高中化学 第四章 元素与材料世界 第3节 复合材料学案2 鲁科版必修1.doc

第3节复合材料1材料科学的发展过程及单一材料的优缺点(1)材料科学的发展过程材料科学的发展经历了天然材料、无机非金属材料、金属材料、有机合成材料、复合材料这五个过程。(2)常见的几种单一材料的优缺点通过前面的学习，我们已经对金属材料、无机非金属材料有了大体的了解，现实生活中，我们经常接触有机合成材料，这些材料都是单一的材料，优点、缺点都较突出，现总结如下：材料实例优点缺点金属材料钢铁硬度较大、韧性较好、熔沸点较高、易成型在高温下不耐氧化无机非金属材料玻璃硬度较大、熔沸点高、电绝缘性好、易成型、耐腐蚀质脆、不耐冲击有机合成材料塑料电绝缘性好、质轻、防水耐油性差、易老化【例1】 下列关于材料的说法中，正确的是()A玻璃是由Na2SiO3、CaSiO3和SiO2熔合而成的晶体B高温结构陶瓷具有耐高温、不怕氧化、耐酸碱腐蚀、硬度小、耐磨损、密度大的特点C氧化铝陶瓷的熔点低、硬度小D镁铝合金的强度高、密度小，可用于飞机制造业解析：玻璃属于玻璃态物质，不是晶体，它没有固定的熔点，A错误；B中高温结构陶瓷硬度大、密度小；氧化铝陶瓷是高温结构陶瓷，熔点高，故C错误；镁铝合金硬度大、质轻，因此可用于飞机制造业，故D对。答案：D2认识复合材料(1)复合材料的定义将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的新材料称为复合材料。(2)复合材料的组成复合材料由两部分组成，一部分称为基体，在复合材料中起黏结作用；另一部分称为增强体，在复合材料中起骨架作用。(3)复合材料的特点单一材料往往有或多或少的不足，如金属材料易被腐蚀，有机合成材料易老化、不耐高温，陶瓷材料易破碎等，复合材料可以既保持原有材料的特点，又能使各组分之间协同作用，形成优于原材料的特性。一般具有强度高、质量轻、耐高温、耐腐蚀等优良特性，在综合性能上超过了单一材料。(4)几种复合材料的性能(5)复合材料的分类复合材料种类繁多，按基体分类，可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复合材料；按增强体的形状分类，可分为颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料和纤维增强复合材料。【例2】 下列说法正确的是()A所有复合材料都由基体和增强体两部分组成B复合材料的化学成分可能只有一种也可能含有多种C基体在复合材料中起骨架作用D复合材料按基体材料分类可分为树脂基复合材料、金属基复合材料和纤维增强复合材料解析：因为复合材料都由基体和增强体两部分组成，所以其化学成分至少有两种，B项错；基体在复合材料中起黏结作用，C项错；树脂基复合材料和金属基复合材料是按基体材料分类的，而纤维增强复合材料是按增强体形状分类的，分类标准不统一，D项错。答案：A3生产、生活中的复合材料(1)玻璃钢玻璃钢是一种以玻璃纤维作增强体，合成树脂作基体的复合材料。玻璃本身是一种易碎的脆性材料，由它做成的玻璃纤维却异常柔软，具有很高的强度，除了普通玻璃纤维(主要成分为SiO2、Al2O3、Na2O等)外，还可以根据需要选用耐化学腐蚀、耐高温或强度高的特种玻璃纤维作玻璃钢的增强体。在制造玻璃钢时，可以将玻璃纤维制成纱或织物，加到合成树脂中，也可切成短纤维加到合成树脂中。玻璃钢的强度可达到甚至超过合金钢的强度，而密度却只有钢铁的左右；同时，这种材料保持着较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能，而又不像普通玻璃那样硬脆。