆蓋層法：常見的方法，指在金屬表面涂上涂料、過塑、搪瓷、鍍上耐腐蝕的金屬，金屬表面的化學處理均屬此方法。陰極保護法：被保護的金屬（Fe）作為陰極而不遭受腐蝕，此法分為犧牲陽極保護法和外加電流保護法。陽極保護法：與陰極保護相反，是把直流電

10、源的正極與被保護的金屬相連，適用于陽極氧化后能成鈍態(tài)的金屬。 緩蝕劑法：在腐蝕介質(zhì)中，加入少量能減少腐蝕速率的物質(zhì)（叫緩蝕劑）以防止腐蝕的方法叫做緩蝕劑法。7-2-1-2 特種合金特種合金是指具有特殊功能，在特殊條件下作結(jié)構(gòu)材料使用的一種合金，如輕質(zhì)合金、硬質(zhì)合金、高溫合金、低溫合金等，雖然使用量較小，但是屬于極端條件下不可取代的材料，因此非常重要。輕質(zhì)鋁合金鋁的煉制純鋁質(zhì)軟，不耐磨，強度低，不能作結(jié)構(gòu)材料；加入一定量的銅、鎂等元素可制得硬鋁，主要用作建筑裝飾材料等；再加入57的鋅可制成被稱為超硬鋁的鋁鋅鎂銅合金，這種合金硬度高，密度小，易成型，是良好的航空輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料。隨著飛機性能要求的日益

11、提高，提高輕質(zhì)合金綜合性能，并同時降低合金密度是輕質(zhì)合金的主要發(fā)展方向。鋁鋰合金便是在這樣背景下迅速發(fā)展的一類新型輕質(zhì)合金。硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金是指第4（B）、5（B）、6（B）族的金屬和原子半徑小的碳、氮、硼形成的間隙合金，這些合金的硬度和熔點特別高，被稱為硬質(zhì)合金，常用于鉆頭、金屬切削工具等的制作。硬質(zhì)合金是一種主要由不同的碳化物和粘結(jié)相組成的粉末冶金產(chǎn)品。主要碳化物有： 碳化鎢WC、 碳化鈦TiC、 碳化鉭TaC、 碳化鈮NbC在大部分情況下，鈷作為粘結(jié)相使用。高溫合金高溫合金是指在6001200高溫下保持較高的強度和韌性并具有抗氧化或抗腐蝕能力的合金。高溫合金的基體幾乎都是原子擴散能力較

12、小的面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體，可在鐵、鈷或鎳中加入高熔點金屬制成。高溫合金主要用于制造航空、艦艇和工業(yè)用燃氣輪機的高溫部件，還用于制造航天飛行器、火箭發(fā)動機、核反應(yīng)堆、石油化工設(shè)備等。低溫合金（1） 通常把常溫以下直到絕對零度的溫度區(qū)間稱為低溫。低溫合金指適合在低溫下使用而不至產(chǎn)生脆性破壞的合金。一般情況下，合金在低溫下會變硬，容易產(chǎn)生脆硬性破壞。著名的泰坦尼克號沉船事件，就是鋼在低溫下發(fā)生脆性破壞的事故之一。由于那時使用的鋼含硫量較高，當船在北海冰冷的海水中與冰山相撞后，發(fā)生了脆性斷裂導(dǎo)致了本世紀最大的海難事故。低溫合金（2） 能源結(jié)構(gòu)的變化和科技的進步，越來越普遍地使用到液化氣體。液化氣體一般

13、具有極低溫地沸點，如液化天然氣（110K）、液氧（90K）、液氮（77K）、液氫（20K）、液氦（4K），這對生產(chǎn)、貯存及使用這些液化氣體的構(gòu)件提出很高要求。鎳鋼、鋁合金及奧氏體不銹鋼在防止低溫脆性方面性能優(yōu)異，可用于制造火箭、導(dǎo)彈和宇宙飛船的液氫、液氧及其它液體燃料貯箱及輸送管道，還可作制造超導(dǎo)發(fā)電機和電動機的構(gòu)件材料等。7-2-2 無機非金屬材料無機非金屬材料常被稱為陶瓷材料。陶瓷材料分為傳統(tǒng)陶瓷材料和精密陶瓷材料。傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、磚瓦、搪瓷等，主要是各種氧化物的燒結(jié)體；精密陶瓷可以是燒結(jié)體，亦可以是單晶、纖維、薄膜等。它們具有高強度、耐高溫、耐腐蝕、并在聲、光、

