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*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第8章 化学与材料,根本要求,1、掌握各区元素原子的构造特征，并能从原子的电子层构造了解常用工程材料在元素周期系中的分布,2、了解近年来的新型材料(高分子材料, 陶瓷材料, 纳米材料, 复合材料, 液晶材料)的组成与性能,8.1 常用工程材料在周期系中的分布,8.2 几种新型材料,8.2.1 金属材料,8.2.2 高分子材料,8.2.3 陶瓷材料,8.2.4 复合材料,8.2.5 液晶材料,材料的分类,1 按用途分为构造材料和功能材料,构造材料：利用材料的力学和理、化性质,功能材料：利用材料的热、光、电、磁等性能,2 按成分、特性分为：,金属材料 黑金属：铁、铬、锰及合金,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传统陶瓷,精细陶瓷,有机高分子材料：塑料、纤维、橡胶以及涂,料、黏合剂等,复合材料：由以上三种材料复合而成,按,化学活泼性,分：,活泼 中等活泼 不活泼,s 区 ds区、p区 d区,3,8.1常用工程材料在周期系中的分布,Li-密度最小的金属,0.5gml,-1,He-熔点最低的单质,Cr-硬度最大的金属(9),W-熔点最高的金属(3410),Hg-熔点最低的金属,1 金属的性质,物理性质：,光泽,：金属晶体大多呈银白色，,Au,黄色,，Bi,淡红,，Cu,紫红色,；,4,密度：按5g -3为标准,分为轻金属,重金属；,8.2 金属材料,熔点：金属熔点差异很大。,如：Hg、W；,磁性：分铁磁材料(Fe、Co、Ni)；,顺磁材料(Mn、Cr、Mo、W；,逆磁材料(Cu、Sn、Pb、Zn；,延、展性,：即机械加工性能良好；,热胀冷缩,(但Sb 、Bi相反)。,5,导电、导热,：金属越纯，导电、热性,越好;,2 几种新型金属材料,轻质合金,以轻金属为主要成分的合金。,铝合金：密度小，强度高。“硬铝耐蚀，可,用于车，不用于船。,钛合金：密度不大，强度很高，抗蚀性好，耐,高、低温-200-500，用于飞机。,34,硬质合金以硬质化合物为硬质相，以合金,为黏结相的复合材料TiN、AlN、,TiC、WC、SiC具有高硬度、耐,磨、强度、韧性。,具有“记忆自己形状特性的合金。,如Ti-Ni各50%合金，在温度T发,生晶格转变：,菱形晶格,立方晶格,晶格的变化，改变了合金形状。,35,记忆合金,贮氢合金两种特定金属的合金:,一种可大量吸收H2的金属如RE，,一种不吸收氢的金属制成的合金。,36,使氢可在其中“移动。是理想的氢,能源材料。,贮氢合金要求:,贮氢量大；,金属氢化物容易形成，稍加热又容易分解；,室温下吸、放氢的速度快；,使用寿命长；本钱低。,目前正在研究的贮氢合金主要有三大系列：,镁系贮氢合金,：MgH,2,Mg,2,Ni,稀土系贮氢合金,：LaNi,5,MnNiMn,MnNiAl,钛系贮氢合金,：TiH,4,TiMn,1.,5,.,8.3 陶瓷材料,(,Ceramics),Oxides,Al,2,O,3,(alumina),ZrO,2,(zirconia),BeO (beryllia),Non oxides,carbides SiC,borides B,4,C, BN,nitrides Si,3,N,4,silicides,Composites,combination of oxides and non-oxides.,Each one of these classes can have unique material properties,Types of Ceramics,一、几种新型陶瓷材料,1、 光导纤维,从高纯的二氧化硅或石英玻璃的熔融体中，拉出直径约为100m的细丝，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，而用石英玻璃纤维光损耗大为降低，故这种纤维称为光导纤维。,皮料,低折射率的玻璃；,43,光纤的组成：,芯料,高折射率，高透光度，不析晶,的玻璃；,多组分玻璃光纤；,复合材料光纤；,石英光纤高纯度或掺杂。,光在芯料和皮料,界面上全反射，入射光封闭在芯料内，经过无数次全反射，锯齿状传播。,44,通信原理：,光纤材料：,光缆构造图,利用光导纤维可以进展光纤通讯，用最新的氟玻璃制成的光导纤维，可以把光信号传输到太平洋此岸而不需要任何中继站。,光损耗较大光导纤维可以在短距离使用，特别适合做人体内窥镜，如：胃镜、膀胱镜、直肠镜、子宫镜等。