化学与社会生活(材料).ppt

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,化学与社会,（材料）,吕琳,新材料一旦应用，大大促进了科学技术和生产的发展，材料是人类文明的基石。

材料,新材料也使人类的文明生活发生变化。

材料是人类生活提高的重要标志。

材料是指能为人类作有用物件的物质。

人类利用材料的历史发展：

陶器青铜铁器半导体高分子材料各种材料百花齐放,1、按化学组成分：

金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料、复合材料2、按使用性能分：

结构材料力学性能功能材料光、电、磁、热、声特性和效应3、按材料的应用对象：

信息材料、能源材料、生物材料、建筑材料,材料的分类,结构与功能相结合。

要求材料不仅能起到结构上的作用，而且能具有特定的功能。

智能型。

要求材料本身具有感知、自我调节和反馈的能力，即具有敏感和驱动的双重功能。

少污染。

为了人类的健康，要求材料的制作和废弃的过程中尽可能少对环境污染。

可再生。

一方面是保护和充分利用自然的资源，另一方面又不为地球积存太多的废料。

节约能源。

要求制造时能耗少；要求能够帮助节能和利用新的能源。

长寿命。

要求材料能少维修或不维修，物美价廉。

材料的新要求,多相复合材料，包括纤维（或晶须）增强或补强的复合材料、第二相颗粒弥散的复合材料、两（多）相复合材料、无机和有机复合材料、无机物和金属复合材料、梯度功能复合材料以及纳米复合材料等，它们已成为当前材料研究的重要对象。

（组成）纳米材料，指材料的晶粒和晶界等显微构造达到纳米级尺度水平的材料。

从微米级到纳米级的进步，不仅是制备工艺上的跃进，而且将推动材料科学理论的发展。

纳米级材料将会有意想不到的新的和高的性能。

（构成尺寸）,材料研制方向,智能材料，它既能像人的五官那样感知客观世界，又能能动地对外作功、发射声波、辐射电磁波和热能，甚至促进化学反应和改变颜色等类似有生命物质的智慧反应。

当然这类材料的智慧功能的获得是材料与电子、光电子技术结合的结果。

（功能）生物材料，为了保障人类的健康和长寿，生物材料的发展尤为人们所注意。

生物材料的目标是对人体组织的矫形、修复、再造、充填以维持其原有功能。

它要求材料具有相适应的性能外，还必须有与人体组织的相容性以及一定的的生物活性。

材料研制方向,新兴材料的研制和生产，是科学技术知识密集的新兴产业。

它的发展与新工艺、新技术密切相关。

美国约有1/3的科技人员从事材料科学研究、开发和应用工作。

目前，我国也在不断提高原有材料性能的基础上，大力发展新型材料，以满足社会发展的需要。

金属材料无机非金属材料合成高分子材料复合材料,主要内容,金属材料,青铜钢铁铝及铝合金钛及钛合金,金属分类：

黑色金属铁、锰、铬及其合金有色金属除去黑色金属外的金属,金属材料潜力无穷,你知道吗？

钢铁用量占金属材料总用量的80%，品质繁多钢铁都为铁炭合金按含炭量多少分为：

生铁2.04.31.7%C钢0.32.0%C熟铁0.3%C,一、钢铁,1、生铁,

（1）性能：

含炭2.04.3%具有脆性（含硫、磷）

（2）炼铁：

铁矿石、燃料、熔剂、空气（3）用途：

90%用于炼钢；10%用于铸造（4）品种：

白口铁化合碳灰口铁石墨碳铸铁含炭量大于2%的生铁经重新熔炼后则称为铸铁球墨铸铁浇铸前往铁水中加入少量球化剂（钙、镁、稀土元素等）和石墨化剂（硅铁或硅钙合金）则碳以球状石墨结晶存在，称为球墨铸铁,

（1）碳钢中几种元素的影响：

C：

碳含量增加可提高钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性S：

有害元素，热加工时易开裂热脆现象P：

有害元素，低温时使钢显著变脆冷脆现象Mn：

炼钢时作为脱氧剂加入，与S生成MnS可清除S的影响，能提高钢的强度和硬度Si：

作为脱氧剂加入，对钢的性能影响不大。

2、碳钢,

（2）炼钢技术,热处理技术运用钢材因加热与冷却过程不同而得到不同内部结构的变化规律来改变钢材的机械性能机理：

在加热或冷却过程中发生同素异构转变现象退火缓慢加热，保温，随炉缓慢冷却降低硬度消除内应力正火退火的特殊形式，在空气中冷却，硬度比退火大淬火加热到一定温度以上，保温，在水、盐水、油介质中快速冷却，提高硬度回火淬火后再加热，保温，冷却，降低淬火钢件中内应力提高塑性韧性,化学热处理在活性介质中加热，使某些元素渗入，改变表层化学成分化学热处理的目的主要是提高钢件表面的硬度、耐磨性、抗蚀性、抗疲劳强度和抗氧化性等。

