大学工程化学第五章-化学与材料科学

第五章化学与材料科学T象形尊(西周)青铜器石器铁器材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志材料的发展与人类社会简图新材料在不断地涌现按成分和特性分第一节金属和合金材料T铁锄与铁犁铝窗司母戊鼎金属材料：凡由金属元素或以金属元素为主形成的具有一般金属特性的材料，分为金属和合金（由一种金属与另一种或几种金属或非金属熔合在一起形成的。

金属的一些共性：常温下除汞外均为固体；有金属光泽；电和热的良导体；大多有良好的延展性。

T思考：上面金属都是利用了金属的哪些物理性质？一、常见的合金材料(一) 铁的合金——钢将生铁中的S、P、Si等杂质去除，并且将碳的含量调到规定范围，就得到钢。

（碳素钢、合金钢）。

①碳素钢：铁和碳的合金，分为：低碳钢、中碳钢和高碳钢。

（建筑结构和各种型钢——低碳钢；各种机械零件——中碳钢；各种工具——高碳钢）②合金钢：钢中添加不同合金元素可得到各种性能的合金钢。

如：不锈钢（合金元素为铬Cr和镍Ni）铁及铁合金称为黑色金属，即钢铁材料，其世界年产量已达10亿吨，在机械产品中的用量已占整个用材的60%以上。

带材异形材板材管材（二）轻质合金以轻金属为主要成分的合金材料。

常用的轻金属是镁、铝、钛及锂、铍等。

①铝合金纯铝的机械性能差，导电性能好，大量用于电气工业。

硬铝：Cu 40%、Mg 0.5 % 、Mn 0.5 % 、Si 7%性能：密度小、强度大、抗腐蚀、铝有较好的延展性，可制成0.01mm的铝箔、导电性好。

合金的成分不同，其性质也不相同；如果改变某一合金元 素的含量，合金的性质也会发生改变。

世界上铝的年产量仅次于铁，居第二位。

制造飞机的材料中为什么大量使用铝合 金而不用纯铝？② 钛金钢钛金属腕表被认为是21世纪的重要材料，它具有很多优良的 性能，如熔点高、密度小、强度高、----可塑性好、 易于加工、机械性能好等。

尤其是抗腐蚀性能非 常好，即使把它们放在海水中数年，取出后仍光 亮如新。

钛合金与人体有很好的“相容性”，因此可用来制造（三）硬质合金硬质金属是一种以硬质化合物为硬质相，以金属或合金作为粘接相的复合材料。

它具有硬质化合物的硬度和耐磨性及钢的强度和韧性。

硬质合金钻头硬质合金模具硬质合金刀具（四）记忆合金如果某种合金在一定外力作用下时期几何形态发生改变，而当加热到某一定温度时，它又完全恢复到以前的形状，像这种具有形状记忆效应的合金叫形状记忆合金，简称记忆合金。

低温下用钛-镍形状记忆合金制成的人造卫星天线（五）储氢合金储氢合金是两种特定金属的合金：一种金属可以大量吸进H 2 ，形成稳定的氢化物102；而另一种金属与氢的亲和力小，使氢很容易在其中移动。

储氢合金能大量的“呼吸”H 2 ，是开发 利用氢能源、分离精制高纯氢的理想材料。

氢能源、分离精制装置（六）非晶态合金将熔融状态的合金以极高的速度的速度骤冷，不给原子有序化排列时间，把原子瞬间冻结在像液体一样的无序排列状态，得到的是非晶态合金。

该合金力具有学性能优良、电阻率高及抗腐蚀性能优良等优异性能。

非晶态合金雷尼镍催化剂非晶态合金变压器（七）智能材料在材料或结构中植入传感器、信号处理器、通信与控制器及执行器，使材料或结构具有自诊断、自适应，甚至损失自愈合等某些智能功能与生命特征。

