第六章化學與材料材料定義：含有功效材料分類金屬材料無機非金屬材料有機高分子材料復合材料納米材料

第一節金屬材料?黑色金屬材料?有色金屬材料鐵、錳、鉻以及它們合金，應用最廣除黑色金屬以外其它各種金屬及其合金

金屬材料輕金屬稀土金屬重金屬

金屬材料性質金屬普通性質與自由電子存在親密相關。●金屬含有光澤，不透明；●導電性和傳熱性都非常好；●有優異延展性。

金屬材料性質純金屬強度較低，工業上用大多是合金。★兩種或兩種以上金屬經高溫熔融后冷卻得到，也能夠由金屬元素和非金屬元素組成，如碳鋼★合金品種繁多，性能各異。如不銹鋼，鋼中加入一定量鉻；

有色金屬合金，主要有鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金、鎳合金和鋅合金等。鋁合金制備金屬鋁慣用電解法。Al2O3是非常穩定化合物。在高溫下對熔融氧化鋁進行電解，其反應以下：?金屬鋁強度和彈性模量較低，硬度和耐磨性較差?鎂、銅、鋅、錳、硅等元素與鋁形成合金后，不但提升了強度，而且還含有良好塑性和壓力加工性能。?鋁合金強度高、相對密度小、易成型，廣泛用于飛機制造業、汽車工業及建筑業。形狀記憶合金?將變形合金加熱到相變溫度時，發生相轉變而完全恢復原來形狀。?最早研究成功形狀記憶合金是Ni-Ti合金，可靠性強、功效好，但價格高。?銅基形狀記憶合金加Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni，鐵基形狀記憶合金。應用航空航天領域：人造衛星上龐大天線能夠用記憶合金制作。發射之前，將拋物面天線折疊起來裝進衛星體內，火箭升空把人造衛星送到預定軌道后，只需加溫自然展開，恢復拋物面形狀。臨床醫療領域：如人造骨骼、傷骨固定加壓器、牙科正畸器等。消防報警裝置及電器設備保安裝置。當發生火災時,記憶合金制成彈簧發生形變，開啟消防報警裝置。還能夠把用記憶合金制成彈簧放在暖氣閥門內，當溫度過低或過高時，自動開啟或關閉暖氣閥門。

貯氫合金?原理：利用合金與氫形成氫化物而把氫貯存起來。?要求

貯氫量大；金屬氫化物既輕易形成，稍稍加熱又輕易分解；室溫下吸、放氫速度快；使用壽命長和成本低。?當前正在研究開發貯氫合金主要有：鎂系貯氫合金如MgH2,Mg2Ni等；稀土系貯氫合金如LaNi5；鈦系貯氫合金如TiH2,TiMn1.5。?應用：氫動力汽車試驗已取得成功。在氫回收、分離、凈化等方面

第二節無機非金屬材料?單晶Si、單質C?礬土Al2O3?陶瓷

陶瓷材料?傳統陶瓷材料是以硅和鋁氧化物為主硅酸鹽材料，新近發展起來特種陶瓷或稱精細陶瓷，成份擴展到純氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，?按使用性能分為：結構陶瓷和功效陶瓷

結構陶瓷材料?優點：耐高溫、高強度、高硬度、耐磨損、抗腐蝕等?應用：能源技術、宇航技術、超導技術等當代科學技術需要大量特殊性能新材料?實例：透明陶瓷、耐高溫陶瓷高溫陶瓷?優點：工作溫度穩定在1300℃左右，熱效率大幅度提升；發動機可減輕汽車質量?應用：汽車發動機、航天航空?陶瓷發動機材料選取氮化硅，它機械強度高、硬度高、熱膨脹系數低、導熱性好、化學穩定性高透明陶瓷?普通陶瓷不透明原因：內部存在有雜質和氣孔，前者能吸收光，后者令光產生散射。?選取高純原料，并經過工藝伎倆排除氣孔?早期透明陶瓷是氧化物陶瓷：氧化鋁、氧化鋯等?近期研制出非氧化物透明陶瓷：砷化鎵（GaAs）、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅（ZnSe）、氟化鎂(MgF2)等。?強度、硬度都高于普通玻璃，耐磨損、耐劃傷，可制造防彈汽車窗、坦克觀察窗、轟炸機轟炸瞄準器和高級防護眼鏡等。

