金屬非金屬課件演講人：日期:CATALOGUE目錄01材料分類基礎(chǔ)02金屬材料特性03非金屬材料特性04材料性能比較05實際應(yīng)用領(lǐng)域06課程總結(jié)與復(fù)習(xí)01材料分類基礎(chǔ)金屬定義與基本特征原子結(jié)構(gòu)特性金屬元素原子最外層電子數(shù)較少（通常1-3個），易失去電子形成陽離子，其金屬鍵表現(xiàn)為自由電子與陽離子間的強相互作用，賦予金屬高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性。01物理共性特征金屬普遍具有金屬光澤、良好的塑性變形能力（如金可延展至0.1微米厚度）、正電阻溫度系數(shù)，以及在一定溫度范圍內(nèi)保持晶體結(jié)構(gòu)的特性（除汞外常溫下均為固態(tài)）?；瘜W(xué)行為規(guī)律金屬易與氧反應(yīng)形成堿性氧化物（如4Al+3O?→2Al?O?），多數(shù)可置換酸中的氫（Zn+2HCl→ZnCl?+H?↑），活潑金屬可通過電解法冶煉（如鋁的霍爾-埃魯工藝）。工程應(yīng)用特性金屬材料通過合金化可顯著改變性能，如鋼通過碳含量調(diào)節(jié)硬度（共析鋼含碳0.77%），形狀記憶合金（NiTi）具有超彈性（恢復(fù)應(yīng)變可達(dá)8%）。020304非金屬定義與基本特征電子構(gòu)型特點非金屬元素最外層電子數(shù)較多（通常4-8個），傾向于獲得電子形成陰離子或共用電子（如金剛石中碳sp3雜化），其共價鍵具有方向性和飽和性。物理性質(zhì)多樣性非金屬涵蓋氣態(tài)（O?）、液態(tài)（Br?）和固態(tài)（S?），導(dǎo)電性跨度極大（石墨導(dǎo)電率3×10?S/mvs鉆石10?16S/m），硬度差異顯著（莫氏硬度從滑石1到金剛石10）?；瘜W(xué)行為特征非金屬氧化物多呈酸性（SO?+H?O→H?SO?），可與金屬形成離子化合物（2Na+Cl?→2NaCl），部分具有同素異形體（如氧存在O?和O?兩種形態(tài)）。功能應(yīng)用領(lǐng)域半導(dǎo)體材料（硅純度要求99.9999%以上）、絕緣材料（云母擊穿強度100-200kV/mm）、有機高分子基礎(chǔ)（聚乙烯聚合度可達(dá)50000以上）。分類標(biāo)準(zhǔn)與方法元素周期表分類法以硼-硅-砷-碲-砈對角線劃分，右上區(qū)為非金屬（含17種元素），左下區(qū)為金屬（含89種元素），過渡金屬具有d電子參與成鍵的特性（如鐵3d?4s2電子構(gòu)型）。01物理性質(zhì)分類體系根據(jù)導(dǎo)電性劃分導(dǎo)體（銅電阻率1.68×10??Ω·m）、半導(dǎo)體（硅禁帶寬度1.12eV）、絕緣體（石英電阻率>101?Ω·m）；按延展性區(qū)分塑性材料（銀延伸率50%）與脆性材料（硫磺斷裂應(yīng)變<5%）。02化學(xué)性質(zhì)分類標(biāo)準(zhǔn)按氧化還原特性分為還原性金屬（鈉電極電位-2.71V）、氧化性非金屬（氟電極電位+2.87V）；根據(jù)酸堿特性劃分堿性氧化物（CaOpH>7）和酸性氧化物（CO?pH<7）。03工業(yè)應(yīng)用分類系統(tǒng)黑色金屬（鐵碳合金含碳量0.02%-2.11%）、有色金屬（銅純度≥99.9%）、無機非金屬材料（陶瓷Al?O?含量≥95%）、有機高分子材料（PVC聚合度800-1600）。