,2、超导陶瓷,1911年荷兰物理学家Onnes发现汞水银在4.2K附近电阻突然下降为零.,超导电性：零电阻现象,超导临界温度：电阻突然消失的温度,超导体：在一定温度下具有超导电性的物体,superconductors (超导体) no resistance to flow of electricity,superconducting behavior starts below the superconducting transition temp, T,c,Hg(l) 4.2 K,Superconducting Transition Temperatures,Not all metals have superconducting properties.,Al, Ti, Zn Ga, Zr, Mo, Tc, Ru, Cd, In, Sn La, Hf, Ta, W,Re, Os, Ir, Hg, Tl, Pb, Th, Pa and U,can superconduct at atmospheric pressure.,Metal,Temp (K),Aluminum,1.175,Gallium,1.10,Tin,3.72,Mercury,4.15,Lanthanum (La),4.9,Lead,7.2,metals highest T,c,is 23K (Nb-Ge compound),1987年 赵宗贤等,ceramic YBa,2,Cu,3,O,7,T,c,is 95K,.,1993年 中-瑞合作,Hg-Ba-Cu-O,(Tc=133.5K),Want room temp (298K),77K (liquid nitrogen,),应用：,1 用超导材料输电,2 超导发电机,3 磁力悬浮高速列车,4 可控热核聚变,Meissner effect magnets levitate (float) over superconductors,3、纳米陶瓷,从陶瓷材料的开展史上看，经历了三次飞跃,从陶器到瓷器-第一次飞跃,从传统陶瓷到精细陶瓷-第二次飞跃,从精细陶瓷到纳米陶瓷-第三次飞跃 超韧性陶瓷,纳米材料：粒径为1-100纳米，纳米材料具有外表效应、界面效应、量子尺寸效应。但目前为止，这些效应无法检测。,棉、麻、丝、毛、角、胶、塑料、,橡胶、纤维它们是人们越来越熟悉的有机高分子材料。无论是天然的或合成的这类材料，在人们的生活和工程技术中都占有越来越重要的地位。,1,8.4 高分子材料,高分子化合物：由一种或几种低分子,化合物聚合而成的相,对分子量较高的化合,物也称高聚物,单体,链节,聚合度,Polymers (,聚合物,),molecules of very high molecular mass,composed of a string of monomers (单体), which are molecules with low molecular mass,polymers also: macromolecules (高分子),joining together process: polymerization (聚合反响),2 types of polymerization reactions:,addition polymerization 加聚反响,condensation polymerization 缩聚反响,单体：形成高聚物的低分子量化合物。,链节：高分子化合物中重复的构造单,元。,聚合度：高分子化合物化学式中链节的,个数。,1 高分子化合物的组成：,特定构造单元屡次重复而成:,聚合度,CH,2,CH,2,2 相对分子质量:, 高分子化合物的相对分子质量应为：,M = 链节化学式量n,但，同种高聚物，其聚合度并不一样。,3,聚乙烯,链节,n,因此，每一个大分子的相对分子质量,都不一样。, 高聚物的相对分子质量只有平均意义。, 由于聚合度不同引起的高聚物相对分子质,量各不一样的现象高聚物相对分子质量,的多分散性, 高聚物链节一样而聚合度不同的混合物。,4,3 高分子化合物的几何形状,线型构造 分子易蜷曲，制品有弹性(热塑性)；,大分子被化学键交联起,来，不易蜷曲，制品无弹,性和塑性热固性。,5,体型(网状)构造 cross-linking (交联) ,4,高分子化合物的制备,加聚反响 Addition polymerization,由一种或几种有不饱和键的单体通过加成反,应结合成高分子化合物的反响。,如：,6,Ethylene乙烯,Polyethylene聚乙烯,Addition Polymers,Polyethylene (PE),(HDPE and LDPE),Polypropylene (PP),Polystyrene (PS),Polyvinyl chloride,(PVC),特点：,1参与加聚反响的单体具有不饱和键;,2没有小分子物质产生，高聚物化学组,成与单体一样;,3加聚反响快，副产物较少.,加聚反响可分为：均聚，共聚又分,接枝、镶嵌共聚。,缩聚反响 Condensation Polymerization,7,具有两个或两个以上官能团的一种,或几种单体缩合成高聚物，同时析出低,子物质如：水、氨、醇、卤化物等,的反响。,amine,NH2 carboxylic acid,COOH,Condensation Polymers,Polyurethane,(PU),Polyethylene terephthalate,(PETE, PET),Nylon 6,6,特点：,1单体必须含有两个或两个以上的官能团；,2有小分子副产物生成，高聚物化学组成与单体不同。