新型无机非金属材料.ppt

第三节新型无机非金属材料,一、什么是无机非金属材料1、材料,材料是人类赖以生存和发展的物质基础，是人类进步的里程碑。历史上的石器时代、青铜器时代、铁器时代都是以材料作为时代主要标志的。石器、陶瓷、铁、铜、玻璃、水泥、有机高分子（如塑料等）、单晶材料，每一种新型材料的研制成功，都引起人类文化和生活的新变化。没有半导体材料，便不可能有目前的计算机技术；没有耐高温、高强度的特殊结构材料，便没有今天的宇航工业；没有低损耗的光导纤维，也就没有现代的光通讯；没有有机高分子材料，人们的生活也不可能像今天这样丰富多彩。,(1)按化学组成和特性分,无机非金属材料,传统无机非金属材料,新型无机非金属材料,金属材料,高分子材料：塑料、合成橡胶、合成纤维,2、材料的几种分类方法,(2)按用途分,结构材料：,利用材料的力学和理、化性质，广泛应用于机械制造、工程建设、交通运输等各个工业部门,功能材料：,利用材料的热、光、电、磁等性能用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等许多高新技术领域。,3、生活中的无机非金属材料,玻璃、水泥、陶瓷,金刚石钻头,手表上的“19钻”(人造红宝石轴承的数目),玻璃刀（金刚砂）,石英钟表,煤气炉中的电子打火,彩电（荧光材料）,海底电缆（光导纤维）,电脑的CPU（单晶硅）,隐形飞机（特殊光学材料）,(压电陶瓷),请举出一些你所熟悉的、现代生产和生活中常见的新型无机非金属材料的性能和应用。（若有困难，可上网查找）,一般无机非金属材料具有耐高温、高硬度和抗腐蚀等优良工程性能，其主要缺点是抗拉强度低、韧性差。现代科学技术的发展，要求材料具有强度高、耐腐蚀、耐高温和其他一些特殊性能，这大大促进了无机非金属材料的发展，使无机非金属材料领域除使用传统的硅酸盐材料外，出现了氧化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷等许多具有特殊性能的新型材料，广泛应用于建筑、冶金、机械及尖端科技领域。,二、几种典型的新型无机非金属材料,1、结构材料,2、功能材料光导纤维（光纤）,高温结构陶瓷,1、结构材料高温结构陶瓷,(1)氧化铝陶瓷,用途,坩埚、高温炉管、,刚玉球磨机、,高压钠灯灯管、,用途示例：钠蒸气放电发光问题早在1950年就得以解决，由于没有一种能抵御高温钠蒸气（1400）强烈腐蚀的特殊材料，所以，直到1965年才制取第一支高压钠灯。,高温结构材料与金属材料的性能比较：,耐高温、耐腐蚀、硬度大、耐磨损、不怕氧化。,金属材料：易受腐蚀、不耐氧化、不适合高温时使用,高纯氧化铝透明陶瓷管,氧化铝陶瓷制品,高温结构材料:,(2)氮化硅陶瓷,此外，高温结构陶瓷还有：氮化硼陶瓷、碳化硼陶瓷、等。,Si3N4基陶瓷球轴承,氮化硅陶瓷部件,沙漠车,等,氧化锆陶瓷,碳化硅陶瓷,(3)人造宝石,红宝石和蓝宝石的主要成分都是Al2O3（刚玉）。红宝石呈现红色是由于其中混有少量含铬化合物；而蓝宝石呈蓝色则是由于其中混有少量含钛化合物。1900年，科学家曾用氧化铝熔融后加入少量氧化铬的方法，制出了质量为2g-4g的红宝石。现在，已经能制造出大到10g的红宝石和蓝宝石。,钻石、宝石、玉石的成分是什么，它们是同一类物质吗？,钻石就是，其成分是碳；的主要成分是氧化铝，不同颜色的宝石是因为其中含少量不同的氧化物杂质；的主要成分是硅酸盐。所以，钻石、宝石、玉石都是价格昂贵的“石头”，但它们不是同一类物质。