化學與生活金屬材料

關于化學與生活金屬材料第1頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三本章內容1、材料科學發(fā)展概況2、金屬材料化學3、無機非金屬材料4、有機高分子材料5、復合材料第2頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三材料發(fā)展的歷史從生產力的側面反映了人類社會發(fā)展的文明史。第3頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)材料科學發(fā)展概況材料：名詞，指物質或構成器件之物?；瘜W：名詞，指研究物質的性質、組成及性質變化的科學。１、材料發(fā)展的歷史從生產力的側面反映了人類社會發(fā)展的文明史。根據當時有代表性的材料將人類社會劃分為：第4頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三（１）石器時代：舊石器時代－－原始人采用天然的石、木、竹、骨等材料作為狩獵工具；新石器時代－－公元前６０００年，人類發(fā)明了火，掌握了鉆木取火技術，用以燒制陶瓷。

瓷器的出現已成為中華民族文化的象征之一，對世界文化產生過深遠的影響。第5頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三（２）青銅器時代：這是人類社會出現最早的金屬材料，中國歷史上曾有過燦爛的青銅文化。第6頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三（３）鐵器時代：用鐵作為材料來制造農具，鐵在農業(yè)上的廣泛應用，推動了以農業(yè)為中心的科學技術日益進步；以鋼鐵為中心的金屬材料大規(guī)模發(fā)展，有力地摧毀了封建社會的生產方式，萌發(fā)了資本主義。第7頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三（４）聚合物時代二戰(zhàn)后各國致力于恢復經濟，發(fā)展工農業(yè)生產，對材料提出了質量輕、強度高、價格低等一系列要求。具有優(yōu)良性能的工程塑料部分地代替了金屬材料。合成高分子材料的問世是材料發(fā)展的重大突破，從此以金屬材料、陶瓷材料、高分子材料為主體，建立了完整的材料體系，形成了材料科學。能源、信息和材料已被公認為當今社會發(fā)展的三大支柱產業(yè)。第8頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三2、材料分類按材料成分和特性分：金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料和復合材料。復合材料是由金屬材料、無機非金屬材料、高分子材料組成的。復合材料的強度、剛度和耐腐蝕性能比單一材料更為優(yōu)越，是一類更為廣闊發(fā)展前景的新型材料。第9頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)金屬材料化學MetalMaterialChemistry金屬材料：金屬元素或以金屬元素為主構成的具有金屬特性的材料的統稱。包括純金屬、合金、金屬間化合物和特種金屬材料等。

第10頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三S區(qū)金屬包括ⅠA堿金屬和ⅡA堿土金屬共12種，其中鈁和鐳是放射性元素。特點：少（價電子數少）、大（原子半徑大）、輕（密度小于5g/cm）、軟（硬度較小）、易熔（鈹的熔點高達1278℃除外）、活潑（易失去電子）1、s區(qū)金屬第11頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第12頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第13頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三S區(qū)金屬都有活潑性較高的自由電子，因而都具有較高的導電性，堿金屬以Na最高，堿土金屬中Mg的導電性最好?；赟區(qū)金屬都為輕金屬，常用作制造金，其合金的特點為單位質量材料強度高，能承受較大的沖擊裁荷，具優(yōu)良的機械加工性能。S區(qū)金屬應用舉例第14頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三Na第15頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三Mg第16頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鋰（密度僅為0.5g/cm3）是常溫下最輕的固體單質，鈹鋰合金稱超輕合金，是金屬結構材料中最輕的一種。鈹鋁合金（含鈹６２％、鋁３８％），質量輕、耐高溫、強度大，加式性能好等優(yōu)點，應用于導彈、火箭、超音速飛機的結構部件，電子計算機、核燃料包殼。鎂合金是鎂和鋁、鋅、錳等的合金。用于制造儀器、儀表零件，飛機起落架等。第17頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三２、p區(qū)金屬p區(qū)金屬包括ⅢＡ（鋁Al、鍺Ge、銦In、鉈Tl）ⅣＡ（錫Sn、鉛Pb）ⅤＡ（銻Sb、鉍Bi）等.第18頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第19頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三(1)p區(qū)金屬唯有鋁較活潑，但它是易“鈍化”的金屬，有很大的延展性和韌性、導熱導電性好。密度（2.702g/cm3）只有鐵或銅的三分之一。鋁中加入少量的銅、錳、鎂、鋅等合金元素后形成的合金，強度達到并超過鋼材的強度，而質量卻僅為鋼材的四分之一左右。因此鋁合金可代替鋼鐵和銅，用作航空、航天飛行器的主要結構材料。此外，鋁還具有良好的導電性（導電率為銅的６０％），常用來代替銅制造導電材料，特別是高壓電纜。p區(qū)金屬應用舉例-----鋁第20頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鋁在周期表中是第13號元素，相對原子量是26.98.其固體密度為2.7gcm-3.熔點660℃，而單質外觀如左圖。

