第4章化学与材料

1、第四章第四章 化学与材料化学与材料 材料的分类材料的分类p金属材料金属材料p无机非金属材料无机非金属材料p有机高分子材料有机高分子材料p复合材料复合材料p纳米材料纳米材料 黑色金属材料黑色金属材料 有色金属有色金属(nonferrous)材料材料铁、锰、铬以及它们的合金，应用最广铁、锰、铬以及它们的合金，应用最广除黑色金属以外的其他各种金属及其合金除黑色金属以外的其他各种金属及其合金 轻金属稀土金属重金属金属的一般性质与自由电子的存在密切相关。金属的一般性质与自由电子的存在密切相关。金属具有光泽，不透明；金属具有光泽，不透明；导电性和传热性都非常好；导电性和传热性都非常好；有优异的延展性。有优

2、异的延展性。 纯金属的强度较低，工业上用的大多是合金。纯金属的强度较低，工业上用的大多是合金。合金合金:两种或两种以上金属经高温熔融后冷却得两种或两种以上金属经高温熔融后冷却得到，也可以由金属元素和非金属元素组成，如碳钢。到，也可以由金属元素和非金属元素组成，如碳钢。合金品种繁多，性能各异。如不锈钢，钢中加入合金品种繁多，性能各异。如不锈钢，钢中加入一定量的铬。一定量的铬。 有色金属的合金，主要有有色金属的合金，主要有铝合金铝合金、镁合金、铜合、镁合金、铜合金、钛合金、镍合金和锌合金等。金、钛合金、镍合金和锌合金等。 制备金属铝常用电解法。制备金属铝常用电解法。Al2O3是非常稳定的是非常稳定

3、的化合物。在高温下对熔融的氧化铝进行电解，其化合物。在高温下对熔融的氧化铝进行电解，其反应如下：反应如下： 金属铝的强度和弹性模量较低，硬度和耐磨性较差金属铝的强度和弹性模量较低，硬度和耐磨性较差 镁、铜、锌、锰、硅等元素与铝形成合金后，不但提高了镁、铜、锌、锰、硅等元素与铝形成合金后，不但提高了强度，而且还具有良好的塑性和压力加工性能。强度，而且还具有良好的塑性和压力加工性能。 铝合金强度高、相对密度小、易成型，广泛用于飞机制造铝合金强度高、相对密度小、易成型，广泛用于飞机制造业、汽车工业及建筑业。业、汽车工业及建筑业。 将变形的合金加热到相变温度时，发生相转将变形的合金加热到相变温度时，发

4、生相转变而完全恢复原来的形状。变而完全恢复原来的形状。 最早研究成功的形状记忆合金是最早研究成功的形状记忆合金是Ni-Ti合金，合金，可靠性强、功能好，但价格高。可靠性强、功能好，但价格高。 铜基形状记忆合金加铜基形状记忆合金加Cu-Zn-Al和和Cu-Al-Ni，铁基形状记忆合金。铁基形状记忆合金。 应用n航空航天领域：人造卫星上庞大的天线可以用记航空航天领域：人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射之前，将抛物面天线折叠起来忆合金制作。发射之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温自然展开，恢复抛物面形状

5、。道后，只需加温自然展开，恢复抛物面形状。 n临床医疗领域：如人造骨骼、伤骨固定加压器、临床医疗领域：如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等。牙科正畸器等。n消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖警装置。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，当温度过低或过高时，自动开启或气的阀门内，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。关闭暖气的阀门。 原理：利用合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。原理：利用合金与氢形成氢

6、化物而把氢贮存起来。 要求要求 贮氢量大；金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容贮氢量大；金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解；室温下吸、放氢的速度快；使用寿命长和成本易分解；室温下吸、放氢的速度快；使用寿命长和成本低。低。 目前正在研究开发的贮氢合金主要有：目前正在研究开发的贮氢合金主要有： 镁系贮氢合金如镁系贮氢合金如MgH2,Mg2Ni等；等； 稀土系贮氢合金如稀土系贮氢合金如LaNi5； 钛系贮氢合金如钛系贮氢合金如TiH2,TiMn1.5。 应用：氢动力汽车的试验已获得成功。应用：氢动力汽车的试验已获得成功。 氢的回收、分离、净化氢的回收、分离、净化 陶瓷陶瓷 矾土矾土Al2O3 单