14、電、磁等方面有某些優(yōu)良的性質(zhì)。精密陶瓷成分可以是氧化物，也有氮化物、碳化物、硼化物。陶瓷材料用途極廣泛，幾乎遍及現(xiàn)代科技的各個領(lǐng)域。7-2-2-1 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷比鎳基合金更耐高溫，比高熔點金屬如鉬、鎢等更耐腐蝕，是空間技術(shù)和能源開發(fā)的重要材料。在眾多成分和用途各不相同的高溫陶瓷中，最引人注目的是Si3N4，它極有可能替代單晶鎳基高溫合金在高于1373K溫度下作陶瓷發(fā)動機材料。Si3N4中，硅、氮原子是以共價鍵結(jié)合，因此Si3N4具有高硬度、高強度、耐高溫、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點。氮化硅的合成方法硅氮結(jié)合法 還原氧化法 化學氣相法 熱分解法 制成的Si3N4粉體還需要經(jīng)成型，燒結(jié)制成結(jié)構(gòu)

15、陶瓷應(yīng)用陶瓷刀耐磨損、耐腐蝕，不易殘留異味 高速軸承氮化硅陶瓷轉(zhuǎn)子7-2-2-2 超硬陶瓷超硬陶瓷是較硬質(zhì)合金性能更為優(yōu)異的硬質(zhì)材料。金剛石、寶石、立方氮化硼等都屬超硬陶瓷，這些陶瓷如金剛石、寶石等盡管價格昂貴，但它們還是成為商品作為高速切削刀具等，用來切削高硬難加工材料。人造金剛石 金剛石不僅可作首飾，還因其具有的高硬度在工業(yè)上作硬質(zhì)刀具和拔絲的磨具。工業(yè)用金剛石主要來源于人工合成，其硬度和強度不亞于天然金剛石。金剛石的合成方法有兩種，一種是靜水超高壓高溫合成法，一種是沖擊波超高壓高溫合成法。氮化硼材料 氮化硼中BN與碳單質(zhì)中CC是等電子體（總價電子數(shù)目相同，原子數(shù)目也相同的兩種分子稱為等電

16、子分子）。按等電子原理，它們應(yīng)有相似的立方氮化硼，也有類似于石墨結(jié)構(gòu)的六方氮化硼。六方氮化硼性質(zhì)除導(dǎo)電性外，其余均與石墨極為相似，是一種具有潤滑性的白色層狀固體，故有白色石墨之稱。它是耐高溫、耐蝕、高硬度、質(zhì)輕、電絕緣和化學性質(zhì)十分穩(wěn)定的優(yōu)良材料。立方氮化硼硬度略低于金剛石，但是耐熱性能好比金剛石高。人造寶石 自然界中以晶體存在的氧化鋁稱為剛玉。其硬度僅次于金剛石和金剛砂。剛玉中含有少量其他氧化物后，呈現(xiàn)不同的顏色，如含少量Cr2O3是紅寶石，含少量鐵和鈦的氧化物是藍寶石。人工高溫燒結(jié)的氧化鋁稱為人造剛玉，其抗彎強度大，韌性好，但硬度較低，適用于磨削抗張強度大和有韌性的材料，如碳鋼、合金鋼等。

17、人造寶石也常作耐磨材料用于儀器、儀表的軸和手表中的鉆石。人造寶石除有氧化鋁外，還有其他元素的氧化物（ZrO）。 7-2-3 無機功能材料光電子信息材料新能源材料醫(yī)用生物材料智能材料7-2-3-1 光導(dǎo)纖維（1）光通訊技術(shù)已進入了實用階段。光通訊中使用的纖維總稱為光導(dǎo)纖維。光導(dǎo)纖維是由中心部位的芯纖和包敷此芯纖的包皮料組成。其中芯纖的折射率要高于包皮料的折射率。這樣以一定角度入射的光就可以在芯纖和包皮料的界面上發(fā)生光的全反射，使入射光幾乎全部被封閉在芯纖內(nèi)部，經(jīng)反復(fù)曲折前進到達光的輸出端。被研究的光纖材料很多，根據(jù)其成分可將其分為：氧化物玻璃光纖、非氧化物玻璃光纖和聚合物光纖。石英光纖是最具實用

