化学与材料省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

第5章

化学与材料1/58基本要求1、掌握各区元素原子结构特征，并能从原子电子层结构了解惯用工程材料在元素周期系中分布2、了解近年来新型材料(高分子材料,陶瓷材料,纳米材料,复合材料,液晶材料)组成与性能2/585.1惯用工程材料在周期系中分布5.2几个新型材料5.2.1金属材料5.2.2高分子材料5.2.3陶瓷材料5.2.4复合材料5.2.5液晶材料3/58材料分类

1）

按用途分为结构材料和功效材料

结构材料：利用材料力学和理、化性质

功效材料：利用材料热、光、电、磁等性能

2）

按成份、特征分为：

金属材料

黑金属：铁、铬、锰及合金

有色金属：除了黑金属以外金属

无机非金属材料（陶瓷材料）传统陶瓷

精细陶瓷

有机高分子材料：塑料、纤维、橡胶以及涂料、黏合剂等

复合材料：由以上三种材料复合而成4/58按化学活泼性分：

活泼中等活泼不活泼s区ds区、p区d区5.1惯用工程材料在周期系中分布5/58

Li--密度最小金属,0.5gml-1He----熔点最低单质Cr----硬度最大金属(9)W----熔点最高金属(3410℃)Hg---熔点最低金属6/581金属性质物理性质：①光泽：金属晶体大多呈银白色，Au—黄色，Bi—淡红，Cu—紫红色；②密度：按5g.cm-3为标准,分为轻金属,重金属；5.2

金属材料7/58③熔点：金属熔点差异很大。如：Hg、W；⑤磁性：分铁磁材料(Fe、Co、Ni)；顺磁材料(Mn、Cr、Mo、W）；逆磁材料(Cu、Sn、Pb、Zn）；

⑥延、展性：即机械加工性能良好；⑦热胀冷缩(但Sb、Bi相反)。④导电、导热

：金属越纯，导电、热性越好;8/582几个新型金属材料轻质合金—以轻金属为主要成份合金。铝合金：密度小，强度高。“硬铝”耐蚀，可用于车，不用于船。钛合金：密度不大，强度很高，抗蚀性好，耐高、低温（-200-500℃），用于飞机。9/58硬质合金—以硬质化合物为硬质相，以合金为粘结相复合材料（TiN、AlN、TiC、WC、SiC）含有高硬度、耐磨、强度、韧性。

—含有“记忆”自己形状特征合金。如Ti-Ni（各50%）合金，在温度40度发生晶格转变：菱形晶格立方晶格晶格改变，改变了合金形状。记忆合金10/58贮氢合金—以金属氢化物形式吸收氢，是一个安全、经济而有效贮氢方法。金属氢化物不但含有贮氢特征，而且含有将化学能与热能或机械能相互转化机能，从而能利用反应过程中焓变开发烧能化学储存与输送。

11/58贮氢原理金属(M)与氢生成金属氢化物(MHx)金属与氢反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热。改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向重复进行，实现材料吸释氢功效。M+xH2→MHx+H（生成热）12/58贮氢合金要求:贮氢量大；金属氢化物轻易形成，稍加热又轻易分解；室温下吸、放氢速度快；使用寿命长；成本低。13/58贮氢合金主要有三大系列：镁系贮氢合金：MgH2,Mg2Ni稀土系贮氢合金：如：LaNi5中添加MnNiMn,MnNiAl钛系贮氢合金：TiH4,TiMn1.514/581.光导纤维从高纯二氧化硅或石英玻璃熔融体中，拉出直径约为100微米细丝，称为石英玻璃纤维。（玻璃能够透光，但在传输过程中光损耗较大，而用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维。）5.3陶瓷材料15/58皮料—低折射率玻璃；光纤组成：芯料—高折射率，高透光度，不析晶玻璃；取得年度诺贝尔物理学奖华人高锟创造了石英玻璃，制造出世界上第一根光导纤维，所以被冠以“光纤之父”称号。16/58