功效陶瓷材料?定義：以聲、光、電、磁、熱和力學性能及其相互轉化為主要特征材料?應用：能源開發、空間技術、生物技術、計算機技術、電子通訊、信息處理等方面?實例：壓電陶瓷、高溫超導陶瓷、敏感陶瓷、生物功效陶瓷等。

高溫超導陶瓷超導電性：19發覺汞（水銀）在4.2k附近電阻突然降為零在一定溫度下含有超導電性物體稱為超導體。合金Tc/k合金Tc/k合金Tc/kV3Si17.0Nb3Al18.8Nb3(Al0.75Ge0.25)21.0V3Ga16.8Nb3Sn18.1Nb3Ge23.2當前新超導氧化物系列不停涌現，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它們超導轉變溫度超出了120K。

高溫超導陶瓷C60與堿金屬作用形成AxC60(A－鉀、銣、銫等)是超導體，轉變溫度比金屬合金高。?金屬氧化物超導體屬二維超導。而AxC60則屬三維超導。超導體Tc/k超導體Tc/kK3C60

19Rb2CsC60

30Rb3C60

28RbCs2C60

33Cs3C60

30

（1）超導材料輸電發電站（2）超導發電機，線圈不會發燒，無冷卻難題，而且功率損失可降低50%（3）磁力懸浮高速列車超導磁體

生物功效陶瓷?應用：人體器官和組織修復或再造氧化鋁陶瓷可做成假牙，還可做人工關節ZrO2陶瓷強度、斷裂韌性和耐磨性更加好，可用以制造牙根、骨和股關節等。人工合成羥基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]與骨生物相容性好，可用于頜骨、耳聽骨修復等。?陶瓷材料最大弱點是性脆，韌性不足。

第三節有機高分子材料1.高分子化合物概述2.高分子化合物結構3.高分子化合物性能4.主要高分子化合物高分子化合物概述（1）基本概念高分子化合物——相對分子量尤其大一類化合物，簡稱高分子或聚合物

低分子化合物高分子化合物原子數目：幾個~幾十個幾千~幾萬或幾十萬相對分子質量：＜1000104~106?天然高分子，如淀粉、纖維素、棉、麻絲、毛，人體中蛋白質、糖類、核酸等也是天然高分子。?用化學方法合成高分子稱為合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺（尼龍）等都是慣用合成高分子材料。

合成高分子簡寫：—CH2—CH—nCl鏈節——重復結構單元聚合度——鏈節數目單體——合成高分子所用低分子原料組成：聚氯乙烯nCH2=CH→···—CH2—CH—CH2—CH—CH2—CH—···ClClClCl（2）高分子化合物分類及命名

1）分類

按材料性能和用途分類塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑、功效高分子等。按聚合物分子結構分類碳鏈聚合物：大分子主鏈全部由碳原子組成。如，聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。雜鏈聚合物：大分子主鏈上除碳原子外，還有氧、硫、氮等元素。如，聚酯、聚醚、聚酰胺、聚胺酯元素有機聚合物：大分子主鏈上沒有碳原子，由硅、硼、鋁、氧、氮、硫等元素組成，但側基由有機基團組成。如，有機硅橡膠、有機硅樹脂。按聚合物熱行為分類熱塑性聚合物：加熱變軟，冷卻變硬。熱固性聚合物：加熱時，其化學結構發生改變，形成不溶解、不熔化固體。2）聚合物命名天然高分子，普通按起源和性質有專有名詞。如纖維素、蛋白質等。合成高分子，是在單體名稱前冠以“聚”字。由兩種單體縮聚而成聚合物，假如結構比較復雜或不太明確，往往在單體名稱后加上“樹脂”二字來命名。聚合物通俗名稱、商品名稱及簡寫代號通俗名稱商品名稱簡寫代號聚氯乙烯氯綸PVC聚丙烯丙綸PP

