1材料CONTENTS第15章材料和能源能源215.1課程標準

1.知識目標古德伊爾（美國）、齊格勒（美國）、卡羅瑟斯(美國)、高錕（英籍華裔）、肖克利（美國）、昂里斯(荷蘭)的創新成果。

理解常規材料的分類。理解光導纖維、形狀記憶合金、貯氫合金、半導體材料、超導材料、納米材料的內涵和用途。

2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用。第一節材料

一、常規材料

（一）金屬材料金屬材料分黑色金屬和有色金屬兩大類。目前主要的金屬材料有銅、鐵、鋁等。所謂材料，一般指人類能用來制作有用物件的物質。一般傾向于根據其物理化學屬性，分為金屬、無機非金屬、有機高分子以及復合材料四大類。金屬材料1.銅含銅的礦石主要有：

黃銅礦(CuFeS2)；孔雀石[CuCO3·Cu(OH）2]藍銅礦[2Cu(OH）2·CuCO3]等

這些礦石若與碳一起熔燒，就可生成銅。將銅礦石和錫礦石共同冶煉，就可以得到性能好得多的青銅（熔點700℃-900℃）。Cu(OH)2·CuCO3+2C=2Cu+2CO+CO2+H2O

2.鐵鐵礦石主要有磁體礦（Fe3O4）、赤鐵礦（Fe2O3）等，鐵器的出現普遍比銅器晚，主要原因在于鐵的熔點(1539℃)比銅的熔點高。鐵礦石、燃料等原料在爐子里加熱、混合，鐵礦石中的鐵就可以被還原出來。Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2在鋼中摻入了18％的鉻和8％鎳，就得到“不銹鋼”。青銅器混凝土

（二）無機非金屬材料

3.鋁鋁的主要礦物是鋁土礦（

Al2O3

）,通過冶煉和電解可以得到純鋁。1906年德國人威爾姆在鋁中加入銅、鎂和錳等形成了第一種鋁合金——硬鋁，它被用來制造飛機。現代家庭中裝修門窗所用的又輕又硬的鋁合金是鋁與鎂或錳的合金。

1.水泥硅酸鹽水泥是在1824年由英國泥水匠約瑟夫·阿斯普丁發明的。

制造水泥時以碳酸鈣（CaCO3

）和黏土（高嶺石Al2H4Si2O9

）為主要原料，經過研磨、混合后在水泥回轉窯中煅燒，再加上適量石膏（CaSO4），以調節水泥的凝結時間，并研細成粉末就得到普通的水泥了。水泥中只需加入砂、石就能成為混凝土，再加入鋼筋就成為鋼筋混凝土了。鋁合金2.玻璃

普通玻璃的主要原料是純堿(Na2CO3)石灰石(CaCO3)和石英（SiO2）

生產時，把原料粉碎，按適當的比例混合后，放入玻璃窯中加強熱就可以制造得到透明的普通玻璃。如果添加某些金屬氧化物，可以制出具有各種美麗顏色的玻璃，如氧化鈷(Co2O3)可使玻璃呈藍色，氧化銅(Cu2O)或金的氧化物可使玻璃呈紅色。3.陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的總稱。兩者的差別在于，陶器表面沒有釉質或只有低溫釉（鉛釉料），原料是高嶺土（Al2H4Si2O9），燒制溫度較低(低于1000℃)；而瓷器表面有高溫釉，用高嶺土在高溫下(達1200℃)燒制而成。

水晶玻璃，即在普通玻璃里面加入氧化鉛和氧化鉀。陶瓷水晶玻璃（三）有機高分子材料1.合成橡膠

1839年，美國人古德伊爾成功地將天然橡膠硫化，實現了橡膠分子鏈的交聯，使橡膠具備了良好的彈性。

1955年美國人利用齊格勒催化劑聚合異戊二烯，首次用人工方法合成了結構與天然橡膠基本一樣的合成天然橡膠。不久用乙烯、丙烯這兩種最簡單的單體制合成橡膠造的乙丙橡膠也獲成功。2.合成纖維

合成纖維是由小分子化合物通過聚合得到的。第一種合成纖維尼龍66是美國科學家卡羅瑟斯(1896—1937)領導的小組1938年研制成功的，它的主要成分是“聚己二酰己二胺(尼龍-66)”；1968年，美國杜邦公司研制的一種芳綸（凱芙拉）纖維，“聚對苯二甲酰對苯二胺”，它的強度達到鋁合金的45倍，可用來制作降落傘、機輪簾布、航天飛機熱防護材料、耐壓軟管以及軍事上的避彈衣、頭盔等.合成纖維合成橡膠3.塑料