7、晶单晶Si、单质、单质C 传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，新近发展起来的特种陶瓷或称精细陶酸盐材料，新近发展起来的特种陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，硅化物等， 按使用性能分为：结构陶瓷和功能陶瓷按使用性能分为：结构陶瓷和功能陶瓷 优点：耐高温、高强度、高硬度、耐磨损、抗优点：耐高温、高强度、高硬度、耐磨损、抗腐蚀等腐蚀等 应用：能源技术、宇航技术、超导技术等现代应用：能源技术、宇航技术、超导技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料科学技术需要大量特殊性能的新

8、材料 实例：透明陶瓷、耐高温陶瓷实例：透明陶瓷、耐高温陶瓷 优点：工作温度稳定在优点：工作温度稳定在1300左右，热效率大左右，热效率大幅度提高；发动机可减轻汽车的质量幅度提高；发动机可减轻汽车的质量 应用：汽车发动机、航天航空应用：汽车发动机、航天航空 陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高定性高 一般陶瓷不透明的原因：内部存在有杂质和气一般陶瓷不透明的原因：内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射。孔，前者能吸收光，后者令光产生散射。 选用高纯原料

9、，并通过工艺手段排除气孔选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔 早期透明陶瓷是氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆等早期透明陶瓷是氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆等 近期研制出非氧化物透明陶瓷：砷化镓（近期研制出非氧化物透明陶瓷：砷化镓（GaAs）、硫）、硫化锌化锌(ZnS)、硒化锌（、硒化锌（ZnSe）、氟化镁）、氟化镁(MgF2)等。等。 强度、硬度都高于普通玻璃，耐磨损、耐划伤，可制强度、硬度都高于普通玻璃，耐磨损、耐划伤，可制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。高级防护眼镜等。 定义：以声、光、电、磁、热和力学性能及其相互转

10、定义：以声、光、电、磁、热和力学性能及其相互转化为主要特征的材料化为主要特征的材料 应用：能源开发、空间技术、生物技术、计算机技术、应用：能源开发、空间技术、生物技术、计算机技术、电子通讯、信息处理等方面电子通讯、信息处理等方面 实例：压电陶瓷、实例：压电陶瓷、高温超导陶瓷高温超导陶瓷、敏感陶瓷、敏感陶瓷、生物功生物功能陶瓷能陶瓷等。等。超导电性：超导电性：1911年发现汞（水银）在年发现汞（水银）在4.2k附近电阻突然降为零附近电阻突然降为零在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。 合金 Tc/k 合金 Tc/k 合金 Tc/k V3Si 17.0

11、 Nb3Al 18.8 Nb3(Al0.75Ge0.25) 21.0 V3Ga 16.8 Nb3Sn 18.1 Nb3Ge 23.2 目前新的超导氧化物系列不断涌现，如目前新的超导氧化物系列不断涌现，如Bi-Ca-CuO，Ti-Ba-Ca-CuO等，它们的超导转变温度超过了等，它们的超导转变温度超过了120K。 C60与碱金属作用形成与碱金属作用形成AxC60(A钾、铷、铯等钾、铷、铯等) 是超导体，是超导体，转变温度比金属合金高。转变温度比金属合金高。 金属氧化物超导体属二维超导。而金属氧化物超导体属二维超导。而AxC60则属三维超导。则属三维超导。超导体 Tc/k 超导体 Tc/k K3C

12、60 19 Rb2CsC60 30 Rb3C60 28 RbCs2C60 33 Cs3C60 30 （1）超导材料输电发电站）超导材料输电发电站（2）超导发电机，线圈不会发热，无冷却难题，）超导发电机，线圈不会发热，无冷却难题，而且功率损失可减少而且功率损失可减少50% （3）磁力悬浮高速列车的超导磁体）磁力悬浮高速列车的超导磁体 应用：人体器官和组织的修复或再造应用：人体器官和组织的修复或再造q氧化铝陶瓷可做成假牙，还可做人工关节氧化铝陶瓷可做成假牙，还可做人工关节qZrO2陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性更好，可用以制陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性更好，可用以制造牙根、骨和关节等。造牙根、骨和关