18、價值的光纖，它已廣泛用于各種通訊系統(tǒng)。石英光纖的主要成分為SiO2，還要添加少量的GeO2、P2O5及F等，以控制光纖的折射率。7-2-3-1 光導(dǎo)纖維（2）光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)光的能力非常強，利用光纜通信，能同時傳輸大量信息。例如：一條光纜通路可同時容納十億人通話，也可同時傳送多套電視節(jié)目。光纖的抗干擾性能好，不發(fā)生電輻射，通信質(zhì)量高，能防竊聽。光纜的質(zhì)量小而且細，耐腐蝕，鋪設(shè)也很方便，因此是非常好的通信材料。目前，許多國家已使用光纜作為長途通信的干線。我國也開始生產(chǎn)光導(dǎo)纖維，并在部分城市和地區(qū)投入使用。隨著時代的進步和科學的發(fā)展，光纖通信必將大為普及。7-2-3-2 紅寶石激光晶體普通光源發(fā)光-受

19、激吸收和自發(fā)輻射受激輻射：處于亞穩(wěn)態(tài)（E2）的原子在hv = E2 E1 的光子的誘發(fā)下向E1躍遷，并放出光子的輻射激光(a)受激吸收(b)自發(fā)輻射三能級系統(tǒng)四能級系統(tǒng)激光的應(yīng)用人造衛(wèi)星激光測距（SLR）利用激光殺死病人鼻癌細胞把裝著光纖維的導(dǎo)管插入病人鼻腔內(nèi)，靠光纖維所發(fā)射的激光，與一種化學物質(zhì)起作用，殺死癌細胞。7-2-3-3 超導(dǎo)材料（1）1911年，荷蘭氦液化器的發(fā)明者昂尼斯偶然發(fā)現(xiàn)液氦溫度（4.2K）下，汞電阻突然消失的現(xiàn)象，由此開始了被稱為超導(dǎo)現(xiàn)象的研究。進一步研究表明，要成為超導(dǎo)狀態(tài)，溫度T、磁場強度H和電流密度J都必須分別處于臨界溫度Tc，臨界磁場強度Hc和臨界電流密度Jc以下

20、。物質(zhì)在超導(dǎo)狀態(tài)下，不僅電阻為零而且其內(nèi)部的磁感應(yīng)強度也為零（也就是說是完全性抗磁性的）。超導(dǎo)體的電阻為零意味著電能在產(chǎn)生和輸送的過程中將無電阻損耗，這是及其誘人的應(yīng)用前景之一。然而液氦（4.2K）溫度的苛刻使用條件則嚴格地限制了超導(dǎo)材料的普遍應(yīng)用。液氮無論在價格、來源、制備還是使用上都比液氦有較大的優(yōu)勢。7-2-3-3 超導(dǎo)材料（2）所謂超導(dǎo)電性，是指物質(zhì)在一定的溫度條件下其電阻下降為零的現(xiàn)象。科學家們在研究超導(dǎo)化合物時發(fā)現(xiàn)，化合物內(nèi)部電子的分布是不平均的，在電子分布稀少或者沒有電子的地方會形成一個空穴，而這個空穴可能就是讓物質(zhì)具備超導(dǎo)能力的原因。 7-2-3-4 醫(yī)用生物材料（1）生物金屬

21、材料在生物醫(yī)學材料中，金屬材料應(yīng)用最早，已有數(shù)百年的歷史。唐代就用銀汞合金（主要成份：汞、銀、銅、錫、鋅）來補牙。醫(yī)用金屬材料是指一類用作生物材料的金屬或合金，又稱外科用金屬材料。它是一類生物惰性材料，除具有較高的機械強度和抗疲勞性能，具有良好的生物力學性能及相關(guān)的物理性質(zhì)外，還必須具有優(yōu)良的抗生理腐蝕性、生物相容性、無毒性和簡易可行及確切的手術(shù)操作技術(shù)。人造髖關(guān)節(jié)的頭桿部分。從股骨上端插進金屬桿，桿頭有一個金屬頭，它嵌在粘于髖骨窩中的一個塑料臼中。7-2-3-4 醫(yī)用生物材料（2）生物陶瓷材料18世紀初開始應(yīng)用。無毒、與生物體組織有良好的生物相容性、耐腐蝕。包括生物陶瓷、生物玻璃和碳素材料三