智能材料隐身轰炸机智能材料手表智能材料摆闸智能材料涂层窗户（控制光和热透过率）二、金属纳米材料它的颗粒大小一般在微米级，一个颗粒包含着无数原子和分子，这时材料显示的是大量分子的宏观性质。

特性的表现（一）特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，便失去了原有的富贵光泽而呈黑色。

事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。

尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。

金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。

（二）特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微T 化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。

（三）特殊的磁学性质鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。

磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘。

第二节无机非金属材料一、一些非金属单质及化合物无机非金属材料又称陶瓷材料，包括各种金属元素与非金属元素形成的无机化合物和非金属单质材料（传统硅酸盐材料和新型无机非金属材料）。

非金属元素一般具有较大的电负性，其单质的熔点、沸点及硬度等物理性质与其结构密切相关。

N2、Ar和He等不活泼气体常用作金属焊接或热处理过程的保护气氛。

金刚石用作钻头、刀具以及精密轴承，石墨用作电极、坩埚等，硅是重要的半导体材料。

二、传统硅酸盐材料硅酸盐制品：天然硅酸盐和人造硅酸盐。

人造硅酸盐是以黏土（高岭土）、石英和长石为原料，其性质稳定、熔点高、难溶于水、用途广泛。

◆ 混凝土◆ 水泥◆ 玻璃◆ 陶瓷--- 传统陶瓷又称普通陶瓷，是以天然材料(如黏土、石英、长石等)为原料的陶瓷，主要用作建筑材料使用。

三、半导体材料◆导电机理借电子和空穴这两类载流子的迁移来实现的。

◆半导体种类应用最多的是杂质半导体：p型半导体（空穴半导体）和n型半导体（电子半导体）。

◆半导体应用主要应用是制成具有特殊功能的元器件，如晶体管、集成电路、整流器、发光二极管等。

四、新型无机非金属材料（一）精细陶瓷高温超导体陶瓷发动机陶瓷刹车片高速超导体磁悬浮列车光导纤维生物陶瓷功能陶瓷1耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷材料（二）纳米陶瓷材料绝大多数是固体物质，它的颗粒大小一般在微米级，一个颗粒包含着无数原子和分子，这时材料显示的是大量分子的宏观性质。

➢ 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，陶瓷茶壶一摔就碎，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料，竟然可以象弹簧一样具有良好的韧性。

➢ 研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。

呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。

至于金属---陶瓷等复合纳米材料，其应用前景十分宽广。

➢ 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。

第三节高分子化合物材料109一、高分子化合物概述高分子化合物主要指有机高分子化合物，以C、H、N、O元素为基础，一般由结构相同的单元（单体）多次重复连接（聚合）而成，分子量通常在10000以上并在某一范围内变化。

命名习惯命名法：在单体名称前加“聚”或在单体名称后加“树脂”进行命名：如聚乙烯、聚氯乙烯、酚醛树脂等。

商品命名法：聚酰胺常用商品名称尼龙称呼，聚对苯二甲酸乙二酯（涤纶），聚乙烯醇缩甲醛（维尼纶）。

系统命名法：高分子化合物的链节按有机化合物系统命名法命名，再在其前面加“聚”字。

或后面加“树脂”。

英文缩写命名法：聚氯乙烯（PVC）、聚乙烯（PE）、聚四氟乙烯（PTFE）、聚甲醛（POM）、聚酰胺（PA）、酚醛树脂等。

合成① 加成反应: 加聚反应由一种或多种单体经过加成反应相互结合生成高分子化合物的反应称为加聚反应。

②缩聚反应:由具有两个或两个以上官能团的单体相互缩合形成高分子化合物。

◆分类➢按高分子主链：①碳链高分子化合物；②杂链高分子化合物；③元素有机高分子化合物；④芳、杂环高分子化合物。

➢按聚合反应类型：加成聚合物、缩合聚合物。

➢按使用性能分：塑料、橡胶和纤维类。

二、高分子化合物的结构和性能（一）高分子化合物的结构（1）分子的结构与形态高分子化合物根据分子链的形态不同，分为线型高分子化合物和体型高分子化合物。

N CH2OH+ H OCH2 N N CH2O CH2 N+ H2O（二）高分子化合物的三种物理状态线型高分子化合物随温度的升高会呈现三种不同的物理状态，即玻璃态、高弹态和黏流态。

