最新二氧化硅和硅酸盐
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三大支柱。从现代科学技术发展史中可以看到，每一项重大的新技 术发现，往往都有赖于新材料的发展
09.03.2021
10
§19.2 金属பைடு நூலகம்料
●概况
——金属材料是以金属元素为基础的材料。纯金属的机械性能 常难满足工程技术的需要，故金属材料常以合金的形式使用
——合金 在纯金属中，加人一种或多种其他元素，通过适当 的成型加工，制造出具有不同性能的各种金属材料
09.03.2021
12
19.2.2 形状记忆合金
●形状记忆效应 合金材料在一定条件下变形后仍能恢复到变形
前原始形状的能力。原因：合金存在着一对可逆转变的晶体结构的 。1951年美国人首先发现金一镉（Au—Cd）合金有记忆形状的特性 。以后发现铟一铊（In—Tl）、镍一钛（Ni—Ti）等
●应用
——加工成内径比欲连接管外径小的套管，再扩径，把欲连管道插 入。温度至常温时，套管收缩即形成紧固密封。20世纪70年代初， Ni—Ti合金管接头在美国F14飞机油路连接系统上得到应用
贮存时间长、无损耗等优点。贮氢合金的迅速发展，必为氢气的利
用开09.0辟3.20更21 广阔的前途
14
19.2.4 金属磁性材料 ●磁性材料（体） 能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用
其磁性的强磁性体即称为磁性材料
发展史
——指南针、指南车 ——20世纪60年代：第一代稀土永磁合金。目前第四代稀土永磁 材料
新型陶瓷 用高纯度无机化合物为原料，在严格控制条件下成型
、烧09.0结3.20或21 作其他处理制成具有微细结晶组织的无机材料
17
——陶瓷材料的优点 化学稳定性好，耐酸碱侵蚀和抗高温氧化 ，制备工艺简单，组成可变，可通过控制其组成获得新性能。某 些材料经适当处理，还可以和晶体材料一样显示各向异性，有的 性能甚至比晶体材料还要优越
•陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥和耐火材料等以硅酸盐化合物为主
要成分制成的传统无机材料
•由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等制成的新型无机非金
属材料
——性能特点 耐高温、高硬度、抗腐蚀等优异性能，以及优良的 介电、压电、光学、电磁学及其功能转换等特性
09.03.2021
16
19.3.1 陶瓷材料
●陶瓷(ceramics)
19.2.1 轻质合金
●定义 轻质合金是以轻金属为主要成分的合金材料。有色金
属与合金中的铝、镁及其合金属于轻金属和轻合金
09.03.2021
11
●类型
——铝合金 按加工方式分为变形铝合金和铸造铝合金。经热处理 提高强度的变形铝合金为硬铝合金，其制品的强度和钢相近，而质 量仅为钢的1／4左右，但耐腐蚀性较差。用压力加工法提高强度的 变形铝合金称为防锈铝合金，可耐海水腐蚀，用于造船工业
二氧化硅和硅酸盐
——物理性质 纯净的石英称水晶，是坚硬，脆性、难溶的无色透 明晶体，膨胀系数很小，骤热骤冷也不易破裂，常用以作光学仪器 ，是光导纤维的主要材料，紫水晶、烟水晶是由于混入杂质所致
——化学性质
•SiO2的化学性质不活泼，不溶于水
•与酸作用情况 只有浓磷酸和氢氟酸可与之作用
SiO2 + 2H3PO4(浓) ==== SiP2O7 + 3H2O
——一般的陶瓷，是以黏土为主要原料，高温煅烧而制得的硬而 强、耐水、性脆的硅酸盐材料
——陶瓷的制作 黏土等与适量水充分调制后，制成一定形状的 坯体。经低温干燥，高温烧结和冷却阶段，生成以3A12O32SiO2为 主要成分的陶瓷材料
——类型 陶器 用普通黏土为原料，在不高于1000℃的温度下烧结而得 细瓷 用较纯净的黏土，在更高的温度下烧成，并经上釉而得
09.03.2021
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§19.1 引言 ●定义 材料（materials）是能用以制作有用物件的物质 ●分类 按化学组成
——金属材料 以金属元素为基础的材料 ——无机非金属材料 除金属和高分子材料外的几乎所有的材料 ——有机高分子材料 ——复合材料
●意义 国际社会公认，材料、能源和信息技术是新科技革命的