1S22S22P63S23P1其原子核外的電子排布如右圖所示。所以，鋁的核外電子構型表示為:第21頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鋁的發(fā)現與崛起自100多年前科學家發(fā)現“鋁”后,其產量便立刻突飛猛進，很快超過了有幾千年歷史的銅,成為斷鋼鐵之后的“年輕金屬”。鋁在地殼中的豐度是7.4%，僅次于氧和硅，是貯量最多的元素之一。但由于自然界尚有游離態(tài)的鋁，都以化合態(tài)(長石、云母、高嶺土、鋁土礦等)形式存在,而從鋁化合物中煉出金屬鋁非常困難，所以它的開發(fā)與利用較遲。第22頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鋁的發(fā)現與崛起

1827年，德國化學家維勒以鋁土礦和熔融的鉀反應，得到少量的鋁，1854年法國化學家德維爾又以鋁土礦和熔融的鈉反應，也得到少量的鋁。由于鉀和鈉均極難制得,所以,當時其價格比黃金還要昂貴。

法國皇帝拿破侖三世,曾用鋁制做了一頂頭盔,以顯示自己的富有。所以,鋁曾被列為“稀有金屬”。鋁制頭盔第23頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鋁及其合金的應用除純鋁之外，鋁合金是現代生活和現代化技術中不可缺少的材料。大到宇宙飛船、航天飛機，小到居家生活用品，都有鋁合金的“身影”。它已以經完全滲透到了我們生活的方方面面。所以，鋁被稱為咄咄逼人的“年輕人”。第24頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鋁對人類最大的貢獻，就在于航天航空事業(yè)。雖然其單質的密度小，強度不大，但與一些金屬形成合金后，就具有了輕而結實的優(yōu)越性能。所以航空、航天工業(yè)上發(fā)揮了極大的作用。用鋁合金代替飛機上的鋼鐵部件，可大大減輕飛機的自重，同時也就提高了飛機的載重能力。目前，一架超音速飛機，鋁合金的用量已占用材的70%。第25頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三在各種航天器上也大量使用鋁合金，目的自然是減輕其自重，以能攜帶更多的科學實驗儀器。我國第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅I號”的外殼，就是全部用鋁合金制成的。美國“阿波羅Ⅱ號”宇宙飛船使用的金屬材料中,75%以上是鋁合金。東方紅I號人造衛(wèi)星阿波羅II號宇宙飛船第26頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鋁元素的危害鋁的發(fā)現與應用為人類生活做出了很大貢獻。但近年來的研究表明，過量的鋁元素進入人體后，給人造成諸如癡呆、骨痛、貧血、甲狀腺功能降低、胃液分泌減少等疾病。而對腦組織及智力的損害更為嚴重。腦底模型與腦癡呆第27頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三預防措施(1)減少食用水中的含鋁量

明礬是含鋁化合物,它常用于作凈化自來水的沉淀劑;而鋁制水管或貯水容器也會使水中鋁。明礬第28頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三(2)減少烹調過程鋁的攝入

用鋁炊具燒飯，估計日鋁的攝入量為5～6毫克。應盡量改用不銹鋼和玻璃炊具。鋁炊具第29頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三(3)減少從藥物中攝入鋁

