大學(xué)化學(xué)教程10化學(xué)與材料

1、第六章 化學(xué)與材料,材料的定義：具有功能 材料的分類 金屬材料 無機(jī)非金屬材料 有機(jī)高分子材料 復(fù)合材料 納米材料,第一節(jié) 金屬材料,黑色金屬材料,有色金屬材料,鐵、錳、鉻以及它們的合金，應(yīng)用最廣,除黑色金屬以外的其他各種金屬及其合金,金屬材料的性質(zhì),金屬的一般性質(zhì)與自由電子的存在密切相關(guān)。 金屬具有光澤，不透明； 導(dǎo)電性和傳熱性都非常好； 有優(yōu)異的延展性。,金屬材料的性質(zhì),純金屬的強(qiáng)度較低，工業(yè)上用的大多是合金。 兩種或兩種以上金屬經(jīng)高溫熔融后冷卻得到，也可以由金屬元素和非金屬元素組成，如碳鋼 合金品種繁多，性能各異。 如不銹鋼，鋼中加入一定量的鉻； 有色金屬的合金，主要有鋁合金、鎂合金、銅

2、合金、鈦合金、鎳合金和鋅合金等。,鋁合金,制備金屬鋁常用電解法。al2o3是非常穩(wěn)定的化合物。在高溫下對(duì)熔融的氧化鋁進(jìn)行電解，其反應(yīng)如下：,金屬鋁的強(qiáng)度和彈性模量較低，硬度和耐磨性較差 鎂、銅、鋅、錳、硅等元素與鋁形成合金后，不但提高了強(qiáng)度，而且還具有良好的塑性和壓力加工性能。 鋁合金強(qiáng)度高、相對(duì)密度小、易成型，廣泛用于飛機(jī)制造業(yè)、汽車工業(yè)及建筑業(yè)。,貯氫合金,原理：利用合金與氫形成氫化物而把氫貯存起來。 要求 貯氫量大；金屬氫化物既容易形成，稍稍加熱又容易分解；室溫下吸、放氫的速度快；使用壽命長(zhǎng)和成本低。 目前正在研究開發(fā)的貯氫合金主要有： 鎂系貯氫合金如mgh2,mg2ni等； 稀土系貯氫

3、合金如lani5； 鈦系貯氫合金如tih2,timn1.5。 應(yīng)用：氫動(dòng)力汽車的試驗(yàn)已獲得成功。 在氫的回收、分離、凈化等方面,第二節(jié) 無機(jī)非金屬材料,單晶si、單質(zhì)c 礬土al2o3 陶瓷,陶瓷材料,傳統(tǒng)的陶瓷材料是以硅和鋁的氧化物為主的硅酸鹽材料，新近發(fā)展起來的特種陶瓷或稱精細(xì)陶瓷，成分?jǐn)U展到純的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等， 按使用性能分為：結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷,結(jié)構(gòu)陶瓷材料,優(yōu)點(diǎn)：耐高溫、高強(qiáng)度、高硬度、耐磨損、抗腐蝕等 應(yīng)用：能源技術(shù)、宇航技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)需要大量特殊性能的新材料 實(shí)例：透明陶瓷、耐高溫陶瓷,高溫陶瓷,優(yōu)點(diǎn)：工作溫度穩(wěn)定在1300左右，熱效率大幅度提高；