,缩聚反响可分为：,按产物体型缩聚，线型缩聚；,按单体均缩，混缩，共缩。,plastics,(,塑料,) materials that can be formed into shapes by application of heat and pressure,thermoplastics,(,热塑性的,),can be reshaped by heat and pressure,thermosetting,(,热固性的,),cannot be reshaped by heat and pressure,5 高聚物的构造和性能,高聚物的构造特点,高聚物的相对分子质,量很大，所以，分子间,力很强。因此，高聚物,无气态，机械强度较高。,9,高分子链中有许多C-C,键，此单键可按键角自,由旋转。,因此，高分子的形状便有无数可能构象高分子链的柔顺性。,高聚物的聚集态有：, 晶 态大分子排列有序；,10, 非晶态大分子,排列无序；,高聚物整体无序，但在小区域内有不,同状态：晶区和非晶区。,11,一个大分子可穿过几个不同的区域。,高聚物中晶区多称结晶度大，力学性,能强。,12,玻璃态：TTT,g,，,分子动能不大，大分子不动，链段可,动。受外力，大分子或蜷曲或伸展；除,去外力，分子复原，属高弹形变。高聚,物柔软，有弹性。是橡胶的使用状态.,分子动能大。大分子可运动，具有流动性和可塑性，不会复原。是高聚物的工艺状态；,13,粘流态：TT,f,，, 玻璃态对塑料、高弹态对橡胶,是使用状态，粘流态是工艺状态。, 塑料的T,g,应高于室温。,T,g,是塑料使用的最高温度；,橡胶的T,g,应低于室温。,T,g,是橡胶使用的最低温度。, 为便于加工，T,f,应低些。,如塑料，T,f,-T,g,差应小;,为利于使用，T,f,应高些。如橡胶。,14,讨论,讨论题：,以下三种温度-形变曲线，各对,应于何种高分子材料？,对应于塑料。使用状态是玻璃态，处,于室温；T,g,-T,f,差值小；,对应于橡胶。使用状态是高弹态，处,于室温；T,g,-T,f,差值大；,15,讨论：,对应于纤维。使用状态是玻璃态，处,于室温；T,g,-T,f,差值较大。,高聚物的性能,根本性能：质轻，有弹性，塑性，,绝缘，耐腐蚀。,机械性能：聚合度n大，分子间力大，,强度大结晶度，极性基,团都能增强分子间力。,16,高聚物无电子、离子，多是绝缘,体。但极性基团在电场中会周期性取向，产生位移电流，使其具有导电性。,高聚物经摩擦而带静电，因绝缘而,不易消除。,符合“相似相溶原理，但不同于低,分子，其溶解过程分为：,17,电性能：,溶解性：,溶胀,溶剂分子进入高分子链，使,链距增大，体积增大；,18,溶解溶胀到使高分子链彼此别离，,分子进入溶剂。,体型高分子只溶胀不溶解。, 特点：“强而韧，耐磨性最好的纤,维。柔顺性好。, 用途,：绳索，帘子线，渔网，飞行,服，运输带，降落伞，袜子。,37, 构造：,聚酰胺纤维尼龙 锦纶 PA,8.5 复合材料,1 定义：由两种以上物理和化学性质不同的物,质组合起来得到的一种多相固体材料。,combination of two or more materials to obtain new material that has properties,from both components,2 组成：基体材料 Matrix 金属或高聚物；,增强材料 Reinforcements 纤维、粒子。,40,Composites,3 类型：,纤维 fiber 增强复合材料增强材料 是纤维,strength of the composite depends on the amount,arrangement and type of fiber reinforcement in the matrix.,粒子 particulate 改性复合材料(增强材料是粒,子),夹层(laminate)复合材料芯、面料间以胶粘剂,adhesive结合,41,包括：,玻璃纤维，陶瓷纤维，合成纤维，金属丝,包括：,SiO,2,、CaCO,3,、CaSO,4,、石棉、碳黑、陶土；,42,纤维增强材料,粒子增强材料,作用：,承受载荷，传递和分散应力，提高强度。,作用：阻止基体位错，提高强度，降低本钱。,包括：机械力钉、钩、铆，分子,间力，氢键，化学键。,复合材料的应用, 组成：以树脂为基体环氧树脂，酚醛树,脂，不饱和聚酯树脂，有机硅。,以玻璃纤维为增强材料。,43,复合材料界面结合力,1 玻璃纤维增强塑料玻璃钢, 特点,：质轻，耐热，耐蚀，耐老化，,绝缘，加工性好。刚度不及,金属。, 组成：以树脂环氧 酚醛 F-4为,基体，以碳纤维有机纤维，,绝氧碳化为增强材料。,44, 应用,：车体，船体，罐，管，泵，,塔，零部件。,碳纤维增强塑料, 特点,：质轻、耐热、导热、强度高。, 母材：铜、钢、不锈钢。, 被复材料：Al、Cu、Ag、Au、Zn、Sn、Ni等。, 方法：电镀，热镀，浸镀，喷涂，冷压，热压。