丙烯腈-丁二烯-苯乙烯ABS樹脂ABS聚對苯二甲酸乙二酯滌綸PET

聚甲基丙烯酸甲酯有機玻璃PMMA聚丙烯腈腈綸PAN

3.2高分子化合物結構（1）線型長鏈狀（不帶支鏈、帶支鏈）特點：1）分子鏈柔順，易卷曲。2）彈性好，塑性好，硬度、脆性較小。3）含有溶、熔性，易于加工。如：合成纖維、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。（2）體型：線型或支鏈型之間以化學鍵交聯而成。特點：1）彈性、塑性差，硬度、脆性較大。2）不含有溶、熔性。如：酚醛樹脂、環氧樹脂、離子交換樹脂等。3.3高分子化合物特征短程有序

高分子不輕易形成完整晶體。在局部范圍內，分子鏈有可能排列整齊，形成結晶態。不均一性不一樣聚合度高分子混合物，無法確定高分子分子量。只是統計平均結果。含有熱塑性、熱固性、絕緣性、相對密度小、比強度高等特殊性能。特點化學穩定性與老化老化——高聚物及其材料在加工、貯存和使用過程中，長久受化學和物理(熱、光、電、機械等)以及生物(霉菌)原因綜合影響，發生裂解或交聯，造成性能變壞現象。比如，塑料制品變脆、橡膠龜裂、油漆發粘等。1）交聯反應——在分子鏈之間形成化學鍵，使大分子從線型結構轉變成體型結構過程。2）裂解反應（降解反應）——指大分子斷鏈變為小分子過程。例：橡膠氧化裂解主要高分子材料?通用高分子塑料、橡膠、纖維、涂料、膠粘劑?功效高分子塑料

?塑料是在一定溫度和壓力下可塑制成型合成高分子材料。?分為熱塑性塑料和熱固性塑料。聚乙烯

?不一樣反應條件下可得到不一樣性能聚乙烯。?若選擇0.2~1.5MPa低壓聚合，用Ziegler-Natta催化劑，得到產品是線型高分子，排列比較規整、緊密，可做桶、瓶、管、棒等塑料制品，。?若在150MPa高壓下用自由基引發聚合，得到產品支鏈化程度較高，結晶度、密度降低，又稱低密度聚乙烯。可做食品包裝袋、奶瓶等軟塑料制品。工程塑料

?要求有優良機械性能、耐熱性和尺寸穩定性。?聚甲醛力學、機械性能與銅、鋅相同，用它做汽車上軸承，使用壽命比金屬長一倍。?聚碳酸酯不但能夠代替一些金屬，還可代替玻璃、木材和合金等，做各種儀器外殼、自行車車架、飛機擋風玻璃和高級家俱等。特種塑料

?是在高溫、腐蝕或高輻射等特殊條件下使用塑料，它們主要用在尖端技術設備上。?比如聚四氟乙烯含有優異絕緣性能，抗腐蝕性好，能耐高溫和低溫，可在-200~250℃范圍內長久使用，在宇航、冷凍、化工、電器、醫療器械等工業部門都有廣泛應用。合成纖維

?合成高分子為原料，經過拉絲工藝取得。?聚酯（滌綸）、聚酰胺（尼龍、錦綸）、聚丙烯腈（腈綸），占世界合成纖維總產量度90%以上。?聚乙烯醇縮甲醛（維綸）、聚丙烯（丙綸）、聚氯乙烯（氯綸）等。?天然高分子纖維素或蛋白質為原料?粘膠纖維（人造棉）、醋酸纖維（人造絲）等棉、麻、絲、毛人造纖維合成纖維纖維天然纖維化學纖維聚酯纖維?主要用于織衣料，也可做運輸帶、輪胎簾子線、過濾布、纜繩、漁網等。?滌綸分子鏈結構中含有酯基，這類剛性基團存在，使分子排列規整、緊密，不易變形，受力形變后也易恢復，這是滌綸抗皺性好原因。聚酰胺纖維

