化學與材料

材料(material)：經過某種加工后具有一定組成，結構和性能，適合于某種用途的物質。

人類使用材料的歷史經歷了七個年代：公元前10萬年石器時代公元前3000年青銅器時代公元前1000年鐵器時代公元前0年水泥時代

1800年鋼時代

1950年硅時代

1990年新材料時代從性能上可分為：

結構材料:具有一定強度、韌性和塑性等力學性能的材料。

功能材料:具有電、磁、光、聲和熱等特殊效應和功能的材料。從組成上可分為：金屬材料、無機非金屬材料、有機高分子材料和復合材料等。5.1

化學與金屬材料5.1.1

金屬材料概論5.1.2合金5.1.3

稀土金屬5.1.4

新型金屬材料5.1.1

金屬材料概論

金屬材料(metallicmaterial):由金屬元素或以金屬元素為主的合金形成的具有金屬性質的材料。

人類使用金屬已有5000多年的歷史。在已命名的109種化學元素中，有87種屬于金屬元素。

化學元素在地殼(地球表面下16km厚的巖石層)中的含量稱為豐度。豐度可用質量分數表示，也可用原子分數表示。地殼中某些元素的豐度元素OSiAlFeCaNaKMgw%47.227.68.805.13.62.642.602.10

我國鎢、鋅、銻、鋰、稀土元素等含量占世界首位，銅、錫、鉛、汞、鎳、鈦、鉬等儲量也居世界前列。金屬元素分類金屬黑色金屬：Fe，Cr，Mn有色金屬重有色金屬：Cu，Co，Ni，Pb，Zn，Cd，

Hg，Sn，Sb，Bi輕有色金屬：Al，Mg，Ca，Ba，K，Na貴金屬：Ag，Au，Ru，Rh，Pd，Os，Ir，Pt輕稀有金屬：Li，Be，Rb，Cs，Sr難熔金屬：Ti，Zr，Hf，V，Nb，Ta，

Mo，W，Re稀土金屬：Sc，Y，Ln（鑭系元素）稀散金屬：Ga，In，Tl，Ge放射性金屬：U，Ra，Ac，Th，Pa，Po稀有金屬

金屬的物理性質

除汞以外,所有金屬都是固體,金屬的晶體結構決定金屬具有以下共性:(1)具有金屬光澤;(2)具有良好的導電性和導熱性;(3)具有良好的延展性;(4)具有磁、光、熱等物理特性。金屬的化學性質金屬容易與氧、水、酸、堿反應，失去電子形成正離子或金屬氧化物,表現為還原性：

與氧作用

mM+

O2→MmOn(2)與水作用

M+nH2O→M(OH)n+

H2(g)

與酸作用金屬與酸的作用通常用金屬活動序來判斷。易鈍化金屬如Al、Cr、Fe等在濃酸中也很穩(wěn)定。溶解W用HNO3—HF混合酸，溶解Pt、Au需用王水，Nb、Ta、Rh、Os、Ir等王水也不溶。與堿作用能與堿作用的金屬主要有Zn，Be，Al，Ga，In，Ge，Sn等,如:Zn+2OH-+2H2O→[Zn(OH)4]2-+H2

5.1.2合金

合金(alloy):由兩種或兩種以上金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特征的物質。合金可分為三種基本類型：

(1)固溶體合金(solidsolutionalloy);(2)金屬化合物合金(intermetallicalloy);(3)混合物合金(alloymixture)。1.固溶體合金

以一種金屬為溶劑,其他金屬或非金屬為溶質溶入其中形成的均勻的固體溶液。

當兩種金屬原子的半徑差別很小,可形成無限置換固溶體,如銅鎳合金,Ni、Co、Cr、V與Fe的合金。

當兩種金屬原子的半徑相差15%以上，只能形成有限置換固溶體，如銅鋅合金、銅錫合金。

當溶質原子半徑很小，如C、H、N、B、O等非金屬原子，可形成間隙固溶體。2.金屬化合物合金當形成合金的兩種金屬(非金屬)元素的電子層結構、電負性和原子半徑差別較大時，容易形成金屬化合物(金屬互化物)。金屬化合物又可分為正常價化合物、電子化合物和間隙化合物三種類型。

正常價化合物的成分是固定的，符合氧化數規(guī)則。如Mg2Si，Mg2Pb，FeS等，是介于離子鍵和金屬鍵之間的金屬化合物，導熱性、導電性比組分金屬低，而熔點、硬度和脆性卻很高。

大多數金屬化合物都是電子化合物，其成分在一定范圍內變動。這類化合物中，價電子數與原子數之比(稱為電子濃度)是一定的,如3/2、21/13或7/4等。這類化合物的晶體結構決定于電子濃度，故稱電子化合物。

電子濃度為3/2是體心立方結構，如CuZn，Cu3Al等；電子濃度為21/13是復雜立方結構，如Cu5Zn8等；電子濃度為7/4是密集六方結構，如CuZn3等。

電子化合物原子之間是金屬鍵，具有良好的導電性，較高的熔點和硬度。

間隙化合物通常是由C、N、B、H等原子半徑較小的非金屬元素溶入溶劑金屬的晶格間隙所形成的化合物。

當溶質與溶劑原子的半徑之比<0.59時,形成結構簡單的間隙化合物,如TiC,ZrC,TiN,ZrH2等。具有高熔點、高硬度，是硬質合金和高溫合金的重要組成。

當溶質與溶劑原子的半徑之比>0.59時,則形成結構復雜的間隙化合物,如Fe3C,Cr7C3,Cr23C6,Fe4W2C等。3.混合物合金混合物合金是兩種或多種金屬的機械混合物,顯微鏡下可觀察到各組分的晶體或他們的混合晶體。這種合金的導電性、導熱性與組分金屬不同，例如,純錫熔點為232℃,純鉛熔點為327.5℃,含錫63%的錫鉛合金(焊錫)的熔點只有181℃。