4、發(fā)動(dòng)機(jī)可減輕汽車的質(zhì)量 應(yīng)用：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航天航空 陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)的材料選用氮化硅，它的機(jī)械強(qiáng)度高、硬度高、熱膨脹系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、化學(xué)穩(wěn)定性高,透明陶瓷,一般陶瓷不透明的原因：內(nèi)部存在有雜質(zhì)和氣孔，前者能吸收光，后者令光產(chǎn)生散射。 選用高純?cè)?，并通過工藝手段排除氣孔 早期透明陶瓷是氧化物陶瓷：氧化鋁、氧化鋯等 近期研制出非氧化物透明陶瓷：砷化鎵（gaas）、硫化鋅(zns)、硒化鋅（znse）、氟化鎂(mgf2)等。 強(qiáng)度、硬度都高于普通玻璃，耐磨損、耐劃傷，可制造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機(jī)的轟炸瞄準(zhǔn)器和高級(jí)防護(hù)眼鏡等。,功能陶瓷材料,定義：以聲、光、電、磁、熱和力學(xué)性能及其相互轉(zhuǎn)化為

5、主要特征的材料 應(yīng)用：能源開發(fā)、空間技術(shù)、生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子通訊、信息處理等方面 實(shí)例：壓電陶瓷、高溫超導(dǎo)陶瓷、敏感陶瓷、生物功能陶瓷等。,高溫超導(dǎo)陶瓷,超導(dǎo)電性：1911年發(fā)現(xiàn)汞（水銀）在4.2k附近電阻突然降為零 在一定溫度下具有超導(dǎo)電性的物體稱為超導(dǎo)體。,目前新的超導(dǎo)氧化物系列不斷涌現(xiàn)，如bi-ca-cuo，tl-ba-ca-cuo等，它們的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度超過了120k。,高溫超導(dǎo)陶瓷,c60與堿金屬作用形成axc60(a鉀、銣、銫等) 是超導(dǎo)體，轉(zhuǎn)變溫度比金屬合金高。 金屬氧化物超導(dǎo)體屬二維超導(dǎo)。而axc60則屬三維超導(dǎo)。,（1）超導(dǎo)材料輸電發(fā)電站 （2）超導(dǎo)發(fā)電機(jī)，線圈不會(huì)發(fā)熱

6、，無冷卻難題，而且功率損失可減少50% （3）磁力懸浮高速列車的超導(dǎo)磁體,生物功能陶瓷,應(yīng)用：人體器官和組織的修復(fù)或再造 氧化鋁陶瓷可做成假牙，還可做人工關(guān)節(jié) zro2陶瓷的強(qiáng)度、斷裂韌性和耐磨性更好，可用以制造牙根、骨和股關(guān)節(jié)等。 人工合成羥基磷灰石ca10(po4)6(oh)2 與骨的生物相容性好，可用于頜骨、耳聽骨修復(fù)等。 陶瓷材料最大的弱點(diǎn)是性脆，韌性不足。,第三節(jié) 有機(jī)高分子材料,1.高分子化合物概述 2. 高分子化合物的結(jié)構(gòu) 3.高分子化合物的性能 4.重要的高分子化合物,高分子化合物概述,（1）基本概念 高分子化合物相對(duì)分子量特別大的一類化合物，簡(jiǎn)稱高分子或聚合物,低分子化合物

7、高分子化合物 原子數(shù)目： 幾個(gè)幾十個(gè) 幾千幾萬或幾十萬 相對(duì)分子質(zhì)量： 1000 104 106,天然高分子，如淀粉、纖維素、棉、麻絲、毛，人體中的蛋白質(zhì)、糖類、核酸等也是天然高分子。 用化學(xué)方法合成的高分子稱為合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺（尼龍）等都是常用的合成高分子材料。,合成高分子,鏈節(jié)重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元 聚合度鏈節(jié)的數(shù)目 單體合成高分子所用的低分子原料,（2）高分子化合物的分類及命名,1）分類,2）聚合物的命名,天然高分子，一般按來源和性質(zhì)有專有名詞。如纖維素、蛋白質(zhì)等。 合成高分子，是在單體名稱前冠以“聚”字。 由兩種單體縮聚而成的聚合物，如果結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜或不太明確，