?最常見是尼龍-6和尼龍-66。?主要用于制做漁網、降落傘、宇航飛行服、絲襪及針織內衣等。?特點是強度大，彈性好，耐磨性好。聚酰胺分子鏈中存在酰胺基，分子鏈間酰胺基能夠經過氫鍵作用，使分子鏈之間作用力大為加強，確保了織物強度。合成橡膠?橡膠分天然橡膠和合成橡膠。?天然橡膠僅占15%左右，其余都是合成橡膠。?合成橡膠可分為通用橡膠和特種橡膠。通用橡膠

特種橡膠?特殊性質，如耐高溫、耐低溫、耐油、耐化學腐蝕和含有高彈性等。?硅橡膠是以硅氧原子取代主鏈中碳原子，它柔軟、光滑，能耐高溫，適宜做醫用制品。?氟硅橡膠是將氟原子引入硅橡膠中，是一個耐高、低溫高彈性材料。丁腈橡膠和聚硫橡膠耐油性好。?許多合成橡膠是線型高分子，含有可塑性，但強度低，回彈力差，輕易產生永久變形。若加入硫磺與橡膠分子作用，轉變為體型結構，使橡膠失去塑性，同時取得高彈性。反應以下：功效高分子

?含有光、電、磁、化學、生物、醫學等方面功效高分子導電高分子

?70年代人們合成了聚乙炔，發覺它有導電性能。?聚乙炔是一個雙鍵、單鍵間隔連接線型高分子，分子中存在共軛π鍵體系，π電子能夠在整個共軛體系中自由流動，所以能夠導電。若將碘摻雜到聚乙炔中，導電率會大幅度提升。?聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等都含有導電性，導電高分子材料引發人們重視。?用導電塑料做成電池已進入市場，硬幣大小，一個電極是金屬鋰，另一個電極是聚苯胺導電塑料，電池可屢次重復充電使用，工作壽命長。導電高分子

?因為固態電容采取導電性高分子產品作為介電材料，通電后不致于發生爆炸現象；同時它為固態產品，不存在因為受熱膨脹造成爆裂情況。醫用高分子

一些合成高分子與人體器官組織天然高分子有著極其相同化學結構和物理性能，所以用高分子材料做成人工器官含有很好生物相容性，不會因與人體接觸而產生排斥和其它作用。

第四節復合材料?合成高分子材料、金屬材料和無機非金屬材料各有其優點和短處，假如將這三類不一樣材料經過復合工藝組成新復合材料，它既能保持原來材料優點，又能填補短處。?按增體形狀分類，復合材料可分為：顆粒增強復合材料、夾層增強復合材料和纖維增強復合材料。?當前發展較快、應用較廣是纖維增強復合材料

碳纖維增強塑料

?當前制備碳纖維方法是將聚丙烯腈合成纖維在200~300℃空氣中使其氧化，然后在1000~1500℃惰性氣體中碳化，即可得到強度很高碳纖維。?碳纖維增強塑料能夠依據使用溫度不一樣選擇不一樣樹脂基體。如環氧樹脂使用溫度150~200℃；聚雙馬來酰亞胺為200~250℃；而聚酰亞胺在300℃以上。?應用于制造航天飛行器外殼或火箭噴管耐燒蝕材料、新一代運動器材如羽毛球拍、網球拍、高爾夫球桿、滑雪杖、滑雪板等碳纖維增強塑料