多组分玻璃光纤；复合材料光纤；石英光纤（高纯度或掺杂）。光在芯料和皮料界面上全反射，入射光封闭在芯料内，经过无数次全反射，锯齿状传输。通信原理：光纤材料：17/58光缆结构图18/58利用光导纤维能够进行光纤通讯，用最新氟玻璃制成光导纤维，能够把光信号传输到太平洋彼岸而不需要任何中继站。光损耗较大光导纤维能够在短距离使用，尤其适合做人体内窥镜，如：胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等。19/58

2.超导陶瓷1911年荷兰物理学家Onnes发觉汞（水银）在4.2K附近电阻突然下降为零.超导电性：零电阻现象.超导临界温度：电阻突然消失温度.超导体：在一定温度下含有超导电性物体.20/58当前已发觉30种单质，8000种金属、合金、化合物含有超导性。1987年赵宗贤等，YBa2Cu3O7-x

(Tc=90K)1993年Hg-Ba-Cu-O

(Tc=133.5K)21/58应用：1）

用超导材料输电2）

超导发电机3）

磁力悬浮高速列车4）

可控热核聚变22/583.纳米陶瓷从陶瓷材料发展史上看，经历了三次飞跃从陶器到瓷器-----第一次飞跃从传统陶瓷到精细陶瓷---第二次飞跃从精细陶瓷到纳米陶瓷---第三次飞跃（超韧性陶瓷）纳米材料：粒径为1-100纳米，纳米材料含有表面效应、界面效应、量子尺寸效应。23/58

棉、麻、丝、毛、角、胶、塑料、橡胶、纤维┄它们是人们越来越熟悉有机高分子材料。不论是天然或合成这类材料，在人们生活和工程技术中都占有越来越主要地位。5.4高分子材料24/58高分子化合物：由一个或几个低分子化合物聚合而成相对分子量较高化合物（也称高聚物）25/581高分子化合物组成：

特定结构单元屡次重复而成:

聚合度—CH2—CH2—2相对分子质量:⑴高分子化合物相对分子质量应为：M=链节化学式量×n但，同种高聚物，其聚合度并不相同。聚乙烯链节n26/58所以，每一个大分子相对分子质量都不相同。⑵高聚物相对分子质量只有平均意义。⑶因为聚合度不一样引发高聚物相对分子质量各不相同现象—高聚物相对分子质量多分散性⑷高聚物—链节相同而聚合度不一样混合物。27/58单体：形成高聚物低分子量化合物。链节：高分子化合物中重复结构单元。聚合度：高分子化合物化学式中链节个数。28/583高分子化合物几何形状线型结构

分子易蜷曲，制品有弹性(热塑性)；大分子被化学键交联起来，不易蜷曲，制品无弹性和塑性（热固性）。体型(网状)结构29/584高分子化合物制备加聚反应由一个或几个有不饱和键单体经过加成反应结合成高分子化合物反应。如：

nCH2=CH2→聚乙烯聚氧化乙烯30/58特点：1）参加加聚反应单体含有不饱和键;2）没有小分子物质产生，高聚物化学组成与单体相同;3）

加聚反应快，副产物较少.31/58加聚物可能是线状也可能是体型结构；加聚反应可分为：均聚，共聚（又分接枝、镶嵌共聚）。缩聚反应含有两个或两个以上官能团一个或几个单体缩合成高聚物，同时析出低子物质（如：水、氨、醇、卤化物等）反应。32/58特点：1）单体必须含有两个或两个以上官能团；2）有小分子副产物生成，高聚物化学组成与单体不一样。33/58nHO-R-OH+nHOOC-R′-COOH→二元醇二元酸HOR-OCO-R′-COnOH

+(n-1)H2O聚酯缩聚反应能够得到体型高聚物；缩聚反应可分为：（按产物）体型缩聚，线型缩聚；（按单体）均缩，混缩，共缩。34/58

5高聚物结构和性能高聚物结构特点高聚物相对分子质量很大，所以，分子间力很强。所以，高聚物无气态，机械强度较高。高分子链中有许多C-C键，此单键可按键角自由旋转。35/5836/58所以，高分子形状便有没有数可能（构象）—高分子链柔顺性。高聚物聚集态有：①晶态—大分子排列有序；

