現(xiàn)代化學(xué)與新材料技術(shù)

1、第三章 現(xiàn)代化學(xué)與新材料技術(shù)學(xué)習(xí)目標(biāo)： 1. 了解：現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展特點(diǎn)和研究內(nèi)容；幾種傳統(tǒng)材料的特性和應(yīng)用；新材料技術(shù)的發(fā)展趨勢和戰(zhàn)略。 2. 理解：幾種常規(guī)的化學(xué)分析方法；一些新材料的優(yōu)異性能和應(yīng)用。 3. STS：領(lǐng)悟化學(xué)科學(xué)發(fā)展對社會進(jìn)步和新材料技術(shù)發(fā)展的作用。學(xué)習(xí)過程： 材料是人們用來制造有用物品的各種物質(zhì)。材料是人類生產(chǎn)和生活活動的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是社會生產(chǎn)力的重要因素。早在史前，原始人類在與自然抗?fàn)庍^程中，學(xué)會了使用原始的材料?？梢哉f人類使用材料的歷史與人類社會文明史一樣地悠悠久長。自從人類發(fā)現(xiàn)了火種以后，化學(xué)工藝對材料的發(fā)展和應(yīng)用就起著重要的作用。隨著化學(xué)和其他學(xué)科的發(fā)展，人類使用的材

2、料逐漸發(fā)展形成了金屬材料，非金屬材料和有機(jī)高分子材料等龐大的材料體系。 一、 現(xiàn)代化學(xué)的特點(diǎn)與發(fā)展 我們已經(jīng)知道，化學(xué)是一門在分子、原子水平上研究物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性能的辯證關(guān)系，以及物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué)?；瘜W(xué)也是一門滿足社會需要的中心科學(xué)，在現(xiàn)代社會中，化學(xué)對材料、能源、農(nóng)業(yè)、資源的開發(fā)，滿足和改善人民生活，促進(jìn)社會生產(chǎn)發(fā)展都有著巨大的作用。當(dāng)然，化學(xué)過程產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)對環(huán)境的污染，也引起了各種各樣的社會問題。那么，現(xiàn)代化學(xué)是如何發(fā)展的呢？02：55 （一）現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的歷程 化學(xué)的發(fā)展，經(jīng)歷了很長的歷史時期。 1、古代化學(xué)的產(chǎn)生 大約五十萬年以前，人類發(fā)明了“鉆木取火”，掌握了人工取火的

3、技術(shù)。火的利用是人類最早的一項化學(xué)實(shí)踐活動，也是人類最早知道的一種化學(xué)現(xiàn)象，它為人們以后研究和實(shí)現(xiàn)一系列物質(zhì)的化學(xué)變化創(chuàng)造了條件。古代化學(xué)是一種實(shí)用化學(xué)，由它產(chǎn)生的制陶，金屬冶煉，火藥制造，染色，釀酒等化學(xué)工藝，幾乎成為古代社會生產(chǎn)力發(fā)展的最重要的因素。古代人們在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，掌握了過濾、溶解、結(jié)晶、升華和熔融等化學(xué)技術(shù)的同時，對物質(zhì)也有了總體的認(rèn)識，產(chǎn)生諸多的物質(zhì)觀點(diǎn)，如我國戰(zhàn)國時期的“五行說”，古希臘亞里斯多德的“四素說”等，這些化學(xué)制作工藝和學(xué)說，積累了大量的操作經(jīng)驗和化學(xué)知識，為近代化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 2、近代化學(xué)的建立 16世紀(jì)末至17世紀(jì)初，化學(xué)理論逐漸建立，英國化學(xué)家和物理學(xué)

4、家波義耳，在1661年，首次提出了科學(xué)的元素新概念，把化學(xué)確立為一門實(shí)驗科學(xué)。之后，法國化學(xué)家拉瓦錫在大量的實(shí)驗基礎(chǔ)上，提出氧化說，使化學(xué)基本理論和基本研究方法發(fā)生了重大變革。由此，化學(xué)走向近代定量科學(xué)，一系列有關(guān)物質(zhì)變化定量規(guī)律，如質(zhì)量守恒定律，當(dāng)量定律被發(fā)現(xiàn)。特別是英國化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓的科學(xué)原子說，第一次將化學(xué)實(shí)驗總結(jié)的規(guī)律與物質(zhì)的原子構(gòu)成的觀點(diǎn)聯(lián)系起來，使化學(xué)進(jìn)入了一直持續(xù)至今的原子說為主線的新時期。意大利化學(xué)家阿佛加德羅的分子假說，俄國化學(xué)家門捷列夫在1869年發(fā)現(xiàn)的元素周期律，使化學(xué)研究從個別的、零散的和無規(guī)律的事實(shí)羅列中擺脫出來，奠定了現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)，近代化學(xué)科學(xué)逐漸形成了包

5、括：近代無機(jī)化學(xué)、近代有機(jī)化學(xué)、近代分析化學(xué)和近代物理化學(xué)四大獨(dú)立的分支科學(xué)體系。 3、現(xiàn)代化學(xué)的形成 二十世紀(jì)初，物理學(xué)科的新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)特別是相對論和量子力學(xué)為現(xiàn)代化學(xué)進(jìn)一步發(fā)展概念和定量描述提供了理論依據(jù)，將化學(xué)和整個自然科學(xué)的研究，推進(jìn)到更深的層次上?；瘜W(xué)分支不斷涌現(xiàn)，化學(xué)朝著深、細(xì)、精，多學(xué)科、綜合化的方向發(fā)展。與此同時，現(xiàn)代化學(xué)工業(yè)的蓬勃發(fā)展，化學(xué)工業(yè)和產(chǎn)品，在人類生活和經(jīng)濟(jì)活動中具有越來越重要的地位和作用，如化肥增產(chǎn)，使農(nóng)業(yè)豐收；化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，使新材料層出不窮。特別是20世紀(jì)20年代以后出現(xiàn)的有機(jī)合成工業(yè)的發(fā)展，更加豐富了現(xiàn)代人們的生活。08：40 （二）現(xiàn)代化學(xué)研究的特點(diǎn)和內(nèi)

6、容 1、現(xiàn)代化學(xué)的特點(diǎn) 現(xiàn)代化學(xué)有如下特點(diǎn)：研究層面由宏觀向微觀發(fā)展。研究方法由定性向定量發(fā)展。研究對象由靜態(tài)向動態(tài)發(fā)展研究結(jié)果由描述性向推理性發(fā)展。這些特點(diǎn)表明了現(xiàn)代化學(xué)總的發(fā)展趨勢是既高度分化又高度綜合。 現(xiàn)代化學(xué)一方面，從自身產(chǎn)生了很多新的學(xué)科分支，如：無機(jī)固體化學(xué)、配合物化學(xué)、分子動力學(xué)等。另一方面，又與其他自然科學(xué)相互滲透交叉，形成一系列新的邊緣學(xué)科，如：生物化學(xué)、和化學(xué)、地球化學(xué)、環(huán)境化學(xué)等。 2、現(xiàn)代化學(xué)研究的內(nèi)容 現(xiàn)代化學(xué)研究的內(nèi)容可以歸納為三個方面：第一是深入研究化學(xué)反應(yīng)理論，開發(fā)化學(xué)反應(yīng)過程來揭示化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，進(jìn)而設(shè)計最佳的化學(xué)反應(yīng)過程。第二是提高結(jié)構(gòu)力量水平，致力于尋找