0402金屬材料特性物理性質(zhì)分析導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性金屬內(nèi)部自由電子定向移動形成電流，使其具備優(yōu)異的導(dǎo)電性；晶格振動傳遞熱能，導(dǎo)熱效率顯著高于非金屬材料，廣泛應(yīng)用于電子器件與散熱部件。延展性與可塑性金屬原子層間通過金屬鍵結(jié)合，受力時易發(fā)生滑移而不斷裂，可通過軋制、鍛造等工藝加工成薄板或線材，如金可延展至微米級厚度。密度與硬度差異不同金屬密度跨度大，鋰、鈉等輕金屬密度低于水，而鎢、鉑等重金屬密度極高；硬度受晶體結(jié)構(gòu)影響，鉻、鈦硬度顯著高于鉛、錫等軟金屬。磁性表現(xiàn)鐵、鈷、鎳等鐵磁性材料可被磁化并保留磁性，銅、鋁等順磁性材料僅微弱響應(yīng)磁場，而鉍、銻呈抗磁性?；瘜W(xué)性質(zhì)解析氧化與腐蝕行為活潑金屬（如鉀、鈉）在空氣中迅速氧化，需隔絕保存；鐵、鋁表面形成致密氧化膜可延緩腐蝕，不銹鋼則通過合金化提升耐蝕性。酸堿性反應(yīng)金屬與酸反應(yīng)生成鹽和氫氣（如鋅與鹽酸），部分金屬（如鋁）可同時與強酸強堿反應(yīng)，稱為兩性金屬；貴金屬（金、鉑）耐酸堿侵蝕。電化學(xué)活性差異金屬活動性順序表反映置換反應(yīng)傾向，鉀、鈣活性最高，可置換水中的氫；銅、銀等惰性金屬需氧化性酸才能溶解。合金化改性效應(yīng)通過添加其他元素改變金屬化學(xué)穩(wěn)定性，如黃銅（銅鋅合金）耐海水腐蝕能力優(yōu)于純銅，鎳基合金在高溫下仍保持抗氧化性。鋼鐵是碳與鐵的合金，按含碳量分為低碳鋼（韌性好）、高碳鋼（硬度高）；鋁及其合金因輕量化特性廣泛用于航空與包裝領(lǐng)域。金、銀、鉑化學(xué)穩(wěn)定性高，用于珠寶與催化劑；鎢、鉬等高熔點金屬是燈絲與高溫合金的關(guān)鍵成分。銅系金屬（銅、青銅）導(dǎo)電性突出，鉛、鋅主要用于防腐鍍層；鈦及其合金兼具高強度與生物相容性，適用于航天與醫(yī)療植入。鑭系元素（如釹、鏑）是永磁材料核心組分，釔、鈰用于熒光粉與石油裂化催化劑，戰(zhàn)略價值顯著。常見金屬類型介紹工業(yè)基礎(chǔ)金屬貴金屬與稀有金屬有色金屬分類稀土金屬應(yīng)用03非金屬材料特性物理性質(zhì)分析低導(dǎo)電性與導(dǎo)熱性非金屬材料通常不具備自由電子，因此導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性顯著低于金屬，適用于絕緣體或隔熱材料的應(yīng)用場景。熱穩(wěn)定性變化顯著部分非金屬（如陶瓷）耐高溫性能優(yōu)異，而有機非金屬（如塑料）可能在高溫下發(fā)生軟化或分解。密度與硬度差異大從輕質(zhì)多孔的石墨到高硬度的金剛石，非金屬材料的物理性質(zhì)跨度極大，需根據(jù)具體需求選擇合適類型。光學(xué)特性多樣部分非金屬材料（如玻璃、石英）具有透明或半透明特性，可用于光學(xué)儀器或透光結(jié)構(gòu)設(shè)計。化學(xué)性質(zhì)解析非金屬材料通常不與氧氣發(fā)生劇烈反應(yīng)，但在特定條件下（如高溫高壓）可能生成氧化物（如二氧化碳、二氧化硅）。氧化反應(yīng)惰性分子結(jié)構(gòu)決定活性環(huán)境敏感性差異多數(shù)非金屬材料（如氟塑料、陶瓷）對酸、堿、鹽等化學(xué)介質(zhì)表現(xiàn)出強抗腐蝕能力，適用于化工設(shè)備內(nèi)襯。