14.4.6二氧化硅和硅酸鹽

1.二氧化硅●存在——硅的豐度為29.50％，居第二位。是構(gòu)成礦物的主要元素。硅易與氧結(jié)合，自然界無游離的硅，以硅石SiO2及硅酸鹽形式存在——硅石有晶形和無定形兩種形態(tài)。硅藻土是無定形的SiO2，由硅藻和放射蟲的遺骸構(gòu)成，具有多孔性，是良好的吸附劑●結(jié)構(gòu)與性質(zhì)——結(jié)構(gòu)

SiO2是原子晶體，每個硅原子與4個氧原子以單鍵相連，構(gòu)成[SiO4]四面體結(jié)構(gòu)單元。晶體的最簡式為SiO2，但SiO2并不代表一個簡單的分子。四面體排列的形式不同構(gòu)成了不同的晶型3/14/20231——物理性質(zhì)純凈的石英稱水晶，是堅硬，脆性、難溶的無色透明晶體，膨脹系數(shù)很小，驟熱驟冷也不易破裂，常用以作光學(xué)儀器，是光導(dǎo)纖維的主要材料，紫水晶、煙水晶是由于混入雜質(zhì)所致——化學(xué)性質(zhì)SiO2的化學(xué)性質(zhì)不活潑，不溶于水與酸作用情況只有濃磷酸和氫氟酸可與之作用SiO2+2H3PO4(濃)====SiP2O7+3H2OSiO2+4HF====SiF4+2H2OSiF4極易與HF配位形成氟硅酸SiF4

+2HF====H2SiF6氟硅酸在水溶液內(nèi)很穩(wěn)定，是強酸，酸性與硫酸相仿

3/14/20232與堿作用情況SiO2是酸性氧化物，能緩慢地溶解在強堿中生成硅酸鹽SiO2+2NaOH====Na2SiO3+H2O高溫時，SiO2與氫氧化鈉或碳酸鈉共熔得到硅酸鈉SiO2+2Na2CO3====Na2SiO3+CO2Na2SiO3呈玻璃狀，能溶于水，水溶液稱為水玻璃，可作粘合劑、防火涂料和防腐劑2.硅酸●概況SiO2是硅酸的酸酐，可構(gòu)成多種硅酸，組成隨形成條件而變，以SiO2yH2O表示。已知的有：偏硅酸H2SiO3（SiO2H2O）它最簡單，常以H2SiO3代表硅酸；二硅酸H6Si2O7（2SiO23H2O）；三硅酸H4Si3O8（3SiO22H2O）；二偏硅酸H2Si2O5（2SiO2H2O）；正硅酸H4SiO4（SiO22H2O）3/14/202333.硅酸鹽●性質(zhì)溶解性所有硅酸鹽中，僅堿金屬硅酸鹽可溶水，其余金屬的硅酸鹽都難溶于水。貴金屬硅酸鹽一般具有特征的顏色水溶液性質(zhì)溶液呈堿性。在硅酸鈉溶液中加入NH4Cl，NH4+與水作用而顯酸性，SiO32-與水作用顯堿性，相互促進(jìn)，使其與水作用更完全，H2SiO3沉淀和氨氣放出，可鑒定可溶性硅酸鹽SiO32-+2NH4++2H2O====H2SiO3+2NH3H2O2NH3+2H2O分布硅酸鹽分布極廣，種類繁多，約占礦物總類的1/4，構(gòu)成地殼總質(zhì)量的80%。硅酸鹽組成非常復(fù)雜，為方便，?？醋鞴梏徒饘傺趸锵嘟Y(jié)合的化合物，化學(xué)式可寫作3/14/20235鉀長石K2OAl2O36SiO2或K2Al2Si6O16高嶺土Al2O32SiO22H2O或Al2H4Si2O9白云母K2OAl2O36SiO22H2O或K2H4Al2(SiO3)6石棉CaO3MgO4SiO2或CaMg3(SiO3)4沸石Na2OAl2O32SiO2nH2O或Na2A12(SiO4)