13、节等。q人工合成羟基磷灰石人工合成羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 与骨的生物相与骨的生物相容性好，可用于颌骨、耳听骨修复等。容性好，可用于颌骨、耳听骨修复等。 陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足。陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足。 1.高分子化合物概述高分子化合物概述2. 高分子化合物的结构高分子化合物的结构3.高分子化合物的性能高分子化合物的性能 4.重要的高分子化合物重要的高分子化合物3.13.1高分子化合物概述高分子化合物概述（1）基本概念）基本概念高分子化合物高分子化合物相对分子量特别大的一类化合物，简称高分子或聚合相对分子量特别大的一类化合物，简称高分子或聚合物物 低分子

14、化合物低分子化合物 高分子化合物高分子化合物原子数目：原子数目： 几个几个几十个几十个 几千几千几万或几十万几万或几十万相对分子质量：相对分子质量： 1000 104 106 天然高分子，如淀粉、纤维素、棉、麻丝、毛，人体中天然高分子，如淀粉、纤维素、棉、麻丝、毛，人体中的蛋白质、糖类、核酸等也是天然高分子。的蛋白质、糖类、核酸等也是天然高分子。 用化学方法合成的高分子称为合成高分子，如聚乙烯、用化学方法合成的高分子称为合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺（尼龙）等都是常用的合成高聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺（尼龙）等都是常用的合成高分子材料。分子材料。 合成高分子合成高分子简写：简

15、写：CH2CHn Cl 链节链节重复的结构单元重复的结构单元聚合度聚合度链节的数目链节的数目单体单体合成高分子所用的低分子原料合成高分子所用的低分子原料组成：组成： 聚氯乙烯聚氯乙烯 nCH2=CH CH2CHCH2CHCH2CH Cl Cl Cl Cl（2 2）高分子化合物的分类及命名）高分子化合物的分类及命名 1）分类）分类 按材料的性能按材料的性能和用途分类和用途分类塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂、功能高分子等。塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂、功能高分子等。按聚合物分子按聚合物分子结构分类结构分类碳链聚合物：碳链聚合物：大分子主链全部由碳原子组成。如，聚大分子主链全部由碳原子组成。如，聚

16、乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。杂链聚合物：杂链聚合物：大分子主链上除碳原子外，还有氧、硫、大分子主链上除碳原子外，还有氧、硫、氮等元素。如，聚酯、聚醚、聚酰胺、聚胺酯。氮等元素。如，聚酯、聚醚、聚酰胺、聚胺酯。元素有机聚合物：元素有机聚合物：大分子主链上没有碳原子，由硅、大分子主链上没有碳原子，由硅、硼、铝、氧、氮、硫等元素组成，但侧基由有机基团硼、铝、氧、氮、硫等元素组成，但侧基由有机基团组成。如，有机硅橡胶、有机硅树脂。组成。如，有机硅橡胶、有机硅树脂。按聚合物的热按聚合物的热行为分类行为分类热塑性聚合物热塑性聚合物：加热变软，冷却变硬。：加热变软，冷却变硬。热固性聚

17、合物热固性聚合物：加热时，其化学结构发生变化，形成：加热时，其化学结构发生变化，形成不溶解、不熔化的固体。不溶解、不熔化的固体。2）n天然高分子，一般按来源和性质有专有名词。天然高分子，一般按来源和性质有专有名词。如纤维素、蛋白质等。如纤维素、蛋白质等。n合成高分子，是在单体名称前冠以合成高分子，是在单体名称前冠以“聚聚”字。字。n由两种单体缩聚而成的聚合物，如果结构比由两种单体缩聚而成的聚合物，如果结构比较复杂或不太明确，往往在单体名称后加上较复杂或不太明确，往往在单体名称后加上“树脂树脂”二字来命名。二字来命名。聚合物的通俗名称、商品名称及简写代号聚合物的通俗名称、商品名称及简写代号通俗名