7、或設(shè)計最需要、最佳的化合物材料或體系。第三，發(fā)展分析和測試新方法，依靠計算機(jī)技術(shù)及多學(xué)科綜合，使化學(xué)研究信息趨于更高的靈敏性和可靠性，為高科技發(fā)展創(chuàng)造新分子，為社會需要合成特定性能的材料和物質(zhì)。 3、現(xiàn)代化學(xué)研究的方法 現(xiàn)代化學(xué)研究不僅要綜合其他自然科學(xué)的理論成果，而且還要綜合運(yùn)用其他自然科學(xué)的研究方法?，F(xiàn)代化學(xué)需要多學(xué)科知識的綜合、眾多高深理論作指南、依靠多種專業(yè)人員細(xì)密分工和合作，用多種精密儀器設(shè)備作檢測的手段。其研究的方法，必要博采眾長，協(xié)同多學(xué)科合作進(jìn)行，以整體思維來思考。11：35 （三）現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù) 1、基礎(chǔ)化學(xué)分析技術(shù) 在近代建立的分析化學(xué)是一門研究物質(zhì)化學(xué)組成的科學(xué)，它有兩

8、大任務(wù)，一是定性分析，主要是確定被測物質(zhì)有哪些組分組成的。二是定量分析，主要是確定這些組分相對含量。 定性分析：定性分析是應(yīng)用物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)將被測組分轉(zhuǎn)化為有特殊性質(zhì)的新物質(zhì)，通過觀察其生成物有無氣體，沉淀或有色物質(zhì)等特征的產(chǎn)生，來推斷被測物中某種組分的存在。主要的分析步驟：對試樣進(jìn)行外表觀察。如蘭色液體，可能含有二價銅離子。樣品準(zhǔn)備。有取樣、研磨、縮分，最后配成溶液。陽離子檢驗。常見陽離子有23種，通過不同的化學(xué)反應(yīng)來堅定。陰離子檢驗。常見陰離子有12種，用特殊的化學(xué)反應(yīng)來推斷。 定量分析 定量分析有經(jīng)典化學(xué)分析法和儀器分析法兩大類。經(jīng)典定量分析法是應(yīng)用沉淀反應(yīng)，中和反應(yīng)、氧化還原反應(yīng)或絡(luò)合

9、反應(yīng)的原理，對已知組分含量進(jìn)行測定。應(yīng)用沉淀反應(yīng)原理的分析方法，稱為重量分析法，它是將被分析物質(zhì)轉(zhuǎn)化為一定的稱量形式，然后根據(jù)物質(zhì)的量的關(guān)系來推算被分析物質(zhì)某組分的含量。應(yīng)用中和反應(yīng)，氧化還原反應(yīng)或絡(luò)合反應(yīng)原理的方法，可統(tǒng)稱為容量分析法或滴定分析法。它是用一種已知準(zhǔn)確濃度的試液，滴加到被測物質(zhì)的溶液中，直到完全定量反應(yīng)為止。根據(jù)試劑溶液的濃度和用量，來推算被測物質(zhì)的含量。通常我們把這種已知準(zhǔn)確濃度的試液叫滴定劑，將滴定劑用滴定管滴加到被測物質(zhì)溶液中的過程叫滴定。在滴定過程中，常需要選擇一種指示劑，用指示劑的變色點(diǎn)（也叫滴定終點(diǎn)）來確定是否達(dá)到完全定量化學(xué)反應(yīng)。因為滴定終點(diǎn)不一定恰好就是反應(yīng)的等

10、物質(zhì)的量點(diǎn)，因此，容量分析的誤差很大程度上與指示劑的選擇有關(guān)。 2、儀器分析法 儀器分析是現(xiàn)代發(fā)展起來的一種分析方法，它大多要借助一定的儀器設(shè)備，根據(jù)物質(zhì)的物理或物理化學(xué)的性質(zhì)，來測定某種組分的方法。故又稱為物理化學(xué)分析法或物理分析法。儀器分析法具有操作簡便、快捷、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，特別對于含量很低的組分的測定，更有獨(dú)特之處。儀器分析法有很多種，常用的有以下5種： 光譜分析法，它是根據(jù)物質(zhì)發(fā)射，吸收電磁輻射，以及物質(zhì)與電磁輻射的相互作用來進(jìn)行分析的一種方法。根據(jù)電磁輻射的本質(zhì)，光譜分析法可分為分子光譜和原子光譜。根據(jù)輻射能量傳遞的方式不同，光譜分析法又可分為發(fā)射光譜、吸收光譜、熒光光譜和拉曼光譜等。

11、 色譜法，它是一種分離技術(shù)，它的分離原理是使混合物中各組分在固定相和流動相兩相中分配。當(dāng)流動相中的混合物經(jīng)過固定相時，就會與固定相發(fā)生作用，由于試樣的各組分在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上的差異，它們與固定相作用的大小、強(qiáng)弱也不同。我們根據(jù)被測組分在兩相間進(jìn)行分離作用的差異，進(jìn)行定性和定量分析。色譜分析法按流動相的物態(tài)不同，可分為氣相色譜和液相色譜。 電化學(xué)分析法，它是利用物質(zhì)的電學(xué)及電化學(xué)性質(zhì)來進(jìn)行分析的方法。電化學(xué)分析法可分為三種類型：一是在特定的實(shí)驗條件下，通過被測溶液濃度與物理量的關(guān)系來測定的，如離子選擇性電極分析法和伏安分析法。二是在溶液中，根據(jù)一些物理量的突變來作為滴定終點(diǎn)指示的電容量法。如：電位滴

12、定、電流滴定、電導(dǎo)滴定。三是將被測組分通過電極反應(yīng)轉(zhuǎn)化固態(tài)的金屬或金屬氧化物，并根據(jù)析出金屬或氧化物的質(zhì)量來確定該組分的方法，如：電解分析法。 質(zhì)譜分析法，它是現(xiàn)代物理與化學(xué)使用的極為重要的工具。它的基本原理是試樣在離子源中電離后，產(chǎn)生各種帶正電荷的離子，它們在加速電場的作用下，形成離子束射入質(zhì)量分析器。在磁場的作用下，離子作等速圓周運(yùn)動并分離，然后，由記錄系統(tǒng)得到質(zhì)譜圖，根據(jù)質(zhì)譜圖上譜線的位置及相應(yīng)離子的電荷數(shù)進(jìn)行定性分析，再根據(jù)譜線黑度或相應(yīng)離子流的相對強(qiáng)度，進(jìn)行定量分析。 核磁共振波譜分析法，它也是現(xiàn)代儀器分析的重要方法之一，它的基本原理是在強(qiáng)磁場的激勵下，根據(jù)一些具有某些磁性的原子核對

13、高頻無線電電波的共振吸收，來推斷被測物的分子結(jié)構(gòu)。二、 化學(xué)與材料 在現(xiàn)代社會中，化學(xué)是一門中心學(xué)科，它與社會多方面需求相關(guān)，人們的衣食住行、健康生活，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、環(huán)境保護(hù)都與化學(xué)有關(guān)。 化學(xué)又是一門創(chuàng)造性的科學(xué)，創(chuàng)造新藥物、合成新材料和進(jìn)行分子設(shè)計，都是現(xiàn)代化學(xué)最富有創(chuàng)造力的工作。 化學(xué)還是一門實(shí)用科學(xué)，人類社會使用的物質(zhì)和材料，大多是通過化學(xué)過程來獲得的，化學(xué)對材料的使用和發(fā)展有著重大的貢獻(xiàn)。 我們介紹幾種常用的材料以及它們的一些性質(zhì)和應(yīng)用。 （一）金屬與金屬材料 1、金屬 目前，我們已知的元素有109種，其中金屬有87種。除汞以外，所有金屬都是固體。金屬具有“自由電子”，它在金