8、往往在單體名稱后加上“樹脂”二字來命名。,聚合物的通俗名稱、商品名稱及簡(jiǎn)寫代號(hào),3.2 高分子化合物的結(jié)構(gòu),（1）線型長(zhǎng)鏈狀（不帶支鏈的、帶支鏈）,特點(diǎn)：1）分子鏈柔順，易卷曲。 2）彈性好，塑性好，硬度、脆性較小。 3）具有溶、熔性，易于加工。 如：合成纖維、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。,（2）體型：線型或支鏈型之間以化學(xué)鍵交聯(lián)而成。,特點(diǎn)：1）彈性、塑性差，硬度、脆性較大。2）不具有溶、熔性。 如：酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、離子交換樹脂等。,3.3高分子化合物的特性,短程有序 高分子不容易形成完整的晶體。在局部范圍內(nèi)，分子鏈有可能排列整齊，形成結(jié)晶態(tài)。 不均一性 不同聚合度的高分子的混合物，無法確定

9、高分子的分子量。只是統(tǒng)計(jì)平均結(jié)果。,具有熱塑性、熱固性、絕緣性、相對(duì)密度小、比強(qiáng)度高等特殊的性能。,特點(diǎn),化學(xué)穩(wěn)定性與老化,老化高聚物及其材料在加工、貯存和使用過程中，長(zhǎng)期受化學(xué)和物理(熱、光、電、機(jī)械等)以及生物(霉菌)因素的綜合影響，發(fā)生裂解或交聯(lián)，導(dǎo)致性能變壞的現(xiàn)象。例如，塑料制品變脆、橡膠龜裂、油漆發(fā)粘等。,1）交聯(lián)反應(yīng)在分子鏈之間形成化學(xué)鍵，使大分子從線型結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)變成體型結(jié)構(gòu)的過程。,2）裂解反應(yīng)（降解反應(yīng)）指大分子斷鏈變?yōu)樾》肿拥倪^程。 例：橡膠氧化裂解,重要的高分子材料,通用高分子 塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑 功能高分子,塑料,塑料是在一定的溫度和壓力下可塑制成型的合成高分子

10、材料。 分為熱塑性塑料和熱固性塑料。,聚乙烯,不同的反應(yīng)條件下可得到不同性能的聚乙烯。 若選擇0.21.5mpa低壓聚合，用ziegler-natta催化劑，得到的產(chǎn)品是線型高分子，排列比較規(guī)整、緊密，可做桶、瓶、管、棒等塑料制品，。 若在150mpa高壓下用自由基引發(fā)聚合，得到的產(chǎn)品支鏈化程度較高，結(jié)晶度、密度降低，又稱低密度聚乙烯?？勺鍪称钒b袋、奶瓶等軟塑料制品。,工程塑料,要求有優(yōu)良的機(jī)械性能、耐熱性和尺寸穩(wěn)定性。 聚甲醛的力學(xué)、機(jī)械性能與銅、鋅相似，用它做汽車上的軸承，使用壽命比金屬的長(zhǎng)一倍。 聚碳酸酯不但可以代替某些金屬，還可代替玻璃、木材和合金等，做各種儀器的外殼、自行車車架、飛

11、機(jī)的擋風(fēng)玻璃和高級(jí)家具等。,特種塑料,是在高溫、腐蝕或高輻射等特殊條件下使用的塑料，它們主要用在尖端技術(shù)設(shè)備上。 例如聚四氟乙烯具有優(yōu)異的絕緣性能，抗腐蝕性好，能耐高溫和低溫，可在-200250范圍內(nèi)長(zhǎng)期使用，在宇航、冷凍、化工、電器、醫(yī)療器械等工業(yè)部門都有廣泛的應(yīng)用。,合成纖維,合成高分子為原料，通過拉絲工藝獲得。 聚酯（滌綸）、聚酰胺（尼龍、錦綸）、聚丙烯腈（腈綸），占世界合成纖維總產(chǎn)量度90%以上。 聚乙烯醇縮甲醛（維綸）、聚丙烯（丙綸）、聚氯乙烯（氯綸）等。,聚酯纖維,主要用于織衣料，也可做運(yùn)輸帶、輪胎簾子線、過濾布、纜繩、漁網(wǎng)等。 滌綸的分子鏈結(jié)構(gòu)中含有酯基，這類剛性基團(tuán)的存在，使分