合金大多數是以固溶體為基體的，而金屬化合物是作為強化相出現的。所以在合金中金屬化合物一般所占的數量不多。絕大多數合金是通過熔化、精煉制成的，只有少數合金是固態(tài)下通過制粉、混合、壓制成型、燒結等工序制成。商代青銅器三星堆人頭

5.1.3稀土金屬

(鈧)釔和15種鑭系元素統稱為稀土元素(rareearthelement)。

除了钷為人造放射性金屬外,依據相對原子質量等因素可將稀土金屬分為:

輕稀土金屬(鈰組):鑭、鈰、鐠、釹、釤、銪；重稀土金屬(釔組)：釓、鋱、鏑、釔、鈥、鉺、銩、鐿、镥。稀土元素的一般性質名稱符號外層電子構型原子半徑/pm熔點/℃常見氧化值鈧Sc3d14s21611541+3

釔Y4d15s21801222+3

鑭La5d16s2188920+3

鈰Ce4f15d16s2182798+3,+4

鐠Pr4f36s2183931+3,+4

釹Nd4f46s21821010+3

钷

Pm4f56s21801080+3

釤Sm4f66s21801072+2,+3

銪Eu4f76s2204822+2,+3

釓Gd4f75d16s21801311+3

鋱Tb4f96s21781360+3,+4

鏑Dy4f106s21771409+3

鈥Ho4f116s21771470+3

鉺Er4f126s21761522+3

銩Tm4f136s21751545+3

鐿Yb4f146s2194824+2,+3

镥Lu4f145d16s21731656+3

摻釹釩酸釔晶體-Nd：YVO4釩酸釔晶體-YVO4鋱鏑鐵合金

鋁酸鑭單晶-LaAlO3氟碳鈰礦

釹鐵硼合金釤鈷磁鐵

稀土元素化學性質十分相似，在自然界中它們往往共存于同一礦石中，分離和提純都相當困難。

從1794年發(fā)現“釔”到1945年分離出最后一個稀土元素钷,經歷了150多年。

實際上稀土元素既不稀也不土，在地殼中含量相當豐富。我國的稀土金屬儲量和生產量都占世界首位。

稀土元素的單質都是典型的金屬，化學性質活潑，標準電極電勢在-1.99~-2.37V之間,介于鈣和鎂之間。與冷水反應慢，但與熱水反應劇烈。極易與H2、O2、N2、S作用，所以要保存在煤油里。

稀土金屬具有許多獨特的性能，最近三、四十年獲得迅速發(fā)展。

稀土金屬在冶金工業(yè)主要用作合金原料，用于脫氧、脫硫、提高鋼鐵質量，延長使用壽命。在化學工業(yè)大量稀土金屬用于催化劑等。在玻璃和陶瓷工業(yè)用于拋光、脫色與著色。在航空工業(yè)廣泛使用含稀土的耐熱鋁合金和高溫合金。在電子工業(yè)用稀土金屬制造激光材料、半導體材料、磁性材料和計算機元件等。

在原子能工業(yè)用稀土金屬作控制材料、結構材料、核燃料和減速材料。目前，稀土元素在超導材料的研究中顯得十分活躍和重要?？勺髻A氫材料，用來生產氫氣儲存器、稀土貯氫電池等。

1.非晶態(tài)合金采用液相急冷法、氣相沉積法和注入法等可制備非晶態(tài)合金。非晶態(tài)合金在力學、電學、磁學及化學性能等方面都有獨特之處，如具有很高的強度和硬度，耐磨耐腐蝕等。易于磁化，是理想的軟磁材料。非晶態(tài)合金是一種有廣闊應用前景的新材料。5.1.4

新型金屬材料

SP009A半自動非晶態(tài)金屬條帶制備機2.貯氫材料

氫熱值高，燃燒產物是水，無污染，是未來人類最理想的新能源之一。若用氫作能源，就必需解決氫的制取和儲存兩大問題。20世紀60年代中期，先后發(fā)現LaNi5和FeTi等金屬間化合物的可逆貯氫作用以來，使貯氫合金及其應用的研究得以迅速發(fā)展。

貯氫合金是一種能在晶體的空隙中大量貯存氫原子的合金材料，并具有可逆吸放氫的神奇性質。它可貯存相當于合金自身體積上千倍的氫氣，其吸氫密度超過液態(tài)氫和固態(tài)氫的密度，輕便安全，使用也十分方便，引起人們極大關注。

金屬合金(M)在一定溫度和壓力條件下,與氫生成金屬氫化物(MHx):x2M+—H2→MHx

ΔH<0

上式為可逆反應，常溫常壓下向右進行，加熱或減壓反應向左進行。吸放氫反應快，可逆性優(yōu)良的合金可作貯氫材料。吸氫時貯氫材料放熱，放氫時貯氫材料吸熱，可反復多次使用。

目前研究較多和已投入使用的貯氫材料主要有鎂系合金(如MgH2,Mg2Ni等)、稀土系合金(如LaNi5等)、鈦系合金(如TiFe,TiNi等)及鋯系合金(如ZrV2,ZrCr2等)。貯氫合金粉

影響貯氫材料產業(yè)化和商業(yè)化進程的重要因素是價格，因此，開發(fā)貯氫量大、價格低廉和性能優(yōu)越的貯氫材料是迫切需要解決的重大課題。

貯氫材料的應用:鎳氫電池發(fā)展最快，是目前貯氫合金應用方面最具經濟價值的突破。

以金屬氫化物電極為負極，Ni(OH)2電極為正極,KOH水溶液為電解質組成Ni/MH電池的電極反應如下:負極:MH

+OH-M+H2O+e-正極:NiOOH+H2O+e-Ni(OH)2+OH-總反應:MH

+NiOOHM+Ni(OH)2放電充電1990年鎳氫二次電池商業(yè)化，之后得到迅速發(fā)展。

MMMMMMMMM

HHHHe-e-

陰極(負極)

