無機材料課件化學與人類

無機材料課件化學與人類第一頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.1.

材料科學的發(fā)展概況使用純天然材料的初級階段

人類單純利用火制造材料的階段

利用物理與化學原理合成材料的階段

材料的復合化階段

材料的智能化階段

第二頁，共五十六頁，2022年，8月28日舊石器時代（公元前10萬年左右）使用天然的石、木、竹、骨等材料作為守獵工具；第三頁，共五十六頁，2022年，8月28日新石器時代（公元前6000年）陶瓷材料的發(fā)明和應用飲食方式：燒烤——煮食生產(chǎn)工具：打磨的石頭——陶器住房：半穴居的泥草房——陶器的房屋，擋風遮雨，堅固不怕水第四頁，共五十六頁，2022年，8月28日粘土的化學成分：SiO2、MgO、CaCO3、Al2O3，熔點都不很高。當溫度達900℃時，

硅酸鈣CaSiO3和硅酸鋁Al2(SiO3)3等，它們?nèi)诤显谝黄鸨愠蔀閳杂驳奶?。粘土為什么能制陶呢？第五頁，共五十六頁?022年，8月28日新石器時代（公元前6000年）到了殷商時期，人們發(fā)現(xiàn)，用含SiO2較高的粘土，再加入石灰、草木灰等含有CaO、KOH的堿性物質(zhì)，在1200度的高溫下，燒出的陶器硬度更高、吸水率更低，表面光滑明亮，這就是釉層。如果用CuO、FeO做顏料，可使釉層十分漂亮。宋代五大名窯之一鈞窯產(chǎn)品--鈞紅花瓶第六頁，共五十六頁，2022年，8月28日釉里紅青花瓷第七頁，共五十六頁，2022年，8月28日唐三彩第八頁，共五十六頁，2022年，8月28日第九頁，共五十六頁，2022年，8月28日第十頁，共五十六頁，2022年，8月28日青銅器時代（公元前21世紀，夏、商、西周至春秋時期）司母戊大方鼎矛戈鑒燧兩用鏡戰(zhàn)國初期的曾侯乙編鐘第十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日“五金”：在戰(zhàn)國之前，人們只能從礦石中提煉出金、銀、銅、錫、鉛5種金屬，被人們稱之為“五金”?！盃t火純青”：兩千余年的青銅熔煉工藝——“凡鑄金之狀，金與錫黑濁之氣竭，黃白次之，黃白之氣竭，青白次之，青白之氣竭，青氣次之，然后可鑄也?！痹摴に囀菫榱丝刂迫蹮挼臏囟龋凑莆栈鸷?；當熔煉到“青氣次之”之時，也就是熔煉到了所謂“爐火純青”的火候了。第十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日以鋼鐵為中心的金屬材料的使用（18世紀－產(chǎn)業(yè)革命）第十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日合成高分子材料（二次大戰(zhàn)后）合成纖維、合成橡膠、合成塑料、涂料和膠粘劑第十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日復合材料玻璃鋼第十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日20世紀80年代，半導體材料、光導纖維（信息技術(shù)），耐高溫材料、復合材料、燒蝕材料、涂層材料（空間技術(shù)）CCD光纖第十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日涂層材料燒蝕材料第十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日在哥倫比亞號航天飛機再次發(fā)射以前，上一次發(fā)射時受損的陶瓷防護片必須更換。第十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.1.1化學是材料發(fā)展的源泉傳統(tǒng)材料有幾十萬種，而新合成的材料每年大約以5％的速度在增加。例如：高分子材料的發(fā)展第十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.1.2材料的分類方法按來源分類天然材料人工材料按用途分類結(jié)構(gòu)材料功能材料按材料的成分和特性金屬材料復合材料陶瓷材料高分子材料第二十頁，共五十六頁，2022年，8月28日金屬材料黑色金屬材料包括鐵、錳、鉻以及它們的合金有色金屬材料輕金屬：Al,Mg,Ti重金屬:Cu,Zn,Cd,Hg,Pb高熔點金屬:V,Mo稀土金屬:La,Ce,Pr貴金屬:Au,Ag,Pt,Pd

