化学与社会生活(材料) ppt课件

水平的材料。从微米级到纳米级的进步，不仅是制备工艺上的
跃进，而且将推动材料科学理论的发展。纳米级材料将会有意 想不到的新的和高的性能。（构成尺寸）
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材料研制方向
智能材料，它既能像人的五官那样感知客观世界，又能能动 地对外作功、发射声波、辐射电磁波和热能，甚至促进化学反 应和改变颜色等类似有生命物质的智慧反应。当然这类材料的 智慧功能的获得是材料与电子、光电子技术结合的结果。（功
且能具有特定的功能。 智能型。要求材料本身具有感知、自我调节和反馈的能力， 即具有敏感和驱动的双重功能。 少污染。为了人类的健康，要求材料的制作和废弃的过程中 尽可能少对环境污染。 可再生。一方面是保护和充分利用自然的资源，另一方面又 不为地球积存太多的废料。 节约能源。要求制造时能耗少；要求能够帮助节能和利用新 的能源。 长寿命。要求材料能少维修或不维修，物美价廉。
钛合金喇叭
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佳能数码相机采 用 钛合金机身
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钛合金 钛可和多种金属形成合金。加入的主要金属元素有：铝、 钒、铬、钼、锰和铁等。这些合金元素能与钛形成置换固溶 体或金属化合物而使合金强度提高。加铝可改善抗氧化性能； 加钼可显著提高对盐酸的耐蚀性，加锡能提高抗热性。 目前钛及钛合金3/4左右用于航空航天领域，是制造超音速 飞机、火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料，被称为“航 空金属”。钛合金作为耐热、耐腐蚀材料，被广泛用于化工、 石油、发电等工业中。钛与生物组织和体液有良好的兼容性， 可以作为生物材料用于制造人工关节、心脏起搏器。
高炉 平炉、转炉
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1、生铁
（1）性能：含炭 2.0 ~ 4.3%
具有脆性（含硫、磷）
（2）炼铁：铁矿石、燃料、熔剂、空气 （3）用途：90%用于炼钢；10%用于铸造 （4）品种： 白口铁——化合碳 灰口铁——石墨碳 铸铁——含炭量大于2%的生铁经重新熔炼后则称为铸铁 球墨铸铁 ——浇铸前往铁水中加入少量球化剂 （钙、镁、
高分子材料——各种材料百花齐放
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材料的分类
1、按化学组成分：
金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料
2、按使用性能分： 结构材料——力学性能
功能材料——光、电、磁、热、声特性和效应
3、按材料的应用对象： 信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料
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材料的新要求
结构与功能相结合。要求材料不仅能起到结构上的作用，而
镁-锌-锆系合金。属高强镁合金。由于塑性较差，不易焊 接，主要生产挤压制品和锻件。
2、铸造镁合金
与变形镁合金相比，在应用方面占统治地位。主要分无锆 和含锆镁合金。
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你知道吗？
2002年英国科学家开发成功具有极高强度和延展
性的镁合金，这种镁合金采用急速凝固法制成，它的
成分中97%是镁，钇和锌分别占2%和1%,具有100200nm的微观结构。它的强度大约是超级铝合金的3倍,
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你知道记忆合金 的发现历史吗？
偶然发现镍钛合金丝竟然也具有一种“形状记忆”的本领。
50%镍和50%钛的合金在温度升高到40˚C以上时， 能“记住”自己原来的形状。
的“镍 温花钛 度瓣记 放下 ” 忆 慢在合 慢相金 绽应
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记忆合金为何具有“记忆”
合金的这种记忆效应是由合金的 “相变化”来实现
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四、钛合金
金属钛 钛比钢轻，但机械强度可与钢媲美，在极为广泛的温度范 围内保持其机械强度，而且不会生锈，尤其对海水和绝大部 分酸。金属钛几乎能溶解所有的金属。
地壳中钛的含量极为丰富，含钛的矿物有70多种，目前工 业上主要用钛铁矿（FeTiO3）和金红石（TiO2），采用钠热 法、碘化法或镁热法将钛铁矿石中的钛还原出来。这样还原 出来的钛呈疏松多孔的海绵状，称为海绵钛。
用记忆合金 制作的眼镜架。 当这种眼镜架 弯曲时，只要 将它放入55℃ 的温水中，即 可恢复到原来 的形状
形 状 记 牙忆 齿合 金 矫 正
在医疗器械方面，形状记忆合金可用于矫正脊椎 骨，校正牙齿。