,金刚石,宝石,玉石,1870年，英国科学家丁达尔做了一个有趣的实验：让一股水流从玻璃容器的侧壁细口自由流出，以一束细光束沿水平方向从开口处的正对面射入水中。丁达尔发现，细光束不是穿出这股水流射向空气，而是顺从地沿着水流弯弯曲曲地传播。这是光的全反射造成的结果。,2、功能材料光导纤维（光纤）,光导原理,(1)光导纤维的特点和用途：,(2)光纤光缆与普通电缆比较,真正的光通信时代。目前的光纤通信，是把声音或图象通过电话机或电视摄像机变成电信号，再通过光调制机对激光光源进行调制，把电信号变成光信号，由光导纤维传送到接收端，接收端的激光接收机通过光电转换器，把光信号还原成电信号，进入电话机或电视机，重现发送的声音或图象。未来的光纤通信，可以不用电信号，而是将声音或图象直接转换成光信号用光纤进行传输，电只是作为能源加以使用。到那时电话、电报、电视等电通信方式将变成“光话”“光报”“光视”等光通信方式，人类将进入一个无限美好的真正的光通信时代。,现代通信用光缆,光导纤维在医学上的应用光导纤维不但是通信技术中的重要材料，还是医生的得力助手。目前在医学领域，普遍使用着一种连接着许多光纤的胃镜，光纤胃镜的光源是在体外由光纤传进去的，它不产生热辐射，能减轻病人的痛苦。在光导纤维的一头装着精致小巧的微型镜头，可将胃内的情况传到体外拍摄下来或显示在屏幕上。光导纤维在医学上的另一个重要应用是通过微细的光纤将高强度的激光输入人体的病变部位，用激光来切除病变部位。这种“手术”不用切开皮肤和切割肌肉组织，而且切割部位准确，手术效果好。,光学纤维胃镜,用光导纤维做手术，不用开刀,其他新型无机非金属材料简介,金刚石是目前已知的最硬的材料，可以用来切削和刻划其他物质，被用于钻探、磨削等行业。但是，由于天然金刚石非常少，远远不能满足生产和科研的需要。科学家们通过对石墨和金刚石同素异形体结构的研究，指出了在一定条件下使石墨转化为金刚石的可能性。1955年，美国首先用石墨合成出金刚石，这是材料合成领域的一项重大成就。目前，世界上用石墨合成金刚石的研究发展很快，我国在这方面的研究也在飞速发展，许多城市都建有人造金刚石的工厂和研究所，以满足生产发展的需要。,（1）金刚石,金刚石锯片,（2）巴基球,长期以来，人们总认为碳元素只有两种同素异形体金刚石和石墨，1985年，科学家发现了由60个碳原子组成的分子C60，由于对它的结构认识源于建筑师巴克敏斯特富勒所设计的圆拱形屋顶的启示，人们把它亲切地称为“巴基球”。巴基球现在已发展成一个大家族，有C60、C70、C90等。C60由于其结构的特殊性，使它在超导、磁性、光学、催化等方面表现出优异的性能。当碱金属嵌入C60分子间的空隙后形成K3C60、Rb3C60等，均为良好的超导体，具有很高的临界温度。科学家预言，掺杂的C240、C540有可能成为室温超导体。C60有很强的抗压性、良好的复原性、及高度的稳定性，加上其分子没有棱角，使它成为最优良的润滑剂。将C60作为新型功能基团引入高分子体系，可以得到具有优异导电性能和光学性质的新型功能高分子材料。随着对巴基球研究的深入，它的奇异性能和潜在应用价值相继被发现，人们认为其前途不可限量。,（3）纳米材料,纳米材料指的是微粒直径在10-710-9m级的材料，它具有奇特的光、电、磁、热、力和化学性质。实验上发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生剧烈的燃烧，发生爆炸。有人认为用纳米颗粒作新型火箭的固体燃料将会有更大的推力。另外，用纳米金属颗粒作催化剂可加快化学反应过程，大大提高化工合成的生产效率。如果把纳米颗粒粉末制成块状金属材料，它会变得十分结实，强度比一般金属高十几倍，同时又可以像橡胶一样富有弹性。