14、屬晶體中能自由流動。我們熟知的金屬具有特殊的金屬光澤、是熱和電的良導(dǎo)體等性質(zhì)，很大程度上與金屬晶體結(jié)構(gòu)有自由電子有關(guān)。如：自由電子能吸收可見光，然后又反射出大部分頻率的光，使金屬顯示特有光澤。自由電子在外電場的作用下，作定向流動，形成電流，這就是金屬導(dǎo)電的原因。自由電子受熱后，能量增大，運(yùn)動速度也加大，它與金屬離子碰撞而傳遞能量，從而使金屬具有良好的導(dǎo)熱性等。自由電子把金屬原子或離子結(jié)合在一起，這種結(jié)合力叫金屬鍵，金屬原子、離子和自由電子組成金屬晶體。金屬在形成晶體時，最常見的有三種：體心立方晶格、面心立方緊堆晶格和六方緊堆晶格。 在冶金工業(yè)上，我們把金屬分為兩大類。一類為黑色金屬，指鐵、鉻、

15、錳及其合金。另一類為有色金屬，除去黑色金屬之外其他金屬都是有色金屬。有色金屬又可分為四類：重金屬，密度大于5g/cm3的金屬，如：銅（Cu）、鉛（Pb）、鎳（Ni）等。輕金屬，密度小于5g/cm3的金屬，如：鉀（K）、鈉（Na）、鎂（Mg）等。貴金屬，指地殼中含量少，價格貴的，指金（Au）、銀（Ag）和鉑（Pt）和鉑系。稀有金屬，指在自然界含量少，分布稀散的金屬。如：鈹（Be）、釩（V）、鉻（Cr）等。 大多金屬元素的原子最外層只有3個以下的電子，在反應(yīng)時，它們傾向于失去電子，因而，顯示出還原性。但是，不同金屬原子失去電子難易程度是不相同的?；顫娊饘偃纾衡c在常溫下就能與水反應(yīng)放出氫氣。 2 N

16、a + 2 H2O = 2 NaOH + H2而鎂卻只能在熱水（或水蒸氣）中才能反應(yīng) Mg + 2 H2O（g） = Mg（OH）2 + H2活潑金屬能與稀硫酸和鹽酸反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，如 Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2不活潑金屬則不能反應(yīng)，但卻能與硝酸和濃硫酸反應(yīng)，反應(yīng)的結(jié)果不產(chǎn)生氫氣，如 4 HNO3（濃）+ Cu = Cu（NO3）2+ 2 H2O + 2 NO2 在常溫下， 鉀、納、鈣等活潑金屬，在空氣中即能被氧化，而不活潑金屬必須在加熱時，才會發(fā)生氧化反應(yīng)。大多金屬不能與堿反應(yīng)，但也有兩性的金屬如：鋅、鋁，既可與酸反應(yīng)，又可與堿反應(yīng)，如： 2 Al + 2 NaOH + 2

17、 H2O = 2 NaAlO2 + 3 H2 2、常見金屬材料 金屬是人類歷史上使用最早的材料之一，直到20世紀(jì)中葉，金屬材料也一直在材料中占絕對優(yōu)勢。因為金屬材料有如下的優(yōu)勢：（1）幾千年以來有一套成熟的生產(chǎn)技術(shù)和龐大的生產(chǎn)能力，如鋼鐵工業(yè)。（2）金屬有許多優(yōu)良的理化性能，形成其他材料不能完全替代的使用優(yōu)勢，如：比陶瓷高得多的韌性，磁性和導(dǎo)電性等。（3）近、現(xiàn)代高新技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)生出許多新的金屬材料，如優(yōu)質(zhì)鋼、高強(qiáng)度鋼、各種合金和新金屬材料等 目前，人們生產(chǎn)和生活應(yīng)用最多的金屬材料仍是鋼鐵、銅和鋁。鋼鐵。我們所說的鋼鐵其實(shí)是鐵碳合金，它們的主要成分是鐵。鐵元素位于元素周期表中第四周期第族，它在

18、化學(xué)反應(yīng)中常易失去2個電子或3個電子，因此，鐵元素具有兩種化合價，為Fe2+或Fe3+。一般，純鐵實(shí)用價值很差，而鋼鐵的用途就非常廣。鋼鐵按含碳量的多少可分為生鐵、熟鐵和鋼三類，它們在性質(zhì)上有較大的差別。表3-1是鋼、生鐵、熟鐵的性質(zhì)和用途。 鋼又可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。合金鋼也稱特種鋼，它是在普通的鋼中加入一種或幾種合金元素，得到的具有特殊性能的鋼種。表3-2是常用合金鋼性質(zhì)和用途 銅和鋁。銅是人類歷史上使用最早的金屬。銅元素位于元素周期表中第四周期第B族，它在化學(xué)反應(yīng)中常易失去二個電子，形成Cu2+。純銅是紫色的金屬，有良好的延展性，它的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性在金屬中僅次于銀，因為具有價格上的

19、優(yōu)勢，電器工業(yè)的電線、電纜等輸電線路主要用銅。 銅合金可分為黃銅、青銅、白銅三類。表3-3是它們的組成、性能和用途。 鋁位于元素周期表中第三周期A族，在化學(xué)反應(yīng)中易失去3個電子，形成Al3+。純鋁是一種銀白色的金屬，有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，具有良好的延展性，可拉成細(xì)絲，能展成0.01mm甚至更薄的鋁片，廣泛用于電氣工業(yè)、生活等方面。鋁具有兩性，既可與酸反應(yīng)，又可與堿反應(yīng)，因此，在生活中，我們使用鋁制品時不宜煮酸性食物，也不宜用堿洗滌。鋁的化學(xué)性質(zhì)較為活潑，鋁制品也不宜長期盛含咸鹽的物質(zhì)。鋁在空氣中易生成致密氧化膜，這層氧化膜可保護(hù)內(nèi)部鋁不再繼續(xù)氧化，因此，擦洗鋁制品時，不宜用硬質(zhì)工具磨擦。34：

20、00（二）非金屬與非金屬材料1、 非金屬 目前，我們已知的非金屬元素，共22種。除氫以外，它們的原子最外層的價電子為37個，它們大多在化學(xué)反應(yīng)中傾向于得到電子而顯示氧化性。非金屬元素形成單質(zhì)主要有兩種情況，一種是分子晶體，另一種是原子晶體。它們顯示的性質(zhì)各異，如分子晶體熔沸點(diǎn)較低，而原子晶體熔沸點(diǎn)較高等等。2、 非金屬材料 玻璃 玻璃是一種無定型硅酸鹽混合物。人們利用玻璃制造成各種各樣的器皿、藝術(shù)品。玻璃是建筑業(yè)最基本的材料之一，它不僅可以用于采光、隔熱，而且也可用于裝飾。普通玻璃以石英砂（主要成分是二氧化硅），碳酸鈉和碳酸鈣共熔制成，俗稱鈉玻璃。 如果以鉀取代其中的鈉，則可得到熔點(diǎn)較高和較耐