12、子排列規(guī)整、緊密，不易變形，受力形變后也易恢復(fù)，這是滌綸抗皺性好的原因。,聚酰胺纖維,最常見的是尼龍-6和尼龍-66。 主要用于制做漁網(wǎng)、降落傘、宇航飛行服、絲襪及針織內(nèi)衣等。 特點(diǎn)是強(qiáng)度大，彈性好，耐磨性好。聚酰胺分子鏈中存在酰胺基，分子鏈間的酰胺基可以通過氫鍵作用，使分子鏈之間的作用力大為加強(qiáng)，保證了織物的強(qiáng)度。,合成橡膠,橡膠分天然橡膠和合成橡膠。 天然橡膠僅占15%左右，其余都是合成橡膠。 合成橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。,通用橡膠,特種橡膠,特殊的性質(zhì)，如耐高溫、耐低溫、耐油、耐化學(xué)腐蝕和具有高彈性等。 硅橡膠是以硅氧原子取代主鏈中的碳原子，它柔軟、光滑，能耐高溫，適宜做醫(yī)用制品。

13、 氟硅橡膠是將氟原子引入硅橡膠中，是一種耐高、低溫的高彈性材料。丁腈橡膠和聚硫橡膠耐油性好。 許多合成橡膠是線型高分子，具有可塑性，但強(qiáng)度低，回彈力差，容易產(chǎn)生永久變形。若加入硫磺與橡膠分子作用，轉(zhuǎn)變?yōu)轶w型結(jié)構(gòu)，使橡膠失去塑性，同時(shí)獲得高彈性。反應(yīng)如下：,功能高分子,具有光、電、磁、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)等方面的功能的高分子,導(dǎo)電高分子, 70年代人們合成了聚乙炔，發(fā)現(xiàn)它有導(dǎo)電性能。 聚乙炔是一種雙鍵、單鍵間隔連接的線型高分子，分子中存在共軛鍵體系，電子可以在整個(gè)共軛體系中自由流動(dòng)，因此可以導(dǎo)電。若將碘摻雜到聚乙炔中，導(dǎo)電率會(huì)大幅度提高。 聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等都具有導(dǎo)電性，導(dǎo)電高分子材

14、料引起人們的重視。 用導(dǎo)電塑料做成的電池已進(jìn)入市場(chǎng)，硬幣大小，一個(gè)電極是金屬鋰，另一個(gè)電極是聚苯胺導(dǎo)電塑料，電池可多次重復(fù)充電使用，工作壽命長(zhǎng)。,導(dǎo)電高分子,由于固態(tài)電容采用導(dǎo)電性高分子產(chǎn)品作為介電材料，通電后不致于發(fā)生爆炸的現(xiàn)象；同時(shí)它為固態(tài)產(chǎn)品，不存在由于受熱膨脹導(dǎo)致爆裂的情況。,醫(yī)用高分子,某些合成高分子與人體器官組織的天然高分子有著極其相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)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，不會(huì)因與人體接觸而產(chǎn)生排斥和其他作用。,第四節(jié) 復(fù)合材料,合成高分子材料、金屬材料和無機(jī)非金屬材料各有其長(zhǎng)處和短處，如果將這三類不同的材料通過復(fù)合工藝組成新的復(fù)合材料，它既能保