第二十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日陶瓷材料傳統(tǒng)的陶瓷材料是以硅和鋁的氧化物為主的硅酸鹽材料，新發(fā)展起來的陶瓷成分擴展到純的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等等；高分子材料新一代合成材料，優(yōu)點：較高的強度、優(yōu)良的塑性、耐腐蝕、不導電等第二十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日復合材料由金屬材料、陶瓷材料和高分子材料復合組成如：纖維增強陶瓷基復合材料，可以增加陶瓷的韌性，解決陶瓷的脆性弱點。由纖維增強陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘結(jié)劑貼在航天飛機機身上，確保航天飛機能安全的穿越大氣層回到地球上。第二十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日1、新型材料具有特殊的性能，能滿足尖端技術(shù)和設(shè)備制造的需要，如超高溫材料、超高壓材料、耐腐蝕、耐磨擦材料等等；2、新型材料的發(fā)展與材料科學理論的關(guān)系比傳統(tǒng)材料更為密切，它的研制是多學科綜合研究的結(jié)果；如太陽能電池材料的研制涉及光電子學理論、減振吸聲材料的研制等等；5.1.3新型材料的主要特點第二十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日3、新型材料從設(shè)計到生產(chǎn)，需要專門的、復雜的設(shè)備和技術(shù)，它自身形成了一個獨特的領(lǐng)域，稱為新材料技術(shù)；如用機械合金化技術(shù)制備納米晶材料、非晶態(tài)合金材料，用自蔓延高溫合成技術(shù)制備多孔陶瓷材料等；4、新型材料更新?lián)Q代快、式樣多變；如手機電池所采用的能源材料，在比較短的時間內(nèi)經(jīng)歷了Ni-Cd、Ni-H、鋰離子材料的變化；5、新型材料大多是知識密集、技術(shù)密集、附加值高的高技術(shù)材料；第二十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日

5.2.1金屬鍵和純金屬的晶體結(jié)構(gòu)5.2金屬材料金屬的性質(zhì)：有金屬光澤、良好的傳熱、導電和延展性；自由電子第二十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.2.2鋼鐵地殼中鐵主要以氧化物、硫化物和碳酸鹽形式存在，重要的礦石有赤鐵礦、磁鐵礦、褐鐵礦、菱鐵礦等；鐵冶煉過程為還原反應，以焦炭為還原劑，再加一些石灰石和二氧化硅等作助熔劑。第二十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日第二十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日生鐵（鑄鐵）：脆，含碳3-4%灰口鐵：鐵水慢慢冷卻，F(xiàn)e3C→3Fe+C

柔軟，有韌性，可切削加工。白口鐵：鐵水快速冷卻，F(xiàn)e3C

硬且脆，用來煉鋼。球墨鑄鐵：在鐵水中加0.05%鎂，使碳變成球狀。具有高強度、塑性、韌性和熱加工性能，易切削加工。第二十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日α-Fe,δ-Feγ-Fe純鐵是銀白色，有金屬光澤，性軟，有延展性。熔點為1535℃，沸點為3000℃。鐵有α-Fe、γ-Fe、δ-Fe三種同素異形體，三種同素異形體之間可互相轉(zhuǎn)化，這種現(xiàn)象稱為相變；910℃1390℃第三十頁，共五十六頁，2022年，8月28日鋼鐵是鐵和碳的合金體系總稱，特點是強度高、硬度高、耐腐蝕等，是世界上產(chǎn)量最大的金屬材料；煉鋼，其實質(zhì)就是控制生鐵中的含碳量達到鋼的要求，同時除去危害鋼的性能的一些雜質(zhì)，如S、P等；低碳鋼：含碳量<0.25%中碳鋼：含碳量0.25%~0.6%高碳鋼：含碳量>0.6%第三十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日金屬間隙結(jié)構(gòu)金屬單質(zhì)的結(jié)構(gòu)中存在許多四面體和八面體空隙，使半徑較小的非金屬原子如硼、碳、氮、氫等可填入空隙中，形成金屬間隙化合物或金屬間隙固溶體，通稱為金屬間隙結(jié)構(gòu)。同時存在金屬鍵和共價鍵，原子間結(jié)合得特別牢固。第三十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日碳原子在鐵原子的空隙中可形成多種物相奧氏體：碳在γ-Fe中的間隙固溶體。鐵素體：碳在α-Fe中的間隙固溶體。滲碳體：鐵和碳形成的化合物，化學式為Fe3C，含碳量為6.69％。珠光體：奧氏體發(fā)生共析轉(zhuǎn)變所形成的鐵素體與滲碳體的共析體。馬氏體：碳在α-Fe中的過飽和固溶體。第三十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日合金鋼

按合金元素含量多少，分為：

低合金鋼（合金元素總量低于5%）

中合金鋼（合金元素總量為5%-10%）

高合金鋼（合金元素總量高于10%）

按所含的主要合金元素，分為：

鉻鋼（Cr-Fe-C)

鉻鎳鋼（Cr-Ni-Fe-C)

錳鋼（Mn-Fe-C)