21、化學(xué)作用的鉀玻璃。用于實(shí)驗室的耐高溫的化學(xué)玻璃儀器。如果鈉玻璃中的鈉用鉛代替，可制成高折光性和高比重的鉛玻璃。在玻璃中加入少量有顏色的金屬化合物，可制成彩色玻璃。在玻璃中加入AgBr并進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，可制成變色玻璃。它的變色原理是AgBr見光容易分解，在強(qiáng)光下，逐漸析出銀原子，再聚集成較大的銀粒，使玻璃變?yōu)樯钭厣@種玻璃可擋住80%90%的光線。一旦強(qiáng)光消失，析出的銀又轉(zhuǎn)化為AgBr，玻璃會自動褪色，重新恢復(fù)透光性。用這種玻璃制成的變色鏡，在強(qiáng)光下可保護(hù)人們的眼睛。 氫氟酸（HF）對玻璃有腐蝕作用，利用這個反應(yīng)，可制成磨砂玻璃或在玻璃表面進(jìn)行蝕刻，制成工藝品等。 水泥。 水泥是建筑行業(yè)大量

22、應(yīng)用的硅酸鹽材料。由石灰石（CaCO3）和粘土（主要是SiO2）燒結(jié)而成的是硅酸鹽水泥，它的主要成分是硅酸三鈣（3CaOSiO2）。 在調(diào)和水泥過程中，若添加石英砂（黃砂）形成俗稱“三和土”的調(diào)和物，或在水泥內(nèi)部置入鋼筋（俗稱鋼筋水泥），則它的機(jī)械強(qiáng)度更大。 陶瓷。生產(chǎn)陶瓷的原料有天然礦物原料和通過化學(xué)方法制備的化工原料二種。天然礦物原料主要是粘土，主要化學(xué)成分是水合硅酸鋁類?；ぴ嫌蠯2O、Na2O、MgO、KNO3、Pb3O4等。陶與瓷的區(qū)別，主要是在原料配置和燒制溫度不同。陶的原料是普通粘土，燒制溫度約為8001000；瓷則選用純凈的粘土（叫瓷土），加入長石（K2OAl2O36H2O）

23、和石英（SiO2），在12001300高溫?zé)?。陶瓷是一種重要的材料，用于工業(yè)、建筑、生活等，如室內(nèi)裝飾墻地磚、衛(wèi)浴用品、茶具、器皿。據(jù)考古發(fā)現(xiàn)。我國10000年前已有陶器，3000年前商代已有原始瓷器，我國古代陶瓷制品是我國燦爛文化的一部分。39：45 （三）有機(jī)化合物和有機(jī)高分子材料 1、有機(jī)化合物 早期，人們認(rèn)為有機(jī)物是從動植物體內(nèi)獲取的物質(zhì)，是“有生機(jī)之物”，故稱之為“有機(jī)化合物”，現(xiàn)在人們已經(jīng)知道有機(jī)物可以由簡單的無機(jī)物人工合成制取。組成有機(jī)物除了碳元素之外，還有氫、氧、氮、磷、硫和鹵素等非金屬元素，許多有機(jī)物還含有金屬元素。從分子結(jié)構(gòu)上看，有機(jī)化合物可以看作碳?xì)浠衔锛捌溲苌?。?/p>

24、機(jī)物的種類很多，結(jié)構(gòu)各不同，因而性質(zhì)也各異，但一般地，有機(jī)物具有如下共性：通常情況下，有機(jī)物的熔、沸點(diǎn)較低，常以氣體，低沸點(diǎn)的液體或低熔點(diǎn)的固體存在。大多有機(jī)物難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑，符合化學(xué)上“相似相溶”原理。 絕大多數(shù)有機(jī)物具有熱不穩(wěn)定性，受熱易分解，還較容易燃燒，燃燒后，有機(jī)分子中的碳、氫、氧、硫，最終的產(chǎn)物為二氧化碳、水、二氧化硫等。 2、有機(jī)高分子材料 高分子化合物的平均分子量比一般的化合物大很多，它們的分子量大約在幾萬到幾十萬之間。天然存在的有機(jī)高分子化合物有蠶絲、羊毛、纖維素等，它們很早就在為人類服務(wù)了。人工方法合成的有機(jī)高分子化合物中，人們廣泛應(yīng)用的是塑料、合成纖維、合成橡膠

25、等。 塑料。塑料，顧名思義是指可塑之材料。塑料的主要成分是合成樹脂。合成樹脂的基本原料是乙烯、丙稀、丁二稀、乙炔、苯、甲苯、二甲苯等低分子有機(jī)物，它們主要來源于石油、天然氣、煤、電石、海鹽等自然資源。我們在樹脂中加一些輔助劑，可產(chǎn)生不同性能的塑料，來滿足人們不同的需求。表3-4常用塑料和用途。全世界投產(chǎn)的塑料品種多達(dá)300余種。塑料以比重輕，強(qiáng)度高，化學(xué)性能穩(wěn)定，電絕緣性好，耐磨擦，在一定的條件下，容易加工成型等優(yōu)點(diǎn)，制成各種成品，進(jìn)入千家萬戶。 合成纖維，用天然氣，石油，煤、農(nóng)副產(chǎn)品為原料制成單體，再聚合得到的可以紡紗織布的纖維叫合成纖維。合成纖維可隨人類需要具有更多的用途。表3-5是一些合

26、成纖維種類及用途 合成橡膠。橡膠是指具有顯著高彈性的一類高分子化合物，有天然橡膠和合成橡膠兩類。天然橡膠可以從一些植物中獲取。合成橡膠是以天然氣、石油氣中得到的丁二烯、異戊二烯，氯丁二烯等為單體，在一定的條件下聚合，并經(jīng)硫化和加入填料后，制成的成品。合成橡膠有丁苯橡膠、氯丁橡膠、丁晴橡膠和丁基橡膠等多種，其中丁苯橡膠是產(chǎn)量最高、用途最廣的一種合成橡膠。 合成橡膠制品各有不同的用途，如：丁苯橡膠耐水被大量用于制造汽車外胎和各種橡膠制品，氯丁橡膠多用于制造運(yùn)輸帶，防毒面具，丁基橡膠是制造輪胎內(nèi)胎和充氣氣球的材料。Vcd 600：33 三、 現(xiàn)代新材料技術(shù) 20世紀(jì)50年代以來，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，

27、新材料研究異常活躍。新材料技術(shù)既是高新技術(shù)的一部分，又時刻為高新技術(shù)服務(wù)。作為新材料技術(shù)具有以下的特點(diǎn)：它是知識密集、資金密集的新興產(chǎn)業(yè)。它與高新技術(shù)發(fā)展關(guān)系密切，相互促進(jìn)、相互依賴。新材料是高新技術(shù)發(fā)展必要的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是當(dāng)代高新技術(shù)革命的先導(dǎo)。新材料技術(shù)還是社會生產(chǎn)力發(fā)展水平和技術(shù)進(jìn)步的標(biāo)志?，F(xiàn)代新材料主要從三種途徑發(fā)展而來：一是從傳統(tǒng)材料改進(jìn)形成的，二是以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究成果逐步發(fā)展起來的，三是根據(jù)需要和要求設(shè)計的。我們下面介紹幾種新材料。01：58（一）新金屬材料 隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，金屬材料正在不斷地被開發(fā)和研制出性能更優(yōu)異，又具有多種特殊功能的新型材料。 超導(dǎo)材料一般地，人們是按