玻璃钢已大量用于游乐车、水上滑梯、运输罐、电话亭、餐桌椅等产品的生产，这些产品充分发挥了其重量轻、强度高、耐水、耐磨、耐撞等特点。玻璃钢在排水管道中也得到了广泛应用。最近几年，越来越多的污水处理系统的管道用玻璃钢制造，一个主要的原因是废水所含的腐蚀物质的种类在不断地增加、腐蚀作用在不断地增强，这就要求管道材料具有更好的耐腐蚀性，玻璃钢便是一种理想材料。(2)碳纤维增强复合材料在合成树脂的基体中加入碳纤维作增强体的复合材料叫碳纤维增强复合材料。特点是韧性好、强度高而质轻。碳纤维增强复合材料广泛应用于制造高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、钓鱼竿、赛车、赛艇、滑雪板等体育用品，也广泛应用于纺织机械和化工机械的制造以及医学上人体组织中韧带的制作等。【例3】 下列对玻璃钢的叙述正确的是()A玻璃钢是由普通玻璃加强热然后骤冷而得到的，所以其成分与普通玻璃相同B玻璃钢是以玻璃为基体，钢纤维做增强体的复合材料C玻璃钢的基体是合成树脂，增强体是玻璃纤维D玻璃钢的强度和机械加工性能比合金钢稍差，但耐腐蚀性和绝缘性比合金钢好解析：玻璃钢是人们熟悉的一种多用途的复合材料，它的学名叫玻璃纤维增强塑料，诞生于30年代。以玻璃纤维为骨料，以合成树脂作基体和黏结剂，加热压制成型就得到玻璃钢，其成品强度可与钢材媲美，比重仅为钢铁的1/5左右，耐高温、抗腐蚀、电绝缘、抗震抗裂、隔音隔热、加工方便。在航空、机械、汽车、舰船、建筑、化工等部门得到广泛的应用。答案：C4航空、航天领域中的复合材料(1)飞机、火箭的机翼和机身以及导弹的壳体、尾翼中的复合材料，大多是以纤维作增强体、金属为基体的复合材料。这些材料具有耐高温、强度高、导电性好、导热性好、不吸湿和不易老化等优点。作为增强体的主要是碳纤维，作为基体的金属用得较多的是铝、镁、钛等密度小的轻金属。(2)航天飞机机身上使用的隔热陶瓷瓦是由纤维和陶瓷复合而成的材料制成的。在这种复合材料中，增强体多为碳纤维、碳化硅纤维或氧化硅纤维，基体的主要成分有：Al2O3陶瓷、MgO陶瓷、SiO2陶瓷、Al2O3ZrO2陶瓷、Si3N4陶瓷、SiC陶瓷等，纤维增强体陶瓷保持了陶瓷耐高温的特性，增加了陶瓷的韧性，使航天飞机能安全地穿过大气层返回地球。【例4】 美国的哥伦比亚号航天飞机在制造过程中应用了大量的先进复合材料，其中被覆在整个机身上的防热瓦片，使航天飞机能安全穿越大气层，是耐高温的()A陶瓷基复合材料B合成树脂基复合材料C玻璃钢D金属基复合材料解析：航天飞机机身上使用的隔热陶瓷瓦是由纤维和陶瓷复合而成的材料制成，其增强体多为碳纤维、碳化硅纤维和氧化硅纤维；基体的主要成分是各种陶瓷。这种纤维增强陶瓷保持了陶瓷耐高温的特性，又增强了陶瓷的韧性，使航天飞机能安全地穿越大气层返回地球。答案：A5复合材料与合金复合材料与合金的比较见下表复合材料合金概念将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的材料，由基体和增强体组成由两种或两种以上的金属(或金属跟非金属)熔合而成的具有金属特性的物质性能既保持了原材料的特点，又使各组分之间协同作用，形成了优于原材料的特性。根据原材料的不同会表现不同的性能具有良好机械性能，在许多方面优于各成分金属，如硬度大、熔点低等。