陽極(正極)Ni<OHOHH+H+H2OH2OOH-OH-Ni-MH電池的反應機理

貯氫材料最基本的應用是氫氣的貯存、運輸、凈化和分離；用于氫能汽車；作催化劑；制成蓄熱裝置、熱泵、空調及氫氣壓縮機；

貯氫容器3.形狀記憶合金

形狀記憶效應(ShapeMemoryEffect):一旦取消外力或改變溫度,使發(fā)生塑性變形后的合金又能恢復原來的形狀。形狀記憶效應有三種形式:單向形狀記憶效應、雙向形狀記憶效應和全方位形狀記憶效應。冷卻冷卻冷卻冷卻冷卻變形變形變形加熱加熱加熱高溫時形狀(a)(b)(c)

如Ti-Ni(各50%)合金，在T發(fā)生晶形轉變： 菱形晶格立方晶格

晶格的變化，改變了材料形狀。因此，只要控制溫度就可以控制合金材料的形狀。

形狀記憶合金在一定條件下具有一定的金相結構，一旦條件改變，金相結構能發(fā)生可逆的轉變。目前發(fā)現許多形狀記憶合金,但商品化的只有少數幾個,如：Ti-Ni-Fe合金，Ti-Ni合金，Cu-Zn-Al合金，Cu-Sn合金等。

形狀記憶合金應用最多的是作連接件、緊固件。制成彈簧可做熱敏驅動元件，具有雙向動作功能。

通過形狀記憶合金模仿肌肉的收縮來實現人工肌肉的功能。用背部的金屬纖維振動翅膀。雙程CuZnAl記憶合金花

采用CuZnAl記憶合金片，以熱水或熱風為熱源，開放溫度為65℃~85℃，閉合溫度為室溫?；ɡ僦睆?0mm,展開直徑200mm。動作幅度為1800。另外，可據用戶要求訂做。

工業(yè)常用形狀記憶合金作開關，用于火警探測系統等。由于生物相容性好，Ti-Ni合金是目前醫(yī)學領域使用的唯一的形狀記憶合金。形狀記憶合金更多的潛在應用是埋置在材料里組成智能復合材料。5.2

化學與無機非金屬材料5.2.1無機非金屬材料概論5.2.2硅酸鹽材料5.2.3半導體材料5.2.4新型無機非金屬材料5.2.1無機非金屬材料概論

無機非金屬材料(inorganicnon-metallic

material)簡稱無機材料?？煞譃椋?/p>

硅酸鹽材料：陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷等以天然硅酸鹽為原料的制品。

新型無機材料：用人工合成方法制成的不含硅或少含SiO2的材料，如一些氧化物、氮化物、碳化物、硼化物、鹵化物、硫化物和碳素材料等。

無機材料的特點：耐高溫、抗氧化、耐磨、耐腐蝕和硬度大。而脆性差：經不起碰撞摔打，即抗機械沖擊性能差；經不起冷熱沖擊，即抗熱震動性能差。其中的無機工程結構材料主要是利用其強度，特別是耐高溫強度。而無機功能材料還有諸如熱、聲、光、電、磁學等方面的特殊性能，已成為許多科學技術領域中的關鍵性材料。5.2.2硅酸鹽材料

1.天然硅酸鹽(silicate)正長石K2O.Al2O3.6SiO2或K2Al2Si6O16白云母K2O.3Al2O3.6SiO2.2H2O或K2H4Al6(SiO4)6高嶺土Al2O3.2SiO2.2H2O或Al2H4Si2O9石棉CaO.3MgO.4SiO2或Mg3Ca(SiO3)4滑石3MgO.4SiO2.H2O或Mg3H2(SiO3)4泡沸石Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O

或Na2Al2(SiO4)2.nH2O

天然硅酸鹽在自然界中分布很廣,是構成地殼的主要組分。其化學式很復雜，可看成是二氧化硅和金屬氧化物的復合氧化物。石棉片黃玉正長石水晶白云母滑石粘土

天然硅酸鹽不論組成多么復雜，在其晶體內部，基本結構單元都是SiO4四面體。硅占據四面體的中心，4個氧則占據4個頂角。

天然硅酸鹽的用途很廣，是工業(yè)上的重要材料，也是制造陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等的原料。OSi

2.水泥(cement)

按組成可分為硅酸鹽水泥、鋁酸鹽水泥、鐵鋁酸鹽水泥等。硅酸鹽水泥又稱波特蘭(Portland)水泥，是由粘土和石灰石按比例在旋轉窯中于1450℃以上溫度煅燒成熟料，再混入少量石膏，磨粉后制成。硅酸鹽水泥熟料的礦物組成及含量

組分化學式符號質量分數硅酸三鈣3CaO.SiO2C3S0.37～0.60硅酸二鈣2CaO.SiO2C2S0.15～0.37鋁酸三鈣3CaO.Al2O3C3A

0.07～0.15鐵鋁酸四鈣4CaO.Al2O3.Fe2O3C4AF0.10～0.18符號C表示CaO，S表示SiO2

，A表示Al2O3

，

F表示Fe2O3。3.玻璃(glass)(2)有色玻璃在玻璃原料中加入某些金屬氧化物,可制成有色玻璃。如加入CoO，玻璃呈藍色；加入Mn2O3，呈紫色；加入Cu2O，呈紅色；加入Cr2O3，呈綠色。(1)普通玻璃(鈉玻璃)

是用石英砂、純堿和石灰石共熔而制得的一種無色透明的熔體：

Na2CO3+CaCO3+6SiO2=Na2O.CaO.6SiO2+2CO2(3)微晶玻璃在玻璃中加入晶核形成劑(如金、銀、銅的鹽類)，經過熱處理，可制成各種性能的微晶玻璃(又稱玻璃陶瓷)。(4)鋼化玻璃將玻璃進行淬火處理或用化學方法處理可制成鋼化玻璃。它的抗彎強度比普通玻璃大5~7倍，只有受到強烈沖擊時才會破壞，而且碎片棱角圓滑，不易飛濺，不易傷人，是很好的安全玻璃。4.