22、大類，主要用于齒科、骨科修復(fù)和植入材料。基本都是脆性材料，容易破裂，發(fā)展方向應(yīng)向開發(fā)復(fù)合（多相）生物材料以及在金屬基體上加涂無機生物陶瓷涂層（薄膜）材料的方面引導(dǎo)。Al2O3陶瓷-金屬組合全髖關(guān)節(jié) 7-2-3-5 形狀記憶合金金屬材料發(fā)生塑性變形后，經(jīng)加熱到某一溫度之上，能夠恢復(fù)到變形前形狀的現(xiàn)象，叫做形狀記憶效應(yīng)，具有此效應(yīng)的合金稱為形狀記憶合金。形狀記憶現(xiàn)象的實質(zhì)是合金發(fā)生了相變。形狀記憶合金的低溫相比高溫相軟得多，低溫相很容易發(fā)生塑性變形而改變形狀。鎳鈦形狀記憶合金是最早開發(fā)成功的形狀記憶合金，它可靠性強、功能好，但價格昂貴；價格便宜的銅基形狀記憶合金如Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni

23、存在著可靠性差的缺點；鐵基形狀合金強度高、剛性好、易加工、價格便宜，是一類很有開發(fā)前途的形狀記憶合金。目前還合成出一些有機高分子樹脂也具有形狀記憶功能，稱為形狀記憶樹脂。分類：1)單程記憶效應(yīng)形狀記憶合金在較低的溫度下變形，加熱后可恢復(fù)變形前的形狀，這種只在加熱過程中存在的形狀記憶現(xiàn)象稱為單程記憶效應(yīng)。 2）雙程記憶效應(yīng)某些合金加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時又能恢復(fù)低溫相形狀，稱為雙程記憶效應(yīng) 3）全程記憶效應(yīng)加熱時恢復(fù)高溫相形狀，冷卻時變?yōu)樾螤钕嗤∠蛳喾吹牡蜏叵嘈螤睿Q為全程記憶效應(yīng) 用途：工業(yè)應(yīng)用：（1）利用單程形狀記憶效應(yīng)的單向形狀恢復(fù)。如管接頭、天線、套環(huán)等。（2）外因性雙向記憶恢復(fù)

24、。即利用單程形狀記憶效應(yīng)并借助外力隨溫度升降做反覆動作，如熱敏元件、機器人、接線柱等。（3）內(nèi)因性雙向記憶恢復(fù)。即利用雙程記憶效應(yīng)隨溫度升降做反覆動作，如熱機、熱敏元件等。但這類應(yīng)用記憶衰減快、可靠性差，不常用。（4）超彈性的應(yīng)用。如彈簧、接線柱、眼鏡架等。 醫(yī)學應(yīng)用：TiNi合金的生物相容性很好，利用其形狀記憶效應(yīng)和超彈性的醫(yī)學實例相當多。如血栓過濾器、脊柱矯形棒、牙齒矯形絲、腦動脈瘤夾、接骨板、髓內(nèi)針、人工關(guān)節(jié)、避孕器、心臟修補元件、人造腎臟用微型泵等。 記憶合金目前已發(fā)展到幾十種，在航空、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著用途，而且發(fā)展趨勢十分可觀，它將大展宏圖、造福於人類。 形狀記憶合金

25、的研究、發(fā)現(xiàn)至今為止已有十幾種記憶合金體系。包括Au-Cd、Ag-Cd、Cu-Zn、Cu-Zn-Al、Cu-Zn-Sn、Cu-Zn- Si、Cu-Sn、Cu-Zn-Ga、In-Ti、Au-Cu-Zn、NiAl、Fe-Pt、Ti-Ni、Ti-Ni-Pd、Ti-Nb、U-Nb和Fe -Mn-Si等 7-5-2 壓電材料壓電效應(yīng)指對某種電介質(zhì)施加應(yīng)力，則出現(xiàn)與此力量相應(yīng)的極化，在電介質(zhì)的兩邊就會產(chǎn)生電壓，反之對材料施加電場而產(chǎn)生形變。具有壓電效應(yīng)的材料叫做壓電材料。通過壓電材料可將機械能和電能相互轉(zhuǎn)換。B超探頭用高性能壓電陶瓷晶片主要用途：高檔醫(yī)用B超探頭材料性能：介電常數(shù)可高達5000、6000、