渗碳增碳氮化增氮氰化碳氮共渗，高硬度高耐磨性渗金属合金元素，可获得某些特殊性能渗铬：

硬度，耐磨，抗蚀渗硅：

耐酸渗铝：

耐热，抗氧化,碳钢的用途,改善钢的组织和性能而特意加入的元素称为合金元素。

合金可分为三种基本类型:

相互溶解,形成金属固溶体,如Cu、Zn形成的黄铜合金；相互起化学作用，形成金属化合物，如Al-Ti合金，它的耐腐蚀性比不锈钢高100倍；相互混合，形成机械混合物，如焊锡。

钢中常加的元素：

Mn、Si、Cr、Ni、Al、B、W、Mo、V、Ti,3、合金钢,纯金属内原子的排列十分规整,合金内原子层之间的相对滑动变得困难,镁合金密度小，硬度大，阻尼性、导热性、切削加工性、铸造性能好、电磁屏蔽能力强、尺寸稳定、资源丰富（2%）、容易回收等优点，在交通运输、航空、航天等领域得到广泛用途。

镁中加入的金属有铝、锌、锰等。

加入铝和锰能使镁合金的晶粒细化,强度提高,加入锰会提高镁合金的抗腐蚀能力。

二、镁合金,底部采用铝镁合金，便于散热的同时带来轻盈坚固的特性。

采用铝镁合金做支架,西门子铝镁合金滑盖手机,镁合金可以分成变形镁合金和铸造镁合金两类：

1、变形镁合金镁-锰系合金。

可进行各种压力加工而制成管、棒、板、型材和锻件，主要用作航空、航天器的结构材料。

镁-铝-锌系合金。

均为高塑性锻造镁合金。

镁-锌-锆系合金。

属高强镁合金。

由于塑性较差，不易焊接，主要生产挤压制品和锻件。

2、铸造镁合金与变形镁合金相比，在应用方面占统治地位。

主要分无锆和含锆镁合金。

2002年英国科学家开发成功具有极高强度和延展性的镁合金，这种镁合金采用急速凝固法制成，它的成分中97%是镁，钇和锌分别占2%和1%,具有100-200nm的微观结构。