口服氫氧化鋁凝膠的病人,每天攝鋁量高達1000mg,吸收率達25%,相當于每天向血液中加入250mg鋁；

治療胃病的藥物中多也含氫氧化鋁或鋁酸鹽。所以,服用這些藥物時,勢必導致鋁的體內污染。第30頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三(4)防止從食物中攝入鋁在制作面粉加工中的發(fā)酵粉(磷鋁酸鈉,一茶匙含鋁70mg)(可改用酵母菌)、油條、粉條、粉絲、涼粉及腌菜時要加明礬，因而鋁的含量很高。長期食用這些食物,都會引起體內鋁的積淀。第31頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三相關視頻：鋁

/special/show_3564004/1zDUI6bfJ3IYoMqx.html第32頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三p區(qū)金屬應用舉例-----汞錫、鉛、銻、鉍的共同特點是熔點較低、密度較大，硬度較小、金屬性較弱，屬低熔點金屬。制造各種低熔合金，是鉛、錫、銻、鉍四種金屬共同的重要應用。汞（熔點-38.8℃)在室溫時呈液態(tài)，且在０－２００℃時體積膨脹系數均勻，常用作溫度計、氣壓計中的液柱。第33頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三３、過渡金屬元素周期表中d區(qū)、ds區(qū)元素，通稱為過渡元素或過渡金屬。d區(qū)金屬元素的密度均大于5g/cm3，屬重金屬。第34頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第35頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第36頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三貴金屬Cu、Ag、Pd、Rh、Pt和At等貴金屬具有較好的熱力學穩(wěn)定性。但它們價格較貴，僅用于特殊場合中。第37頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第38頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三自然界以單質形式存在的金第39頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三自然界以單質形式存在的銀第40頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三材料新寵---鈦鈦在周期表中是第22號元素，相對原子量是47.867。其固體密度為4.5gcm-3。熔點1668℃，而單質外觀如左圖。1s22s22p63s23p64s24p2其原子核外的電子排布如右圖所示。所以，鈦的核外電子構型表示為：第41頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三第42頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鈦的貯量與儲存形態(tài)鈦有如此生命力的另一外原因是因為它在地球上分布很廣，地殼中的豐度為0.6%，僅次于鋁、鈣、鈉、鉀和鎂，比銅、錫、錳、鋅等金屬多。所以，鈦不是稀有金屬。鈦的主要儲存形式是鈦鐵礦、釩鈦礦及金紅石(TiO2)。我國四川省攀枝花地區(qū)已發(fā)現了儲量約為15億噸的釩鈦鐵礦。第43頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鈦的發(fā)現與工業(yè)化英國化學家格里戈爾于1791年首次發(fā)現了鈦的存在。但直到1910年，美國化學家亨特才用化學方法制得純度99.9%、總量不足1克的鈦。前后歷經約120年。1947年鈦的提煉工業(yè)化，當時產量只有2噸。但不到10年，其產量增至2萬噸,到1972年,年產量達20萬噸。第44頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鈦的應用鈦與鋁比,硬度是其2倍，制成合金則比鋁高出2～4倍。而與鋼相比鈦的密度僅為鋼的57%，但強度與硬度與之接近。鈦同時兼有鋼(高強度)和鋁(質地輕)的優(yōu)點。在原來使用鋼材和鋁材的地方，它可以而代之；而在鋼和鋁不能勝任的地方，鈦則能“輕松應對”。鈦制高爾夫球桿第45頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鈦合金的應用鈦的某些合金硬度特別大,可用來制造切削刀具；用鈦制造的外科手術器械鋒利、輕巧而不變形；利用一些鈦合金的“吸氫”本領，可以貯存氫氣，對新能源的開發(fā)意義重大；有的鈦合金有“可塑性”，可以容易加工成任意形狀；有的鈦合金具有神奇的“記憶”能力……鈦合金制自行車鈦合金制螺絲、螺帽第46頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鈦氧化物的特性鈦的氧化物為TiO2雪白色粉末，它是最好的白色顏料，俗稱“鈦白粉”。