18、称通俗名称商品名称商品名称简写代号简写代号聚氯乙烯聚氯乙烯氯纶氯纶PVC聚丙烯聚丙烯丙纶丙纶PP 丙烯腈丙烯腈-丁二烯丁二烯-苯苯乙烯乙烯ABS树脂树脂ABS聚对苯二甲酸乙聚对苯二甲酸乙二酯二酯涤纶涤纶PET 聚甲基丙烯酸甲聚甲基丙烯酸甲酯酯有机玻璃有机玻璃PMMA聚丙烯腈聚丙烯腈腈纶腈纶PAN 3.2 高分子化合物的结构高分子化合物的结构（1）线型长链状（不带支链的、带支链）线型长链状（不带支链的、带支链）特点：特点：1）分子链柔顺，易卷曲。）分子链柔顺，易卷曲。 2）弹性好，塑性好，硬度、脆）弹性好，塑性好，硬度、脆性较小。性较小。 3）具有溶、熔性，易于加工。）具有溶、熔性，易于加工。

19、如：合成纤维、聚乙烯、聚丙烯、如：合成纤维、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。聚酯等。（2）体型：线型或支链型之间以化）体型：线型或支链型之间以化学键交联而成。学键交联而成。特点：特点：1）弹性、塑性差，硬度、脆性较大。）弹性、塑性差，硬度、脆性较大。2）不具有溶、熔性。）不具有溶、熔性。 如：酚醛树脂、环氧树脂、离子交换树脂等。如：酚醛树脂、环氧树脂、离子交换树脂等。3.3高分子化合物的特性高分子化合物的特性n短程有序短程有序 高分子不容易形成完整的晶体。在局部范围内，分子链有可能排列整齐，形成结晶态。n不均一性不均一性不同聚合度的高分子的混合物，无法确定高分子的分子量，只是统计平均统计平均结果。 具

20、有具有热塑性热塑性、热固性热固性、绝缘性绝缘性、相对密度小相对密度小、比强度高等比强度高等特殊的性能。特殊的性能。 特点化学稳定性与老化化学稳定性与老化高聚物及其材料在加工、贮存和使用过程中，长期受化高聚物及其材料在加工、贮存和使用过程中，长期受化学和物理学和物理(热、光、电、机械等热、光、电、机械等)以及生物以及生物(霉菌霉菌)因素的综合影因素的综合影响，发生裂解或交联，导致性能变坏的现象。例如，塑料制品响，发生裂解或交联，导致性能变坏的现象。例如，塑料制品变脆、橡胶龟裂、油漆发粘等。变脆、橡胶龟裂、油漆发粘等。1）交联反应）交联反应在分子链之间形成化学键，使大分子从线型结构在分子链之间形成

21、化学键，使大分子从线型结构 转变成体型结构的过程。转变成体型结构的过程。 2）裂解反应（降解反应）裂解反应（降解反应）指大分子断链变为小分子的过程。指大分子断链变为小分子的过程。 例：橡胶氧化裂解例：橡胶氧化裂解 通用高分子塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂 功能高分子 塑料是在一定的温度和压力下可塑制成型的合成高分子材料。 分为热塑性塑料和热固性塑料。 不同的反应条件下可得到不同性能的聚乙烯。 若选择若选择0.21.5MPa低压聚合，用低压聚合，用Ziegler-Natta催化剂，得到的产品是线型高分子，排列比较规整、催化剂，得到的产品是线型高分子，排列比较规整、紧密，可做桶、瓶、管、棒等塑料制

22、品。紧密，可做桶、瓶、管、棒等塑料制品。 若在若在150MPa高压下用自由基引发聚合，得到的高压下用自由基引发聚合，得到的产品支链化程度较高，结晶度、密度降低，又称低产品支链化程度较高，结晶度、密度降低，又称低密度聚乙烯。可做食品包装袋、奶瓶等软塑料制品。密度聚乙烯。可做食品包装袋、奶瓶等软塑料制品。 要求有优良的机械性能、耐热性和尺寸稳定性。要求有优良的机械性能、耐热性和尺寸稳定性。 聚甲醛的力学、机械性能与铜、锌相似，用它聚甲醛的力学、机械性能与铜、锌相似，用它做汽车上的轴承，使用寿命比金属的长一倍。做汽车上的轴承，使用寿命比金属的长一倍。 聚碳酸酯不但可以代替某些金属，还可代替玻聚碳酸酯