1938年人工合成聚四氟乙烯，在王水中煮沸不會發生變化。-269.3℃不會被凍變脆，300℃的高溫也不會融化裂解。1960年后，各種塑料中產量躍居首位的是聚烯烴。其中主要是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲醛等。塑料塑料制品

（四）復合材料

復合材料是由金屬、有機高分子、無機非金屬等具有不同結構和功能的材料，通過特殊工藝復合為一體的新型材料。如玻璃鋼、碳纖維復合材料等。

復合材料復合材料

二、新材料

（一）高性能金屬與合金1.形狀記憶合金

1963年，美國一個海軍研究所發現某些合金存在形狀記憶效應，如Cu—Zn系；Al—Cu系；Ti—Ni系等。

發現不論把形狀記憶合金變成什么樣子，只要加熱到轉變溫度，就能使它恢復原來的形狀。2.貯氫合金1968年，美國布魯赫本國立研究所發現了Mg—Ni具有貯氫的性能。

目前各國正在開發的貯氫合金主要有鎂系、鈦系、混合稀土系和鐵系等。貯氫合金能夠貯存比它自己體積大1000～1300倍的氫，是一種容量大、既輕便又安全的理想的貯存和運輸氫的手段。

氫與這些金屬的結合力很弱，若改變溫度壓力，金屬氫化物就會分解釋放出氫。3.非晶態金屬1960年，美國的杜維茨發現Au—Si合金熔液以每秒106℃冷卻獲得的金屬玻璃，其強度達4000N/mm2。（二）新型無機非金屬和半導體材料

用氧化鋁(Al2O3)燒制而成的陶瓷材料。利用它的耐熱性來制造坩堝、高溫爐管，利用它硬度高的特點來制造剛玉球磨機和切割用的陶瓷刀具。若使用高純度原料，可以使氧化鋁陶瓷變得透明，用于制作高壓鈉燈的燈管。

1.人造剛玉非晶態金屬人造剛玉2.碳纖維碳纖維指的是含碳量在90%以上的高強度高模量纖維。碳纖維只是鐵重量的1／4，強度卻是鋼的5倍；可以耐受2000℃以上的高溫；具有優秀的抗腐蝕與輻射性能。3.光導纖維光導纖維是用純度極高的石英玻璃拉制成的非常細的可有效地遠距離傳導光信號的纖維。

1966年，被譽為“光纖之父”的英籍華裔科學家高錕和他的合作者霍克漢提出用光纖進行長距離通信的建議，他們證明單模光纖每秒有可能傳送10億位數字信號，并論證了單模光纖的要求和特性。光導纖維的通信容量極大，一根光纖可通過1～2億路電話，可同時傳遞5000路電視。碳纖維

4.半導體材料

1949～1950年間，美國貝爾電話實驗室的肖克利根據能帶理論的基本思想，創立了半導體的p—n結理論。將它作為晶體二極管，具有單向導電性。在面積比拇指的指甲還小的一塊半導體晶片上，可以集成上百萬個電子元件，集成電路的制成開辟了微電子技術的時代，電子計算機的發展得益于此。

（三）超導材料1911年荷蘭萊頓大學的昂里斯(1853—1926)首次發現，當水銀在冷卻到4.2K以下時，電阻幾乎完全消失，這便是所謂超導現象。

2025年，中國北京大學物理學院量子材料科學中心的王健團隊及其合作者，以銅氧化物高溫超導體為基礎，成功制備了一種新型的超導二極管，并發現了其在零磁場下最高可達72開爾文（約-201.15攝氏度）的工作溫度。

（四）納米材料納米材料是由尺寸在0.1～100nm之間的超微顆粒構成。1,特殊的力學性能研究表明，人的牙齒之所以有很高的強度，是因為它由磷酸鈣等納米材料構成的。

呈納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒的金屬硬3—5倍。超導材料納米材料

2.特殊的光學性能

金屬在超微顆粒狀態下都呈現為黑色。尺寸越小，顏色越黑。這說明金屬的超微顆粒對光的反射率極低。利用這個性質做成的材料可以高效率地將太陽能轉換為熱能、電能。

3.特殊的熱學性固體物質超細微化后其熔點將顯著降低，當顆粒小于10nm量級時尤為顯著。金的熔點為1064℃，2nm尺寸時的熔點僅為327℃左右；銀的熔點為670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。4.特殊的磁學性能

磁性超導微顆粒實質上是一個生物磁羅盤。生活在水中的趨磁細菌依靠它游向營養豐富的水底。隨著超微顆粒尺寸減小，它會呈現出超順磁性。利用這種特性可制成用途廣泛的磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙。5.特殊的電學性質當金屬晶粒處于納米范疇時，