耐火材料(refractorymaterial)

耐火材料是指耐火溫度不低于1580℃,并在高溫下能耐氣體、熔融金屬、熔融爐渣等物質侵蝕，而且有一定機械強度的無機非金屬材料。

常用耐火材料的主要組分是一些高熔點氧化物，按其化學性質可分為酸性、堿性和中性。酸性耐火材料的主要組分是SiO2等，如硅磚；堿性耐火材料的主要組分是MgO、CaO等，如鎂磚；中性耐火材料的主要組分是Al2O3、Cr2O3等，如高鋁磚。硅磚鎂磚高鋁磚5.分子篩(molecularsieves)

分子篩是一種人工合成的泡沸石型水合鋁硅酸鹽晶體。它是由SiO4和AlO4四面體結構單元組成的多孔性晶體，空隙排列整齊，空徑均勻，有極大的內表面。是一種新型高效能、高選擇性的吸附劑、干燥劑、分離劑和催化劑。其組成為：

M2/xO.Al2O3.mSiO2.nH2O

式中x是金屬元素M(一般為Na、K或Ca)的氧化值。

分子篩中m=2的稱為A型，A型中又有3A、4A、5A等，其孔徑分別為0.30、0.42、0.50nm;m=2.2~3.0的稱為X型,有10X、13X等,其孔徑分別為0.50、0.80nm;m=3.1~5.0的稱為Y型,其孔徑約為1.00nm。

分子篩具有篩分大小不同的分子的能力。5.2.3半導體材料

半導體材料(semiconductivematerial)指電阻率介于金屬導體(10-5~10-6Ω·cm)和絕緣體(1010~1015Ω·cm)之間的材料。主要用途是制成各種特殊功能的元器件,如晶體管,集成電路,太陽能電池,各種微波器件,整流器和可控整流器等。目前應用最多的半導體材料是摻雜的硅、鍺和砷化鎵。

發(fā)光二極管是特殊的半導體二極管，將電流直接轉換成光線。發(fā)光二極管只會放射出單色的光線，而光線的顏色可由采用的基本原料及金屬元素而定。它所采用的典型半導體物料有：紅色光線的GaAs、綠色光線GaP、藍色光線的GaNi或含有氧化鋅的GaAs1.光導纖維

光導纖維(opticalwaveguidefibre)，簡稱光纖，是用來傳遞光線和圖象的纖維。制造光導纖維用的光學材料，必須高度純凈、成分均勻。一般無水石英（SiO2）是常用的光導纖維材料。光導纖維的用途：近年來，光導纖維用于光通信的技術迅速發(fā)展。此外，在農業(yè)、國防、醫(yī)療、電視、傳真、電話、科研等方面都有廣泛的用途。5.2.4新型無機非金屬材料

光導纖維傳遞每個發(fā)光二極管所發(fā)出的光線，分顏色及將每一點印在相紙上，從而聚合成一幅完整的影像。此種玻璃導管誕生于20世紀70年代，其內部核心光纖由高折射率玻璃組成，而外層用低折射率的玻璃導管包裹，兩種物料之間所產生的反射能防止光線流失，保證光線透過核心光纖傳送時，光纖末端的光線不會失真。2.新型陶瓷材料

習慣上把陶瓷(ceramics)分為傳統陶瓷和特種陶瓷.

傳統陶瓷是以粘土、長石、石英等天然礦物為原料經燒結而成的。特種陶瓷是以人工合成的氧化物、氮化物、碳化物、硅化物、硼化物超細微粒為原料特制而成。又稱精細陶瓷、精密陶瓷。

氧化鋁陶瓷又叫高鋁陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。Al2O3含量越高則性能越好，但工藝更復雜，成本更高。用途：它的硬度高，耐磨性好，很早就用于制造刀具、模具、軸承。耐腐蝕性很強，可制作化工零件，如化工用泵的密封滑環(huán)，機軸套、葉輪等。(1)氧化鋁陶瓷

氮化硅（Si3N4）是由共價鍵形成的原子晶體。用途：硬度高、耐磨系數低、有自潤滑作用，所以是優(yōu)良的耐磨材料。熱強度和化學穩(wěn)定性高，熱膨脹系數小，是優(yōu)良的高溫結構材料。耐腐蝕，可作高溫軸承、轉子、葉片、燃燒室噴嘴等高溫零件以及高溫下使用的模具和夾具。(2)氮化硅陶瓷

碳化硅（金剛砂）和氮化硅一樣，是穩(wěn)定的原子晶體。具有高的熱傳導能力、硬度大、熔點高、比重小，有較高的強度和較好的熱穩(wěn)定性，與各種酸都不起作用，其抗氧化性能在高達1550OC時仍很優(yōu)良。用途：制造磨料、模具、特種耐火材料制品；用于制造電阻發(fā)熱元件。(3)碳化硅陶瓷

功能陶瓷(functionalceramics)材料是以特定的性能或通過各種物理因素（如聲、光、電、磁）作用而顯示出獨特功能的材料。(4)功能陶瓷

TiO2、

ZrO2、LaCrO3等高溫電子陶瓷，用于制造電容器和電子工業(yè)中的高溫高頻器件。如BaTiO3類陶瓷用于制造溫度傳感材料；CdS、PbTiO3系陶瓷用于制造光敏傳感材料；ZnO系陶瓷，SiC、BaTiO3系陶瓷用于制造壓力和振動傳感材料等。功能陶瓷的用途：

生物陶瓷是用于人體器官替換、修補，及外科矯形的陶瓷材料。主要包括羥基磷灰石、氧化鋁、生物活性玻璃陶瓷等。(5)生物陶瓷材料

羥基磷灰石（Ca10(PO4)6(OH)2）陶瓷的用途：它具有良好的生物活性，能與人骨緊密結合。主要用于不承載的小型種植體（如耳骨），用金屬支撐加強的牙科種植體。