23、不但可以代替某些金属，还可代替玻璃、木材和合金等，做各种仪器的外壳、自行车璃、木材和合金等，做各种仪器的外壳、自行车车架、飞机的挡风玻璃和高级家具等。车架、飞机的挡风玻璃和高级家具等。 是在高温、腐蚀或高辐射等特殊条件下使用的是在高温、腐蚀或高辐射等特殊条件下使用的塑料，它们主要用在尖端技术设备上。塑料，它们主要用在尖端技术设备上。 例如聚四氟乙烯具有优异的绝缘性能，抗腐蚀例如聚四氟乙烯具有优异的绝缘性能，抗腐蚀性好，能耐高温和低温，可在性好，能耐高温和低温，可在-200250范围内范围内长期使用，在宇航、冷冻、化工、电器、医疗器长期使用，在宇航、冷冻、化工、电器、医疗器械等工业部门都有广泛的

24、应用。械等工业部门都有广泛的应用。 合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得。聚酯（涤纶）、聚酰胺（尼龙、锦纶）、聚丙烯腈（腈纶），占世界合成纤维总产量度90%以上。聚乙烯醇缩甲醛（维纶）、聚丙烯（丙纶）、聚氯乙烯（氯纶）等。 天然高分子纤维素或蛋白质为原料粘胶纤维（人造棉）、醋酸纤维（人造丝）等棉、麻、丝、毛人造纤维合成纤维纤维天然纤维化学纤维聚酯纤维 主要用于织衣料，也可做运输带、轮胎帘子线、主要用于织衣料，也可做运输带、轮胎帘子线、过滤布、缆绳、渔网等。过滤布、缆绳、渔网等。 涤纶的分子链结构中含有酯基，这类刚性基团涤纶的分子链结构中含有酯基，这类刚性基团的存在，使分子排列规整、紧密，不易变形

25、，受的存在，使分子排列规整、紧密，不易变形，受力形变后也易恢复，这是涤纶抗皱性好的原因。力形变后也易恢复，这是涤纶抗皱性好的原因。 聚酰胺 最常见的是尼龙最常见的是尼龙-6和尼龙和尼龙-66。 主要用于制做渔网、降落伞、宇航飞行服、丝主要用于制做渔网、降落伞、宇航飞行服、丝袜及针织内衣等。袜及针织内衣等。 特点是强度大，弹性好，耐磨性好。聚酰胺分特点是强度大，弹性好，耐磨性好。聚酰胺分子链中存在酰胺基，分子链间的酰胺基可以通过子链中存在酰胺基，分子链间的酰胺基可以通过氢键作用，使分子链之间的作用力大为加强，保氢键作用，使分子链之间的作用力大为加强，保证了织物的强度。证了织物的强度。 合成橡胶

26、橡胶分天然橡胶和合成橡胶。 天然橡胶仅占15%左右，其余都是合成橡胶。 合成橡胶可分为通用橡胶通用橡胶和特种橡胶特种橡胶。 通用橡胶通用橡胶 特种橡胶特种橡胶 特殊的性质，如耐高温、耐低温、耐油、耐化学腐蚀和特殊的性质，如耐高温、耐低温、耐油、耐化学腐蚀和具有高弹性等。具有高弹性等。 硅橡胶是以硅氧原子取代主链中的碳原子，它柔软、光硅橡胶是以硅氧原子取代主链中的碳原子，它柔软、光滑，能耐高温，适宜做医用制品。滑，能耐高温，适宜做医用制品。 氟硅橡胶是将氟原子引入硅橡胶中，是一种耐高、低温氟硅橡胶是将氟原子引入硅橡胶中，是一种耐高、低温的高弹性材料。丁腈橡胶和聚硫橡胶耐油性好。的高弹性材料。丁腈

27、橡胶和聚硫橡胶耐油性好。 许多合成橡胶是线型高分子，具有可塑性，但强度低，许多合成橡胶是线型高分子，具有可塑性，但强度低，回弹力差，容易产生永久变形。若加入硫磺与橡胶分子作回弹力差，容易产生永久变形。若加入硫磺与橡胶分子作用，转变为体型结构，使橡胶失去塑性，同时获得高弹性。用，转变为体型结构，使橡胶失去塑性，同时获得高弹性。反应如下：反应如下： 功能高分子功能高分子 具有光、电、磁、化学、生物、医学等方面的功能的高分子 70年代人们合成了聚乙炔，发现它有导电性能。年代人们合成了聚乙炔，发现它有导电性能。 聚乙炔是一种双键、单键间隔连接的线型高分聚乙炔是一种双键、单键间隔连接的线型高分子，分子中