26、7000系列7-4 有機高分子材料 高分子化合物（macromolecular compounds）又稱高聚物（polymer），其相對分子質(zhì)量很大，通常大于104，鍵長在102104 nm間甚至更長的分子。盡管高分子化合物的分子很大，其化學組成卻往往是比較簡單的，一般都是由相同的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)而成。氯乙稀分子聚合形成聚氯乙烯氯乙烯稱為單體(monomer)，組成高分子鏈的重復(fù)結(jié)構(gòu)單位CH2CHCl稱為鏈節(jié)(chain)，鏈節(jié)的數(shù)目n稱為聚合度(degree of polymerization)。對同一種高聚物來說，n并不相同，所以高分子化合物的分子量是指平均分子量，即高分子化合物實質(zhì)上是聚合度

27、不同的分子的混合物。7-4-1 加聚反應(yīng)和縮聚反應(yīng)由小分子單體合成聚合物的化學反應(yīng)稱聚合反應(yīng)，聚合反應(yīng)種類繁多，如果按照有無低分子物析出可分為加成聚合反應(yīng)和縮合聚合反應(yīng)，簡稱“加聚”和“縮聚”。加聚反應(yīng)由一種或多種單體相互加成，或由環(huán)狀化合物開環(huán)后相互結(jié)合成聚合物的反應(yīng)稱為加聚反應(yīng)，反應(yīng)過程中不產(chǎn)生其它副產(chǎn)物，生成的聚合物的化學組成與單體基本相同。發(fā)生加聚反應(yīng)的一個顯著特點是，參與反應(yīng)的單體分子有不飽和鍵或具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)。如乙烯類單體：X可以是H、Cl、CN或烷基、苯基等在光、熱或引發(fā)劑的作用，雙鍵中的鍵被打開，發(fā)生加聚反應(yīng)：縮聚反應(yīng)由一種或多種單體相互縮合成高分子同時析出低分子物質(zhì)（如水、氨、

28、醇、鹵化氫等）的反應(yīng)稱為縮聚反應(yīng)，在縮聚反應(yīng)中，由于有低分子物析出，所以縮聚物中鏈節(jié)的化學組成與單體不同。參與縮聚反應(yīng)的單體可以是一種，也可以是多種，但都必須具有兩個或兩個以上能參與反應(yīng)的官能團，如_OH、NH2、COOH、Cl等。己二胺、己二醇、己二酸、丙二醇、甘油、鄰苯二甲酸酐等都屬于這一類單體。參加反應(yīng)的兩種單體都只含有兩個官能團時，聚合時生成線型高聚物，如己二胺和己二酸合成的尼龍-66；如果單體之一含有三個或者三個以上的官能團，則縮聚成為體形聚合物。7-4-2 高分子化合物的結(jié)構(gòu)與性能結(jié)構(gòu)特點高分子化合物的形狀有線型結(jié)構(gòu)（linear structure，包括帶有支鏈的）和體型結(jié)構(gòu)（b

29、odily structure）兩種。線型高分子支鏈型高分子體型高分子柔順性線型高聚物除了分子鏈可以運動外，分子鏈中的CC單鍵（鍵）能夠圍繞相鄰單鍵鍵軸，保持一定的鍵角旋轉(zhuǎn)。因此，一個分子鏈在空間可以有眾多變化著的空間形態(tài)，且絕大部分呈卷曲狀。若作用以外力，分子的形態(tài)會發(fā)生改變，同時引起物體外形的改變。去除外力，又能借單鍵的旋轉(zhuǎn)運動而恢復(fù)其卷曲狀態(tài)。高分子鏈的這種強烈卷曲傾向稱為柔順性（flexibility）。柔順性越好，高聚物的彈性就越好。熱性能（1）高聚物從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時，一般沒有確定的熔點。對于線型非晶態(tài)高聚物而言，隨著溫度的變化，從固態(tài)逐步軟化變?yōu)橐簯B(tài)的過程中，出現(xiàn)三種不同的力學狀態(tài)