生物陶瓷人工聽小骨假體由羥基磷灰石(HA)陶瓷制成，表面具有微孔，可使患者聽力平均高20~30dB，適用于慢性化膿性中耳炎患者作聽小骨置換和鼓臘修復手術。自1989年以來已臨床應用800多例，通過省級鑒定。3.超導材料

某些材料在臨界溫度以下，會產生零電阻和排斥磁場(邁斯納效應)的現象稱超導性。具有超導性的材料稱為超導材料。將電阻突然降為零的溫度稱為臨界溫度，用符號Tc表示。

零電阻效應和邁斯納效應是超導體的兩個獨立的基本屬性，一種材料只有同時具備這兩種效應時才具有超導性。臨界磁場Hc—

破壞超導態(tài)的最小磁場強度。臨界電流Hc—

超導態(tài)時超導體內允許流動的最大電流。IIcHHcTTc

必須將條件控制在三個臨界參數Tc、Hc、Ic之下，才能使物體處于超導態(tài)。三個臨界參數的關系

已發(fā)現有28種金屬元素和數以千計的合金及化合物具有超導性。目前研究最多的是YBaCuO，BiSrCaCuO和TiBaCaCuO三個超導體系；此外還有LaBaCuO，LaSrCuO和PbBaBiO等體系。

超導材料的用途：可用于超導輸電，超導磁體用于發(fā)電機，大大提高發(fā)電機輸出功率。也可用于制造最快速的計算機。功率為兩萬千瓦的超導發(fā)電機用于醫(yī)學核磁共振成像裝置(MRI)核磁共振斷層掃描儀與人體斷層掃描儀圖制造高速磁懸浮列車5.3.1有機高分子化合物概論5.3.2高分子化合物的結構和性能5.3.3重要的高分子材料5.3

化學與有機高分子材料

高分子化合物(polymer;macromolecular

compound)是由許多原子彼此以共價鍵聚合而成的大分子化合物，所以高分子化合物又稱為聚合物或高聚物。

如：聚氯乙烯分子量5~15萬聚苯乙烯1~30萬纖維素5~40萬蛋白質0.5~幾百萬5.3.1有機高分子化合物概論

高分子化合物分子量很大,但組成簡單,如聚氯乙烯的結構式為:

它是由結構單元重復連接而成，這種結構單元又稱鏈節(jié)(chainunit)。一個分子中鏈節(jié)的數目以符號n表示，稱為高分子化合物的聚合度(degreeofpolymerization)。

用來聚合成高分子化合物的原料稱為單體(monomer)。如聚氯乙烯的單體就是氯乙烯

CH2=CH聚氯乙烯分子的結構式可簡寫為:當n=320時，聚氯乙烯的分子量為2萬。實際上高分子化合物是由許多鏈節(jié)相同而聚合度不同的分子所組成的混合物。nCl?聚合反應分為：(1)

加成聚合

（簡稱加聚）（簡稱縮聚）(2)

縮合聚合

由一種或多種具有不飽和鍵的單體或環(huán)狀化合物，在一定條件下，打開不飽和鍵或開環(huán)相互連結成聚合物的反應稱為加聚反應。

在加聚反應中沒有副產物，所生成的聚合物與單體具有相同的組成。1.加聚反應

例如：乙烯類單體：

在光、熱或引發(fā)劑作用下，雙鍵中的

鍵被打開。發(fā)生加聚反應。加成聚合

由一種或多種單體相互作用生成聚合物，同時還有低分子化合物如H2O、NH3

等生成的一類反應稱為縮聚反應。例如:己二酸與己二胺縮聚成聚酰胺(尼龍-66)縮合聚合

nH2N(CH2)6NH2+nHOOC(CH2)4COOH—————

H[-NH(CH2)6NHOC(CH2)4CO-]nOH+(2n-1)H2O2.縮聚反應3.有機高分子化合物的命名與分類

由一種單體聚合而成的高聚物在單體的名稱前面冠以“聚”字。例如：聚乙烯、聚氯乙烯等。由兩種以上單體聚合得到的聚合物常用習慣命名或采用商品名，如：苯酚與甲醛的聚合物稱酚醛樹脂，聚酰胺稱錦綸-66或尼龍-66，也有用符號表示，如PE表示聚乙烯，PVC表示聚氯乙烯。

國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）曾提出以結構為基礎的系統命名法，科學嚴謹，但較繁瑣，目前一直沒得到普遍采用。4.有機高分子化合物的分類

高分子化合物的分類方法很多，常見有：(1)按分子的形狀分類：線型和體型；

(2)按合成方法分類：加聚高聚物和縮聚高聚物:

(3)按材料的性能分類：塑料、橡膠、纖維等;

(4)按熱性能有：熱固性高聚物和熱塑性高聚物；(5)按高聚物分子的化學組成有：碳鏈、雜鏈、元素有機高聚物和無機高聚物。

線型結構：分子是由許多鏈節(jié)連成一個長鏈形大分子，其特點是：長度通常是直徑的幾萬倍。整個大分子易卷曲呈不規(guī)則的線團狀。

體型結構：是分子鏈與分子鏈之間被許多鏈節(jié)“交聯”而形成的網狀結構。5.3.2

高分子化合物的結構和性能

C1

C2C3C4xyz

單鍵旋轉示意圖

線性高分子化合物除了分子鏈可以運動外，分子鏈中的每個鏈節(jié)以單鍵相連可自由旋轉，從而使一個分子鏈的空間形狀不是固定的，而是不斷變化的。

高分子鏈中單鍵能自由旋轉從而使高分子鏈具有強烈卷曲傾向的性質，稱為鏈節(jié)的柔順性。

非晶體高分子化合物沒有一定的熔點，在不同的溫度下，可呈現出三種不同的物理形態(tài)，即玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)。

玻璃態(tài)(vitreousstate)：溫度較低時，分子的能量很小，高分子化合物呈現出象玻璃狀的形態(tài)。常溫下的塑料就是處于這種狀態(tài)。1.彈性和塑性

