大学化学第8章化学与材料(天津大学)

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1、 第8章 化学与材料 基本要求基本要求 1、掌握各区元素原子的结构特征，并能从、掌握各区元素原子的结构特征，并能从原子的电子层结构了解常用工程材料在元原子的电子层结构了解常用工程材料在元素周期系中的分布素周期系中的分布 2、了解近年来的新型材料、了解近年来的新型材料(高分子材料高分子材料, 陶陶瓷材料瓷材料, 纳米材料纳米材料, 复合材料复合材料, 液晶材料液晶材料)的的组成与性能组成与性能n8.1 常用工程材料在周期系中的分布常用工程材料在周期系中的分布n8.2 几种新型材料几种新型材料n8.2.1 金属材料金属材料n8.2.2 高分子材料高分子材料n8.2.3 陶瓷材料陶瓷材料n8.2.4

2、 复合材料复合材料n8.2.5 液晶材料液晶材料材料的分类材料的分类 1 1） 按按用途用途分为结构材料和功能材料分为结构材料和功能材料 结构材料结构材料：利用材料的力学和理、化性质：利用材料的力学和理、化性质 功能材料功能材料：利用材料的热、光、电、磁等性能：利用材料的热、光、电、磁等性能 2 2） 按按成分、特性成分、特性分为：分为： 金属材料金属材料 黑金属：铁、铬、锰及合金黑金属：铁、铬、锰及合金 有色金属：除了黑金属以外的金属有色金属：除了黑金属以外的金属 无机非金属材料（陶瓷材料）无机非金属材料（陶瓷材料）传统陶瓷传统陶瓷 精细陶瓷精细陶瓷 有机高分子材料有机高分子材料：塑料、纤维

3、、橡胶以及涂：塑料、纤维、橡胶以及涂 料、黏合剂等料、黏合剂等 复合材料复合材料：由以上三种材料复合而成：由以上三种材料复合而成按按化学活泼性化学活泼性分：分： 活泼活泼 中等活泼中等活泼 不活泼不活泼 s s 区区 dsds区、区、p p区区 d d区区3 3 Li-Li-密度最小的金属密度最小的金属,0.5gml,0.5gml-1-1He-He-熔点最低的单质熔点最低的单质Cr-Cr-硬度最大的金属硬度最大的金属(9)(9)W-W-熔点最高的金属熔点最高的金属(3410)(3410)Hg-Hg-熔点最低的金属熔点最低的金属1 1 金属的性质金属的性质物理性质：物理性质：光泽光泽：金属晶体大

4、多呈银白色，：金属晶体大多呈银白色， AuAu黄色黄色，BiBi淡红淡红，CuCu紫红色紫红色；4 4密度密度：按：按5g.cm5g.cm-3-3为标准为标准, ,分为轻金属分为轻金属 重金属；重金属； 熔点熔点：金属熔点差别很大。：金属熔点差别很大。 如：如：HgHg、W W； 磁性磁性：分铁磁材料：分铁磁材料(Fe(Fe、CoCo、Ni)Ni)； 顺磁材料顺磁材料(Mn(Mn、CrCr、MoMo、W W）；）； 逆磁材料逆磁材料(Cu(Cu、SnSn、PbPb、ZnZn）；）； 延、展性延、展性：即机械加工性能良好；：即机械加工性能良好； 热胀冷缩热胀冷缩( (但但SbSb 、BiBi相反

5、相反) )。5 5 导电、导热导电、导热：金属越纯，导电、热性：金属越纯，导电、热性 越好越好; ;轻质合金轻质合金以轻金属为主要成分的合金。以轻金属为主要成分的合金。 铝合金铝合金：密度小，强度高。：密度小，强度高。“硬铝硬铝”耐蚀，耐蚀，可可 用于车，不用于船。用于车，不用于船。 钛合金钛合金：密度不大，强度很高，抗蚀性好，耐：密度不大，强度很高，抗蚀性好，耐 高、低温（高、低温（-200-500-200-500），用于飞机。），用于飞机。3434硬质合金硬质合金以硬质化合物为硬质相，以合金以硬质化合物为硬质相，以合金 为黏结相的复合材料（为黏结相的复合材料（TiNTiN、AlNAlN、