1克鈦白粉可以將450多平方厘米的面積涂的雪白。因此,TiO2是世界上最白的顏料。第47頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鈦是制造宇宙飛船的關鍵材料。由于太空的溫度低達零下100～200℃，這個環(huán)境中的飛船所需要的液氫和液氧燃料，必須貯藏在用耐超低溫的容器中。但大多數金屬罐均會破裂，而鈦制成的容器非但不破,且強度還會增加，所以，液氫和液氧是貯藏在用鈦制成罐中。美國航天飛機第48頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三當美國航天飛機從太空返回地球時，必須穿過大氣層。但由于高速摩擦會使航天飛機表面溫度高達1000℃。一般金屬及其合金都難以抵抗，也只有鈦合金作為其“蒙皮”，才能擔此重任。第49頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鈦材同時也是現代飛機的主要材料。以前飛機的外殼都用鋁合金，但當飛機的速度超過音速的2.2倍時,飛機外殼與空氣的劇烈摩擦而產生很高的溫度。一般鋁合金在300℃以上強度便大大下降。而鈦合金在650℃以上仍泰然無事，因而制造超音速飛機的外殼材料就非鈦莫屬了。美國制造的著名“黑鳥”戰(zhàn)機，其飛行速度已達3200千米/小時,是音速的2.5倍以上，其表面材料即為鈦合金?！昂邙B”軍用飛機第50頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三普通鋼鐵制成的船體易被海水侵蝕，且海水深度每增加10米，壓力就增大1個大氣壓。潛艇或軍艦須用超強耐腐蝕材料來制造。而鈦及其合金長期浸泡在海水中不被海狼號核動力攻擊潛艇英國大刀級導彈護衛(wèi)艦腐蝕，且由于其沒有磁性，故用鈦合金制造的艦船，可免受磁性水雷的攻擊。所以美國的深海潛艇就是用鈦合金制成的，它能夠在4500米深海中航行。第51頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三相關視頻：

鈦性質與用途/special/show_3564004/DucG_uizmvyAtgRd.html

我國的鈦合金

/special/show_3564004/Sz_yIiA3VlazS6T9.html第52頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鈦在生活中的應用鈦金計算機鈦金水籠頭第53頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鈦在醫(yī)學上的應用鈦是一種純性金屬，也就是說,因為鈦的耐腐蝕性、穩(wěn)定性高，使它在和人長期接觸以后也不影響其本質，所以不會造成人的過敏，被人們稱為“親生物金屬”。由于鈦的密度與人骨相近，所以,鈦在醫(yī)學上有著獨特的用途。醫(yī)學上“鈦骨”就如真的骨頭一樣，甚至可以用鈦制人造骨頭來代替人骨治療骨折。第54頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三4、合金材料合金：兩種或兩種以上的金屬（或金屬跟非金屬）熔合而成的具有金屬特性的物質。合金具有許多優(yōu)良的物理、化學或機械性能。一般來說:

具有金屬通性

硬度大于各成分金屬

熔點低于各成分金屬第55頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三（１）銅合金：我國使用最早的合金司母戊鼎青銅：主要含銅和錫，有良好的強度和塑性、耐磨、耐腐蝕，用于制機器零件如軸承、齒輪等。第56頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三黃銅：主要含銅和鋅，有良好的強度和塑性、易加工、耐腐蝕，主要用于制機器零件、儀表和日用品。白銅：主要含銅和鎳，它不容易生銅綠，用于制造精密儀器和裝飾品。工業(yè)上常用銅合金來制造各種機械零件第57頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三工業(yè)上常用銅合金來制造各種機械零件相關視頻：/special/show_3564004/u7zaTqSg4h41hq9f.html第58頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三（2）鐵合金生鐵鋼（含碳量在2％～4.3％之間,還含硅、錳及少量硫、磷）碳素鋼低碳鋼（含碳0.3％～0.6％）高碳鋼（含碳0.03％～0.3％）中碳鋼（含碳0.6％～2％）合金鋼

在碳素鋼中加入鉻、錳、鎢、鎳、鉬、鈷等合金元素(如不銹鋼)第59頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鋼，用量最大,用途最廣的合金錳鋼制成的鋼軌第60頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三鋼的含碳量越低，韌性越好，硬度越低；含碳量越高，韌性越差，硬度越高。第61頁，共73頁，2023年，2月20日，星期三相關視頻：純鐵及其合金

/special/show_3564004/ldpop11JkFla6ZWD.htm