28、存在共轭子，分子中存在共轭键体系，键体系，电子可以在整个电子可以在整个共轭体系中自由流动，因此可以导电。若将碘掺共轭体系中自由流动，因此可以导电。若将碘掺杂到聚乙炔中，导电率会大幅度提高。杂到聚乙炔中，导电率会大幅度提高。 聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等都具有聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等都具有导电性，导电高分子材料引起人们的重视。导电性，导电高分子材料引起人们的重视。 用导电塑料做成的电池已进入市场，硬币大小，用导电塑料做成的电池已进入市场，硬币大小，一个电极是金属锂，另一个电极是聚苯胺导电塑一个电极是金属锂，另一个电极是聚苯胺导电塑料，电池可多次重复充电使用，工作寿命长。料，电池可

29、多次重复充电使用，工作寿命长。 由于固态电容采用导电性高分子产品作为介电由于固态电容采用导电性高分子产品作为介电材料，通电后不致于发生爆炸的现象；同时它为材料，通电后不致于发生爆炸的现象；同时它为固态产品，不存在由于受热膨胀导致爆裂的情况。固态产品，不存在由于受热膨胀导致爆裂的情况。 某些合成高分子与人体器官组织的天然高分子有着极其相某些合成高分子与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因此用高分子材料做成的人工似的化学结构和物理性能，因此用高分子材料做成的人工器官具有很好的生物相容性，不会因与人体接触而产生排器官具有很好的生物相容性，不会因与人体接触而产生排斥和其他作用。

30、斥和其他作用。 合成高分子材料、金属材料和无机非金属材料各有其长合成高分子材料、金属材料和无机非金属材料各有其长处和短处，如果将这三类不同的材料通过复合工艺组成新处和短处，如果将这三类不同的材料通过复合工艺组成新的复合材料，它既能保持原来材料的长处，又能弥补短处。的复合材料，它既能保持原来材料的长处，又能弥补短处。 按增体的形状分类，复合材料可分为：颗粒增强复合材按增体的形状分类，复合材料可分为：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。 目前发展较快、应用较广的是目前发展较快、应用较广的是纤维增强复合材料纤维增强复合材料 目前制备碳纤维的方

31、法是将聚丙烯腈合成纤维在目前制备碳纤维的方法是将聚丙烯腈合成纤维在200300的空气中使其氧化，然后在的空气中使其氧化，然后在10001500的惰的惰性气体中碳化，即可得到强度很高的碳纤维。性气体中碳化，即可得到强度很高的碳纤维。 碳纤维增强塑料可以根据使用温度的不同选择不同的树碳纤维增强塑料可以根据使用温度的不同选择不同的树脂基体。如环氧树脂使用温度脂基体。如环氧树脂使用温度150200；聚双马来酰亚；聚双马来酰亚胺为胺为200250；而聚酰亚胺在；而聚酰亚胺在300以上。以上。 应用于制造航天飞行器外壳或火箭喷管的耐烧蚀材料、应用于制造航天飞行器外壳或火箭喷管的耐烧蚀材料、新一代的运动器材

32、如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑新一代的运动器材如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑雪杖、滑雪板等雪杖、滑雪板等 除了碳纤维外，作为纤维增强材料还有玻璃纤维、硼除了碳纤维外，作为纤维增强材料还有玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。 纤维增强复合聚烯烃材料纤维增强复合聚烯烃材料 碳纤维增强铝具有耐高温、耐热疲劳、耐紫外碳纤维增强铝具有耐高温、耐热疲劳、耐紫外线和耐潮湿等性能，适合于在航空、航天领域中线和耐潮湿等性能，适合于在航空、航天领域中做飞机的结构材料。做飞机的结构材料。 硼纤维增强铝也用于空间技术和军事方面。硼纤维增强铝也用于空间