?除了碳纖維外，作為纖維增強材料還有玻璃纖維、硼纖維、碳化硅纖維、氧化鋁纖維和芳綸纖維等。

纖維增強復合聚烯烴材料碳纖維增強金屬?碳纖維增強鋁含有耐高溫、耐熱疲勞、耐紫外線和耐潮濕等性能，適合于在航空、航天領域中做飛機結構材料。?硼纖維增強鋁也用于空間技術和軍事方面。?碳化硅纖維增強鋁比鋁輕10%，強度高10%，剛性高一倍，含有更加好化學穩定性、耐熱性和高溫抗氧化性。主要用于汽車工業和飛機制造業。用碳化硅纖維增強鈦做成板材和管材已用來制造飛機垂尾、導彈殼體和空間部件。碳纖維增強陶瓷?伴隨對高溫高強材料要求愈來愈高，人們轉向研制陶瓷基復合材料。纖維增強陶瓷能夠增強陶瓷韌性，這是處理陶瓷脆性路徑之一。?基體陶瓷大致有Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，Si3N4，SiC等。增強材料有碳纖維、碳化硅纖維和碳化硅晶須。?纖維增強陶瓷做成陶瓷瓦片，用粘接劑貼在航天飛機機身上，使航飛機能安全地穿越大氣層回到地球上。第五節納米材料納米與納米技術用什么儀器看納米碳納米球納米技術應用納米與納米技術納米是一個計量單位，1nm=10-9m，人一根頭發絲直徑約為6萬個納米納米技術是指在納米尺度范圍內，經過直接操縱分子、原子來組裝、創造含有特定功效新物質。納米材料：顆粒小到納米數量級物質同一個物質，因為結構上以納米為單位改變時，其物理性能和化學性質會發生意想不到巨變。花粉是納米級粒子

粉塵是約300nm粒子

病毒也是納米級粒子，約30~100nm用什么儀器看納米假如把一個納米粒子放在乒乓球上，相當于把乒乓球放在地球上。掃描隧道顯微鏡(scanningtunnelingmicroscope）透射電鏡（transmissionelectronmicroscope）掃描電鏡（scanningelectronmicroscope）驚人分辨率，水平分辨率可達0.1nm移動原子－－世界上最小廣告

1990年IBM科學家展示了一項另世人瞠目結舌結果STM不但能夠得到原子圖像，而且能夠將原子在一個位置吸住，再搬運到另一個位置這意味著人類能夠操控原子在金屬鎳表面操控惰性氣體氙原子碳納米球（富勒烯fullerenes）

1996年諾貝爾化學獎，美國Rice大學Kroto等人在激光汽化石墨試驗中首次發覺，C60和C70，均含有籠形結構。C60中20個正六邊形和12個正五邊形組成圓球形結構，60個頂點分別由60個碳原子所占有又相繼發覺了C44、C50、C76、C80、C84、C90、C94、C120、C180、C540等富勒烯家族組員，C60豐度約為50%,因為特殊結構和性質，在超導、磁性、光學、催化、材料及生物等方面表現出優異性能，得到廣泛應用。富勒烯應用

超導體有機軟鐵磁體C60(TDAE)0.86四二氨基乙烯軟鐵磁性材料在磁性記憶材料中有主要應用，成本低光學材料C60分子中電子共軛結構使得它含有良好光學及非線性光學性能，有望在光計算、光記憶、光信號處理及控制等方面有所應用功效高分子材料生物活性材料利用C60分子抗輻射性能，將放射性元素置于碳籠內注射到癌變部位，能提升放射治療效力并降低副作用。其它將鋰原子嵌人碳籠內有望制成高效能鋰電池。水溶性釓C60衍生物有望做為新型核磁造影劑．納米材料妙用

銅是導電金屬，當尺寸小到幾個納米時，就不導電了；而絕緣二氧化硅在尺寸減小到幾個到十幾個納米時，電阻大大下降，變得能夠導電通常情況下，陶瓷是脆性材料，因而限制了應用，但納米陶瓷卻是韌性材料，在室溫下能彎曲，堅固無比納米材料在環境中應用

納米二氧化鈦光催化降解有機物水處理技術含有顯著優勢，無二次污染，除凈度高。含有巨大比表面積，可將有機物最大程度地吸附在它表面；含有更強紫外光吸收能力，因而含有更強光催化降解能力，快速涂料中加入空氣觸媒，可分解空氣中有害物質自潔玻璃和自潔瓷磚檢測環境中鉛納米金與納米銀納米材料在生活中應用

納米阻燃材料自潔服裝抗菌冰箱納米材料在生物醫學中應用

納米機器人是納米生物學中最含有誘惑力內容第一代納米機器人是生物系統和機械系統有機結合體，可注入人體血管內，進行健康檢驗和疾病治療。還能夠用來進行人體器官修復工作、作整容手術、從基因中除去有害ＤＮＡ，或把正常ＤＮＡ安裝在基因中，使機體正常運行。第二