化學(xué)與生活金屬材料

關(guān)于化學(xué)與生活金屬材料第1頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三本章內(nèi)容1、材料科學(xué)發(fā)展概況2、金屬材料化學(xué)3、無(wú)機(jī)非金屬材料4、有機(jī)高分子材料5、復(fù)合材料第2頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三材料發(fā)展的歷史從生產(chǎn)力的側(cè)面反映了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的文明史。第3頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)材料科學(xué)發(fā)展概況材料：名詞，指物質(zhì)或構(gòu)成器件之物?；瘜W(xué)：名詞，指研究物質(zhì)的性質(zhì)、組成及性質(zhì)變化的科學(xué)。１、材料發(fā)展的歷史從生產(chǎn)力的側(cè)面反映了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的文明史。根據(jù)當(dāng)時(shí)有代表性的材料將人類(lèi)社會(huì)劃分為：第4頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（１）石器時(shí)代：舊石器時(shí)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(shí)代－－公元前６０００年，人類(lèi)發(fā)明了火，掌握了鉆木取火技術(shù)，用以燒制陶瓷。

瓷器的出現(xiàn)已成為中華民族文化的象征之一，對(duì)世界文化產(chǎn)生過(guò)深遠(yuǎn)的影響。第5頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（２）青銅器時(shí)代：這是人類(lèi)社會(huì)出現(xiàn)最早的金屬材料，中國(guó)歷史上曾有過(guò)燦爛的青銅文化。第6頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（３）鐵器時(shí)代：用鐵作為材料來(lái)制造農(nóng)具，鐵在農(nóng)業(yè)上的廣泛應(yīng)用，推動(dòng)了以農(nóng)業(yè)為中心的科學(xué)技術(shù)日益進(jìn)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(huì)的生產(chǎn)方式，萌發(fā)了資本主義。第7頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（４）聚合物時(shí)代二戰(zhàn)后各國(guó)致力于恢復(fù)經(jīng)濟(jì)，發(fā)展工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，對(duì)材料提出了質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、價(jià)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(wèn)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(xué)。能源、信息和材料已被公認(rèn)為當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的三大支柱產(chǎn)業(yè)。第8頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2、材料分類(lèi)按材料成分和特性分：金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料。復(fù)合材料是由金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料組成的。復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度和耐腐蝕性能比單一材料更為優(yōu)越，是一類(lèi)更為廣闊發(fā)展前景的新型材料。第9頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)金屬材料化學(xué)MetalMaterialChemistry金屬材料：金屬元素或以金屬元素為主構(gòu)成的具有金屬特性的材料的統(tǒng)稱(chēng)。包括純金屬、合金、金屬間化合物和特種金屬材料等。

第10頁(yè)，共73頁(yè)，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(diǎn)：少（價(jià)電子數(shù)少）、大（原子半徑大）、輕（密度小于5g/cm）、軟（硬度較?。?、易熔（鈹?shù)娜埸c(diǎn)高達(dá)1278℃除外）、活潑（易失去電子）1、s區(qū)金屬第11頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第12頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第13頁(yè)，共73頁(yè)，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(dǎo)電性，堿金屬以Na最高，堿土金屬中Mg的導(dǎo)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(diǎn)為單位質(zhì)量材料強(qiáng)度高，能承受較大的沖擊裁荷，具優(yōu)良的機(jī)械加工性能。S區(qū)金屬應(yīng)用舉例第14頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Na第15頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三Mg第16頁(yè)，共73頁(yè)，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(zhì)，鈹鋰合金稱(chēng)超輕合金，是金屬結(jié)構(gòu)材料中最輕的一種。鈹鋁合金（含鈹６２％、鋁３８％），質(zhì)量輕、耐高溫、強(qiáng)度大，加式性能好等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭、超音速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)部件，電子計(jì)算機(jī)、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(jī)起落架等。第17頁(yè)，共73頁(yè)，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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第19頁(yè)，共73頁(yè)，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(dǎo)熱導(dǎo)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(qiáng)度達(dá)到并超過(guò)鋼材的強(qiáng)度，而質(zhì)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(jié)構(gòu)材料。此外，鋁還具有良好的導(dǎo)電性（導(dǎo)電率為銅的６０％），常用來(lái)代替銅制造導(dǎo)電材料，特別是高壓電纜。p區(qū)金屬應(yīng)用舉例-----鋁第20頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鋁在周期表中是第13號(hào)元素，相對(duì)原子量是26.98.其固體密度為2.7gcm-3.熔點(diǎn)660℃，而單質(zhì)外觀(guān)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(gòu)型表示為:第21頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鋁的發(fā)現(xiàn)與崛起自100多年前科學(xué)家發(fā)現(xiàn)“鋁”后,其產(chǎn)量便立刻突飛猛進(jìn)，很快超過(guò)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(zhǎng)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(kāi)發(fā)與利用較遲。第22頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鋁的發(fā)現(xiàn)與崛起

