大学工程化学第五章-化学与材料科学

1、化学与材料科学1T5材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志新材料时优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金属材料A11复合材料材料无机非金属材料高分子材料第一节 金属和合金材料司母戊鼎T铁锄与铁犁铝窗金属材料：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念考：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

2、含量调到规定范围，就得到钢。（碳素钢、合金钢）。 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） 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噂上（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、镀等。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

3、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15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C制造飞机的材料中为什么大量使用铝合 金而不用纯铝？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 人造骨。（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

4、合物的 硬度和耐磨性及钢的强度和韧性 。硬质合金刀具硬质合金钻头硬质合金模具.屈（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14用钛-镶形状记忆合金制成的人造卫星天线派的麴开版复低温下（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H2,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”H2 ,是开发 利用氢能源、分离精制高纯氢的理想材料。23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

5、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 尼镇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。智能材料手表智能材料摆闸智能材料隐身 轰炸机智能材料涂层窗 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

6、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、

7、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。:、传统硅酸盐材料硅酸盐制品：天然硅酸盐和人造硅酸盐土（高岭土）、石英和长石为原料，其性质稳定、于水、用途广泛。混凝土水泥玻璃万陶瓷-传统陶瓷乂称普通陶瓷，是以天然材料 等）为原料的陶瓷，主要用作建筑材

8、料使用。人造硅酸盐是以黏 熔点高、难溶（如黏土、石英、长石o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、整流器晶体管集成电路发光二极管 22整流器、发光二极管等。四、新型无机非金属材料（一）精细陶瓷37耐高温、耐腐蚀的透明陶瓷材料陶瓷发动机功能陶瓷高温超导体陶瓷刹车片高速超导体磁悬 浮列车生物陶瓷光导纤维（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

9、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35倍。至于金属一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

10、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（PV。、聚乙烯（PE）、聚四氟乙烯（PTFEE、聚甲醛（POM、聚酰胺（PA）、酚醛树脂等。合成 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。nCHaCHCl

11、 * fCHjCH3TICl氯乙烯聚氯乙烯 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。引发剂nNH2(CH2)5COOH> -ENHYCH2片CO* +nH2O6-氨基己酸聚酰胺(尼龙-6)分类?按高分子主链：碳链高分子化合物;杂链高分子化合物;YCHaCH* I C1-ENHYCHz为CCHt 元素有机高分子化合物;芳、杂环高分子化合物。R RIIMeO- Si- O SiOIIROMeSiOMe? 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:、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

12、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。NCH2OH+ HOCH2 -N8t NCH2。一次一 N + H2Oo（二）高分子化合物的三种物理态线型高分子化合物随温度的 高会呈现三种不同的物理状态， 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，Tgo高弹态与黏流态转化温度称 为黏流化温度，Tfo状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。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

13、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。 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。 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。 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

14、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.T瓢图工啖空执型转收员乙坤牌膜PP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，

15、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。t33dPVC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” OPC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

16、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。（注：根据组份不同，派生出多种规格）（二）橡胶?橡胶分为天然橡胶和合成橡胶两大类?天然橡胶：来自橡胶树。?合成橡胶：生橡胶，再加入各种配合剂，有时还要加入骨架材料, 常用橡胶：丁苯橡胶（合成橡胶中产量最大）、氯丁橡胶硅橡胶37涂料的成分

17、（三）涂料通常叫作“油漆”，指涂到物体表面后， 使 观并得到保护，或者在物体表面形 成具有其他均 膜（防腐蚀、防氧化等） 的化学品。T四、功能高分子材料高分子液晶材料：液晶既像晶体一样具有各向异性，又具有液体 的流动性。液晶的结构会随外场（电、磁、热、 力）的变 化而变化，如光电效应（在电场作 用下，液晶 分子的排列方式会发生变化，从 而使液晶光学性质发生变化）是液晶最有用 的性质之一，如 液晶显示器（液晶显示的驱 动电压力低，可靠 性高，外界光线越强，显 示反而越清晰。液晶显示无闪烁，不产生对人 体有害的辐射，非常 适用于电视和电脑的显 示器）。光敏高分子材料：光敏高分子材料是指在 光的作用

18、下能够显示特殊性能的聚合物， 如感光材料、光刻胶、光固化涂料等。导电高分子材料:电磁屏蔽光电子器件特点：导电高分子的结构特征和独特的掺杂机制，使其具有优异的 物理化学性质。与金属相比，导电高分子材料具有 重量轻、易成型、生物医用高分子材料：生物医用高分子材料是指用于 生物体或治疗过程的高分子材 料。用途：组织修复、人工器官、治疗用器材、药物释放等。离子交换树脂：(1)交换种类：离子交换树脂的矛溶、不熔的体型高分子化合物，有阳离子交换树脂和阴离子交 换 树脂之分。47(2)交换机理阳离子交换反应2R-SO3H+Ca2+ (R-SO3) 2Ca+H 22R-SO3H+Mg 2+(R-SO3) 2M

19、g+H 2阴离子交换反应2R-CH 2N (CH3) 30H+Cl-R-CH 2N (CH3) 3cl+OH-(3)树脂再生 用强的无机酸或碱溶液浸泡已失去交换能力的交换树脂，使其发生离子交换反应的逆过程，即用 H +或0H-再将树脂上的阳离子或阴离子交换出来。第四节复合材料复合材料是由两种或两种以上的不同材料组合而成的一种多相固体材料。一、复合材料中的基体材料和增强材料(1)基体材料：高分子聚合物、金属材料、无机非金属材料。作用：把增强材料粘在一起。(2)增强材料：凡是能提高基体材料力学性能的物质均称为增强 材料。作用：起提高强度和韧性作用。T草增强泥"HT按基体材料种类分聚合物基

20、复合材料:、复合材料的分类按增强的方式分金属基复合 材料无机非金属 基复合材料颗粒增强复 合材料纤维增强复合材料夹层增强复合材料三、聚合物基复合材料聚合物基复合材料是以有机聚合物为基体，连续纤维为增强材料复 合而成的。（一）玻璃纤维增强塑料 （玻璃钢）（1）玻璃纤维由熔融的玻璃经拉丝制成纤维。强度高：抗拉强度可达10003000MPa特点密度小：2.5 2.7g/cm3;化学稳定性好：不燃烧；不吸水，尺寸稳定；缺点：脆性较大、耐热性低，250c以上开始软化 优点：价格低廉、制取方便。(2)玻璃钢用玻璃纤维增强工程塑料的复合材料，即玻璃钢。玻璃钢分为两种，即热塑性玻璃钢和热固性玻璃钢。特点：密度低、强度A热塑性玻璃钢由203 40%勺玻璃纤维和60%- 80%勺热塑性树脂(如尼龙、ABS等)组成，具有高强度和高冲击韧 性，良好的低温性能及低热膨胀系数。玻璃钢汽车保险杠47B、热固性玻璃钢由60%- 70喊璃纤维（或玻璃布）和 30% 40喊固性树脂（环氧、聚酯树脂等）组成。 优点：密度小、强度高， 耐蚀性、绝缘性、绝热性好；吸水性、防磁