28、材料的導(dǎo)電性能的差別，將材料分為絕緣體、半導(dǎo)體和良導(dǎo)體。金屬材料作為良導(dǎo)體而被廣泛用于輸電線，金屬導(dǎo)線存在一定的電阻，隨著通過的電流量增大，因為電阻而產(chǎn)生熱量，而且溫度升高，金屬導(dǎo)線的電阻將越來越大，這樣，直接影響電力的輸送效率和其他功能的發(fā)揮。人們期望能得到一種電阻極小，幾乎為零的材料，來作為理想的輸電材料。1911年，荷蘭科學(xué)家卡麥林昂納斯發(fā)現(xiàn)汞（水銀），在當(dāng)外界溫度下降至4.2k時，汞的電阻似乎突然消失了?？茖W(xué)家把這種在一定條件下，能導(dǎo)致導(dǎo)電材料的電阻趨近于零的現(xiàn)象，稱為“超導(dǎo)現(xiàn)象”。能產(chǎn)生電阻趨近于零現(xiàn)象的材料，稱為“超導(dǎo)材料”。汞是最早發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料，但它在常溫下是一種液體，因而，無

29、法作為結(jié)構(gòu)和功能材料。人們經(jīng)過不懈的努力，在20世紀(jì)60年代初，開始陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了幾百種超導(dǎo)材料，如：鈮（9.2K）、鈮鈦（9.8K）、鈮三錫（23.2K）等。1968年以來，科學(xué)家把研究的重心放在致力于提高超導(dǎo)材料的臨界溫度領(lǐng)域：1986年底，美國研制了臨界溫度為40K的超導(dǎo)氧化物。1987年2月，華裔科學(xué)家朱經(jīng)武和我國科學(xué)家趙惠賢，又將超導(dǎo)材料的臨界溫度提高到90K以上。1987年底，鉈-鋇-鈣-銅-氧系材料，把臨界溫度提高到125K。有報道說，科學(xué)家還發(fā)現(xiàn)了308K（35）的常溫超導(dǎo)現(xiàn)象，高臨界溫度超導(dǎo)材料發(fā)現(xiàn)，更具有廣泛的應(yīng)用價值和前景。 超導(dǎo)材料是最理想的輸電線材料，它能實(shí)現(xiàn)電能的遠(yuǎn)距離

30、、高電流密度的無損輸送。用超導(dǎo)材料制造電機(jī)，其質(zhì)量可減輕90%，輸出電流可提高20倍。 用超導(dǎo)材料制成的磁浮列車(圖)3-2，這種列車在運(yùn)行時，車身懸浮于鐵軌上不接觸鐵軌，最高時速可達(dá)500-1000千米。 2、稀土材料在化學(xué)元素周期表中有一個系列叫鑭系，共包括15種元素，加上釔、鈧共17種金屬元素，我們稱為稀土元素。它們在自然界中的含量較少，化學(xué)性質(zhì)非常相似，常在礦物中共生它們的氧化物一般都難溶于水，又都是金屬，也稱為稀土金屬。稀土被稱為材料工業(yè)的維生素，在普通的材料中加入少量稀土元素后，它的性能便可得到較大的改善。我國是世界第一大稀土生產(chǎn)國，也是世界第二大稀土應(yīng)用國。 冶金工業(yè)中，利用加入

31、少量稀土元素來改善金屬性能。石油化學(xué)工業(yè)中，用稀土制成的分子篩催化劑活性很高，是石油煉制中催化裂化工序的重要添加劑。軍事工業(yè)中稀土材料制成的激光器，可用于激光測距與瞄準(zhǔn)、激光通信與雷達(dá)等。 3、形狀記憶合金在一定溫度下，將這類合金先加工成型，然后改變外界溫度（降溫或升溫），它可產(chǎn)生變形。一旦，外界溫度重新回復(fù)到原來溫度時，它立即可以恢復(fù)原狀，猶如具有記憶過去形狀的功能，故稱其為形狀記憶合金。形狀記憶合金的“記憶力”與合金的晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)形狀記憶合金有多種。 形狀記憶合金在20世紀(jì)70年代，主要應(yīng)用于緊固件，如“智能”型鉚釘（圖3-3），外科各種骨整形和斷骨的接骨板，齒科用的矯齒

32、絲。形狀記憶合金還可制成火災(zāi)自動報警器和自動滅火器。在航空航天方面, 形狀記憶合金制成航天飛機(jī)的拋物面形通訊衛(wèi)星天線。發(fā)射前，在臨界溫度下，將它疊成非常小的體積放入衛(wèi)星內(nèi)。進(jìn)入太空后，將其取出置于相應(yīng)位置，在太陽光照射下，溫度升高，天線可恢復(fù)原拋物面形狀。 4、貯氫合金氫具有單位質(zhì)量釋放能量高、無污染等優(yōu)點(diǎn)，被公認(rèn)為是21世紀(jì)最有希望的新能源。但在常溫下，不純的氫氣遇明火會發(fā)生爆炸，因此，氫作為能源時，純度要求非常高。1968年，人們發(fā)現(xiàn)某些合金具有吸收氫氣的特性，如鎂-鎳合金，鑭-鎳合金。這類合金在一定溫度和壓力下可大量吸收氫氣，其原因是合金中的金屬原子能與氫原子結(jié)合形成氫化物，把它貯藏起來

33、。這是可逆反應(yīng)，金屬氫化物受熱時，氫氣又將釋放出來。有一些貯氫合金吸收的氫氣體積可達(dá)到自身體積的1000倍（標(biāo)準(zhǔn)狀況），并可將氫提純到99.9999%的超純氫。 貯氫合金可用于氫動力汽車，它為開發(fā)無污染汽車提供了可靠的能量來源。貯氫合金在吸氫時會放熱，在放出氫氣時會吸熱,人們利用這種放熱吸熱循環(huán)，進(jìn)行熱的貯存和傳輸，用做制冷或采暖設(shè)備等。 5、非晶態(tài)合金 一般，一種合金在常溫時呈晶體狀態(tài)。由于晶體內(nèi)各晶粒之間存在著不同向的晶界，這在相當(dāng)程度上會影響合金的各項性能。“非晶態(tài)合金”是指一些不僅能以晶體的形式存在，也可以非晶體的形式存在的合金，其晶態(tài)結(jié)構(gòu)類似于玻璃的無定形，它避免了合金結(jié)晶時固有的缺

34、點(diǎn)，其機(jī)械性能和功能上有了新的突破。如；高硬度、耐腐蝕、優(yōu)良的導(dǎo)磁率和吸氫性，稱為“金屬玻璃”。 非晶態(tài)合金，用制造的高強(qiáng)度電纜，可大大提高使用壽命。用它作磁性材料代替硅鋼片作變壓器鐵芯，可使自身能量損失減少60%以上。非晶態(tài)合金還具有良好的化學(xué)性能，特別具有耐腐蝕性能，比起優(yōu)質(zhì)不銹鋼，它的耐腐蝕要強(qiáng)100倍。15：45 （二）無機(jī)非金屬材料 我們主要介紹新型陶瓷和特種無機(jī)涂層。 1、新型陶瓷 新型陶瓷的出現(xiàn)是陶瓷發(fā)展史上的一次革命性的變化。這種陶瓷粒度達(dá)到微米級，在結(jié)構(gòu)上大多以共價鍵或離子鍵相結(jié)合，因此，高溫下仍有高強(qiáng)度，并具有許多傳統(tǒng)陶瓷沒有的特殊性能。 高溫結(jié)構(gòu)陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷具有耐高溫

