無機(jī)材料課件化學(xué)與人類

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；第一頁第二頁，共55頁。新石器時代（公元前6000年）陶瓷材料的發(fā)明和應(yīng)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(fēng)遮雨，堅(jiān)固不怕水第二頁第三頁，共55頁。粘土的化學(xué)成分：SiO2、MgO、CaCO3、Al2O3，熔點(diǎn)都不很高。當(dāng)溫度達(dá)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?jiān)硬的陶。粘土為什么能制陶呢？第三頁ChemistryandHumankind第四頁，共55頁。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--鈞紅花瓶第四頁第五頁，共55頁。釉里紅青花瓷第五頁第六頁，共55頁。唐三彩第六頁第七頁，共55頁。第七頁第八頁，共55頁。第八頁第九頁，共55頁。青銅器時代（公元前21世紀(jì)，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九頁第十頁，共55頁?！拔褰稹保涸趹?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。”該工藝是為了控制熔煉的溫度，即掌握火候；當(dāng)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。第十頁第十一頁，共55頁。以鋼鐵為中心的金屬材料的使用（18世紀(jì)－產(chǎn)業(yè)革命）第十一頁第十二頁，共55頁。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、涂料和膠粘劑第十二頁第十三頁，共55頁。復(fù)合材料玻璃鋼第十三頁第十四頁，共55頁。20世紀(jì)80年代，半導(dǎo)體材料、光導(dǎo)纖維（信息技術(shù)），耐高溫材料、復(fù)合材料、燒蝕材料、涂層材料（空間技術(shù)）CCD光纖第十四頁第十五頁，共55頁。涂層材料燒蝕材料第十五頁第十六頁，共55頁。在哥倫比亞號航天飛機(jī)再次發(fā)射以前，上一次發(fā)射時受損的陶瓷防護(hù)片必須更換。第十六頁第十七頁，共55頁。5.1.1化學(xué)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)展第十七頁第十八頁，共55頁。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(fù)合材料陶瓷材料高分子材料第十八頁第十九頁，共55頁。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(diǎn)金屬:V,Mo稀土金屬:La,Ce,Pr貴金屬:Au,Ag,Pt,Pd

第十九頁第二十頁，共55頁。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?jǐn)U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(diǎn)：較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性、耐腐蝕、不導(dǎo)電等第二十頁第二十一頁，共55頁。復(fù)合材料由金屬材料、陶瓷材料和高分子材料復(fù)合組成如：纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料，可以增加陶瓷的韌性，解決陶瓷的脆性弱點(diǎn)。由纖維增強(qiáng)陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘結(jié)劑貼在航天飛機(jī)機(jī)身上，確保航天飛機(jī)能安全的穿越大氣層回到地球上。第二十一頁第二十二頁，共55頁。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(xué)理論的關(guān)系比傳統(tǒng)材料更為密切，它的研制是多學(xué)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(xué)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(diǎn)第二十二頁第二十三頁，共55頁。3、新型材料從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，需要專門的、復(fù)雜的設(shè)備和技術(shù)，它自身形成了一個獨(dú)特的領(lǐng)域，稱為新材料技術(shù)；如用機(jī)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(jī)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；第二十三頁第二十四頁，共55頁。

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(dǎo)電和延展性；自由電子第二十四頁第二十五頁，共55頁。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(yīng)，以焦炭為還原劑，再加一些石灰石和二氧化硅等作助熔劑。第二十五頁第二十六頁，共55頁。第二十六頁第二十七頁，共55頁。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(qiáng)度、塑性、韌性和熱加工性能，易切削加工。第二十七頁第二十八頁，共55頁。α-Fe,δ-Feγ-Fe純鐵是銀白色，有金屬光澤，性軟，有延展性。熔點(diǎn)為1535℃，沸點(diǎn)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℃第二十八頁第二十九頁，共55頁。鋼鐵是鐵和碳的合金體系總稱，特點(diǎn)是強(qiáng)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(shí)質(zhì)就是控制生鐵中的含碳量達(dá)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%第二十九頁第三十頁，共55頁。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。第三十頁第三十一頁，共55頁。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(xué)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。第三十一頁第三十二頁，共55頁。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)第三十二頁第三十三頁，共55頁。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(fù)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(diǎn)為659.8℃，沸點(diǎn)為2270℃,密度為2.702g/cm3，僅為鐵的1/3。導(dǎo)電導(dǎo)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(hù)層，有很好的抗蝕性。第三十三頁第三十四頁，共55頁。金屬鋁與鎂、銅、鋅、錳、硅等形成的合金，強(qiáng)度高、相對密度小、易成型，廣泛用于飛機(jī)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(qiáng)度高，密度小，用于制造飛機(jī)，可使飛機(jī)質(zhì)量減輕15-20%，并能降低油耗和提高飛機(jī)性能；第三十四頁第三十五頁，共55頁。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)合金第三十五頁第三十六頁，共55頁。噴氣式飛機(jī)的發(fā)動機(jī)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

第三十六頁第三十七頁，共55頁。形狀記憶合金第三十七頁第三十八頁，共55頁。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(jiān)硬，強(qiáng)度也很高；在40℃以下時，它相當(dāng)軟，強(qiáng)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(yīng)用于航空航天、機(jī)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。

第三十八頁第三十九頁，共55頁。航天器的天線在陽光的照射下慢慢打開第三十九頁第四十頁，共55頁。形狀記憶合金在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用消化道內(nèi)支架血管內(nèi)支架膽道內(nèi)支架第四十頁第四十一頁，共55頁。形狀記憶合金在日常生活中的應(yīng)用第四十一頁第四十二頁，共55頁。5.3無機(jī)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(xì)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。第四十二頁第四十三頁，共55頁。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?zé)Y(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。第四十三頁第四十四頁，共55頁。5.3.2精細(xì)陶瓷精細(xì)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。

第四十四頁第四十五頁，共55頁。5.3.2精細(xì)陶瓷精細(xì)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(hù)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(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、導(dǎo)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(jī)械、電子、宇航、醫(yī)學(xué)工程各方面得到廣泛的應(yīng)用。第四十五頁第四十六頁，共55頁。精細(xì)陶瓷舉例：電子陶瓷高溫結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷復(fù)合材料透明陶瓷光導(dǎo)纖維生物陶瓷超導(dǎo)陶瓷第四十六頁第四十七頁，共55頁。光纜光導(dǎo)纖維第四十七頁第四十八頁，共55頁。生物陶瓷（1）生物陶瓷必須具備的條件：生物相容性力學(xué)相容性與生物組織有優(yōu)異的親和性抗血栓滅菌性具有良好的物理、化學(xué)穩(wěn)定性第四十八頁第四十九頁，共55頁。惰性生物陶瓷表面活性生物陶瓷吸收性生物陶瓷生物復(fù)合材料（2）生物陶瓷的分類：生物陶瓷第四十九頁第五十頁，共55頁。惰性生物陶瓷這類陶瓷長期處于生理環(huán)境中而幾乎不發(fā)生化學(xué)變化，即使發(fā)生輕微的化學(xué)或力學(xué)的降解作用，降解的濃度也相當(dāng)?shù)牡停以卩徑罱M織處易被人體天然而有規(guī)律的機(jī)理所控制。主要包括氧化鋁陶瓷和碳化物陶瓷。應(yīng)用：外科矯形手術(shù)的假體、心血管裝置等。第五十頁第五十一頁，共55頁。心臟起搏器