高彈態(tài)(entropicelasticity)：溫度較高時，分子能量增加，鏈節(jié)能自由轉動，但整個分子還是不能移動。這時高分子化合物在外力作用下產生可逆性變形，從而表現出具有很高的彈性。室溫下橡膠就是處于這種狀態(tài)。

粘流態(tài)(viscousstate)：溫度很高時，使整個分子都可以自由運動，這時高分子化合物變成能流動的粘液。室溫下粘合劑就是處于這種狀態(tài)。形變玻璃態(tài)高彈態(tài)粘流態(tài)溫度TgTf高分子化合物的三態(tài)

Tg為玻璃化溫度：由玻璃態(tài)向高彈態(tài)轉變的溫度。

Tf

為粘流化溫度：由高彈態(tài)向粘流態(tài)轉變的溫度。

習慣上，人們把Tg在室溫以上的高分子化合物稱為塑料；把Tg在室溫以下的高分子化合物稱為橡膠。

對塑料來說，

Tg越高越好。為加工方便，

Tf越低越好，Tg和Tf

的差值越小越好。

對橡膠來說，

Tg越低越好，而Tf越高越好，Tg和Tf

的差值越大越好。

高分子化合物的固體形態(tài)分晶體和非晶體(無定形體)兩種。晶體高分子化合物在結晶時，分子的長鏈完全定向規(guī)則排列是非常困難的，因此是部分結晶，即一部分為結晶區(qū)，一部分為非結晶區(qū)。可見，晶體高分子化合物兼有晶體和非晶體兩種形態(tài)。結晶區(qū)所占的百分數稱為高分子化合物的結晶度(crystallinity)。一般高分子化合物的結晶度只有50%左右。2.結晶性

分子的對稱性越好，結晶性就越好。如聚乙烯的結晶度可達95%。

分子鏈含有極性基團-OH、-COOH、-CONH2，極性越大，分子間力越大，結晶程度越好。生產中常用機械拉伸的方法提高結晶度。

高分子化合物的結晶度越大，其機械強度就越大，熔點越高。

高分子化合物的力學性能主要決定于它的平均聚合度、結晶度及分子間力等因素。

在一定范圍，聚合度越大，力學性能越強。一般來說，結晶度越高或分子間力越大，力學性能越好。

高分子化合物的機械性能又稱為力學性能。主要指高分子化合物具有抗擠壓、抗拉伸、抗沖擊、抗彎曲和高硬度等性能。3.力學性能

由于高聚物內部一般沒有自由電子和離子，對于直流電,絕大多數具有良好的電絕緣性。

對于交流電,極性高聚物分子中的極性基團或極性鏈節(jié)會隨著電場方向作周期性取向而導電。

高分子化合物的極性按其結構對稱性劃分：分子鏈中鏈節(jié)結構對稱的稱非極性高分子化合物,如聚乙烯、聚四氟乙烯等；鏈節(jié)結構不對稱的稱極性高分子化合物，如聚氯乙烯、聚酰胺等。4.電絕緣性

強極性：酚醛樹脂、脲醛樹脂等，作低頻絕緣材料；極性：聚氯乙烯、有機玻璃等，作中頻絕緣材料；弱極性：聚苯乙烯、天然橡膠等，作中頻絕緣材料；非極性：聚乙烯、聚四氟乙烯等，作高頻絕緣材料。

高分子化合物電絕緣性能好，也有其不利的一面，如用高分子化合物制成紡織品或薄膜時，由于摩擦起電傳導不出去而逐漸積累，使紡織品易吸附灰塵，甚至引起靜電放電產生火花。

一般來說，高分子化合物的化學性質都比較穩(wěn)定。能耐酸堿，不怕化學腐蝕，也不會產生電化學腐蝕。

但有些高分子化合物在長期使用過程中，受到光、熱、輻射線、水、氧、酸、堿等的作用，可發(fā)生鏈的交聯或鏈的裂解反應，使得高聚物的性能變脆、硬或變粘、軟，失去原有的彈性或機械強度，這種現象稱為老化(ageing)。5.化學穩(wěn)定性

產生老化的交聯或裂解這兩種反應，有時單獨進行，有時是同時進行的。天然橡膠的老化主要是降解(degradation)引起的，而合成橡膠的老化主要是交聯(cross-link)引起的。

防止和減慢高分子化合物的老化，對延長高分子化合物的使用壽命來說是非常重要的。

目前，采取的防老化措施大致有以下幾種：

(1).改性

(2).添加防老劑

(3).表面處理

防老化措施：

凡是有機高分子化合物在一定條件下可塑制成型，而在常溫常壓下能保持被塑形狀的稱為塑料。塑料可分為熱塑性塑料(thermoplastic

plastic)和熱固性塑料(thermosetplastic)。塑料的主要成分是合成樹脂，約占總重量的40~100%，對塑料的性能起決定性作用。為改進塑料的某些性能，常加入其他組分，如填充劑、固化劑、著色劑、增塑劑、潤滑劑、穩(wěn)定劑、發(fā)泡劑等。

5.3.3重要的高分子材料

工程塑料(engineeringplastic)是指具有較高機械強度和其他特殊性能、能代替金屬在工程上使用的塑料。

1.工程塑料

聚酰胺的商品名稱叫尼龍（PA），是脂肪族二元酸和二元胺的縮合物。分子鏈中含有酰胺基() 聚酰胺的用途：聚酰胺類塑料具有良好的韌性、自潤滑、抗霉、無毒等特點，可用于制造軸承、齒輪、泵葉輪、輸油管及其它零件等。(1)聚酰胺

ABS是丙烯腈（A），丁二烯（B），苯乙烯（S）進行三元共聚而制得的。其結構式為：(2)ABS

ABS的用途：樹脂不僅性能良好、加工容易，而且價格低廉，所以在工業(yè)上獲得極其廣泛的應用。常用于制造一般的機械零件及減摩、耐磨的傳動件。

聚碳酸酯（PC）是用碳酸二苯酯與雙酚基丙烷的酯進行反應而制得的，其結構式為(3)聚碳酸酯

聚碳酸酯的用途：它有良好的機械性能，有良好的耐熱性，透明、無毒，可以代替各種金屬、玻璃、特種合金等。所以在機械、儀表、電訊、照明工程中廣泛應用；而且是宇宙、航空工程中不可缺少的材料。