以共價鍵為主的非金屬材料（如金剛石）化學(xué)穩(wěn)定性極高，而含活性基團的有機物（如纖維素）易發(fā)生水解或降解。部分非金屬（如硅膠）具有吸濕性，而疏水材料（如聚四氟乙烯）幾乎不與環(huán)境中的水分相互作用。耐腐蝕性突出常見非金屬類型介紹碳基材料包括石墨、金剛石、碳纖維等，具有高強度、耐高溫或?qū)щ娦钥烧{(diào)等特點，廣泛應(yīng)用于電極、復(fù)合材料等領(lǐng)域。硅酸鹽材料如玻璃、陶瓷、水泥等，以硅氧四面體為基本結(jié)構(gòu)單元，具備高硬度、耐磨損及絕緣特性。高分子聚合物涵蓋塑料、橡膠、合成纖維等，通過單體聚合形成長鏈結(jié)構(gòu)，具有可塑性、輕質(zhì)化和易加工優(yōu)勢。氣態(tài)與液態(tài)非金屬如氮氣、氧氣、液態(tài)氯等，在工業(yè)中作為反應(yīng)介質(zhì)、保護氣體或制冷劑使用，需注意存儲安全性。04材料性能比較強度與韌性對比金屬材料的強度特性金屬通常具有較高的屈服強度和抗拉強度，尤其是合金材料通過固溶強化、析出強化等機制可顯著提升承載能力，適用于橋梁、建筑等承重結(jié)構(gòu)。非金屬材料的韌性表現(xiàn)高分子材料如橡膠或某些塑料在斷裂前能吸收大量能量，表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性，適用于緩沖、減震等動態(tài)載荷場景。復(fù)合材料的平衡優(yōu)勢纖維增強復(fù)合材料（如碳纖維）結(jié)合了金屬的高強度和非金屬的韌性，在航空航天領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)輕量化與抗沖擊性的統(tǒng)一。金屬的電子傳導(dǎo)機制金屬中自由電子定向移動形成電流，銅、鋁等材料具有極低的電阻率，廣泛用于電線、散熱器等需高效導(dǎo)電導(dǎo)熱的場景。非金屬的絕緣特性陶瓷、玻璃等材料價帶與導(dǎo)帶間能隙大，幾乎不導(dǎo)電，適用于高壓絕緣子或高溫隔熱部件。半導(dǎo)體材料的特殊性能硅、鍺等半導(dǎo)體通過摻雜可調(diào)控導(dǎo)電性，是集成電路、太陽能電池的核心材料，填補金屬與非金屬的性能空白。導(dǎo)電導(dǎo)熱性能差異金屬氧化與防護聚四氟乙烯（PTFE）和陶瓷幾乎不與酸堿反應(yīng)，適用于化工管道、反應(yīng)釜襯里等強腐蝕環(huán)境。非金屬的化學(xué)惰性環(huán)境適應(yīng)性差異金屬在潮濕、鹽霧環(huán)境中易發(fā)生點蝕或應(yīng)力腐蝕開裂，而非金屬如聚乙烯在海洋工程中表現(xiàn)更穩(wěn)定。鋼鐵易受電化學(xué)腐蝕，需通過鍍層、合金化（如不銹鋼）或陰極保護提升耐蝕性；鋁則依靠致密氧化膜實現(xiàn)自保護。耐腐蝕性評估05實際應(yīng)用領(lǐng)域高強度結(jié)構(gòu)材料金屬如鋼鐵、鋁合金廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、機械制造等領(lǐng)域，因其優(yōu)異的抗拉強度和耐久性，可承受極端載荷和環(huán)境條件。耐腐蝕部件非金屬材料如陶瓷、特種塑料在化工設(shè)備中用于制造管道、閥門，能夠抵抗酸堿腐蝕并延長設(shè)備使用壽命。