2nH2O滑石3MgO4SiO2H2O或Mg3H2(SiO3)4高嶺土是粘土的基本成分。純高嶺土為制造瓷器的原料。鉀長石、云母和石英是構(gòu)成花崗巖的主要成分?；◢弾r和粘土都是主要的建筑材料。石棉耐酸、耐熱，可用來包扎蒸氣管道和過濾酸液，也可制成耐火布。云母透明、耐熱，可作爐窗和絕緣材料。沸石可作硬水的軟化劑，也是天然的分子篩3/14/20236●結(jié)構(gòu)類型硅酸鹽基本結(jié)構(gòu)單位都是[SiO4]四面體。[SiO4]四面體不同的連接方式構(gòu)成4類不同的硅氧骨干結(jié)構(gòu)形式（1）分立型硅酸鹽結(jié)構(gòu)中含有單個的負(fù)離子[SiO4]2-或2，3，4，6個[SiO4]四面體，聯(lián)成直鏈或環(huán)狀結(jié)構(gòu)的負(fù)離子[Si2O7]6-，[SinO3n]2n-，這些分立的硅氧骨干靠帶正電的金屬離子相互聯(lián)結(jié)（2）鏈型硅酸鹽許多[SiO4]四面體連接成無限長的單鏈或雙鏈，因而此類結(jié)構(gòu)中含有在一個方向上無限延伸的硅氧骨干如[SiO3]n2n-，[Si4O11]n6n-（3）層型硅酸鹽許多[SiO4]四面體通過共用頂角氧原子連成片狀結(jié)構(gòu)。含有在二維平面上延伸的硅氧骨干[Si2O5]n2n-，[AlSi3O10]n5-（4）骨架型硅酸鹽許多[SiO4]四面體聯(lián)結(jié)成無限個三維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。[SiO4]四面體通過共用4個氧原子而組成各種各樣的空間格架，其硅氧骨干如[AlSi3O8]nn-等3/14/20237第十九章材料與化學(xué)本章要點本章主要介紹化學(xué)與材料科學(xué)之間的關(guān)系，重點是化學(xué)在各種新材料的開發(fā)和應(yīng)用中的作用，包括金屬材料、新型無機非金屬材料、有機高分子材料、復(fù)合材料以及納米材料等3/14/20239§19.1引言●定義材料（materials）是能用以制作有用物件的物質(zhì)●分類按化學(xué)組成——金屬材料以金屬元素為基礎(chǔ)的材料——無機非金屬材料除金屬和高分子材料外的幾乎所有的材料——有機高分子材料——復(fù)合材料●意義國際社會公認(rèn)，材料、能源和信息技術(shù)是新科技革命的三大支柱。從現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展史中可以看到，每一項重大的新技術(shù)發(fā)現(xiàn)，往往都有賴于新材料的發(fā)展3/14/202310§19.2金屬材料●概況——金屬材料是以金屬元素為基礎(chǔ)的材料。純金屬的機械性能常難滿足工程技術(shù)的需要，故金屬材料常以合金的形式使用——合金在純金屬中，加人一種或多種其他元素，通過適當(dāng)?shù)某尚图庸?，制造出具有不同性能的各種金屬材料19.2.1輕質(zhì)合金●定義輕質(zhì)合金是以輕金屬為主要成分的合金材料。有色金屬與合金中的鋁、鎂及其合金屬于輕金屬和輕合金3/14/20231119.2.2形狀記憶合金●形狀記憶效應(yīng)合金材料在一定條件下變形后仍能恢復(fù)到變形前原始形狀的能力。原因：合金存在著一對可逆轉(zhuǎn)變的晶體結(jié)構(gòu)的。1951年美國人首先發(fā)現(xiàn)金一鎘（Au—Cd）合金有記憶形狀的特性。以后發(fā)現(xiàn)銦一鉈（In—Tl）、鎳一鈦（Ni—Ti）等●應(yīng)用