35、、耐腐蝕、耐摩擦和高強(qiáng)度的優(yōu)異性質(zhì)，它可以勝任一些嚴(yán)酷環(huán)境下的工作。如用這種陶瓷發(fā)動機(jī)汽車，在沙漠環(huán)境中長時間運(yùn)行，發(fā)動機(jī)不必用水冷卻，這種汽車作為沙漠用車具有獨(dú)特的優(yōu)勢。 半導(dǎo)體陶瓷這類陶瓷具有半導(dǎo)體的特性，根據(jù)它們對環(huán)境中的氣體、溫度、濕度和光亮變化特有的敏感性不同，相應(yīng)有熱敏陶瓷、氣敏陶瓷、濕敏陶瓷和光敏陶瓷等不同的種類。它們常用于制造陶瓷敏感器件及傳感器件。如氣敏陶瓷傳感器可作燃?xì)鈭缶鳌?生物相溶性陶瓷 也稱為生物陶瓷。它具有特殊的生理行為，即有良好的生物相溶性，將它放入生物體內(nèi)不會引起不良反應(yīng)，是現(xiàn)有的任何別的材料無法替代的。常用于制造人造骨骼和一些人體組織器官修復(fù)的材料。生物陶瓷

36、植入人體后，可以逐漸被體內(nèi)的酶降解，經(jīng)過一定的時間會轉(zhuǎn)化為自然骨。現(xiàn)在，生物陶瓷大體有三種類型：惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷和可吸收生物陶瓷，這些生物陶瓷有很高的化學(xué)穩(wěn)定性和持久耐用的壽命，是人體醫(yī)學(xué)材料發(fā)展的重大突破。 2、特種無機(jī)涂層材料 這是一類具有高溫防熱、耐磨、乃腐蝕的功能涂料。 保護(hù)涂層 這些涂層涂于物體的表面，具有放熱、隔熱、耐腐蝕、防滲防漏的功能，起到保護(hù)被涂物，提高和延長被涂物在惡劣環(huán)境下的使用壽命。 裝飾涂層隨著真空鍍膜和電鍍工藝的發(fā)展，各種工程塑料經(jīng)過涂料表面裝飾以后，會產(chǎn)生仿金等效果的涂層，它們大量的應(yīng)用于家用電器和輕工產(chǎn)品。 功能涂層 一些無機(jī)非金屬涂料具有光、電、

37、磁、聲等特殊功能，它們在被涂物上會發(fā)生不同的作用。例如，現(xiàn)代戰(zhàn)爭中使用的“隱形”飛機(jī)和坦克，它們“隱形”本領(lǐng)就是在表面覆蓋一層吸波涂層，這種吸波涂層能吸收對方防空系統(tǒng)發(fā)射過來的雷達(dá)電磁波，或者改變雷達(dá)電磁波，使對方雷達(dá)得不到飛機(jī)和坦克的準(zhǔn)確方位和距離等信號，或者產(chǎn)生一種錯覺，這樣，便可有效避免敵方的攻擊和偵破，得以出奇制勝。（三）新型有機(jī)高分子材料 新型有機(jī)高分子材料已成為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)和國防的重要的基礎(chǔ)材料。 （1）高性能塑料 工程塑料 工程塑料是指工程上作結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用的塑料。它們有優(yōu)于一般塑料的性能，如具有更高的強(qiáng)度和機(jī)械性能，可在較寬的環(huán)境溫度下使用等。常見的工程塑料有：聚甲醛（POM）；聚碳

38、酸酯（PC）；聚酰胺（PA）；聚酯（PET或PBT）；聚苯酰（PPC）等。如聚甲醛具有高剛性和高硬度、低摩擦系數(shù)，自潤滑（即不需要潤滑油）和良好的耐疲勞等特性，被稱為“最耐疲勞的塑料”。它特別適用于制造精密小齒輪、軸承軸套等。又如聚碳酸酯是一種具有特種性能的透明塑料，有“打不碎的玻璃”之稱。它透明度高、密度小、堅韌、易于加工成型、抗沖擊，用作超音速飛機(jī)上的風(fēng)檔夾層、天窗蓋和舷窗。 特種塑料 特種塑料具有特別的功能，其價格昂貴，世界年消費(fèi)量不大，但增長的速度卻很快。常見特種塑料有聚四氟乙烯（PTEE）、聚酰亞胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫醚（PPS）、聚醚砜（PSF）和液晶聚合物（LC

39、P）等。如聚四氟乙烯被稱為“塑料王”，它是最耐腐蝕的材料，除了極強(qiáng)的堿金屬氫氧化物熔融態(tài)能使其表面輕微的腐蝕外，其它化學(xué)試劑，包括“王水”都不能使它腐蝕，它的耐腐蝕性超過不銹鋼，而且可長期在260以上溫度范圍中使用。它的固體表面能很小，其他物質(zhì)很難黏附在它的表面，廚房用的“不粘鍋”表面涂層就是添加了聚四氟乙烯。 （2）特種纖維 特種纖維是合成纖維的進(jìn)一步發(fā)展，它們產(chǎn)量不多，但品種較多，其中具有代表性的是芳綸纖維（芳香族聚酰胺）材料，它具有重量輕、耐腐蝕、強(qiáng)度高、壽命長、絕緣性好、耐輻射、加工方便等優(yōu)點(diǎn)。它的比強(qiáng)度（即同質(zhì)量材料得到的強(qiáng)度）5倍于鋼絲，被稱為“合成鋼絲”。芳綸纖維在高科技方面具有

40、取代金屬材料的趨勢。芳綸纖維的堅韌、耐磨、剛?cè)峒婢撸质抢硐氲姆缽棽牧希ㄓ糜谥谱鞣缽棻承模?（3）特種橡膠 特種橡膠是在普通合成橡膠的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，因而更具有優(yōu)異性能。它們廣泛用于國防尖端工業(yè)和特殊的領(lǐng)域，有著其他材料所無法替代的作用。有硅橡膠、氟橡膠、聚氨酯橡膠、聚硫橡膠等種，其中，以硅橡膠最具代表性。硅橡膠的主要成鍵結(jié)構(gòu)中含有硅氧鍵，因而，它比普通的合成橡膠具有突出的高耐熱性，它的使用溫度范圍可達(dá)-100300，是所有橡膠之最。硅橡膠廣泛用于航空、造船、化工和建筑行業(yè)，硅橡膠在人體內(nèi)也具有很好的生物相容性和穩(wěn)定性，它也是制作人工器官的理想材料，目前已用于人體內(nèi)人造血管、人造心臟；以及

41、在體外應(yīng)用的人工心肺機(jī)、人造腎臟、輸血導(dǎo)管等。 （4）其它功能高分子材料 另有一些高分子材料，由于其特殊的化學(xué)或物理結(jié)構(gòu)，在化學(xué)活性、光敏性、導(dǎo)電性、選擇分離功能、生物醫(yī)學(xué)活性等方面，具有特殊的功能，被稱為功能高分子材料，常被用于一些高科技領(lǐng)域。 高分子分離膜 基于高分子分離膜的膜分離技術(shù)，比傳統(tǒng)分離技術(shù)更節(jié)能、更經(jīng)濟(jì)、無污染，且操作方便，易于自動化。如海水淡化就可使用一種反滲透膜。表3-6是膜技術(shù)的應(yīng)用。 導(dǎo)電高分子材料 美國和日本的三位科學(xué)家，對導(dǎo)電高分子材料的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展作出了杰出的貢獻(xiàn)，成為2000年度諾貝爾化學(xué)獎得主。導(dǎo)電高分子材料是一種新型能導(dǎo)電的樹脂，它們應(yīng)用于高效電池、電容器的制