精密加工工具硬質(zhì)合金（如碳化鎢）用于切削刀具和模具，結(jié)合金屬的韌性與非金屬的硬度，實現(xiàn)高精度加工需求。高溫環(huán)境應(yīng)用鎳基合金和石墨材料在航空航天發(fā)動機中用于渦輪葉片和隔熱層，耐受高溫氧化和熱沖擊。工業(yè)制造應(yīng)用日常生活應(yīng)用1234家居建材鋁合金門窗、不銹鋼廚具因其輕便、防銹特性成為家庭常見選擇；PVC管道則因其低成本、易安裝廣泛用于排水系統(tǒng)。銅和金的導(dǎo)電性使其成為電路板與連接器的核心材料；手機屏幕玻璃（如康寧大猩猩玻璃）則依賴非金屬的高透光性和抗刮擦性能。電子消費品包裝材料食品級鋁箔用于保鮮包裝，阻隔光線和氧氣；PET塑料瓶因其輕量化與可回收性成為飲料包裝主流。裝飾與藝術(shù)黃銅、青銅常用于雕塑和飾品制作，而琉璃、搪瓷等非金屬材料通過色彩與光澤提升藝術(shù)表現(xiàn)力。高純度硅作為半導(dǎo)體基底材料，支撐集成電路制造；氮化鎵（GaN）用于新一代功率器件，提升能源轉(zhuǎn)換效率。半導(dǎo)體與芯片鈦合金用于人工關(guān)節(jié)和牙科種植體，兼具生物相容性和機械強度；可降解高分子材料（如聚乳酸）在縫合線和支架中逐步替代傳統(tǒng)金屬。生物醫(yī)學(xué)工程鋰、鈷等金屬是動力電池正極材料的關(guān)鍵成分；燃料電池中的質(zhì)子交換膜依賴全氟磺酸樹脂等非金屬材料實現(xiàn)高效質(zhì)子傳導(dǎo)。新能源技術(shù)010302科技前沿應(yīng)用鈮鈦合金在超導(dǎo)磁體中實現(xiàn)零電阻導(dǎo)電；碳化硅晶體作為寬禁帶半導(dǎo)體，推動高溫、高頻電子器件發(fā)展。超導(dǎo)與量子計算0406課程總結(jié)與復(fù)習(xí)核心知識點回顧金屬通常具有高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤，這些性質(zhì)與其自由電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，是區(qū)分金屬與非金屬的重要依據(jù)。金屬的物理性質(zhì)非金屬元素在化學(xué)反應(yīng)中傾向于獲得電子，形成陰離子，常見于酸、氧化物和有機化合物中，其化學(xué)行為與金屬形成鮮明對比。非金屬材料包括陶瓷、高分子材料和復(fù)合材料，具有絕緣、耐高溫和輕質(zhì)等特性，適用于電子、航空航天等領(lǐng)域。非金屬的化學(xué)特性合金通過混合兩種或多種金屬（或金屬與非金屬）以改善性能，如鋼（鐵與碳）的高強度和耐腐蝕性，廣泛應(yīng)用于建筑和制造業(yè)。合金的應(yīng)用01020403非金屬材料的多樣性常見疑問解答某些元素（如硅、鍺）具有金屬和非金屬的雙重性質(zhì)，稱為半金屬或類金屬，其導(dǎo)電性介于兩者之間，常用于半導(dǎo)體行業(yè)。金屬與非金屬的界限雖然非金屬材料通常不如金屬堅固，但通過復(fù)合增強（如碳纖維增強塑料）可顯著提升其機械性能，滿足高強度需求。非金屬材料的強度問題金屬腐蝕是電化學(xué)過程，可通過涂層（如鍍鋅）、陰極保護或使用耐腐蝕合金（如不銹鋼）來延緩或防止腐蝕發(fā)生。金屬腐蝕的防護010302金屬可無限循環(huán)利用且性能不衰減，回收過程能耗遠(yuǎn)低于原生金屬冶煉，是可持續(xù)發(fā)展的重要實踐。金屬的回收利用04國內(nèi)外知名平臺