聚甲醛的原料是甲醛。它的機械性能與銅、鋅極其相似，耐磨性與自潤滑性優(yōu)越，又有良好的耐油、耐過氧化物的性能。但不耐酸和強堿，不耐日光、紫外線的輻射。聚甲醛的用途：可以代替各種有色金屬和合金制造某些零件，如齒輪、凸輪閥門、管道、泵葉輪等。(4)聚甲醛(5)聚四氟乙烯

聚四氟乙烯（PTFE）是目前塑料中綜合性能最突出，應用最廣的一種。聚四氟乙烯的C-F鍵鍵能高，鏈節(jié)結構高度對稱，結晶度高達90%以上，對任何酸、堿、王水和溶劑都具有卓越的耐腐蝕性。并耐熱耐寒，可在-200~250℃的溫度范圍內使用。聚四氟乙烯電絕緣性十分優(yōu)異。此外摩擦系數低耐磨損。缺點是剛性不夠，有時影響零件尺寸的穩(wěn)定性。2.合成橡膠

橡膠(rubber)是指具有顯著高彈性的一類高分子化合物。一般橡膠在-40

C~80C的很寬溫度范圍內具有彈性。

合成橡膠在性能和數量上已超過天然橡膠，主要品種有：

丁苯橡膠是以1,3-丁二烯和苯乙烯為原料進行催化共聚而成，其分子結構式為：(1)丁苯橡膠

丁苯橡膠的用途：其性能與天然橡膠相近，耐熱、耐磨、耐老化性比天然橡膠好。主要用于制造輪胎、膠管、密封配件、電絕緣材料。

氯丁橡膠是由氯丁二烯單體在乳液狀態(tài)下聚合而成的。其分子結構為：(2)氯丁橡膠

氯丁橡膠的用途：氯丁橡膠具有耐熱、耐氧化、耐老化、耐燃燒等性能。其缺點是耐寒性差、比重大、絕緣性不好。氯丁橡膠主要用于制造各種模型制品、膠布制品和膠粘劑。

丁腈橡膠是由1,3-丁二烯和丙烯腈共聚而成，其分子結構式為：(3)丁腈橡膠

丁腈橡膠的用途：由于分子中帶有極性基團—CN，此種橡膠耐油性高、耐熱、耐磨、耐老化、耐腐蝕性能超過天然橡膠和其它合成橡膠。主要用于制造耐油制品.(4).硅橡膠

硅橡膠是由純二甲基二氯硅烷水解后縮聚而成。其特點是既耐低溫又耐高溫，能在--65℃~250℃之間保持彈性，且耐油防水，化學穩(wěn)定性和電絕緣性能也很好。缺點是力學性能較差，耐酸堿性較差。

硅橡膠可作高溫高壓設備的襯墊、油管襯里、密封件以及各種高溫電線、電纜的絕緣材料。各式各樣硅橡膠雜件3.合成纖維

凡能保持長度比本身直徑大100倍以上的均勻、線條狀或絲狀的高分子材料都稱為纖維(fiber)。合成纖維的品種很多，也各因其分子結構的不同而具有各自獨特的性能。幾種常用的合成纖維性質與用途

名稱單體重要性質主要用途

滌綸(的確良對苯二甲酸強度好、電絕緣性強、成做電絕緣材料、耐酸濾或聚酯纖維)乙二醇脂型后形狀穩(wěn)定、不皺、耐布、高空降落傘等酸、耐光，但吸水率低、染色性差腈綸(人造羊丙烯腈質輕、強度大、保暖性好、做幕布、帳篷、軍用帆毛或聚丙烯耐光、耐熱、耐濕、耐化布、炮衣、濾布、防酸腈纖維)學藥品、不怕蟲蛀，耐磨布，與毛混紡做衣料、性差、染色難、易吸灰塵毛線、毛毯等維綸(維尼龍乙烯醇吸濕性好、強度大、耐酸、做工業(yè)濾布、工作服、或聚乙烯醇縮甲醛耐堿、耐光、易洗、易干、輪胎簾子線、漁網，代纖維)不會霉蛀，但不如滌綸挺替棉花做衣料括

名稱單體重要性質主要用途錦綸-66(尼龍己二酸強度大、質輕軟、耐磨、做輪胎簾子線、傳動帶、-66或聚酰胺己二胺有彈性、不會霉蛀、耐油、繩索、漁網、降落傘、潛纖維)耐海水，但不耐酸、不耐水衣以及織物、襪子等光、透氣性差丙綸(聚丙烯)丙烯強度大、耐磨性僅次于錦做纜繩、濾布、漁網、工綸、耐腐蝕性好，但耐光作服等性和染色性差氯綸(聚氯乙氯乙烯耐化學腐蝕性好、保暖性做濾布、工作服、地毯、烯)強、難燃、耐曬、耐磨，衣料等但耐熱性差、難染色4.功能高分子材料

通過高分子的化學反應，將適當的官能團引進高分子中，用這種方法生成的聚合物常具有某些特定功能，如導電性、光敏性、催化性、生物特性等。這類高分子稱為功能高分子。

導電高分子材料可分為兩類：一類是復合型導電高分子材料，是指高分子與各種導電性物質通過復合以及表面導電膜等方式構成的材料。(1)導電高分子

另一類是結構導電高分子，是指高分子本身結構或經過摻雜之后具有導電功能的高分子化合物。1977年第一個被發(fā)現能導電的高分子是聚乙烯。

感光性高分子又稱光敏性高分子，它是指在光的作用下能迅速發(fā)生化學反應，引起材料的物理和化學性質變化的一類高聚物。

應用：印刷、電子、涂料等工業(yè)。例如：感光樹脂印刷版、制作大規(guī)模集成電路的光刻膠、電子束膠、計算機上用做記憶因子、開閉訊號的記錄材料等。(2)感光性高分子