42、作，也應(yīng)用于防靜電和防腐蝕方面。導(dǎo)電高分子材料已成為21世紀(jì)材料科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。34：05 （四）特殊功能的復(fù)合材料 復(fù)合材料是一種由金屬、有機(jī)高分子、無機(jī)非金屬等具有不同結(jié)構(gòu)和功能的材料，通過特殊工藝復(fù)合為一體的新型材料。這種復(fù)合材料利用優(yōu)勢互補(bǔ)和優(yōu)勢疊加而制得，既能突出其綜合性能，又能克服原有材料的缺陷。它經(jīng)歷了三個時期的發(fā)展。 1、玻璃鋼 玻璃鋼是第一代復(fù)合材料的代表，它是一種以塑料樹脂為基體、玻璃纖維為增強(qiáng)劑的玻璃纖維增強(qiáng)塑料。玻璃鋼具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕的性能，并具有良好的隔熱、隔音、抗沖擊和透波能力。玻璃鋼最早用于航空和軍事工業(yè)，后又廣泛用于民用產(chǎn)品，現(xiàn)在逐漸為其他復(fù)合

43、材料所替代。 2、碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料 20世紀(jì)60年代以后，產(chǎn)生了第二代復(fù)合材料。碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料是其中的代表，它所用的增強(qiáng)劑是經(jīng)高溫分解和碳化后獲取的碳纖維, 碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料在性能上優(yōu)于玻璃鋼。它主要用于航空、航天工業(yè)，用它制造火箭和導(dǎo)彈頭錐，人造衛(wèi)星支承架以及飛機(jī)上的機(jī)翼等。 3、聚合物基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料 第三代復(fù)合材料采用了以不同特性的基體材料，提高其綜合性能，常見的有聚合物基、金屬基和陶瓷基復(fù)合材料。 聚合物基復(fù)合材料。這種聚合物基復(fù)合材料具有更好的熱穩(wěn)定性、抗?jié)裥院湍铜h(huán)境性，并易于加工，也無需纖維增強(qiáng)制成薄膜就能達(dá)到所要求的特性。不過，這種復(fù)合材料只能在35

44、0以下溫度范圍內(nèi)使用。 金屬基復(fù)合材料。金屬基復(fù)合材料所用的基體有多種金屬。發(fā)展最快的是碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁合金基復(fù)合材料，其重量輕，僅為鋼的三分之一，又比鋁合金、鈦合金耐磨性強(qiáng)。金屬基復(fù)合材料有著優(yōu)異的性能，主要用于航空、航天技術(shù)。 陶瓷基復(fù)合材料。也稱多相復(fù)合陶瓷。這種材料中陶瓷/金屬的構(gòu)成，是通過精心設(shè)計和特殊工藝，在原子級水平上混合起來，它在組成和結(jié)構(gòu)上，在整個材料內(nèi)部都是均勻分布的，其界面層的組分、結(jié)構(gòu)和性能呈連續(xù)性變化，這種材料的高溫側(cè)能耐熱和抗氧化，低溫側(cè)具有高熱導(dǎo)率和韌性，整個材料能有效地緩和熱應(yīng)力。 （五）納米材料 納米材料是當(dāng)今材料科學(xué)研究中的熱點(diǎn)之一。我國科學(xué)家錢學(xué)森，在19

45、91年曾預(yù)言：納米將是下一階段科學(xué)發(fā)展的重點(diǎn)，是一次技術(shù)革命，也將是21世紀(jì)又一次產(chǎn)業(yè)革命。 1、納米材料的特性 納米（nm）實(shí)際上是一個長度單位，1納米是1米的十億分之一，即1納米=10-9米。納米是一個非常小的空間尺度。納米材料就是用特殊的方法將材料顆粒加工到納米級（10-9米），再用這種超細(xì)微粒子制造人們需要的材料。目前，納米材料有四種類型：納米顆粒、納米碳管和納米線、納米薄膜和納米塊材。納米材料具有較大的比表面，在結(jié)構(gòu)中的鍵態(tài)嚴(yán)重失配，產(chǎn)生了許多活動中心，因而，納米材料有很強(qiáng)的吸附能力。小尺寸效應(yīng)使其理化性能發(fā)生改變，并出現(xiàn)與常規(guī)材料不同的新的特征。納米材料的界面效應(yīng)和量子效應(yīng)，使納米

46、材料比傳統(tǒng)材料更具有優(yōu)良的力學(xué)性質(zhì)，如納米金屬的固體的硬度比傳統(tǒng)金屬材料硬35倍；納米銅比普通銅熱擴(kuò)散增強(qiáng)一倍。納米金屬的磁化率是普通磁性金屬的20倍等等。目前，納米材料的研究包括兩個方面，一是建立描述和表征納米材料的新概念和新理論；二是發(fā)展新型納米材料。 2、納米材料的應(yīng)用 納米材料顯示了廣泛的應(yīng)用前景。例如：利用納米材料制成磁記錄介質(zhì)材料廣泛應(yīng)用于電聲器件、阻尼器件等。納米金屬顆粒還是有機(jī)化合物的氫化反應(yīng)的催化作用一種極好的催化劑。納米材料還可以用于醫(yī)學(xué)、生物工程。例如：利用納米微粒進(jìn)行細(xì)胞分離、細(xì)胞染色體，用納米微粒制成的藥物可更方便地在人體內(nèi)傳輸，進(jìn)行局部治療和組織修補(bǔ)。納米探針和納米

47、傳感器應(yīng)用，也可能帶來診斷技術(shù)的革命。未來納米科技的發(fā)展，有三方面的意義，一是疾病的早期診斷，例如癌癥的檢出可達(dá)到幾個細(xì)胞大小。二是高密度的信息儲存，會在很小的位置上儲存大量信息。三是開發(fā)新的高性能材料，應(yīng)用于高科技領(lǐng)域。 總之，納米技術(shù)的研究和應(yīng)用不僅能引發(fā)一場新的工業(yè)革命，而且還會帶來人類認(rèn)知革命，產(chǎn)生觀念上的變革，它將對21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生重大的促進(jìn)作用。 （六）新材料發(fā)展的方向隨著社會的進(jìn)步，人類總是不斷地對材料提出新的要求。當(dāng)今新材料的發(fā)展有以下幾點(diǎn)：1、結(jié)構(gòu)與功能相結(jié)合。即新材料應(yīng)是結(jié)構(gòu)和功能上較為完美的結(jié)合。2、智能型材料的開發(fā)。所謂智能型是要求材料本身具有一定的模仿生命體

48、系的作用，既具有敏感又有驅(qū)動的雙重的功能。3、少污染或不污染環(huán)境。新材料在開發(fā)和使用過程，甚至廢棄后，應(yīng)盡可能少地對環(huán)境產(chǎn)生污染。4、能再生。為了保護(hù)和充分利用地球上的自然資源，開發(fā)可再生材料是首選。5、節(jié)約能源。對制作過程能耗較少的，或者新材料本身能幫助節(jié)能的，或者有利于能源的開發(fā)和利用的新材料優(yōu)先開發(fā)。6、長壽命。新材料應(yīng)有較長的壽命，在使用的過程中少維修或盡可能不維修?？傊虏牧系陌l(fā)展必須創(chuàng)新，在新世紀(jì)里，我們要加強(qiáng)材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究，依托新理論、新構(gòu)思、新設(shè)想、新工藝，創(chuàng)造更多、更新的材料，推動我國的社會主義經(jīng)濟(jì)建設(shè)。學(xué)習(xí)小結(jié)一、現(xiàn)代化學(xué)的特點(diǎn)與發(fā)展 化學(xué)是一門在分子、原子水平上研究