30、，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)，它們是分子處于不同運動狀態(tài)的宏觀表現(xiàn)。 TgTf 溫 度 形 變 玻璃態(tài)高彈態(tài)粘流態(tài)熱性能（2）玻璃態(tài)和高彈態(tài)間的轉(zhuǎn)變溫度稱為玻璃化溫度，用Tg表示；高彈態(tài)與粘流態(tài)間的轉(zhuǎn)變溫度稱為粘流化溫度，用Tf表示。人們習慣上把Tg高于室溫的高分子化合物稱為塑料；把Tg低于室溫的高分子化合物稱為橡膠；把Tf低于室溫，在常溫下處于粘流態(tài)的高分子化合物稱為流動性樹脂橡膠的Tg越低，Tf越高，其適用的溫度區(qū)間越大；塑料則希望其Tg越高，Tg與Tf相差小，穩(wěn)定而可塑性好體型高分子無粘流態(tài)，且Tg很高。彈性彈性是指某物體形變的可恢復(fù)性。線型高分子化合物在通常情況下總是處于能量低的卷曲狀態(tài)

31、。由于分子鏈的柔順性，當這種聚合物受到拉力時，卷曲的分子可以被拉直一些。這時分子的能量增高。除去拉力后，又會縮卷起來。這就使物體呈現(xiàn)了彈性。例如，橡膠具有良好的彈性。線型或輕度網(wǎng)型聚合物都有不同程度的彈性，但交聯(lián)多時會失去鏈的柔順性，變成僵硬且彈性差的物質(zhì)。塑性線型高分子化合物加熱至粘流態(tài)通過模子壓制成形，冷卻去壓后仍保持其形狀的性質(zhì)叫塑性。塑料就是因為具有可塑性而得名的。反復(fù)加熱冷卻仍保持可塑性的線型高分子化合物稱為熱塑性高分子化合物，如聚乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺等，它們易于加工，可反復(fù)應(yīng)用；另有一些聚合物如酚醛樹脂、脲醛樹脂在加熱過程中會繼續(xù)起變化，分子鏈互相交聯(lián)，結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槭タ伤苄缘捏w型

32、結(jié)構(gòu)，不能多次加熱壓模，這類物質(zhì)稱為熱固性高分子化合物。機械性能主要是指抗壓、抗拉、抗沖擊及抗彎曲等，這些性能取決于一下因素：平均聚合度適當增大，可提高拉伸與抗沖擊強度，過高不但拉伸強度變化不大，還會使Tf升高而不利于加工；高聚物分子鏈中含有極性基因或鏈間形成氫鍵時，都可增大分子鏈間的作用力而提高其拉伸強度；適度的交聯(lián)可提高抗沖擊強度，但過分交聯(lián)則使材料變脆。如乙烯適度交聯(lián)后，抗沖擊強度可提高34倍。而酚醛塑料因交聯(lián)程度高而變脆；高聚物中處于結(jié)晶態(tài)的分子鏈排列緊密，分子鏈間作用力較大，機械強度也較好結(jié)晶度增加，會降低高聚物的彈性和韌性，影響其抗沖擊強度。 絕緣性 高分子化合物對電具有良好的絕緣

33、性，這與其結(jié)構(gòu)有關(guān)。高分子化合物的分子都是由原子通過共價鍵結(jié)合而成的，分子中沒有自由電子和離子，所以不具有離子性或電子性的導(dǎo)電能力。高分子化合物的大分子鏈呈卷曲狀態(tài)，互相糾纏在一起，受熱、聲作用后分子不易振動起來，因而它對熱、聲也具有絕緣性。 化學穩(wěn)定性高聚物的化學穩(wěn)定性較高，許多高分子材料可以制成耐酸、堿及其他化學試劑的優(yōu)良器皿。在某些物理因素（如光、熱、高能射線）、化學因素（如水、氧、酸、堿）以及生物因素（霉）的作用下，很多高聚物，也會發(fā)生化學變化，這種由于環(huán)境的影響使高聚物的性能變壞的現(xiàn)象稱為高聚物的老化。在引起高聚物老化的諸因素中，以氧、熱、光最為重要,通常又以在光、熱等因素的影響和促

34、進下發(fā)生氧化而降解的情況為主。為提高高聚物材料的使用價值，可采取改變高聚物結(jié)構(gòu)、加防老劑（穩(wěn)定劑）及在材料表面鍍（或涂）膜等措施以防止老化。7-4-3 合成高分子材料合成高分子材料，具有諸如質(zhì)輕、比強度大、高彈性、可塑性、透明、耐熱、耐寒、絕緣、耐輻射、耐化學腐蝕，以及易于加工等諸多優(yōu)異性能，而且品種繁多，合成原料豐富，因此在材料領(lǐng)域中占有越來越重要的地位。除橡膠外，塑料和纖維在加工成材料前的高聚物稱為合成樹脂，以區(qū)別于加工成型后的塑料或纖維。而有機膠粘材料、離子交換樹脂、涂料也都稱為合成樹脂，因它們都可以樹脂形式不經(jīng)加工而直接使用。各類高分子材料之間并沒有嚴格的界限。由于合成方法和工藝的不同