——加工成內(nèi)徑比欲連接管外徑小的套管，再擴徑，把欲連管道插入。溫度至常溫時，套管收縮即形成緊固密封。20世紀(jì)70年代初，Ni—Ti合金管接頭在美國F14飛機油路連接系統(tǒng)上得到應(yīng)用——優(yōu)點連接方式接觸緊密，防滲漏、裝配時間短，遠(yuǎn)勝于焊接，特別適合于航空、航天、核工業(yè)及海底輸油管道等危險場合等領(lǐng)域。Ni—Ti形狀記憶合金可制成人造衛(wèi)星天線而卷入衛(wèi)星體內(nèi)，當(dāng)衛(wèi)星進(jìn)入軌道后，借助于太陽熱或其他熱源在太空展開3/14/20231319.2.3貯氫合金●概況——貯氫材料某些過渡金屬、合金和金屬間化合物有特殊的晶體結(jié)構(gòu)，使氫易進(jìn)入其晶格間隙形成金屬氫化物，這些金屬氫化物可貯存1000～1300倍的氫，加熱時氫能從金屬中釋放出來——發(fā)現(xiàn)史1968年美國布魯海文國家實驗室首先發(fā)現(xiàn)鎂一鎳合金具有吸氫特性，1969年荷蘭菲利普實驗室發(fā)現(xiàn)釤鈷（SmCo5）合金能大量吸收氫，隨后又發(fā)現(xiàn)鑭一鎳（LaNi5）合金在常溫下具有良好的可逆吸放氫性能，現(xiàn)貯氫合金正在向合金系的多元化發(fā)展●應(yīng)用利用貯氫合金貯運氫氣，既輕便又安全，不僅沒有爆炸危險，還有貯存時間長、無損耗等優(yōu)點。貯氫合金的迅速發(fā)展，必為氫氣的利用開辟更廣闊的前途3/14/20231419.2.4金屬磁性材料●磁性材料（體）能磁化到較大磁化強度并在實際中可利用其磁性的強磁性體即稱為磁性材料發(fā)展史——指南針、指南車——20世紀(jì)60年代：第一代稀土永磁合金。目前第四代稀土永磁材料●應(yīng)用主要有兩大類——硬磁材料或永磁材料用于發(fā)電機、電氣儀表等方面——軟磁材料用于電動機及變壓器的磁芯以及各種磁頭材料3/14/20231519.3.1陶瓷材料●陶瓷(ceramics)

——一般的陶瓷，是以黏土為主要原料，高溫煅燒而制得的硬而強、耐水、性脆的硅酸鹽材料——陶瓷的制作黏土等與適量水充分調(diào)制后，制成一定形狀的坯體。經(jīng)低溫干燥，高溫?zé)Y(jié)和冷卻階段，生成以3A12O32SiO2為主要成分的陶瓷材料——類型陶器用普通黏土為原料，在不高于1000℃的溫度下燒結(jié)而得細(xì)瓷用較純凈的黏土，在更高的溫度下燒成，并經(jīng)上釉而得新型陶瓷用高純度無機化合物為原料，在嚴(yán)格控制條件下成型、燒結(jié)或作其他處理制成具有微細(xì)結(jié)晶組織的無機材料3/14/202317——陶瓷材料的優(yōu)點化學(xué)穩(wěn)定性好，耐酸堿侵蝕和抗高溫氧化，制備工藝簡單，組成可變，可通過控制其組成獲得新性能。某些材料經(jīng)適當(dāng)處理，還可以和晶體材料一樣顯示各向異性，有的性能甚至比晶體材料還要優(yōu)越——新型陶瓷或高性能陶瓷（highperformanceceramics）幾乎不含有玻璃相的結(jié)晶態(tài)陶瓷。為有別于傳統(tǒng)陶瓷，稱先進(jìn)陶瓷（advancedceramics），或高技術(shù)陶瓷（hightechceramics）；有時也稱為精細(xì)陶瓷（fineceramics），取其顯微結(jié)構(gòu)非常精細(xì)，制備技術(shù)非常精細(xì)之意；也稱為工程陶瓷（engineeringceramics）?？煞譃橄冗M(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷利用材料本身具有的優(yōu)異力學(xué)性質(zhì)用于制備各種機械結(jié)構(gòu)的零部件，以至切削刀具。它提供了其他材料不能提供的高使用效能。