15、持原來材料的長(zhǎng)處，又能彌補(bǔ)短處。 按增體的形狀分類，復(fù)合材料可分為：顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、夾層增強(qiáng)復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。 目前發(fā)展較快、應(yīng)用較廣的是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,碳纖維增強(qiáng)塑料,目前制備碳纖維的方法是將聚丙烯腈合成纖維在200300的空氣中使其氧化，然后在10001500的惰性氣體中碳化，即可得到強(qiáng)度很高的碳纖維。 碳纖維增強(qiáng)塑料可以根據(jù)使用溫度的不同選擇不同的樹脂基體。如環(huán)氧樹脂使用溫度150200；聚雙馬來酰亞胺為200250；而聚酰亞胺在300以上。 應(yīng)用于制造航天飛行器外殼或火箭噴管的耐燒蝕材料、新一代的運(yùn)動(dòng)器材如羽毛球拍、網(wǎng)球拍、高爾夫球桿、滑雪杖、滑雪板等,碳纖維增強(qiáng)塑料,除

16、了碳纖維外，作為纖維增強(qiáng)材料還有玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和芳綸纖維等。,碳纖維增強(qiáng)金屬,碳纖維增強(qiáng)鋁具有耐高溫、耐熱疲勞、耐紫外線和耐潮濕等性能，適合于在航空、航天領(lǐng)域中做飛機(jī)的結(jié)構(gòu)材料。 硼纖維增強(qiáng)鋁也用于空間技術(shù)和軍事方面。 碳化硅纖維增強(qiáng)鋁比鋁輕10%，強(qiáng)度高10%，剛性高一倍，具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐熱性和高溫抗氧化性。主要用于汽車工業(yè)和飛機(jī)制造業(yè)。用碳化硅纖維增強(qiáng)鈦?zhàn)龀傻陌宀暮凸懿囊延脕碇圃祜w機(jī)垂尾、導(dǎo)彈殼體和空間部件。,碳纖維增強(qiáng)陶瓷,隨著對(duì)高溫高強(qiáng)材料的要求愈來愈高，人們轉(zhuǎn)向研制陶瓷基復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)陶瓷可以增強(qiáng)陶瓷的韌性，這是解決陶瓷脆性的途徑之一。 基體陶瓷

17、大體有al2o3，mgo，sio2，zro2，si3n4，sic等。增強(qiáng)材料有碳纖維、碳化硅纖維和碳化硅晶須。 纖維增強(qiáng)陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘接劑貼在航天飛機(jī)機(jī)身上，使航飛機(jī)能安全地穿越大氣層回到地球上。,第五節(jié) 納米材料,納米與納米技術(shù) 用什么儀器看納米 碳納米球 納米技術(shù)的應(yīng)用,納米與納米技術(shù),納米是一種計(jì)量單位，1nm=10-9m，人的一根頭發(fā)絲直徑約為6萬個(gè)納米 納米技術(shù)是指在納米尺度范圍內(nèi)，通過直接操縱分子、原子來組裝、創(chuàng)造具有特定功能的新物質(zhì)。 納米材料：顆粒小到納米數(shù)量級(jí)的物質(zhì) 同一種物質(zhì)，因?yàn)闃?gòu)造上以納米為單位的變化時(shí)，其物理性能和化學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生意想不到的巨變。,花粉是納米級(jí)

18、的粒子粉塵是約300nm的粒子病毒也是納米級(jí)粒子，約30100nm,用什么儀器看納米,如果把一個(gè)納米粒子放在乒乓球上，相當(dāng)于把乒乓球放在地球上。 掃描隧道顯微鏡(scanning tunneling microscope） 透射電鏡（transmission electron microscope） 掃描電鏡（scanning electron microscope） 驚人的分辨率，水平分辨率可達(dá)0.1nm,移動(dòng)原子世界上最小的廣告,1990年ibm的科學(xué)家展示了一項(xiàng)另世人瞠目結(jié)舌的成果 stm不僅可以得到原子圖像，而且可以將原子在一個(gè)位置吸住，再搬運(yùn)到另一個(gè)位置 這意味著人類可以操控原子,在