35、，同一種高聚物可制成不同的材料。如尼龍、滌綸可作纖維，其相應(yīng)的高聚物也可制成塑料。環(huán)氧樹脂既可制成膠粘劑和涂料，也可加工成塑料。塑料熱塑性塑料和熱固性塑料通用塑料和工程塑料工程塑料是指具有優(yōu)異機械性能、電性能、化學性能及耐熱性、耐磨性、尺寸穩(wěn)定性等一系列特點的新型塑料，可作為工程材料或結(jié)構(gòu)材料，代替金屬使用。如聚四氟乙烯（PTFE）、ABS樹脂、聚甲醛、聚碳酸酯等。工程塑料與金屬材料相比有許多優(yōu)點：容易加工；生產(chǎn)效率高；節(jié)約能源；絕緣性能好；質(zhì)量輕，比重約1.01.4；比強度高；具有突出耐磨、耐腐蝕性等；一般可在100200以上高溫下長期工作。合成纖維（1）指以合成高分子為原料，經(jīng)拉絲工藝獲得

36、的纖維。一般都具有強度高、彈性大、耐磨、耐化學腐蝕、耐光、耐熱等特點。廣泛用作衣料等生活用品。在工農(nóng)業(yè)、交通、國防等部門也有許多重要應(yīng)用。合成纖維的特殊性質(zhì)是由它們主分子鏈的結(jié)構(gòu)決定。首先，合成纖維一般都是線型高聚物；其次，分子鏈具有較大的極性，可以定向排列，產(chǎn)生局部結(jié)晶區(qū)，結(jié)晶區(qū)內(nèi)分子間力較大，可使纖維具有一定的強度。此外，還有非定向排列的無定形區(qū)，其中分子鏈可以自由轉(zhuǎn)動，又使纖維柔軟且富有彈性。合成纖維（2）日常生活用的合成纖維主要有滌綸、錦綸、腈綸、丙綸、氯綸等品種，合成纖維除了這些品種外，還有耐高溫纖維（芳綸1313）、高強力纖維（芳綸1414）、高溫耐腐蝕纖維（氟綸）、耐輻射纖維（聚

37、酰亞胺纖維）以及彈性纖維（氨綸）。 在高分子鏈中引入苯環(huán)，則分子的柔順性減少，結(jié)晶度增大，如若分子鏈間存在氫鍵的話，則分子間力更大，纖維的強度更高。合成橡膠Tg低于室溫，且在 50100內(nèi)不失彈性的高聚物稱為橡膠。橡膠有天然橡膠和合成橡膠。合成橡膠一般是輕度交聯(lián)的線型高聚物，具有優(yōu)良的伸縮性、良好的儲能能力和耐磨、隔音、絕緣等性能。橡膠之所以有這些特殊性能，是因為其分子結(jié)構(gòu)具有三個特點：一是分子的柔順性好；二是分子鏈間僅有弱的作用力；三是分子鏈中含有容易進行交聯(lián)的基團（如不飽和雙鍵）。橡膠分為通用合成橡膠和特種合成橡膠兩大類。7-5 功能材料功能材料的品種很多，重要的有：形狀記憶合金、減振合金

38、、貯氫合金、超導(dǎo)材料、液晶材料，光導(dǎo)纖維、分離膜、醫(yī)用聚合物材料，還有其他加磁功能材料、聲功能材料、光功能材料，以及用于功能轉(zhuǎn)換的熱電材料、壓電材料、光電材料、熱釋電材料、磁光材料、電光材料、聲光材料等。這些材料的成分有的是無機的，有的是有機的,還有是無機有機的復(fù)合體，它們廣泛用于人們?nèi)粘Ｉ睢F(xiàn)代工業(yè)及現(xiàn)代科技等各個方面。7-5-6 磁存儲材料電腦正逐漸進入人們的家庭，未來的人們將越來越多地依賴電腦進行工作。存儲器是電腦的關(guān)鍵部件。磁性材料由于其兩種磁化狀態(tài)很適于表示數(shù)字電子計算機所采用的二進制的0和1兩個數(shù)，并且通過磁電轉(zhuǎn)換便于傳輸，故適于制作存儲器。磁泡存儲器是一種有希望的存儲器。所謂磁