先進(jìn)結(jié)構(gòu)陶瓷代表了當(dāng)代陶瓷科學(xué)的最高水平，生產(chǎn)和市場容量以每年15％～18％的速度增長3/14/202318先進(jìn)功能陶瓷利用材料的電、磁、聲、光、熱、彈等方面直接的或耦合的效應(yīng)以實現(xiàn)某種使用功能的陶瓷。功能陶瓷與電子技術(shù)有著很密切的關(guān)系，所謂的“功能”在很多情況下都與電子技術(shù)有聯(lián)系。特點：品種繁多、豐富多彩，如電容器陶瓷、磁性陶瓷、壓電陶瓷、電致伸縮陶瓷、熱釋電陶瓷、半導(dǎo)電陶瓷、導(dǎo)電陶瓷、透明和電光陶瓷等。電容器陶瓷作為云母電容器代用品的陶瓷電容器已經(jīng)成為使用最多的電容器。世界每年生產(chǎn)的陶瓷電容器在500億只以上，超過電容器總產(chǎn)量的一半，并且還在以每年15％的速度增長。約占先進(jìn)陶瓷市場容量的70％～80％納米陶瓷陶瓷發(fā)展的第三次飛躍，預(yù)期在本世紀(jì)初，陶瓷科學(xué)將在這一方面取得重大突破3/14/202319有色玻璃加入少量金屬氧化物制得光色玻璃加入AgCl和CuCl2制得：強光下AgC極小晶體分解成Ag和Cl原子，Ag使玻璃變暗，光照撤除，結(jié)合成AgCl硅酸硼玻璃減少玻璃中Na2O量加入B2O3，得質(zhì)硬、耐熱的，最高使用溫度可達(dá)1600℃以上，又稱硬質(zhì)玻璃或耐熱玻璃微晶玻璃玻璃中加Li2O為催化劑，用紫外線照射，形成Li2O、SiO2微晶。其強度比玻璃大6倍，比高碳鋼硬、比鋁輕，有很高的熱穩(wěn)定性，加熱到900℃，驟然投入冷水中也不會炸裂，用于無線電、電子、航空航天、原子能和化工生產(chǎn)鋼化玻璃采取適當(dāng)措施，提高其破壞時的表面張力，增加玻璃的強度。其即使破碎，碎塊也不成尖銳角，又稱“安全玻璃”其它

生化玻璃、激光玻璃、導(dǎo)電玻璃、玻璃光導(dǎo)纖維3/14/2023213.水泥(cement)●定義和組成水泥是一種水硬性膠凝材料，加入適量水后成為塑性漿體，可將砂、石、纖維等材料黏結(jié)起來，硬化成有較高強度的整體。在硬化過程中，通常的硅酸鹽水泥與水主要形成4種化合物：氫氧化鈣、含水的鋁酸鈣、硅酸鈣和鐵酸鈣●制作粘土和石灰石調(diào)勻，放入旋轉(zhuǎn)窯中，于1500℃以上煅燒成熔塊，混入少量石膏，磨粉后制成。主要成分是CaO（占總重量的62%~67%）、SiO2（20%~24%），Al2O3（4%~7%），F(xiàn)e2O3（2%~5%）等●特點水泥與水拌和后，一段時間內(nèi)具有可塑性，便于成型，再逐漸變硬，在一定時間內(nèi)具有足夠的強度。據(jù)我國標(biāo)準(zhǔn)，將水泥按規(guī)定方法制成試樣，在一定的溫度、濕度下，經(jīng)28天后所達(dá)到的抗壓強度（kgcm-2）數(shù)值，表示為水泥的標(biāo)號數(shù)3/14/202322●硬化機理復(fù)雜的物理化學(xué)過程，大致可分為三個階段（1）溶解期加水后，水泥顆粒與水反應(yīng)、溶解、水化生成硅酸鹽、鋁酸鹽的水化物及Ca(OH)2等（2）膠化期水化產(chǎn)物在水中溶解達(dá)到飽和后，逐漸形成膠凝體，水泥凝結(jié)但還不具有強度（3）結(jié)晶期凝膠體脫水，氫氧化鈣及水化鋁酸鈣等析出針狀晶體伸入硅酸鈣凝膠體內(nèi)，水泥硬化而具有強度除硅酸鹽水泥外，還有適應(yīng)各種不同用途的水泥，如高鋁水泥和耐酸水泥等3/14/20232319.3.2半導(dǎo)體材料(略)3/14/20232519.3.3激光晶體（自學(xué)）●激光器固體、液體和氣體都能受激發(fā)光。用這些材料制成的激光器分別稱固體、液體和氣體激光器。