纳米金属有着奇异的性能超塑延展性，纳米铜在室温下可延伸50多倍而不折断。用这种材料制造飞机、汽车、轮船，会使它们的质量减少到1/10。,（转下页）,纳米碳管是石墨中一层或若干层碳原子卷曲而成的笼状纤维，内部是空的，外部直径只有几到几十纳米。这样的材料很轻，但很结实。它的密度是钢的1/6，而强度却是钢的100倍。用来做防弹背心是再好不过的了。纳米碳管的细尖极易发射电子，用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视。如果把透明、防油、防水的纳米材料颗粒组合在大楼表面或窗玻璃上，大楼不会被空气中的油污弄脏，玻璃也不会沾上水蒸气而永远透明。纳米材料在医学上前途不可限量。用数层纳米材料包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。在人工器官外面涂上纳米粒子可预防移植后的排异反应。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能诊断出各种疾病。纳米颗粒还可用于人体的细胞分离或细胞染色，也可以用来携带DNA进行DNA治疗基因缺陷症。,(4)智能材料,功能材料主要利用材料的热、光、电、磁等性能，用于电子、激光、通讯、能源和生物工程等领域。功能材料的最新发展是智能材料，它具有环境判断功能，自我修复功能和时间轴功能。智能材料既能像人的五官那样感知客观世界，又能主动对外做功，发射声波、辐射电磁波或热能，甚至能促进化学反应和改变颜色等类似有生命物质的智慧反应。,（5）生物材料,生物材料的目标是对人体组织的矫形、修复、再造以维持其原有的功能。生物材料除了应具有人体的组织或器官的功能外，还必须有与人体组织的相容性，对肌体无免疫排异反应，血液相溶性好，无溶血、凝血反应（如人造血），不会引起代谢作用异常现象，对人体无毒、不致癌。目前已经发展起来的生物合金、生物高分子和生物陶瓷（以生物陶瓷为优）基本上能满足这些要求，利用这些材料已经制造出了许多人工器官，如肾、肝、肺、骨关节等。,（6）超导材料,超导材料是一类在低温下（23.2K或更低温度下）电阻可以完全消失的材料。用超导材料做成导线，电阻几乎为零，可以实现远距离无损耗输电；超导材料可以产生极强的磁场，用于制造磁悬浮列车；用超导材料制成的发电机将会比现有的发动机输出功率高100倍以上。由于超导现象发生在很低的温度下，使其应用受到很大的限制，因此寻找研制在较高临界温度下具有超导特性的材料成为近30年来科学家研究的重要课题。1986年，瑞士的IBM公司实验室的JGBendnorz和KAMtiller首先在高温氧化物超导体的研究中取得了决定性的突破。在通式为AxByCuzOw（ALa，Y；BBa，Sr等）的钙钛矿结构的体系中，获得了临界温度Tc达35K的超导体，因此他们获得了1987年诺贝尔物理奖。1987年，美国休斯敦大学的朱经武小组、中科院物理研究所赵忠贤等发现了临界温度Tc为90K的YBaCuO材料，实现了在液氧（77K）中的超导性。,展望21世纪，材料科学的前景是美好的：1.光电转换材料，分解水的催化材料和储氢材料等能源材料将实现高效化；2.集多种功能于一身的复合材料可使我们的生活质量得到进一步改善（如“白色污染”将被消除）；3.高温超导材料进入实用阶段；4.智能材料和机敏材料将得到广泛应用；5、纳米材料将在治疗癌症、存储信息等领域大显神通社会需要材料,材料离不开化学。开发新材料需要大家学好化学。