1827年，德國(guó)化學(xué)家維勒以鋁土礦和熔融的鉀反應(yīng)，得到少量的鋁，1854年法國(guó)化學(xué)家德維爾又以鋁土礦和熔融的鈉反應(yīng)，也得到少量的鋁。由于鉀和鈉均極難制得,所以,當(dāng)時(shí)其價(jià)格比黃金還要昂貴。

法國(guó)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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鋁及其合金的應(yīng)用除純鋁之外，鋁合金是現(xiàn)代生活和現(xiàn)代化技術(shù)中不可缺少的材料。大到宇宙飛船、航天飛機(jī)，小到居家生活用品，都有鋁合金的“身影”。它已以經(jīng)完全滲透到了我們生活的方方面面。所以，鋁被稱(chēng)為咄咄逼人的“年輕人”。第24頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鋁對(duì)人類(lèi)最大的貢獻(xiàn)，就在于航天航空事業(yè)。雖然其單質(zhì)的密度小，強(qiáng)度不大，但與一些金屬形成合金后，就具有了輕而結(jié)實(shí)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(jī)上的鋼鐵部件，可大大減輕飛機(jī)的自重，同時(shí)也就提高了飛機(jī)的載重能力。目前，一架超音速飛機(jī)，鋁合金的用量已占用材的70%。第25頁(yè)，共73頁(yè)，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(xué)實(shí)驗(yàn)儀器。我國(guó)第一顆人造地球衛(wèi)星東方紅I號(hào)”的外殼，就是全部用鋁合金制成的。美國(guó)“阿波羅Ⅱ號(hào)”宇宙飛船使用的金屬材料中,75%以上是鋁合金。東方紅I號(hào)人造衛(wèi)星阿波羅II號(hào)宇宙飛船第26頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鋁元素的危害鋁的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用為人類(lèi)生活做出了很大貢獻(xiàn)。但近年來(lái)的研究表明，過(guò)量的鋁元素進(jìn)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(duì)腦組織及智力的損害更為嚴(yán)重。腦底模型與腦癡呆第27頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三預(yù)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(lái)水的沉淀劑;而鋁制水管或貯水容器也會(huì)使水中鋁。明礬第28頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)減少烹調(diào)過(guò)程鋁的攝入

用鋁炊具燒飯，估計(jì)日鋁的攝入量為5～6毫克。應(yīng)盡量改用不銹鋼和玻璃炊具。鋁炊具第29頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(3)減少?gòu)乃幬镏袛z入鋁

口服氫氧化鋁凝膠的病人,每天攝鋁量高達(dá)1000mg,吸收率達(dá)25%,相當(dāng)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(shí),勢(shì)必導(dǎo)致鋁的體內(nèi)污染。第30頁(yè)，共73頁(yè)，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(shí)要加明礬，因而鋁的含量很高。長(zhǎng)期食用這些食物,都會(huì)引起體內(nèi)鋁的積淀。第31頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三相關(guān)視頻：鋁