6、TiCTiC、WCWC、SiCSiC）具有高硬度、耐）具有高硬度、耐 磨、强度、韧性。磨、强度、韧性。 具有具有“记忆记忆”自己形状特性的合自己形状特性的合金。金。 如如Ti-NiTi-Ni（各（各50%50%）合金，在温度）合金，在温度T T发发 生晶格转变：生晶格转变：菱形晶格菱形晶格立方晶格立方晶格 晶格的变化，改变了合金形状。晶格的变化，改变了合金形状。3535记忆合金记忆合金贮氢合金贮氢合金两种特定金属的合金两种特定金属的合金: : 一种可大量吸收一种可大量吸收H H2 2的金属（如的金属（如RERE），）， 一种不吸收氢的金属制成的合金。一种不吸收氢的金属制成的合金。3636 使氢

7、可在其中使氢可在其中“移动移动”。是理想的氢。是理想的氢能源材料。能源材料。贮氢合金要求贮氢合金要求: :1)1)贮氢量大；贮氢量大；2)2)金属氢化物容易形成，稍加热又容金属氢化物容易形成，稍加热又容易分解；易分解；3)3)室温下吸、放氢的速度快；室温下吸、放氢的速度快；4)4)使用寿命长；成本低。使用寿命长；成本低。目前正在研究的贮氢合金主要有目前正在研究的贮氢合金主要有三大系列：三大系列：镁系贮氢合金镁系贮氢合金：MgHMgH2 2,Mg,Mg2 2NiNi稀土系贮氢合金稀土系贮氢合金：LaNiLaNi5 5,MnNiMn, ,MnNiMn, MnNiAl MnNiAl钛系贮氢合金钛系贮

8、氢合金：TiHTiH4 4,TiMn,TiMn1.1.5.8.3 8.3 陶瓷材料陶瓷材料( (Ceramics)Oxides Al2O3 (alumina) ZrO2 (zirconia) BeO (beryllia)Non oxides carbides SiC borides B4C, BN nitrides Si3N4 silicidesComposites combination of oxides and non-oxides. Each one of these classes can have unique material propertiesTypes of Ceramic

9、s一、几种新型陶瓷材料1 1、 光导纤维光导纤维 从高纯的二氧化硅或石英玻璃的熔从高纯的二氧化硅或石英玻璃的熔融体中，拉出直径约为融体中，拉出直径约为100100m m的细丝，的细丝，称为石英玻璃纤维。（玻璃可以透光，称为石英玻璃纤维。（玻璃可以透光，但在传播过程中光损耗较大，而用石英但在传播过程中光损耗较大，而用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维。）称为光导纤维。）皮料皮料低折射率的玻璃；低折射率的玻璃；4343光纤的组成：光纤的组成：芯料芯料高折射率，高透光度，不析晶高折射率，高透光度，不析晶 的玻璃；的玻璃； 多组分玻璃光纤；多组分玻璃光

10、纤； 复合材料光纤；复合材料光纤； 石英光纤（高纯度或掺杂）。石英光纤（高纯度或掺杂）。 光在芯料和皮料光在芯料和皮料界面上全反射，入射界面上全反射，入射光封闭在芯料内，经光封闭在芯料内，经过无数次全反射，锯过无数次全反射，锯齿状传播。齿状传播。4444通信原理：通信原理：光纤材料：光纤材料：光缆结构图光缆结构图n 利用光导纤维可以进行光纤通讯，用最利用光导纤维可以进行光纤通讯，用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋彼岸而不需要任何中继站。传输到太平洋彼岸而不需要任何中继站。n 光损耗较大光导纤维可以在短距离使用，光损耗较大光导纤维可以在短

11、距离使用，特别适合做人体内窥镜，如：胃镜、膀胱镜、特别适合做人体内窥镜，如：胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等。直肠镜、子宫镜等。 2 2、超导陶瓷、超导陶瓷n19111911年荷兰物理学家年荷兰物理学家OnnesOnnes发现汞（水银）发现汞（水银）在在4.2K4.2K附近电阻突然下降为零附近电阻突然下降为零. .n超导电性：零电阻现象超导电性：零电阻现象n超导临界温度：电阻突然消失的温度超导临界温度：电阻突然消失的温度n超导体：在一定温度下具有超导电性的超导体：在一定温度下具有超导电性的物体物体superconductors (超导体) no resistance to flow of ele