改变原料配比以及改变生成合金的条件等，可以制得具有不同性能的合金实例玻璃钢、碳纤维增强复合材料、纤维增强陶瓷等铝合金、钢铁、不锈钢等【例51】请用短线把下列物质及其用途、主要性能相互连在一起：物质用途 主要性能玻璃钢制造骨和股关节耐腐蚀性强光纤制造排水管道密度小、强度高生物陶瓷汽车车轮骨架质量轻、保密性好铝合金通讯材料有生物功能解析：本题考查同学们对材料的性能、用途的了解。答案：【例52】根据某种分类标准，材料大体可以分为天然材料、烧炼材料、合成材料等。下面是一个分类的实例。类型天然材料烧炼材料合成材料名称木材、大理石、皮革钢铁、陶瓷、铝合成纤维、合成橡胶、合成塑料请再选择一个分类标准，将上述材料重新分类。解析：根据不同的分类标准，可以有不同的分类方法。如可以将它们分为无机材料和有机材料。当然，无机材料还可以进一步分为非金属材料和金属材料。答案：类型无机材料有机材料名称大理石、钢铁、陶瓷、铝皮革、木材、合成纤维、合成橡胶、合成塑料6几种“纤维”的区别(1)光导纤维光导纤维简称“光纤”，是一种能利用光的全反射作用来传导光线的透明度极高的细丝，是高性能的现代通讯材料，其主要成分为SiO2。其除了用于通讯外，还可用于能量传输、信息处理、遥测遥控和医疗器械制造等方面。(2)玻璃纤维玻璃纤维是将熔化的玻璃以极快的速度拉成的极细的丝。这种纤维柔软如蚕丝，可以像棉纱一样纺织。直径为510 m 的玻璃纤维，只有头发丝直径的1/10左右，但其拉伸强度却接近高强度钢的拉伸强度，为天然纤维或合成纤维拉伸强度的530倍。在一些具有特殊用途的制品如防火衣、宇航服和宇宙飞船中，采用直径为35 m的超细玻璃纤维或中空玻璃纤维，以提高制品的柔性和减轻制品的重量。(3)碳纤维碳纤维从外观上看呈暗黑色，具有许多优异而奇特的性质。它的化学稳定性好；耐酸碱腐蚀；在空气里加热到400 无明显变化；在没有氧气的环境里加热到1 500 ，强度也不会下降；有良好的耐低温性能，在200 时也不会发脆。碳纤维大多是用聚丙烯腈纤维为原料制得的，首先将聚丙烯腈原丝置于200300 的温度下进行预氧化处理，这一步处理使原丝中的链状分子环化脱氢。随后在惰性气体中继续加热炭化，炭化温度逐步升高，慢慢达到1 400 。最后在2 000 以上的温度下进行石墨化处理，从而获得碳纤维。【例61】 纤维复合材料中的增强体为纤维状，其中应用比较广泛的有碳纤维、玻璃纤维等。对纤维的说法中，不正确的是()A玻璃在一定条件下拉成极细的丝，可用于纺织宇航服等，但其拉伸强度却接近同强度的钢B玻璃纤维易断，不能用于纺织C碳纤维化学性能好，耐酸碱腐蚀，有良好的耐低温性能D氧化铝、氧化硅、碳化硼等也可拉成纤维，做复合材料的增强体解析：玻璃本身是易碎的脆性材料，由它制成的玻璃纤维却异常柔软，具有很高的强度。答案：B【例62】 碳纤维增强复合材料是在合成树脂的基体中加入了碳纤维做增强体，具有韧性好、强度高而质轻的特点，下列物质中可用其制造的是()A游乐车、游乐船B电话亭、餐桌椅C网球拍、钓鱼竿D航天飞机用隔热瓦解析：游乐车、游乐船及电话亭、餐桌椅通常可用玻璃钢制得；航天飞机用隔热瓦通常用陶瓷基复合材料；碳纤维增强复合材料可用于网球拍、钓鱼竿的制作。答案：C【变式题】 对下列材料的特征及用途的说法，不正确的是()A玻璃钢强度高、密度小、耐腐蚀，可用于废水处理系统的管道B玻璃纤维柔软如丝，可像棉纱一样纺织，但拉伸度极低C光导纤维传导光的能力很强，是非常好的通讯材料D氮化硅陶瓷耐高温但不易传热，可用于制造柴油机解析：玻璃纤维虽然细如丝，但其拉伸强度很大，几乎与高强度的钢的拉伸强度接近。它是一种新型材料，故B项错，其余三项均正确。答案：B