生物醫(yī)用高分子材料，是和醫(yī)學、生物學發(fā)展相關聯材料的總稱，因其與醫(yī)學相關，功能高分子材料在生命科學，在未來高科技材料中占有甚為重要的地位。(3)生物醫(yī)用高分子5.4.1復合材料概論5.4.2復合材料的技術性能5.4.3重要的復合材料5.4化學與復合材料5.4.4納米材料

復合材料(compositematerial)是有機高分子、無機非金屬或金屬等幾種不同材料，通過復合工藝組合而成的新型材料?；蛘哒f是由兩種或兩種以上化學性質或組織結構不同的材料組合而成的多相固體材料。5.4.1

復合材料概論

復合材料由兩部分組成：基體相(連續(xù)相)和增強相(分散相)。基體相是連續(xù)相材料，把改善性能的增強相材料粘結在一起，起粘結劑的作用。增強相大部分是高強物質，起提高強度或韌性的作用。

復合材料按增強相形狀可分為三類：

1纖維增強復合材料

2層合增強復合材料

3顆粒增強復合材料按基體相材料類型可分為三類：

1樹脂基復合材料

2金屬基復合材料

3陶瓷基復合材料

1.比強度和比模量高比強度（抗拉強度與密度之比）和比模量(彈性模量與密度之比)高，說明材料輕而且剛性大。

2.良好的抗疲勞性能

疲勞是材料在循環(huán)應力作用下的性質。復合材料能有效地阻止疲勞裂紋的擴展。5.4.2復合材料的技術性能

3.減振性能好在工作過程中振動問題十分突出，復合材料為多相系統，大量的界面對振動有反射吸收作用。且自振動頻率高，不易產生共振。

4.高溫性能好復合材料在高溫下強度和模量基本不變。

以樹脂為基體，玻璃纖維為增強材料制成的復合材料。玻璃纖維是由熔融的玻璃經快速拉伸,冷卻所形成的纖維。玻璃纖維增強工程塑料即玻璃鋼。(1)

玻璃纖維增強復合材料1.纖維增強復合材料5.4.3重要的復合材料

由于玻璃鋼比重小、強度高、耐腐蝕、耐燃且成型性能好，現已廣泛用于汽車車身、氧氣瓶、輕型船體及石油化工的管道、閥門等。缺點是剛性差，易變形，耐熱性能差，易老化。

碳纖維增強材料與樹脂基體組成的材料稱為碳纖維增強復合材料。這類材料保持了玻璃鋼的許多優(yōu)點，而且性能優(yōu)于玻璃鋼。因此可作宇宙飛行器的外層材料，人造衛(wèi)星和火箭的機架、殼體等。(2)

碳纖維增強復合材料

硼纖維是一種強度、剛度均比碳纖維高的纖維。硼纖維增強復合材料是硼纖維增強材料與樹脂基體組成的復合材料。用作高溫材料，但因為價格昂貴，應用受到限制。主要用于航空工業(yè)。(3)硼纖維增強復合材料

雙層金屬復合材料是將特性不同的兩種金屬，用膠合或者熔合鑄造、熱壓、焊接、噴涂等方法復合在一起以滿足某種性能要求的材料。(1)

雙層金屬復合材料2.層合增強復合材料

夾層復合材料是性質完全不同的表面材料與芯材復合而成的一種材料。(2)

夾層復合材料

顆粒復合材料是一種或多種材料的顆粒均勻分散在基體材料內所組成的材料。3.顆粒增強復合材料尼龍6/粘土納米復合材料5.4.4納米材料

根據人類的需要，逐個操縱原子來制造產品，這是人類關于納米技術最早的夢想。

1981年，掃描隧道顯微鏡(ScanningTunnelingMicroscope)的發(fā)明，向人類揭示了一個可見的原子世界，極大的促進和推動了納米技術的快速發(fā)展。1990年7月，第一屆國際納米科學技術(NanoScienceandTechnology,簡稱NST)會議在美國巴爾的摩召開，標志著納米科學技術的正式誕生。

最初納米材料(Nano

material)是指粒徑為1100nm的超細顆粒和由超細顆粒構成的薄膜和固體?，F在，廣義地納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構成的材料。

納米材料既不同于宏觀物體，又不同于微觀粒子，正好處于中間地帶。具有納米尺度的物質由于其結構的特殊性，使納米材料具有許多特殊的性能。碳納米管(1)小尺寸效應：當顆粒尺寸減小到納米量級時，一定條件下導致材料宏觀物理、化學性質發(fā)生變化。由于比表面積大大增加，使納米材料具有極強的吸附能力。如光吸收顯著增強；納米陶瓷可以被彎曲，其塑性變形可達100%；納米微粒的熔點低于塊狀金屬，如塊狀金熔點為1337K，而2nm的金微粒的熔點只有600K。1.納米材料的性能(2)表面效應：指納米粒子表面原子數與總原子數之比，隨粒徑的變小而急劇增大后所引起性質上的變化。例如，5nm的粒子，表面原子占50%；而2nm的粒子，表面原子占80%。

表面原子增加，使表面能增高，大大增強了納米粒子的化學活性，使其在催化、吸附等方面具有常規(guī)材料無法比擬的優(yōu)越性。

(3)量子尺寸效應：隨著粒子由宏觀尺寸進入納米范圍，準連續(xù)能帶將分裂為分立的能級，能級間的距離隨粒子尺寸減小而增大，這種能級能隙變寬的現象稱為量子尺寸效應。這種量子尺寸效應導致納米粒子具有與宏觀物質截然不同的反常特性。例如，粒徑為20nm的銀微粒在溫度為1K時出現由導體變?yōu)榻^緣體的現象。(4)宏觀量子隧道效應：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