固體激光器由兩部分組成：作為“發(fā)光中心”的激活離子和作為激活離子載體的基質(zhì)材料●激活離子類型有Cr3+、三價和二價稀土離子（Nd3+、Ho3+）、（Dy2+）及錒系元素●基質(zhì)晶體的類型有氧化物（－Al2O3）、氟化物（CaF2）、復(fù)合氧化物（Y3Al5O12）和復(fù)合氟化物（LiYF4）。應(yīng)用較廣和性能較好的激光晶體是紅寶石、Y3Al5O12（即YAG）及其摻雜體和La2Be2O5：Nd3+。新近研制開發(fā)的許多復(fù)合功能激光晶體，由于其本身亦具有非線性光學(xué)性質(zhì)，因而在受激發(fā)射的同時也可實現(xiàn)自信頻、自鎖模等多種功能，可用于制成緊湊、高效率、低成本的微小型激光器3/14/202326功能高分子材料一類新型高分子材料，除有優(yōu)良的機械力學(xué)性能外，還具有特殊的物理功能和化學(xué)功能。例，集成電路因體積小，其引線無法使用焊錫聯(lián)接，但用導(dǎo)電橡膠就可取代焊錫將引線聯(lián)接起來。為防止大規(guī)模集成電路硅片的破碎，將它固定在氧化鋁陶瓷上，再用環(huán)氧一氨基甲酯高分子材料包封起來，抗曲撓強度高達(dá)133．6MPa。由于功能高分子材料的諸多特殊功能，使它在工程技術(shù)和高科技領(lǐng)域中有著廣泛而重要的應(yīng)用3/14/20232919.4.1工程塑料(engineeringplastics)●定義具有優(yōu)良的機械性能，可用作工程結(jié)構(gòu)材料的熱塑性塑料。其基體是多分子主鏈，除含碳原子外，還含氧、氯、硫原子的雜鏈線形結(jié)構(gòu)的合成樹脂●分類——以聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚苯醚和熱塑性聚酯為基材的五大通用工程塑料——耐熱150℃以上，以聚砜、聚醚砜、聚苯硫醚、聚芳酯、聚酰胺、聚酰胺－酰亞胺等為基材的特種工程塑料。也有把丙烯腈一丁二烯一苯乙烯共聚物（ABS樹脂）和用作結(jié)構(gòu)改性聚丙烯歸入工程塑料3/14/202330●性能及應(yīng)用——工程塑料主要特性是密度小，比強度高，化學(xué)穩(wěn)定性好，電絕緣性優(yōu)良，耐磨，具有自潤滑性，耐熱和尺寸穩(wěn)定性高，抗沖擊、抗疲勞性能優(yōu)良等。廣泛用于機械設(shè)備、儀器儀表、電子電器、石油化工、交通運輸、建筑行業(yè)及家電、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品加工、生活日用等方面，在航空航天、國防軍工及尖端科技領(lǐng)域，也有著廣泛的應(yīng)用——工程塑料可采用通常的塑料加工方法加工成各種制品。雖價格常高于通用塑料，仍受到普遍重視，發(fā)展很快——主要品種聚酰胺(polyamide)、聚甲醛(polyformaldehyde)、聚碳酸酯(polycarbonate)、ABS樹脂(acrylonitrile-butadiene-styreneresin)、聚砜(polysulfone)、聚苯硫醚(polyphenylenesulfide)及其他芳雜環(huán)聚合物等。這里著重介紹聚碳酸酯和ABS樹脂3/14/2023311.聚碳酸酯

