材料组成的优化选修IB.ppt

1、第二单元 材料组成的优化,材料的性能取决于材料的化学组成和结构。,1. 合金,由金属与另一种(或几种)金属或非金属所组成的具有金属通性的物质。,根据结构的不同，合金主要类型是：,(1)混合物合金（共熔混合物），当液态合金凝固时，构成合金的各组分分别结晶而成的合金，如焊锡、铋镉合金等；,(2)固熔体合金，当液态合金凝固时形成固溶体的合金，如金银合金等；,改变材料的组成,(3)金属互化物合金，各组分相互形成化合物的合金，如铜、锌组成的黄铜（-黄铜、-黄铜和-黄铜）等。,各类型合金都有以下通性：,(1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；(2)硬度比其组分中任一金属的硬度大； (3)合金的

2、导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性，可以制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能的材料，如在铁中掺入15铬和9镍得到一种耐腐蚀的不锈钢，适用于化学工业。(4)有的抗腐蚀能力强(如不锈钢),常用合金：钢铁、铝合金、铜合金,特种合金：耐蚀合金、耐热合金 、钛合金 （Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金 ）、磁性合金（永磁合金有稀土、钴系、铁、铬、钴系和锰、铝、碳系合金 ） 、钾钠合金 、贮氢合金,储氢合金：能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而有效的储氢方法。,金属贮氢的原理在于金属(M)与氢生成金属氢化物(MHx) ：,金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放

3、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、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。,2.硅酸盐材料和特种陶瓷,硅酸盐材料是以含硅物质为原料高温烧制而成的。,水泥工业,原料,设备,主要性质,反应条件,水泥成分,水泥应用,硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙,石灰石、黏土、辅助原料,水 泥 回 转 窑,高温,水硬性,建筑粘合剂,水泥砂浆、 钢筋混凝土,玻璃,（1）含有Na2SiO3,CaSiO3和 SiO2 ，主要成分是SiO2，玻璃态物质，没有固定熔点,（2）反应材料：石灰石，纯碱，石英,（3）反应原理：,Na2CO3+SiO2=Na2SiO3+CO2,高温,CaCO3+SiO2=CaSi

4、O3+CO2,高温,（4）玻璃的种类,陶瓷,（1）主要原料：黏土 Al2O32SiO22H2O,（2）釉料金属及其化合物,使陶瓷表面光滑，不渗水，具有丰富的色彩。,（3）特性：抗氧化性，抗酸碱腐蚀，耐高温，易成形。,（4）传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却,（5）主要种类：,土器：砖瓦,红瓦（自然冷却，Fe2O3含量较多）,青瓦 (淋水冷却，Fe3O4、FeO较多),炻器： 水缸、砂锅,陶器：江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑,瓷器：,唐三彩,宋代钧瓷,特种陶瓷：是有别于传统或普通陶瓷而言的，又叫高技术陶瓷、先进陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷、高性能陶瓷、工程陶瓷等。,特种陶瓷是在传统陶

5、瓷的基础上发展起来的，是指采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行的结构设计及便于控制的制备方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。 特种陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类，结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学和生物等功能的高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热、弹等性质或其耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷，也可以叫做特种功能陶瓷。,精细陶瓷的应用（P76),精细陶瓷,又称高性能陶瓷、高技术陶瓷。按其用途可分成工程陶瓷和功能陶瓷两大类。前者主要利用它们的高硬度、高熔点、耐磨损、耐腐蚀性能，又称结构陶瓷；后者主要利用它们的光、声、电、热、磁

6、等物理特性，又称电子陶瓷。按化学组成可分成氧化物类和非氧化物类。前者包括各种氧化物和含氧酸盐；后者包括氮化物、碳化物、硼化物等。前一类一般作功能陶瓷用，后一类作工程陶瓷用。有些品种用于制造发动机部件、汽车部件、电视机、吹风机、火灾警报器、高温挤型模具等。还可用于制造耐高温喷嘴，适合国防的需要。,3、 在制备工艺上，突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界限，广泛采用真空烧结，保护气氛烧结、热压、热静压等手段。,4、 在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、电子、宇航、医学工程各方面得

7、到广泛的应用。,2、 在成分上，传统陶瓷的组成由粘土的成分决定，所以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的质地。由于特种陶瓷的原料是纯化合物，因此成分由人工配比决定，其性质的优劣由原料的纯度和工艺，而不是由产地决定。,精细陶瓷与传统陶瓷的主要区别,1、 在原料上，突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限，特种陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要原料。,氮化硅陶瓷制取反应原理：,方法一：3Si + 2N2 = Si3N4,1300,方法二： 3SiO2 + 6C+2Cl2 = SiCl4(液态) Si + 3HCl = SiHCl3 + H2,精馏提纯SiCl4和SiHCl3后制高纯硅 2

8、H2+ SiCl4 = Si +4 HCl SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl,提高材料的纯度,超纯硅的制取反应原理：,制粗硅：SiO2 + 2C = Si + 2CO,高温,粗硅转变为SiCl4或SiHCl3： Si + 2Cl2 = SiCl4(液态) Si + 3HCl = SiHCl3 + H2,精馏提纯SiCl4和SiHCl3后制高纯硅 2H2+ SiCl4 = Si +4 HCl SiHCl3 + H2 = Si + 3HCl,研制纳米材料,第三单元 复合材料的制造,1、什么是复合材料？你知道哪些复合材料？ 2、为什么人类要制造复合材料？,复合材料(Composite

9、materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。,60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4106 cm ，比模量大于4108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其