,传统无机非金属材料与新型无机非金属材料的特性对比,本课总结,例题1下列叙述中正确的是（）,A、SiO2属于无机非金属材料B、金属不能作为结构材料C、玻璃是一种新型的非金属材料D、C60也是一种材料,例题,【解析】本题主要考查同学们的阅读能力和理解能力，只要认真阅读本书教材就能准确回答。SiO2可作为光导纤维，是一种新型的无机非金属材料。C60是近几年才发现的一种新的碳的同素异形体，它可用于超导体，是一种新型无机非金属材料，所以A、D正确。金属也属于结构材料，但耐高温，易腐蚀不宜作高温材料。玻璃和水泥等只能属于传统的非金属材料。答案：A、D,例2、C60与现代足球有很相似的结构，下列关于它的说法正确的是A它和石墨、金刚石是同素异形体的关系B它可溶于水，不溶于任何有机溶剂C它不溶于水，可溶于某些有机溶剂D它是碳的一种同位素,【解析】C60是由60个碳原子组成的分子，因此，C60是碳元素的一种单质，它和金刚石、石墨是同素异形体的关系而不是碳元素的一种同位素。“A”正确，“D”不正确。C60分子结构对称、电荷分布均匀，整个分子对外不显电性，因此它是非极性分子。依据“相似相溶”的原则，可判断：C60可溶于某些非极性的有机溶剂中而不溶于极性溶剂水中。所以，“C”正确，“D”不正确。答案：A、C,例3、BGO是我国研制的一种闪烁晶体材料，曾用于诺贝尔奖获得者丁肇中的著名实验。它是锗酸铋的简称。若知：（1）在BGO中，锗处于其最高价态，（2）在BGO中，铋的价态与铋跟氯形成的某种共价化合物时所呈的价态相同，在此氯化物中，铋具有最外层电子稳定结构，（3）BGO可看成是锗和铋两种元素的氧化物所形成的复杂氧化物，且在BGO晶体的化学式中，这两种氧化物所含氧的总质量相同。请填空：(1)锗和铋的元素符号分别是_和_.(2)BGO晶体中的化学式是_.(3)BGO晶体中所含铋氧化物的化学式是_.,【解析】（1）由所学物质结构知识知：GeIVA族元素，最外层4个电子，最高正价+4；Bi：VA族元素，最外层5个电子，最高正价+5，常见化合价+5、+3。所以，在BGO中,Bi为+3价。（3）设BGO的化学式为xBi2O3yGeO2，根据题目所给条件，有：3x=2yx:y=2:3故BGO晶体的化学式为2Bi2O33GeO2，其所含铋氧化物的化学式为Bi2O3。答案：(1)GeBi；(2)2Bi2O33GeO2或Bi4GeO43；(3)Bi2O3,（2）BGO中，Ge为+4价，Bi可能为+5或+3价。但依据题目所给定条件，知：铋的共价氯化物中铋具有最外层8电子稳定结构，显然BiCl5不成立，BiCl3才符合条件（满足化合物中原子最外层8电子结构的条件：原子的最外层电子数共价键数8）。,例4、材料科学是近年来与化学有关的科学研究的热点。某新型无机非金属材料由两种非金属元素组成，它的一种超硬物质，具有耐磨、耐腐蚀、抗冷热冲击、抗氧化的特性。它是以中学化学中的常见物质为原料来生产的。下图所示为其生产过程，其中虚线框内转化是为探究的组成而设，C与H2O反应生成E和F。、均难溶于水且为白色粉末，E的水溶液可使紫色石蕊试液变红色；图中除、（均含元素）外均为中学化学常见物质，且3molM参加反应可以生成8molNH3。,请回答下列问题：（1）写出化学式：单质，化合物；（2）写出下列反应的离子反应方程式：反应；反应；（3）写出反应的化学反应方程式：。,【解析】本题是一道关于元素化合物的推断题，题目给出了一些适当信息和条件。对此类问题，如能充分阅读、理解题目所给信息，利用题目所给条件进行分析推理，就能得出正确结论。由题意：抓特征反应，E与AgNO3溶液反应生成不溶于稀硝酸的白色沉淀G，可确