硅錳鋼（Si-Mn-Fe-C)第三十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.2.3鋁合金和鋁鋰合金鋁是自然界含量最多的金屬，在地殼中以復硅酸鹽形式存在。主要的礦石有鋁土礦、粘土、長石、云母、冰晶石等。常用電解法從礦石中提煉金屬鋁。純鋁是銀白色金屬，熔點為659.8℃，沸點為2270℃,密度為2.702g/cm3，僅為鐵的1/3。導電導熱性能好，有優(yōu)良的延展性，在大氣中易形成致密的氧化膜保護層，有很好的抗蝕性。第三十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日金屬鋁與鎂、銅、鋅、錳、硅等形成的合金，強度高、相對密度小、易成型，廣泛用于飛機制造業(yè)；鋁合金鋁鋰合金金屬鋁與鋰形成的合金，比鋁合金強度高，密度小，用于制造飛機，可使飛機質(zhì)量減輕15-20%，并能降低油耗和提高飛機性能；第三十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.2.4新型金屬材料形狀記憶合金：Ni-Ti鎳鈦高溫合金：Ni-Co合金柱晶合金單晶合金貯氫合金：鎂系、稀土系、鈦系合金非晶態(tài)合金第三十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日噴氣式飛機的發(fā)動機葉片是由鎳、鐵、碳和鈷組成的鎳鈷合金制造的，能承受1200℃的高溫

第三十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日形狀記憶合金第三十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日形狀記憶合金——轉(zhuǎn)變溫度以鎳鈦合金來說，它的轉(zhuǎn)變溫度在40℃左右，在40℃以上時它很堅硬，強度也很高；在40℃以下時，它相當軟，強度低，可以方便地做成各種形狀。形狀記憶合金由于具有許多優(yōu)異的性能，因而廣泛應用于航空航天、機械電子、生物醫(yī)療、橋梁建筑、汽車工業(yè)及日常生活等多個領(lǐng)域。

第四十頁，共五十六頁，2022年，8月28日航天器的天線在陽光的照射下慢慢打開第四十一頁，共五十六頁，2022年，8月28日形狀記憶合金在醫(yī)學中的應用消化道內(nèi)支架血管內(nèi)支架膽道內(nèi)支架第四十二頁，共五十六頁，2022年，8月28日形狀記憶合金在日常生活中的應用第四十三頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.3無機非金屬材料又稱陶瓷材料，包括范圍非常廣泛；可分為傳統(tǒng)陶瓷材料和精細陶瓷材料。5.3.1傳統(tǒng)陶瓷傳統(tǒng)陶瓷材料的主要成分是硅酸鹽；天然硅酸鹽：巖石、沙子、粘土、云母、滑石、高嶺土等；人造硅酸鹽：玻璃、水泥、磚瓦、耐火磚等。第四十四頁，共五十六頁，2022年，8月28日硅酸鹽制品一般都是以粘土（高嶺土）、石英和長石為原料。粘土：Al2O3.2SiO2.2H2O石英：SiO2鉀長石：K2O.Al2O3.6SiO2鈉長石：Na2O.Al2O3.6SiO2硅酸鹽都需要高溫燒結(jié)。粘土在高溫下先脫水，轉(zhuǎn)化為莫來石（3Al2O3.2SiO2）。耐火材料基本上由石英、莫來石和玻璃組成的。第四十五頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.3.2精細陶瓷精細陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的差別：

1、在原料上，突破了傳統(tǒng)陶瓷以粘土為主要原料的界限，特種陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等為主要原料。

2、在成分上，傳統(tǒng)陶瓷的組成由粘土的成分決定，所以不同產(chǎn)地和爐窯的陶瓷有不同的質(zhì)地。由于特種陶瓷的原料是純化合物，因此成分由人工配比決定，其性質(zhì)的優(yōu)劣由原料的純度和工藝，而不是由產(chǎn)地決定。

第四十六頁，共五十六頁，2022年，8月28日5.3.2精細陶瓷精細陶瓷與傳統(tǒng)陶瓷的差別：

3、在制備工藝上，突破了傳統(tǒng)陶瓷以爐窯為主要生產(chǎn)手段的界限，廣泛采用真空燒結(jié)，保護氣氛燒結(jié)、熱壓、熱靜壓等手段。

4、在性能上，特種陶瓷具有不同的特殊性質(zhì)和功能，如高強度、高硬度、耐腐蝕、導電、絕緣以及在磁、電、光、聲、生物工程各方面具有的特殊功能，從而使其在高溫、機械、電子、宇航、醫(yī)學工程各方面得到廣泛的應用。第四十七頁，共五十六頁，2022年，8月28日

精細陶瓷舉例：電子陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷復合材料透明陶瓷光導纖維生物陶瓷超導陶瓷第四十八頁，共五十六頁，2022年，8月28日光纜光導纖維第四十九頁，共五十六頁，2022年，8月28日生物陶瓷（