——铝锂合金 轻合金中用途最广泛。特点：高强高模。原因：锂 的密度为0.534g／cm3，是铝的1／5，钢的1／15。在铝合金中增加 少量锂可使密度显著降低。对于追求轻质高强材料的航空航天工业 有很大吸引力。民航机上改用铝锂合金，飞机重量可以减轻8％～ 16％，如B737将可减重2178kg，B747SP可减重4200kg，B747—200 可减重5200kg，A310可减重2600kg，A340可减重3900kg
——优点 连接方式接触紧密，防渗漏、装配时间短，远胜于焊接
，特别适合于航空、航天、核工业及海底输油管道等危险场合等领
域。Ni—Ti形状记忆合金可制成人造卫星天线而卷入卫星体内，当
卫星09.0进3.20入21 轨道后，借助于太阳热或其他热源在太空展开
13
19.2.3 贮氢合金
●概况
——贮氢材料 某些过渡金属、合金和金属间化合物有特殊的晶体 结构，使氢易进入其晶格间隙形成金属氢化物，这些金属氢化物可 贮存1000～1300倍的氢，加热时氢能从金属中释放出来
——发现史 1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁一镍合金 具有吸氢特性，1969年荷兰菲利普实验室发现钐钴（SmCo5）合金 能大量吸收氢，随后又发现镧一镍（LaNi5）合金在常温下具有良好 的可逆吸放氢性能，现贮氢合金正在向合金系的多元化发展
●应用
利用贮氢合金贮运氢气，既轻便又安全，不仅没有爆炸危险，还有
●应用 主要有两大类
——硬磁材料或永磁材料 用于发电机、电气仪表等方面 ——软磁材料 用于电动机及变压器的磁芯以及各种磁头材料
09.03.2021
15
§19.3 （新型）无机非金属材料
●概况
——范围 无机非金属材料包括了除金属材料和高分子材料以外的 几乎所有的材料。所有材料中用量最大
——无机非金属材料的种类
SiO2 + 4HF ==== SiF4 + 2H2O SiF4极易与HF配位形成氟硅酸
SiF4 + 2HF ==== H2SiF6
氟硅酸在水溶液内很稳定，是强酸，酸性与硫酸相仿
09.03.2021
2
第十九章 材料与化学
本章要点
本章主要介绍化学与材料科学之间的关系，重点是化学在各种新材 料的开发和应用中的作用，包括金属材料、新型无机非金属材料、 有机高分子材料、复合材料以及纳米材料等
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§19.2 金属பைடு நூலகம்料
●概况
——金属材料是以金属元素为基础的材料。纯金属的机械性能 常难满足工程技术的需要，故金属材料常以合金的形式使用
——合金 在纯金属中，加人一种或多种其他元素，通过适当 的成型加工，制造出具有不同性能的各种金属材料
09.03.2021
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19.2.2 形状记忆合金
●形状记忆效应 合金材料在一定条件下变形后仍能恢复到变形
前原始形状的能力。原因：合金存在着一对可逆转变的晶体结构的 。1951年美国人首先发现金一镉（Au—Cd）合金有记忆形状的特性 。以后发现铟一铊（In—Tl）、镍一钛（Ni—Ti）等
●应用
——加工成内径比欲连接管外径小的套管，再扩径，把欲连管道插 入。温度至常温时，套管收缩即形成紧固密封。20世纪70年代初， Ni—Ti合金管接头在美国F14飞机油路连接系统上得到应用
贮存时间长、无损耗等优点。贮氢合金的迅速发展，必为氢气的利
用开09.0辟3.20更21 广阔的前途
14
19.2.4 金属磁性材料 ●磁性材料（体） 能磁化到较大磁化强度并在实际中可利用
其磁性的强磁性体即称为磁性材料
发展史
——指南针、指南车 ——20世纪60年代：第一代稀土永磁合金。目前第四代稀土永磁 材料
新型陶瓷 用高纯度无机化合物为原料，在严格控制条件下成型
、烧09.0结3.20或21 作其他处理制成具有微细结晶组织的无机材料
17
——陶瓷材料的优点 化学稳定性好，耐酸碱侵蚀和抗高温氧化 ，制备工艺简单，组成可变，可通过控制其组成获得新性能。某 些材料经适当处理，还可以和晶体材料一样显示各向异性，有的 性能甚至比晶体材料还要优越
•陶瓷、砖瓦、玻璃、水泥和耐火材料等以硅酸盐化合物为主
要成分制成的传统无机材料