/special/show_3564004/1zDUI6bfJ3IYoMqx.html第32頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三p區(qū)金屬應(yīng)用舉例-----汞錫、鉛、銻、鉍的共同特點(diǎn)是熔點(diǎn)較低、密度較大，硬度較小、金屬性較弱，屬低熔點(diǎn)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(yīng)用。汞（熔點(diǎn)-38.8℃)在室溫時(shí)呈液態(tài)，且在０－２００℃時(shí)體積膨脹系數(shù)均勻，常用作溫度計(jì)、氣壓計(jì)中的液柱。第33頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三３、過(guò)渡金屬元素周期表中d區(qū)、ds區(qū)元素，通稱(chēng)為過(guò)渡元素或過(guò)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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第35頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第36頁(yè)，共73頁(yè)，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(xué)穩(wěn)定性。但它們價(jià)格較貴，僅用于特殊場(chǎng)合中。第37頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第38頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三自然界以單質(zhì)形式存在的金第39頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三自然界以單質(zhì)形式存在的銀第40頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三材料新寵---鈦鈦在周期表中是第22號(hào)元素，相對(duì)原子量是47.867。其固體密度為4.5gcm-3。熔點(diǎn)1668℃，而單質(zhì)外觀(guān)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(gòu)型表示為：第41頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三第42頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦的貯量與儲(chǔ)存形態(tài)鈦有如此生命力的另一外原因是因?yàn)樗诘厍蛏戏植己軓V，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(chǔ)存形式是鈦鐵礦、釩鈦礦及金紅石(TiO2)。我國(guó)四川省攀枝花地區(qū)已發(fā)現(xiàn)了儲(chǔ)量約為15億噸的釩鈦鐵礦。第43頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦的發(fā)現(xiàn)與工業(yè)化英國(guó)化學(xué)家格里戈?duì)栍?791年首次發(fā)現(xiàn)了鈦的存在。但直到1910年，美國(guó)化學(xué)家亨特才用化學(xué)方法制得純度99.9%、總量不足1克的鈦。前后歷經(jīng)約120年。1947年鈦的提煉工業(yè)化，當(dāng)時(shí)產(chǎn)量只有2噸。但不到10年，其產(chǎn)量增至2萬(wàn)噸,到1972年,年產(chǎn)量達(dá)20萬(wàn)噸。第44頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦的應(yīng)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(qiáng)度與硬度與之接近。鈦同時(shí)兼有鋼(高強(qiáng)度)和鋁(質(zhì)地輕)的優(yōu)點(diǎn)。在原來(lái)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(yīng)對(duì)”。鈦制高爾夫球桿第45頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦合金的應(yīng)用鈦的某些合金硬度特別大,可用來(lái)制造切削刀具；用鈦制造的外科手術(shù)器械鋒利、輕巧而不變形；利用一些鈦合金的“吸氫”本領(lǐng)，可以貯存氫氣，對(duì)新能源的開(kāi)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(chē)鈦合金制螺絲、螺帽第46頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦氧化物的特性鈦的氧化物為T(mén)iO2雪白色粉末，它是最好的白色顏料，俗稱(chēng)“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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦是制造宇宙飛船的關(guān)鍵材料。由于太空的溫度低達(dá)零下100～200℃，這個(gè)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(shù)金屬罐均會(huì)破裂，而鈦制成的容器非但不破,且強(qiáng)度還會(huì)增加，所以，液氫和液氧是貯藏在用鈦制成罐中。美國(guó)航天飛機(jī)第48頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(dāng)美國(guó)航天飛機(jī)從太空返回地球時(shí)，必須穿過(guò)大氣層。但由于高速摩擦?xí)购教祜w機(jī)表面溫度高達(dá)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(dān)此重任。第49頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦材同時(shí)也是現(xiàn)代飛機(jī)的主要材料。以前飛機(jī)的外殼都用鋁合金，但當(dāng)飛機(jī)的速度超過(guò)音速的2.2倍時(shí),飛機(jī)外殼與空氣的劇烈摩擦而產(chǎn)生很高的溫度。一般鋁合金在300℃以上強(qiáng)度便大大下降。而鈦合金在650℃以上仍泰然無(wú)事，因而制造超音速飛機(jī)的外殼材料就非鈦莫屬了。美國(guó)制造的著名“黑鳥(niǎo)”戰(zhàn)機(jī)，其飛行速度已達(dá)3200千米/小時(shí),是音速的2.5倍以上，其表面材料即為鈦合金?！昂邙B(niǎo)”軍用飛機(jī)第50頁(yè)，共73頁(yè)，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(gè)大氣壓。潛艇或軍艦須用超強(qiáng)耐腐蝕材料來(lái)制造。而鈦及其合金長(zhǎng)期浸泡在海水中不被海狼號(hào)核動(dòng)力攻擊潛艇英國(guó)大刀級(jí)導(dǎo)彈護(hù)衛(wèi)艦腐蝕，且由于其沒(méi)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(guó)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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三相關(guān)視頻：

鈦性質(zhì)與用途/special/show_3564004/DucG_uizmvyAtgRd.html

我國(guó)的鈦合金

/special/show_3564004/Sz_yIiA3VlazS6T9.html第52頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦在生活中的應(yīng)用鈦金計(jì)算機(jī)鈦金水籠頭第53頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三鈦在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用鈦是一種純性金屬，也就是說(shuō),因?yàn)殁伒哪透g性、穩(wěn)定性高，使它在和人長(zhǎng)期接觸以后也不影響其本質(zhì)，所以不會(huì)造成人的過(guò)敏，被人們稱(chēng)為“親生物金屬”。由于鈦的密度與人骨相近，所以,鈦在醫(yī)學(xué)上有著獨(dú)特的用途。醫(yī)學(xué)上“鈦骨”就如真的骨頭一樣，甚至可以用鈦制人造骨頭來(lái)代替人骨治療骨折。第54頁(yè)，共73頁(yè)，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(zhì)。合金具有許多優(yōu)良的物理、化學(xué)或機(jī)械性能。一般來(lái)說(shuō):

具有金屬通性

硬度大于各成分金屬

熔點(diǎn)低于各成分金屬第55頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（１）銅合金：我國(guó)使用最早的合金司母戊鼎青銅：主要含銅和錫，有良好的強(qiáng)度和塑性、耐磨、耐腐蝕，用于制機(jī)器零件如軸承、齒輪等。第56頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黃銅：主要含銅和鋅，有良好的強(qiáng)度和塑性、易加工、耐腐蝕，主要用于制機(jī)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(lái)制造各種機(jī)械零件第57頁(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三工業(yè)上常用銅合金來(lái)制造各種機(jī)械零件相關(guān)視頻：/special/show_3564004/u7zaTqSg4h41hq9f.html第58頁(yè)，共73頁(yè)，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(yè)，共73頁(yè)，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(yè)，共73頁(yè)，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(yè)，共73頁(yè)，2023年，2月20日，星期三相關(guān)視頻：純鐵及其合金

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