②非晶态—大分子排列无序；37/58高聚物整体无序，但在小区域内有不同状态：晶区和非晶区。一个大分子可穿过几个不一样区域。高聚物中晶区多称结晶度大，力学性能强。38/58玻璃态：T<Tg温度低，动能小。大分子不能运动，只能振动；链段也不能运动。分子形态和位置固定。受外力，只产生微小变形，是塑料使用状态。高聚物物理状态39/58高弹态：Tf>T>Tg

分子动能不大，大分子不动，链段可动。受外力，大分子或蜷曲或伸展；除去外力，分子复原，属高弹形变。高聚物柔软，有弹性。是橡胶使用状态.

分子动能大。大分子可运动，含有流动性和可塑性，不会复原。是高聚物工艺状态；粘流态：T>Tf40/58

⑴玻璃态（对塑料）、高弹态（对橡胶）是使用状态，粘流态是工艺状态。

⑵

塑料Tg应高于室温。Tg是塑料使用最高温度；

橡胶Tg应低于室温。Tg是橡胶使用最低温度。

⑶

为便于加工，Tf应低些。如塑料，Tf-Tg差应小;

为利于使用，Tf应高些。如橡胶。讨论41/58讨论题：以下三种温度-形变曲线，各对应于何种高分子材料？①对应于塑料。使用状态是玻璃态，处于室温；Tg-Tf差值小；②对应于橡胶。使用状态是高弹态，处于室温；Tg-Tf差值大；讨论：42/58③对应于纤维。使用状态是玻璃态，处于室温；Tg-Tf差值较大。高聚物性能基本性能：质轻，有弹性，塑性，绝缘，耐腐蚀。机械性能：聚合度n大，分子间力大，强度大（结晶度，极性基团都能增强分子间力）。43/58

高聚物无电子、离子，多是绝缘体。但极性基团在电场中会周期性取向，产生位移电流，使其含有导电性。

高聚物经摩擦而带静电，因绝缘而不易消除。符合“相同相溶”原理，但不一样于低分子，其溶解过程分为：电性能：溶解性：44/58

①溶胀—溶剂分子进入高分子链，使链距增大，体积增大；②溶解—溶胀到使高分子链彼此分离，分子进入溶剂。体型高分子只溶胀不溶解。45/58②特点：“强而韧”，耐磨性最好纤维。柔顺性好。③用途：绳索，帘子线，渔网，飞行服，运输带，降落伞，袜子。①结构：聚酰胺纤维（尼龙锦纶PA）46/585.5复合材料1定义：由两种以上物理和化学性质不同物质组合起来得到一个多相固体材料。2组成：基体材料（金属或高聚物）；

增强材料（纤维、粒子）。47/583类型：纤维增强复合材料（增强材料是纤维）

粒子改性复合材料(增强材料是粒子)

夹层复合材料（芯、面料间以胶粘剂结合）48/58包含：玻璃纤维，陶瓷纤维，合成纤维，金属丝包含：SiO2、CaCO3、CaSO4

石棉、碳黑、陶土；纤维增强材料粒子增强材料作用：承受载荷，传递和分散应力，提升强度。作用：阻止基体位错，提升强度，降低成本。49/58包含：机械力（钉、钩、铆），分子间力，氢键，化学键。复合材料应用⑴组成：以树脂为基体（环氧树脂，酚醛树脂，不饱和聚酯树脂，有机硅）。以玻璃纤维为增强材料。复合材料界面结协力1玻璃纤维增强塑料——玻璃钢50/58⑵特点：质轻，耐热，耐蚀，耐老化，绝缘，加工性好。刚度不及金属。⑴组成：以树脂（环氧，酚醛）为基体，以碳纤维（有机纤维，绝氧碳化）为增强材料。⑶应用：车体，船体，罐，管，泵，塔，零部件。碳纤维增强塑料51/58⑵特点：质轻、耐热、导热、强度高。⑴母材：铜、钢、不锈钢。⑵被复材料：Al、Cu、Ag、Au、Zn、