•由氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等制成的新型无机非金
属材料
——性能特点 耐高温、高硬度、抗腐蚀等优异性能，以及优良的 介电、压电、光学、电磁学及其功能转换等特性
09.03.2021
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19.3.1 陶瓷材料
●陶瓷(ceramics)
19.2.1 轻质合金
●定义 轻质合金是以轻金属为主要成分的合金材料。有色金
属与合金中的铝、镁及其合金属于轻金属和轻合金
09.03.2021
11
●类型
——铝合金 按加工方式分为变形铝合金和铸造铝合金。经热处理 提高强度的变形铝合金为硬铝合金，其制品的强度和钢相近，而质 量仅为钢的1／4左右，但耐腐蚀性较差。用压力加工法提高强度的 变形铝合金称为防锈铝合金，可耐海水腐蚀，用于造船工业
二氧化硅和硅酸盐
——物理性质 纯净的石英称水晶，是坚硬，脆性、难溶的无色透 明晶体，膨胀系数很小，骤热骤冷也不易破裂，常用以作光学仪器 ，是光导纤维的主要材料，紫水晶、烟水晶是由于混入杂质所致
——化学性质
•SiO2的化学性质不活泼，不溶于水
•与酸作用情况 只有浓磷酸和氢氟酸可与之作用
SiO2 + 2H3PO4(浓) ==== SiP2O7 + 3H2O
——一般的陶瓷，是以黏土为主要原料，高温煅烧而制得的硬而 强、耐水、性脆的硅酸盐材料
——陶瓷的制作 黏土等与适量水充分调制后，制成一定形状的 坯体。经低温干燥，高温烧结和冷却阶段，生成以3A12O32SiO2为 主要成分的陶瓷材料
——类型 陶器 用普通黏土为原料，在不高于1000℃的温度下烧结而得 细瓷 用较纯净的黏土，在更高的温度下烧成，并经上釉而得
09.03.2021
9
§19.1 引言 ●定义 材料（materials）是能用以制作有用物件的物质 ●分类 按化学组成
——金属材料 以金属元素为基础的材料 ——无机非金属材料 除金属和高分子材料外的几乎所有的材料 ——有机高分子材料 ——复合材料
●意义 国际社会公认，材料、能源和信息技术是新科技革命的
——铝锂合金 轻合金中用途最广泛。特点：高强高模。原因：锂 的密度为0.534g／cm3，是铝的1／5，钢的1／15。在铝合金中增加 少量锂可使密度显著降低。对于追求轻质高强材料的航空航天工业 有很大吸引力。民航机上改用铝锂合金，飞机重量可以减轻8％～ 16％，如B737将可减重2178kg，B747SP可减重4200kg，B747—200 可减重5200kg，A310可减重2600kg，A340可减重3900kg
——优点 连接方式接触紧密，防渗漏、装配时间短，远胜于焊接
，特别适合于航空、航天、核工业及海底输油管道等危险场合等领
域。Ni—Ti形状记忆合金可制成人造卫星天线而卷入卫星体内，当
卫星09.0进3.20入21 轨道后，借助于太阳热或其他热源在太空展开
13
19.2.3 贮氢合金
●概况
——贮氢材料 某些过渡金属、合金和金属间化合物有特殊的晶体 结构，使氢易进入其晶格间隙形成金属氢化物，这些金属氢化物可 贮存1000～1300倍的氢，加热时氢能从金属中释放出来
——发现史 1968年美国布鲁海文国家实验室首先发现镁一镍合金 具有吸氢特性，1969年荷兰菲利普实验室发现钐钴（SmCo5）合金 能大量吸收氢，随后又发现镧一镍（LaNi5）合金在常温下具有良好 的可逆吸放氢性能，现贮氢合金正在向合金系的多元化发展
●应用
利用贮氢合金贮运氢气，既轻便又安全，不仅没有爆炸危险，还有
●应用 主要有两大类
——硬磁材料或永磁材料 用于发电机、电气仪表等方面 ——软磁材料 用于电动机及变压器的磁芯以及各种磁头材料
09.03.2021
15
§19.3 （新型）无机非金属材料
●概况
——范围 无机非金属材料包括了除金属材料和高分子材料以外的 几乎所有的材料。所有材料中用量最大
——无机非金属材料的种类
SiO2 + 4HF ==== SiF4 + 2H2O SiF4极易与HF配位形成氟硅酸
SiF4 + 2HF ==== H2SiF6
氟硅酸在水溶液内很稳定，是强酸，酸性与硫酸相仿
09.03.2021
2
第十九章 材料与化学
本章要点
本章主要介绍化学与材料科学之间的关系，重点是化学在各种新材 料的开发和应用中的作用，包括金属材料、新型无机非金属材料、 有机高分子材料、复合材料以及纳米材料等