49、物質(zhì)組成、結(jié)構(gòu)和性能的辯證關(guān)系，以及物質(zhì)、能量轉(zhuǎn)化規(guī)律的科學(xué)。(一) 現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的歷程1、古代化學(xué)的產(chǎn)生大約五十萬年以前，人類發(fā)明了“鉆木取火”，掌握了人工取火的技術(shù)?；鸬睦檬侨祟愖钤绲囊豁椈瘜W(xué)實(shí)踐活動。古代人們在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，對物質(zhì)有了總體的認(rèn)識，產(chǎn)生諸多的物質(zhì)觀點(diǎn)，如我國戰(zhàn)國時期的“五行說”，古希臘亞里斯多德“四素說”等。2、近代化學(xué)的建立16世紀(jì)末至17世紀(jì)初，英國化學(xué)家和物理學(xué)家波義耳，在1661年，首次提出了科學(xué)的元素新概念，把化學(xué)確立為一門實(shí)驗科學(xué)。之后，法國化學(xué)家拉瓦錫在大量的實(shí)驗基礎(chǔ)上，提出氧化說，使化學(xué)基本理論和基本研究方法發(fā)生了重大變革。特別是英國化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓

50、的科學(xué)原子說，第一次將化學(xué)實(shí)驗總結(jié)的規(guī)律與物質(zhì)的原子構(gòu)成的觀點(diǎn)聯(lián)系起來，使化學(xué)進(jìn)入了一直持續(xù)至今的原子說為主線的新時期。意大利化學(xué)家阿佛加德羅的分子假說，俄國化學(xué)家門捷列夫在1869年發(fā)現(xiàn)的元素周期律，使化學(xué)研究從個別的、零散的和無規(guī)律的事實(shí)羅列中擺脫出來，奠定了現(xiàn)代化學(xué)的基礎(chǔ)。3、現(xiàn)代化學(xué)的形成二十世紀(jì)初，物理學(xué)科的新發(fā)現(xiàn)和新技術(shù)特別是相對論和量子力學(xué)為現(xiàn)代化學(xué)進(jìn)一步發(fā)展概念和定量描述提供了理論依據(jù)，將化學(xué)和整個自然科學(xué)的研究，推進(jìn)到更深的層次上。(二) 現(xiàn)代化學(xué)研究的特點(diǎn)和內(nèi)容1、現(xiàn)代化學(xué)的特點(diǎn) 現(xiàn)代化學(xué)有如下特點(diǎn)：研究層面由宏觀向微觀發(fā)展。研究方法由定性向定量發(fā)展。研究對象由靜態(tài)向動態(tài)發(fā)

51、展。研究結(jié)果由描述性向推理性發(fā)展。2、現(xiàn)代化學(xué)研究的內(nèi)容 現(xiàn)代化學(xué)研究的內(nèi)容可以歸納為三個方面：第一是深入研究化學(xué)反應(yīng)理論，開發(fā)化學(xué)反應(yīng)過程來揭示化學(xué)反應(yīng)的實(shí)質(zhì)，進(jìn)而設(shè)計最佳的化學(xué)反應(yīng)過程。第二是提高結(jié)構(gòu)力量水平，致力于尋找或設(shè)計最需要、最佳的化合物材料或體系。第三，發(fā)展分析和測試新方法。3、現(xiàn)代化學(xué)研究的方法 現(xiàn)代化學(xué)研究不僅要綜合其他自然科學(xué)的理論成果，而且還要綜合運(yùn)用其他自然科學(xué)的研究方法。(三) 現(xiàn)代化學(xué)分析技術(shù)1、基礎(chǔ)化學(xué)分析技術(shù) 在近代建立的分析化學(xué)是一門研究物質(zhì)化學(xué)組成的科學(xué)，它有兩大任務(wù)，一是定性分析，主要是確定被測物質(zhì)有哪些組分組成的。二是定量分析，主要是確定這些組分相對含量

52、。2、儀器分析法 儀器分析是現(xiàn)代發(fā)展起來的一種分析方法，它大多要借助一定的儀器設(shè)備，根據(jù)物質(zhì)的物理或物理化學(xué)的性質(zhì)，來測定某種組分的方法。故又稱為物理化學(xué)分析法或物理分析法。常用的有以下5種：光譜分析法、色譜法、電化學(xué)分析法、質(zhì)譜分析法、核磁共振波譜分析法二、化學(xué)與材料化學(xué)還是一門實(shí)用科學(xué)，人類社會使用的物質(zhì)和材料，大多是通過化學(xué)過程來獲得的，化學(xué)對材料的使用和發(fā)展有著重大的貢獻(xiàn)。(一) 金屬與金屬材料1、金屬 目前，我們已知的元素有109種，其中金屬有87種。我們把金屬分為兩大類。一類為黑色金屬，另一類為有色金屬。 2、常見金屬材料 金屬是人類歷史上使用最早的材料之一，直到20世紀(jì)中葉，金屬

53、材料也一直在材料中占絕對優(yōu)勢。因為金屬材料有如下的優(yōu)勢：(1) 幾千年以來有一套成熟的生產(chǎn)技術(shù)和龐大的生產(chǎn)能力，如鋼鐵工業(yè)。(2) 金屬有許多優(yōu)良的理化性能，形成其他材料不能完全替代的使用優(yōu)勢，如：比陶瓷高得多的韌性，磁性和導(dǎo)電性等。(3) 近、現(xiàn)代高新技術(shù)創(chuàng)新，產(chǎn)生出許多新的金屬材料，如優(yōu)質(zhì)鋼、高強(qiáng)度鋼、各種合金和新金屬材料等。目前，人們生產(chǎn)和生活應(yīng)用最多的金屬材料仍是鋼鐵、銅和鋁。(二) 非金屬與非金屬材料非金屬目前，我們已知的非金屬元素，共22種。非金屬元素形成單質(zhì)主要有兩種情況，一種是分子晶體，另一種是原子晶體。非金屬材料玻璃 玻璃是一種無定型硅酸鹽混合物。水泥。 水泥是建筑行業(yè)大量應(yīng)用的硅酸鹽材料。陶瓷。生產(chǎn)陶瓷的原料有天然礦物原料和通過化學(xué)方法制備的化工原料二種。(三) 有機(jī)化合物和有機(jī)高分子材料1、有機(jī)化合物有機(jī)物的種類很多，結(jié)構(gòu)各不同，因而性質(zhì)也各異，但一般地，有機(jī)物具有如下共性：通常情況下，有機(jī)物的熔、沸點(diǎn)較低，常以氣體，低沸點(diǎn)的液體或低熔點(diǎn)的固體存在。大多有機(jī)物難溶于水，易溶于有機(jī)溶劑，符合化學(xué)上“相似相溶”原理。絕大多數(shù)有機(jī)物具有熱不穩(wěn)定性，受熱易分解，還較容易燃燒，燃燒后，有機(jī)分子中的碳、氫、氧、硫，最終的產(chǎn)物為二氧化碳、水、二氧化硫等。2、有機(jī)高分