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也有人用记忆合金黄铜弹簧制成防 烫伤莲蓬头，当水的温度太高时，弹 簧可以自行关闭热水，以防止淋浴时 意外烫伤。
正火 退火的特殊形式，在空气中冷却，硬度比退火大 淬火 加热到一定温度以上，保温，在水、盐水、油介质中
快速冷却，提高硬度
回火 淬火后再加热，保温，冷却，降低淬火钢件中内应力 提高塑性韧性
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化学热处理 在活性介质中加热，使某些元素渗入，改变表层化学成分 化学热处理的目的主要是提高钢件表面的硬度、耐磨性、 抗蚀性、抗疲劳强度和抗氧化性等。
术密切相关。美国约有1/3的科技人员从事材
料科学研究、开发和应用工作。目前，我国
也在不断提高原有材料性能的基础上，大力
发展新型材料，以满足社会发展的需要。
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主要内容
金属材料 无机非金属材料 合成高分子材料
复合材料
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金属材料
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金属材料潜力无穷
青铜
金属分类：
据称是当时世界上强度最高的合金。此外它还具有超
塑性、高耐热性和高耐腐蚀性。 由于镁在飞机、导弹和航天飞机上的突出作用，在第 一、第二次世界大战期间，镁的生产和产量与称作 “战争的晴雨表” 。
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三、铝合金 铝合金密度小，硬度大，导电导热性能好，耐腐蚀性能好， 易于加工。铝是仅次于铁的第二大金属材料 铝中加入的金属有镁、铜、锌、锰、硅等。经过热处理使 强度大为提高的铝合金称为硬铝合金。增加铜和镁的含量， 可提高硬铝合金的强度，但是铜含量的增加会降低合金的抗 腐蚀性。加入少量的锰会提高硬铝合金的耐热性，还可降低 合金在焊接时形成裂纹的倾向。
的，随着温度的改变，合金的结构从一相转变到另一相。
在转变温度以下，金属晶体结构处于一种不稳定结构状态， 在转变温度以上，金属结构是一种稳定结构状态，一旦把 材料加热到转变温度以上，不稳定的晶体结构就转变成稳 定结构，材料也就恢复了原来的形状。
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记忆合金的应用
在民用产品方面，形状记忆合金可用于移动电 话天线、钓鱼线、眼镜的镜架等。
钢铁
铝及铝合金
钛及钛合金
你知道吗？
黑色金属——铁、锰、铬及其合金 有色金属——除去黑色金属外的金属
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一、钢铁
钢铁用量占金属材料总用量的80%，品质繁多 钢铁都为铁炭合金 按含炭量多少分为： 生铁 2.0 ~ 4.3＞ 1.7%C 钢 熟铁 0.3 ~ 2.0% C ＜ 0.3% C
铁矿石 生铁 钢
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纯金属内原子的 排列十分规整
合金内原子层之间的 相对滑动变得困难
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二、镁合金
镁合金密度小，硬度大，阻尼性、导热性、切削加工性、 铸造性能好、电磁屏蔽能力强、尺寸稳定、资源丰富(2%)、 容易回收等优点，在交通运输、航空、航天等领域得到广泛 用途。
镁中加入的金属有铝、锌、锰等。加入铝和锰能使镁合金 的晶粒细化,强度提高,加入锰会提高镁合金的抗腐蚀能力。
高尔夫钛合金球头
钛合金换颅骨
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钛合金烤瓷牙
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我国钛钒储藏量居世界第一, 占全世界70％左右. 中国
钛矿分布于10多个省区。钛矿主要为钒钛磁铁矿中的钛矿、 金红石矿和钛铁矿砂矿等。中国钛钒矿资源主要分布在四川、 云南、广西等西部地区，以攀枝花为主要储藏地.攀枝花的 二氧化钛保有储量8.98亿吨，其中表内储量5.978亿吨，约 占全国储量的93%，世界储量的59%. 钒矿总保有储量 V2O5 2596万吨，占全国储量的58%，世界的34.7%.最近,
化学与社会
（材料）
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材 料
新材料一旦应用，大大促进了科学技术和生产的也使人类的文明生活发生变化。材料是人类 生活提高的重要标志。
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材料是指能为人类作有用物件的物质。
人类利用材料的历史发展：
陶器 ——青铜——铁器——半导体——
记忆合金制成元件，安装在工厂、仓 库、宾馆等建筑的电路中，人们会迅 速将火灾消灭在发生之前。
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在建筑方面，形状记忆合金是连接零件和管道的能 手。
