材料组成的优化选修IB

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,*,第二单元 材料组成的优化,材料的性能取决于材料的化学组成和结构。,1.合金,由金属与另一种(或几种)金属或非金属所组成的具有金属通性的物质。,根据结构的不同，合金主要类型是：,(1)混合物合金（共熔混合物），当液态合金凝固时，构成合金的各组分分别结晶而成的合金，如焊锡、铋镉合金等；,(2)固熔体合金，当液态合金凝固时形成固溶体的合金，如金银合金等；,改变材料的组成,(3)金属互化物合金，各组分相互形成化合物的合金，如铜、锌组成的黄铜（-黄铜、-黄铜和-黄铜）等。,各类型合金都有以下通性：,(1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；(2)硬度比其组分中任一金属的硬度大；,(3)合金的导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性，可以制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能的材料，如在铁中掺入15铬和9镍得到一种耐腐蚀的不锈钢，适用于化学工业。(4)有的抗腐蚀能力强(如不锈钢),常用合金,：钢铁、铝合金、铜合金,特种合金：,耐蚀合金、耐热合金、钛合金（Ti-Al-V合金为代表的超塑性合金）、磁性合金（永磁合金有稀土、钴系、铁、铬、钴系和锰、铝、碳系合金）、钾钠合金、贮氢合金,储氢合金：,能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而有效的储氢方法。,金属贮氢的原理在于金属(M)与氢生成金属氢化物(MHx)：,金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热。改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。,LaNi,5,+3H,2,LaNi,5,H,6,H=-31.77kJmol,-1,200300kPa,2.硅酸盐材料和特种陶瓷,硅酸盐材料是以含硅物质为原料高温烧制而成的。,水泥工业,原料,设备,主要性质,反应条件,水泥成分,水泥应用,硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙,石灰石、黏土、辅助原料,水 泥 回 转 窑,高温,水硬性,建筑粘合剂,水泥砂浆、,钢筋混凝土,玻璃,（1）含有Na,2,SiO,3,CaSiO,3,和 SiO,2,，主要成分是SiO,2,，玻璃态物质，没有固定熔点,（2）反应材料：石灰石，纯碱，石英,（3）反应原理：,Na,2,CO,3,+SiO,2,=Na,2,SiO,3,+CO,2,高温,CaCO,3,+SiO,2,=CaSiO,3,+CO,2,高温,（4）玻璃的种类,种类,特性,用途,普通玻璃,在较高温度下易软化,窗玻璃、玻璃器皿,石英玻璃,膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光,化学仪器，高压水银灯，紫外灯罩,光学玻璃,透光性好，有折光性和色散性,眼镜，照相机，显微镜，望远镜透镜,玻璃纤维,耐腐蚀，耐高温，不导电，隔热，防虫蛀,玻璃钢，宇航服，光导，通讯材料,钢化玻璃,耐高温，耐腐蚀，高强度，抗震裂,运动器材，汽车火车用窗玻璃,陶瓷,（1）主要原料：黏土 Al,2,O,3,2SiO,2,2H,2,O,（2）釉料金属及其化合物,使陶瓷表面光滑，不渗水，具有丰富的色彩。,（3）特性：抗氧化性，抗酸碱腐蚀，耐高温，易成形。,（4）传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却,（5）主要种类：,土器：砖瓦,红瓦（自然冷却，,Fe,2,O,3,含量较多）,青瓦,(,淋水冷却，,Fe,3,O,4,、,FeO,较多,),炻器：水缸、砂锅,陶器：,江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑,瓷器：,唐三彩,宋代钧瓷,特种陶瓷：,是有别于传统或普通陶瓷而言的，又叫,高技术陶瓷、先进陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷、高性能陶瓷、工程陶瓷,等。,特种陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的，是指采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行的结构设计及便于控制的制备方法进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。,特种陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类，结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学和生物等功能的高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热、弹等性质或其耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷，也可以叫做特种功能陶瓷。,精细陶瓷的应用（P76),精细陶瓷,又称高性能陶瓷、高技术陶瓷。按其用途可分成,工程陶瓷,和,功能陶瓷,两大类。前者主要利用它们的高,硬度,、高,熔点,、耐磨损、耐腐蚀性能，又称,结构陶瓷,；后者主要利用它们的,光,、,声,、,电,、,热,、,磁,等,物理,特性，又称,电子陶瓷,。按,化学,组成可分成,氧化物,类和非氧化物类。前者包括各种氧化物和含氧酸盐；后者包括,氮化物,、,碳化物,、,硼化物,等。前一类一般作功能陶瓷用，后一类作工程陶瓷用。有些品种用于制造,发动机,部件、,汽车,部件、,电视机,、,吹风机,、火灾警报器、高温挤型,模具,等。还可用于制造耐高温,喷嘴,，适合,国防,的需要。,3、在制备工艺上，突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界限，广泛采用真空,烧结,，保护气氛烧结、热压、热静压等手段。,4、在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、,导电,、,绝缘,以及在磁、电、光、声、,生物工程,各方面具有的特殊功能，从而使其在高温、,机械,、,电子,、,宇航,、,医学,工程各方面得到广泛的应用。,2、在成分上，传统陶瓷的组成由粘土的成分决定，所以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的,质地,。由于特种陶瓷的原料是纯,化合物,，因此成分由人工配比决定，其性质的优劣由原料的,纯度,和,工艺,，而不是由,产地,决定。,精细陶瓷与传统陶瓷的主要区别,1、在原料上，突破了传统,陶瓷,以,粘土,为主要原料的界限，特种陶瓷一般以氧化物、氮化物、,硅化物,、硼化物、碳化物等为主要原料。,氮化硅陶瓷制取反应原理：,方法一：3Si+2N,2,=Si,3,N,4,1300,方法二：,3SiO2+6C+2Cl,2,=SiCl,4,(液态),Si+3HCl =SiHCl,3,+H,2,精馏提纯SiCl,4,和SiHCl,3,后制高纯硅,2H,2,+SiCl,4,=Si+4 HCl,SiHCl,3,+H,2,=,Si+3HCl,提高材料的纯度,超纯硅的制取反应原理：,制粗硅：SiO,2,+2C=Si+2CO,高温,粗硅转变为SiCl,4,或SiHCl,3,：,Si+2Cl,2,=SiCl,4,(液态),Si+3HCl =SiHCl,3,+H,2,精馏提纯SiCl,4,和SiHCl,3,后制高纯硅,2H,2,+SiCl,4,=Si+4 HCl,SiHCl,3,+H,2,=,Si+3HCl,研制纳米材料,第三单元 复合材料的制造,1、什么是复合材料？你知道哪些复合材料？,2、为什么人类要制造复合材料？,复合材料,(Composite materials)，是以一种材料为基体(Matrix)，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。,60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4106 cm，比模量大于4108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250350、3501200和1200以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。,