33、技术和军事方面。 碳化硅纤维增强铝比铝轻碳化硅纤维增强铝比铝轻10%，强度高，强度高10%，刚性高一倍，具有更好的化学稳定性、耐热性和刚性高一倍，具有更好的化学稳定性、耐热性和高温抗氧化性。主要用于汽车工业和飞机制造业。高温抗氧化性。主要用于汽车工业和飞机制造业。用碳化硅纤维增强钛做成的板材和管材已用来制用碳化硅纤维增强钛做成的板材和管材已用来制造飞机垂尾、导弹壳体和空间部件。造飞机垂尾、导弹壳体和空间部件。 随着对高温高强材料的要求愈来愈高，人们转随着对高温高强材料的要求愈来愈高，人们转向研制陶瓷基复合材料。纤维增强陶瓷可以增强向研制陶瓷基复合材料。纤维增强陶瓷可以增强陶瓷的韧性，这是解决陶

34、瓷脆性的途径之一。陶瓷的韧性，这是解决陶瓷脆性的途径之一。 基体陶瓷大体有基体陶瓷大体有Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，Si3N4，SiC等。增强材料有碳纤维、碳化硅纤维等。增强材料有碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须。和碳化硅晶须。 纤维增强陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘接剂贴在纤维增强陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘接剂贴在航天飞机机身上，使航天飞机能安全地穿越大气航天飞机机身上，使航天飞机能安全地穿越大气层回到地球上。层回到地球上。 第五节第五节 纳米材料纳米材料n纳米与纳米技术纳米与纳米技术n用什么仪器看纳米用什么仪器看纳米n碳纳米材料碳纳米材料n纳米技术的应用纳米技术的应用纳米与纳米技术纳米与

35、纳米技术纳米与纳米技术纳米与纳米技术n纳米是一种计量单位，纳米是一种计量单位，1nm=10-9m，人的一，人的一根头发丝直径约为根头发丝直径约为6万个纳米万个纳米n纳米技术是指在纳米尺度范围内，通过直接操纳米技术是指在纳米尺度范围内，通过直接操纵分子、原子来组装、创造具有特定功能的新纵分子、原子来组装、创造具有特定功能的新物质。物质。n纳米材料：颗粒小到纳米数量级的物质纳米材料：颗粒小到纳米数量级的物质n同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化时，其物理性能和化学性质会发生意想不到的时，其物理性能和化学性质会发生意想不到的巨变。巨变。花粉是纳米级的粒子花

36、粉是纳米级的粒子粉尘是约粉尘是约300nm的粒子的粒子病毒也是纳米级粒子，约病毒也是纳米级粒子，约30100nm纳米材料概述纳米材料概述用什么仪器看纳米n如果把一个纳米粒子放在乒乓球上，相当于把如果把一个纳米粒子放在乒乓球上，相当于把乒乓球放在地球上。乒乓球放在地球上。n扫描隧道显微镜扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope）n透射电镜（透射电镜（transmission electron microscope）n扫描电镜（扫描电镜（scanning electron microscope）n惊人的分辨率，水平分辨率可达惊人的分辨率，水平分辨率可达0.1nm移

37、动原子世界上最小的广告n1990年年IBM的科学家展的科学家展示了一项另世人瞠目结示了一项另世人瞠目结舌的成果舌的成果nSTM不仅可以得到原子不仅可以得到原子图像，而且可以将原子图像，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬在一个位置吸住，再搬运到另一个位置运到另一个位置n这意味着人类可以操控这意味着人类可以操控原子原子在金属镍的表面操控惰性气体氙原子Top DownBottom UpMicroscaleMesoscale纳米材料概述纳米材料概述纳米技术纳米技术是指在纳米尺度范围内，通过直接操纵分子、原子来组是指在纳米尺度范围内，通过直接操纵分子、原子来组装、创造具有特定功能的新物质。装、创造具有特

38、定功能的新物质。n石墨烯结构是平面六边形点阵，可以看作是一层被剥离的石墨分子，每个碳原子均为sp2杂化，并贡献剩余一个p轨道上的电子形成大键，电子可以自由移动，赋予石墨烯良好的导电性。石墨烯石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料, 它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；常温下其电子迁移率超过15000 cm2/Vs，比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。因为它的电阻率极低，电子迁移的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至