,45,以物理、化学方法将不同金属组合在一起,的材料。,金属包层复合材料, 应用,：航天器等高技术领域。,Almost anything that can be made with traditional materials such as metals, can be manufactured from composites.,Benefits of composite,High Strength,Light weight highest strength to weight ratio known to man.,Corrosion (腐蚀) Resistance,Design Flexibility,Durable,disadvantage,: often more expensive than conventional materials.,液晶:既具有液体的流动性,又具有晶体的各向异性的一类物质。,8.6 液晶,如：胆甾醇苯酸脂加热熔化：,137 167,固态 混浊液态 清澈状态,各向异性各向异性介晶态 各向同性,Crystal,cloudy liquid,clear,intermediate liquid-crystalline phase,partially ordered properties between solid and liquid,液晶的分子构造：,具有液晶特性的有机物，一般具有细长棒状构造，同时大多数是2个或3个苯环直线状结合的对位取代化合物。,long rigid, rodlike molecules,A,B-亚甲胺基 X,Y-烷基,偶氮基 烷氧基,氧化偶氮基 酸基,脂基 氰基,液晶的分类,液晶是各种特定分子排列的聚集体，一般可以分为三类：,近晶相液晶：分子排列方向一致,且呈层状构造,向列相液晶：仅排列方向一致,胆甾相液晶：呈螺旋构造,nematic,向列型液晶,smectic,近晶型液晶,层列型液晶,twisted nematic,Cholesteric liquid crystal,胆甾醇型液晶,液晶的特性与用途,液晶是一类具有各向异性的流体，其 构造会随外场电、热、磁、力等的变化而变化，从而导致其各向异性性质的变化。其中，光电效应是液晶材料最有用的性质之一，所谓的光电效应是指在电场的作用下，液晶分子的排列方式发生改变，从而使液晶分子的光学性质发生改变的效应。液晶显示器的工作原理就是基于此效应。,When a voltage is applied across the electrodes, the liquid crystal molecules realign parallel to the electric field. This distorts the helical structure.,Liquid Crystal Displays,Light is made up of fluctuating perpendicular (正交) waves, electric (E) and magnetic fields (B).,Polarized Light (偏振光),Ordinary white light is made up of waves that fluctuate at all possible angles.,Plane polarized (平面偏振光) light contains waves that only fluctuate in one specific plane.,Polarized Light (偏振光),A,polarizer,(偏光镜) is a material that allows only light with a specific angle of vibration to pass through.,Liquid Crystal Display,twisted nematic,1 Vertical polarizer,2 Glass with electrode,3 Twisted nematic liquid crystals,4 Glass with electrode,5 horizontal polarizer,6 Reflective surface (In a backlit LCD, this layer is replaced with a light source.),If no liquid crystal the light passing through the first filter would be blocked by the second polarizer.,The electrodes are treated in a way that causes the liquid crystals to align in a particular direction, in a twist or helix structure,
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