高分子化合物三种状态随温度的变化而逐渐相互转化，都有一定的转化温度。

高弹态与玻璃态的转化温度称为玻璃化温度，Tg。

高弹态与黏流态转化温度称为黏流化温度，Tf。

Tg高于室温的高分子化合物成为塑料，Tg低于室温的高分子化合物成为橡胶。

三、传统高分子材料（一）塑料（1）组成：以合成树脂为主要成分，再加入填料和用于改善性能的各种添加剂制成。

塑料也可以只由单一树脂制成。

热塑性塑料固化成型后受热可再软化熔融重塑。

热固性塑料一旦固化成型后就变成了体型结构，再加热将不能熔融，也不溶于溶剂。

① 合成树脂合成树脂的种类和含量决定了塑料的基本性质，故塑料常以树脂的名称来命名，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组分，填料主要起着增加机械强度的作用，同时又可以降低原料的成本。

例如石墨、滑石粉、石灰石、高岭土等。

③添加剂。

固化剂使树脂进一步交联成体型结构而固化，形成体型结构可以使塑料制品的强度增加；增塑剂用来提高树脂的可塑性，增加了高聚物的柔韧性和熔融流动性；其他添加剂还有着色剂、稳定剂（防老化）、阻燃剂（减缓燃烧）、抗静电剂、发泡剂等。

（2）通用塑料产量大（总量80%）、价格低、多用于日常生活和包装材料的塑料，包括聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯等。

PE 聚乙烯➢ 最轻的塑料之一，半透明白色状，结晶性材料，屈服能力高但不易回复，优良的介电性能，透水率低耐水性好，化学稳定性高，使用温度可达80-100度，摩擦性能和耐寒性好，但机械强度不高，质软，成型收缩大，表面不易粘贴，印刷。

TPP 聚丙烯➢ 类似白色蜡状，比聚乙烯更透明更轻，注塑时流动性好，吸水性低于0.02%，耐化学有机溶剂，除浓硝酸浓硫酸外在很多介质中很稳定，抗冲击强度高，来回屈服力非常高，高频电性能不好，易成型收缩率大，耐温度性强，低温呈脆性，耐磨性不高。

TdPVC 聚氯乙烯➢ 主要成份为聚氯乙烯，色泽鲜艳、耐腐蚀、牢固耐用，一般需要增加增塑剂、抗老化剂等一些有毒辅助材料来增强其耐热性，韧性，延展性等，它是当今世界上深受喜爱、颇为流行并且也被广泛应用的一种合成材料。

（3）工程塑料可作为工程材料和代替金属使用的塑料，其机械强度高、耐磨性、耐热性和化学稳定性好。

聚四氟乙烯俗称“塑料王”。

PC 聚碳酸酯➢ 具有突出的冲击韧性和抗蠕变性能，很好的耐热性、耐寒性。

耐磨性与尼龙相当，并有一定的抗腐蚀能力，但成型条件要求高。

可在较高干温度、高载荷下条件下长期使用，但不可在湿温下使用。

ABS树脂目前产量最大，应用最广泛的聚合物，兼具韧、硬、刚相均衡的优良力学性能。

ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的三元共聚物，A代表丙烯腈，B代表丁二烯，S代表苯乙烯。

三种组份的作用丙烯睛——使制品表面较高硬度，提高耐磨性、耐热性。

丁二烯——加强柔顺性，保持材料韧弹性及耐冲击强度。

苯乙烯——保持良好成型性（流动性、着色性）及保持材料刚性。