(polycarbonate)簡稱PC結(jié)構(gòu)性能是一種熱塑性樹脂，以雙酚A型聚碳酸酯使用最為普遍。無毒、無臭、透明，除了有優(yōu)異的沖擊韌性外，還具有良好的絕緣性能、耐熱耐焊性和成型加工性能應(yīng)用據(jù)聚碳酸酯可用于齒輪等機械零件、汽車零部件、電動工具外殼、電器儀表零件和照相機機體等。由于其抗沖擊強度高，可做成安全防護(hù)用的面盔、安全帽、機械防護(hù)罩，以及飛機的擋風(fēng)罩、座艙蓋和儀表板等。此外，在醫(yī)療衛(wèi)生和食品工業(yè)等方面也有廣泛應(yīng)用3/14/2023322.ABS樹脂(acrylonitrile-butadiene-styreneresin)簡稱ABS結(jié)構(gòu)由丁二烯橡膠、丙烯腈及苯乙烯接枝共聚所得性能沖擊強度高，尺寸穩(wěn)定，耐熱性、耐化學(xué)腐蝕性及電性能優(yōu)良，易于成型加工，表面還可電鍍(如鍍鉻)。改變ABS三種組分的比例，可使它具有稍微不同的性能，以適應(yīng)各種特殊的用途應(yīng)用ABS生產(chǎn)量大、發(fā)展快，是工程塑料中的重要品種。它兼?zhèn)淞巳N組分的優(yōu)點。廣泛用于機械、汽車、石油化工，作為金屬材料的代用品；可用作新型建筑材料；用作電視機、洗衣機、收錄機、電冰箱等的外殼材料以及水表、紡織器材、電氣零件、郵箱、食品包裝容器、家具等的優(yōu)質(zhì)材料3/14/20233319.4.2功能高分子材料●定義功能高分子(functionalpolymers)是指除了具有傳統(tǒng)的力學(xué)性能外，還具有某些特定功能（化學(xué)活性、光敏性、導(dǎo)電性、催化活性、生物相容性、藥理性能、選擇分離性能等）的一類高分子。功能高分子是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的新領(lǐng)域(1)光敏高分子(photosensitivepolymers)又稱光敏樹脂——定義一類在光的作用下能迅速發(fā)生化學(xué)或物理變化，或通過高分子或小分子上光敏官能團(tuán)起的光化學(xué)反應(yīng)和相應(yīng)的物理性質(zhì)變化而獲得的高分子材料。廣泛用于印刷版、光刻膠、光敏油墨、光敏油漆——分類一類是成像系統(tǒng)，主要用于光加工工藝、非銀鹽照相、復(fù)制、信息記錄和顯示等方面；另一類是非圖像系統(tǒng)，大量用于光固化涂層、印刷油墨、粘合劑和醫(yī)用材料等方面3/14/202334——原理例，光致抗蝕劑光致抗蝕劑又稱為光刻膠，大量用于印刷制版和電子工業(yè)的光刻技術(shù)中。工作原理：受光部分的高分子發(fā)生交聯(lián)，生成難溶性的硬化膜，未曝光部分可被溶劑沖洗掉?？稍诮饘侔迳嫌心康牡乇Ａ綦娐穲D形，再經(jīng)化學(xué)腐蝕，制成微小的印刷線路板或各種凸凹形狀不同的膠輥(負(fù)像)。原不溶膠光照后成為可溶性，加工可得正像通常用的光致抗蝕劑有：聚肉桂酸酯型，丙烯酰基型，疊氮型和重氮鹽類光敏高分子3/14/202335(2)電學(xué)功能高分子——原理高聚物分子中若存在共軛雙鍵，電子可在整個共軛系統(tǒng)中自由運動，可以導(dǎo)電。如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等都具有導(dǎo)電性——應(yīng)用電池的電極材料，制作高分子二極管或三極管，電磁屏蔽（隱形飛機），抗靜電——說明聚偏氟乙烯及其共聚物，在加熱，加壓下能產(chǎn)生壓電效應(yīng)及熱電效應(yīng)，成為壓電高分子或熱電高分子(3)催化功能高分子對化學(xué)反應(yīng)有催化功能的大分子。有天然和合成高分子催化劑。酶是生物體內(nèi)的天然高分子催化劑，特點是反應(yīng)在常溫、常壓下、高效、高選擇地進(jìn)行。以高分子配位體對金屬絡(luò)合，可得高分子金屬