39、是太阳能电池。 碳纳米球（富勒烯fullerenes）n1996年诺贝尔化学奖，美国年诺贝尔化学奖，美国Rice大学的大学的Kroto等人等人n在激光汽化石墨实验中首次发现，在激光汽化石墨实验中首次发现，C60和和C70，均具有笼形结构。，均具有笼形结构。C60中中20个正六边个正六边形和形和12个正五边形构成圆球形结构，个正五边形构成圆球形结构，60个个顶点分别由顶点分别由60个碳原子所占有个碳原子所占有n又相继发现了又相继发现了C44、C50、C76、C80、C84、C90 、C94、C120、C180、C540 等富勒等富勒烯家族成员，烯家族成员，nC60 的丰度约为的丰度约为50% ,

40、由于特殊的结构和性由于特殊的结构和性质，在超导、磁性、光学、催化、材料及生质，在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能，得到广泛的应物等方面表现出优异的性能，得到广泛的应用。用。富勒烯的应用n超导体超导体n有机软铁磁体有机软铁磁体 C60(TDAE)0.86 四二氨基乙烯软铁磁性材料四二氨基乙烯软铁磁性材料 在磁性记忆材料中有重要应用在磁性记忆材料中有重要应用 ，成本低，成本低n光学材料光学材料 C60分子中的电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性分子中的电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用能，有望在光

41、计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用 n功能高分子材料功能高分子材料n生物活性材料生物活性材料 利用利用C60分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌变部位，能提高放射治疗的效力并减少副作用。变部位，能提高放射治疗的效力并减少副作用。n其它其它 将锂原子嵌人碳笼内有望制成高效能锂电池。水溶性钆的将锂原子嵌人碳笼内有望制成高效能锂电池。水溶性钆的C60衍衍生物有望做为新型核磁造影剂生物有望做为新型核磁造影剂 纳米材料的妙用n铜是导电的金属，当尺寸小到几个纳米时，就铜是导电的金属，当尺寸小到几个纳米时，就不导电了；而绝缘的二氧化硅在尺

42、寸减小到几不导电了；而绝缘的二氧化硅在尺寸减小到几个到十几个纳米时，电阻大大下降，变得可以个到十几个纳米时，电阻大大下降，变得可以导电导电n通常情况下，陶瓷是脆性材料，因而限制了应通常情况下，陶瓷是脆性材料，因而限制了应用，但纳米陶瓷却是韧性材料，在室温下能弯用，但纳米陶瓷却是韧性材料，在室温下能弯曲，坚固无比曲，坚固无比纳米材料在环境中的应用n纳米二氧化钛光催化降解有机物水处理技术具纳米二氧化钛光催化降解有机物水处理技术具有明显的优势，无二次污染，除净度高。具有有明显的优势，无二次污染，除净度高。具有巨大的比表面积，可将有机物最大限度地吸附巨大的比表面积，可将有机物最大限度地吸附在它的表面；

43、具有更强的紫外光吸收能力，因在它的表面；具有更强的紫外光吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力，快速而具有更强的光催化降解能力，快速n涂料中加入空气触媒，可分解空气中的有害物涂料中加入空气触媒，可分解空气中的有害物质质n自洁玻璃和自洁瓷砖自洁玻璃和自洁瓷砖检测环境中的铅纳米金与纳米银纳米金与纳米银纳米材料在生活中的应用n纳米阻燃材料纳米阻燃材料n自洁服装自洁服装n抗菌冰箱抗菌冰箱纳米材料在生物医学中的应用n纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容n第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，可注入人

44、体体，可注入人体血管血管内，进行健康检查和疾病治疗。内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的从基因中除去有害的，或把正常的安装，或把正常的安装在基因中，使机体正常运行。在基因中，使机体正常运行。n第二代纳米机器人是直接从第二代纳米机器人是直接从原子原子或分子装配成具有特或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置定功能的纳米尺度的分子装置n第三代纳米机器人将包含有纳米第三代纳米机器人将包含有纳米计算机计算机，是一种可以，是一种可以进行人机对话的装置。进行人机对话的装置。 纳米机器人n由于纳米机器人可以小由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由移到在人的血管中自由移动，对于脑血栓、动脉动，对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可非常容硬化等病灶，可非常容易的予以清除，而无需易的予以清除，而无需再进行危险的开颅、开再进行危险的开颅、开胸手术。胸手术。纳米与生物医学n纳米技术给