用记忆合金连接管道
用TiNi─1镍钛记忆合金制作的记忆合金热机 实验装置。将冷热水分别置于两个水槽中， 利用冷热水的交替作用，即可使水槽上方的 螺旋桨转动或停止
渗碳—增碳
氮化—增氮 氰化—碳氮共渗，高硬度高耐磨性
渗金属—合金元素，可获得某些特殊性能
渗铬：硬度，耐磨，抗蚀 渗硅：耐酸
渗铝：耐热，抗氧化
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碳钢的用途
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3、合金钢
改善钢的组织和性能而特意加入的元素称为合金元 素。合金可分为三种基本类型:相互溶解,形成金属固 溶体,如Cu、Zn形成的黄铜合金；相互起化学作用， 形成金属化合物，如Al-Ti合金，它的耐腐蚀性比不锈 钢高100倍；相互混合，形成机械混合物，如焊锡。 钢中常加的元素：Mn、Si、Cr、Ni、Al、B、W、 Mo、V、Ti
稀土元素等）和石墨化剂（硅铁或硅钙合金）则碳
以球状石墨结晶存在，称为球墨铸铁
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2、碳钢 （1） 碳钢中几种元素的影响： C：碳含量增加可提高钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性
S：有害元素，热加工时易开裂——热脆现象
P：有害元素，低温时使钢显著变脆——冷脆现象 Mn：炼钢时作为脱氧剂加入，与S生成MnS可清除S的影响， 能提高钢的强度和硬度 Si：作为脱氧剂加入，对钢的性能影响不大。
底部采用铝镁合金， 便于散热的同时带来 轻盈坚固的特性。
西门子铝镁合金滑盖 手机
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采用铝镁合金做支架
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镁合金可以分成变形镁合金和铸造镁合金两类：
1、变形镁合金
镁-锰系合金。可进行各种压力加工而制成管、棒、板、型 材和锻件，主要用作航空、航天器的结构材料。
镁-铝-锌系合金。均为高塑性锻造镁合金。
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材料研制方向
多相复合材料，包括纤维（或晶须）增强或补强的复合材料、 第二相颗粒弥散的复合材料、两（多）相复合材料、无机和有 机复合材料、无机物和金属复合材料、梯度功能复合材料以及 纳米复合材料等，它们已成为当前材料研究的重要对象。（组 成） 纳米材料，指材料的晶粒和晶界等显微构造达到纳米级尺度
能）
生物材料，为了保障人类的健康和长寿，生物材料的发展尤 为人们所注意。生物材料的目标是对人体组织的矫形、修复、 再造、充填以维持其原有功能。它要求材料具有相适应的性能 外，还必须有与人体组织的相容性以及一定的的生物活性。
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新兴材料的研制和生产，是科学技术知识 密集的新兴产业。它的发展与新工艺、新技
在我国泌阳----南阳桐柏之间又发现了世界最大的金红石矿,
有巨大的开采价值.使我国钛钒矿资源又有了新的增长.
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五、几种特殊的金属材料
形状记忆合金 储氢合金
金属的超导性
金属玻璃
未来的金属合金
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1、形状记忆合金 何谓形状记忆合金 在20世纪60年代初，美国海军研究所一个研究小组， 科学家们对此进行了深入的研究，发现铜锌合金、铜铝 镍合金、铜铝镍合金、铜金锌合金等也都具有这种奇特的 本领，即人们可以在一定温度范围根据需要改变它们的形 状，到了一定的特定温度，它们便一个个自动恢复到自己 原来的形状。而这一“改变—恢复”的现象可重复进行， 其记忆力决不会降低。人们把这种现象叫做“形状记忆效 应”，将具有“形状记忆效应”的合金，叫做“形状记忆 合金”。
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以锂作为合金元素添加到铝中而形成铝锂合金。
铝锂合金焊件
铝锂合金煅件
在导弹和航天运载技术中，贮箱 在轨道器进入轨道之前9 min，推 进剂消耗完毕后，坠落并销毁。 为了降低进入空间运输系统的有 效载荷成本，美国于90年代利用 成熟的结构材料技术研制重复使 用运载器(RLV)。轻质高强度的低 温贮箱是美国发展重复使用运载 器（RLV）的最关键技术之一 。 其中采用了铝合金和铝锂合金。
铁 减少铁、除杂 钢 Si、S、P、Mn O2 氧化物，成为炉渣
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(2)炼钢技术
热处理技术
运用钢材因加热与冷却过程不同而得到不同内部结构的变
化规律来改变钢材的机械性能 机理：在加热或冷却过程中发生同素异构转变现象
退火 缓慢加热，保温，随炉缓慢冷却降低硬度消除内应力