19、金屬鎳的表面操控惰性氣體氙原子,碳納米球（富勒烯fullerenes）,1996年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，美國(guó)rice大學(xué)的kroto等人 在激光汽化石墨實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)，c60和c70，均具有籠形結(jié)構(gòu)。c60中20個(gè)正六邊形和12個(gè)正五邊形構(gòu)成圓球形結(jié)構(gòu)，60個(gè)頂點(diǎn)分別由60個(gè)碳原子所占有 又相繼發(fā)現(xiàn)了c44、c50、c76、c80、c84、c90 、c94、c120、c180、c540 等富勒烯家族成員， c60 的豐度約為50% ,由于特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，在超導(dǎo)、磁性、光學(xué)、催化、材料及生物等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，得到廣泛的應(yīng)用。,富勒烯的應(yīng)用,超導(dǎo)體 有機(jī)軟鐵磁體 c60(tdae)0.86 四二氨

20、基乙烯軟鐵磁性材料 在磁性記憶材料中有重要應(yīng)用 ，成本低 光學(xué)材料 c60分子中的電子共軛結(jié)構(gòu)使得它具有良好的光學(xué)及非線性光學(xué)性能，有望在光計(jì)算、光記憶、光信號(hào)處理及控制等方面有所應(yīng)用 功能高分子材料 生物活性材料 利用c60分子的抗輻射性能，將放射性元素置于碳籠內(nèi)注射到癌變部位，能提高放射治療的效力并減少副作用。 其它 將鋰原子嵌人碳籠內(nèi)有望制成高效能鋰電池。水溶性釓的c60衍生物有望做為新型核磁造影劑,納米材料的妙用,銅是導(dǎo)電的金屬，當(dāng)尺寸小到幾個(gè)納米時(shí)，就不導(dǎo)電了；而絕緣的二氧化硅在尺寸減小到幾個(gè)到十幾個(gè)納米時(shí)，電阻大大下降，變得可以導(dǎo)電 通常情況下，陶瓷是脆性材料，因而限制了應(yīng)用，但納

21、米陶瓷卻是韌性材料，在室溫下能彎曲，堅(jiān)固無比,納米材料在環(huán)境中的應(yīng)用,納米二氧化鈦光催化降解有機(jī)物水處理技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，無二次污染，除凈度高。具有巨大的比表面積，可將有機(jī)物最大限度地吸附在它的表面；具有更強(qiáng)的紫外光吸收能力，因而具有更強(qiáng)的光催化降解能力，快速 涂料中加入空氣觸媒，可分解空氣中的有害物質(zhì) 自潔玻璃和自潔瓷磚,檢測(cè)環(huán)境中的鉛,納米金與納米銀,納米材料在生活中的應(yīng)用,納米阻燃材料 自潔服裝 抗菌冰箱,納米材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用,納米機(jī)器人是納米生物學(xué)中最具有誘惑力的內(nèi)容 第一代納米機(jī)器人是生物系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合體，可注入人體血管內(nèi)，進(jìn)行健康檢查和疾病治療。還可以用來進(jìn)行人體器官的修復(fù)工作、作整容手術(shù)、從基因中除去有害的，或把正常的安裝在基因中，使機(jī)體正常運(yùn)行。 第二代納米機(jī)器人是直接從原子或分子裝配成具有特定功能的納米尺度的分子裝置 第三代納米機(jī)器人將包含有納米計(jì)算機(jī)，是一種可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的裝置。,納米機(jī)器人,由于納米機(jī)器人可以小到在人的血管中自由移動(dòng)，對(duì)于腦血栓、動(dòng)脈硬化等病灶，可非常容易的予以清除，而無需再進(jìn)行危險(xiǎn)的開顱、開胸手術(shù)。,納米與生物醫(yī)學(xué),納米技術(shù)給生物醫(yī)學(xué)研究帶來了許多新概念、新思想和新方法、新材料、新器件以及相關(guān)