39、泡，實際上是一種圓柱形磁單元（或磁疇）。7-5-7 吸聲材料吸聲材料的功能是把聲能轉(zhuǎn)換成熱能。可用作吸聲材料的有纖維材料、泡沫材料、粉刷和涂料。纖維吸聲材料可以是玻璃纖維、礦物纖維、陶瓷纖維和聚合物纖維，這些纖維在聲波的作用下通過柔順骨架內(nèi)部摩擦、空氣摩擦和熱交換達到吸聲的目的。泡沫材料可以是泡沫玻璃、泡沫陶瓷或泡沫塑料等，這些吸聲材料的共同特征是多孔，孔內(nèi)的空氣在聲波作用時發(fā)生振動，與固體發(fā)生空氣摩擦損耗使聲能變?yōu)闊崮堋Ｗ儫岬目諝馐軌嚎s再和固體發(fā)生熱交換使聲能進一步損耗。其他吸聲材料的吸聲原理也大致是聲能變熱的方式。7-5-8 光色材料變色眼鏡是人們接觸最多的光色材料。所謂光色材料是指受光照

40、射可呈現(xiàn)顏色，停止照射顏色又能夠可逆消退的一類材料。光色材料之所以具有光致變色功能是由于材料中含有光致變色化合物，這些化合物有的是無機物，有的是有機物。無機光致變色化合物主要是因為光氧化還原反應(yīng)而產(chǎn)生光致變色現(xiàn)象的。光色材料以光色玻璃用途最廣，可用作眼鏡鏡片或窗玻璃，也可以用作全息照相的存儲和顯示材料。7-5-10 超細納米材料材料絕大多數(shù)是固體物質(zhì)，若用一般方法將其分散，顆粒大小只能達到微米（10-6m）級。一個顆粒包含著無數(shù)的原子和分子，雖然隨著微粒變小，比表面積加大，由于表面效應(yīng)增大，物質(zhì)的性質(zhì)有所改善，但基本上還是顯示大量分子的宏觀性質(zhì)。20世紀80年代，德國科學家格萊特(Gleite

41、r)提出納米晶體材料（尺寸在0.1nm到100nm之間，處在原子簇和宏觀物體交接區(qū)域內(nèi)的粒子）的概念，并采用人工制備首次獲得納米晶體。納米材料由于具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)引起的奇異力學、電學、磁學、熱學、光學和化學活性等特征，使其在國防、電子、核技術(shù)、冶金、航空、輕工、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，從而掀起了納米材料制備和研究的高潮。7-5-11 光敏性高分子光敏性高分子是一類在光照射后能快速發(fā)生化學反應(yīng)，從而引起材料的物理和化學性質(zhì)變化的聚合物，也稱感光性高分子。這類高聚物已逐漸應(yīng)用于印刷和電子工業(yè)。其原理是應(yīng)用不飽和聚酯在光敏劑的作用下，受到光照射后立即發(fā)生交聯(lián)

42、而不溶于溶劑。遮住未照到光即未交聯(lián)的部分，可被溶劑洗去，這樣感光膠底下的金屬板有的地方被交聯(lián)樹脂所覆蓋，有的則暴露出來，如再經(jīng)化學腐蝕后，可制成各種微小的印刷線路板和凹凸形狀不同的膠輥。7-5-12 導(dǎo)電高分子高分子材料具有絕緣性，這是眾所周知的。但事物總有例外。70年代化學家合成了聚乙炔，發(fā)現(xiàn)它具有導(dǎo)電性能。乙炔分子中碳-碳叁鍵經(jīng)加聚反應(yīng)后得以打開，聚乙炔是一種雙鍵、單鍵間隔連接的線型高分子，分子中存在共軛鍵體系，電子可在整個共軛體系中自由流動，因而可以導(dǎo)電。后來發(fā)現(xiàn)，將碘摻雜到聚乙炔中，導(dǎo)電率會大大提高。迄今為止，已知道聚吡咯、聚噻唑、聚苯硫醚等都具有導(dǎo)電性，并受到了人們的高度重視。導(dǎo)電高