它的强度大约是超级铝合金的3倍,据称是当时世界上强度最高的合金。

此外它还具有超塑性、高耐热性和高耐腐蚀性。

由于镁在飞机、导弹和航天飞机上的突出作用，在第一、第二次世界大战期间，镁的生产和产量与称作“战争的晴雨表”。

你知道吗？

三、铝合金,铝合金密度小，硬度大，导电导热性能好，耐腐蚀性能好，易于加工。

铝是仅次于铁的第二大金属材料铝中加入的金属有镁、铜、锌、锰、硅等。

经过热处理使强度大为提高的铝合金称为硬铝合金。

增加铜和镁的含量，可提高硬铝合金的强度，但是铜含量的增加会降低合金的抗腐蚀性。

加入少量的锰会提高硬铝合金的耐热性，还可降低合金在焊接时形成裂纹的倾向。

以锂作为合金元素添加到铝中而形成铝锂合金。

在导弹和航天运载技术中，贮箱在轨道器进入轨道之前9min，推进剂消耗完毕后，坠落并销毁。

为了降低进入空间运输系统的有效载荷成本，美国于90年代利用成熟的结构材料技术研制重复使用运载器（RLV）。

轻质高强度的低温贮箱是美国发展重复使用运载器（RLV）的最关键技术之一。

其中采用了铝合金和铝锂合金。

铝锂合金焊件,铝锂合金煅件,四、钛合金,钛比钢轻，但机械强度可与钢媲美，在极为广泛的温度范围内保持其机械强度，而且不会生锈，尤其对海水和绝大部分酸。

金属钛几乎能溶解所有的金属。

地壳中钛的含量极为丰富，含钛的矿物有70多种，目前工业上主要用钛铁矿（FeTiO3）和金红石（TiO2），采用钠热法、碘化法或镁热法将钛铁矿石中的钛还原出来。

这样还原出来的钛呈疏松多孔的海绵状，称为海绵钛。

金属钛,钛合金喇叭,佳能数码相机采用钛合金机身,钛可和多种金属形成合金。

加入的主要金属元素有：

铝、钒、铬、钼、锰和铁等。

这些合金元素能与钛形成置换固溶体或金属化合物而使合金强度提高。

加铝可改善抗氧化性能；加钼可显著提高对盐酸的耐蚀性，加锡能提高抗热性。

目前钛及钛合金3/4左右用于航空航天领域，是制造超音速飞机、火箭、导弹和航天飞机不可缺少的材料，被称为“航空金属”。

钛合金作为耐热、耐腐蚀材料，被广泛用于化工、石油、发电等工业中。

钛与生物组织和体液有良好的兼容性，可以作为生物材料用于制造人工关节、心脏起搏器。

钛合金,钛合金烤瓷牙,钛合金换颅骨,高尔夫钛合金球头,我国钛钒储藏量居世界第一,占全世界70左右.中国钛矿分布于10多个省区。

钛矿主要为钒钛磁铁矿中的钛矿、金红石矿和钛铁矿砂矿等。

中国钛钒矿资源主要分布在四川、云南、广西等西部地区，以攀枝花为主要储藏地.攀枝花的二氧化钛保有储量8.98亿吨，其中表内储量5.978亿吨，约占全国储量的93%，世界储量的59%.钒矿总保有储量V2O52596万吨，占全国储量的58%，世界的34.7%.最近,在我国泌阳-南阳桐柏之间又发现了世界最大的金红石矿,有巨大的开采价值.使我国钛钒矿资源又有了新的增长.,五、几种特殊的金属材料,形状记忆合金储氢合金金属的超导性金属玻璃未来的金属合金,在20世纪60年代初，美国海军研究所一个研究小组，偶然发现镍钛合金丝竟然也具有一种“形状记忆”的本领。

科学家们对此进行了深入的研究，发现铜锌合金、铜铝镍合金、铜铝镍合金、铜金锌合金等也都具有这种奇特的本领，即人们可以在一定温度范围根据需要改变它们的形状，到了一定的特定温度，它们便一个个自动恢复到自己原来的形状。

而这一“改变恢复”的现象可重复进行，其记忆力决不会降低。

人们把这种现象叫做“形状记忆效应”，将具有“形状记忆效应”的合金，叫做“形状记忆合金”。

何谓形状记忆合金,你知道记忆合金的发现历史吗？

1、形状记忆合金,50%镍和50%钛的合金在温度升高到40C以上时，能“记住”自己原来的形状。

镍钛记忆合金“花瓣”在相应的温度下慢慢绽放,合金的这种记忆效应是由合金的“相变化”来实现的，随着温度的改变，合金的结构从一相转变到另一相。

在转变温度以下，金属晶体结构处于一种不稳定结构状态，在转变温度以上，金属结构是一种稳定结构状态，一旦把材料加热到转变温度以上，不稳定的晶体结构就转变成稳定结构，材料也就恢复了原来的形状。

记忆合金为何具有“记忆”,记忆合金的应用,用记忆合金制作的眼镜架。

当这种眼镜架弯曲时，只要将它放入55的温水中，即可恢复到原来的形状,在民用产品方面，形状记忆合金可用于移动电话天线、钓鱼线、眼镜的镜架等。

在医疗器械方面，形状记忆合金可用于矫正脊椎骨，校正牙齿。

形状记忆合金矫正牙齿,也有人用记忆合金黄铜弹簧制成防烫伤莲蓬头，当水的温度太高时，弹簧可以自行关闭热水，以防止淋浴时意外烫伤。

记忆合金制成元件，安装在工厂、仓库、宾馆等建筑的电路中，人们会迅速将火灾消灭在发生之前。

用TiNi1镍钛记忆合金制作的记忆合金热机实验装置。

将冷热水分别置于两个水槽中，利用冷热水的交替作用，即可使水槽上方的螺旋桨转动或停止,在建筑方面，形状记忆合金是连接零件和管道的能手。

用记忆合金连接管道,在航天航空技术方面，利用形状记忆合金将折叠成小球的天线带到月球上，将其架设成直径为若干千米的半球形月面天线。

20世纪60年代中期，科学家发现LaNi5和FeTi等金属间化合物具有可逆储氢的作用，即储氢合金能与氢气发生化学反应，使氢分子在其表面被催化分解成氢原子，然后氢原子再进入金属点阵内部，生成金属氢化物加热后又能释放出氢，相当于储氢“容器”。

从理论上讲，相当于氢气瓶重量1/3的某些金属，就能吸收与氢气瓶贮氢容量相当的氢气，而它的体积却不到氢气瓶的1/10。

具有储氢能力的金属和合金已经发现不少，其中接近实用化的有：

钛铁合金、镧镍合金、镁镍合金。

2、储氢金属,CaCu5的结构,储氢合金LaNi5结构和CaCu5相同,储氢合金粉,贮氢材料的重要应用是制造稀土贮氢电池。

稀土贮氢电池将作为各种高级电子设备，如摄像机、磁带录象机、液晶电视接受器、语言处理机、书本式个人计算机、无码电话以及其他紧凑、轻便、易携带的电子设备中的电源而获得广泛应用。

储氢材料,储氢材料与燃烧电池,钛铁合金是一种比较便宜而实用的储氢材料，在室温