《大学化学教程10化学与材料.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学化学教程10化学与材料.ppt（67页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第六章 化学与材料,材料的定义：具有功能材料的分类金属材料无机非金属材料有机高分子材料复合材料纳米材料,第一节 金属材料,黑色金属材料,有色金属材料,铁、锰、铬以及它们的合金，应用最广,除黑色金属以外的其他各种金属及其合金,金属材料,轻金属,稀土金属,重金属,金属材料的性质,金属的一般性质与自由电子的存在密切相关。金属具有光泽，不透明；导电性和传热性都非常好；有优异的延展性。,金属材料的性质,纯金属的强度较低，工业上用的大多是合金。两种或两种以上金属经高温熔融后冷却得到，也可以由金属元素和非金属元素组成，如碳钢合金品种繁多，性能各异。如不锈钢，钢中加入一定量的铬；有色金属的合金，主要有铝合金、
2、镁合金、铜合金、钛合金、镍合金和锌合金等。,铝合金,制备金属铝常用电解法。Al2O3是非常稳定的化合物。在高温下对熔融的氧化铝进行电解，其反应如下：,金属铝的强度和弹性模量较低，硬度和耐磨性较差镁、铜、锌、锰、硅等元素与铝形成合金后，不但提高了强度，而且还具有良好的塑性和压力加工性能。铝合金强度高、相对密度小、易成型，广泛用于飞机制造业、汽车工业及建筑业。,形状记忆合金,将变形的合金加热到相变温度时，发生相转变而完全恢复原来的形状。最早研究成功的形状记忆合金是Ni-Ti合金，可靠性强、功能好，但价格高。铜基形状记忆合金加Cu-Zn-Al和Cu-Al-Ni，铁基形状记忆合金。,应用,航空航天领域
3、：人造卫星上庞大的天线可以用记忆合金制作。发射之前，将抛物面天线折叠起来装进卫星体内，火箭升空把人造卫星送到预定轨道后，只需加温自然展开，恢复抛物面形状。临床医疗领域：如人造骨骼、伤骨固定加压器、牙科正畸器等。消防报警装置及电器设备的保安装置。当发生火灾时,记忆合金制成的弹簧发生形变，启动消防报警装置。还可以把用记忆合金制成的弹簧放在暖气的阀门内，当温度过低或过高时，自动开启或关闭暖气的阀门。,贮氢合金,原理：利用合金与氢形成氢化物而把氢贮存起来。要求 贮氢量大；金属氢化物既容易形成，稍稍加热又容易分解；室温下吸、放氢的速度快；使用寿命长和成本低。目前正在研究开发的贮氢合金主要有：镁系贮氢合金
4、如MgH2,Mg2Ni等；稀土系贮氢合金如LaNi5；钛系贮氢合金如TiH2,TiMn1.5。应用：氢动力汽车的试验已获得成功。在氢的回收、分离、净化等方面,第二节 无机非金属材料,单晶Si、单质C矾土Al2O3陶瓷,陶瓷材料,传统的陶瓷材料是以硅和铝的氧化物为主的硅酸盐材料，新近发展起来的特种陶瓷或称精细陶瓷，成分扩展到纯的氧化物、碳化物、氮化物和硅化物等，按使用性能分为：结构陶瓷和功能陶瓷,结构陶瓷材料,优点：耐高温、高强度、高硬度、耐磨损、抗腐蚀等应用：能源技术、宇航技术、超导技术等现代科学技术需要大量特殊性能的新材料 实例：透明陶瓷、耐高温陶瓷,高温陶瓷,优点：工作温度稳定在1300左
5、右，热效率大幅度提高；发动机可减轻汽车的质量应用：汽车发动机、航天航空陶瓷发动机的材料选用氮化硅，它的机械强度高、硬度高、热膨胀系数低、导热性好、化学稳定性高,透明陶瓷,一般陶瓷不透明的原因：内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射。选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔早期透明陶瓷是氧化物陶瓷：氧化铝、氧化锆等近期研制出非氧化物透明陶瓷：砷化镓（GaAs）、硫化锌(ZnS)、硒化锌（ZnSe）、氟化镁(MgF2)等。强度、硬度都高于普通玻璃，耐磨损、耐划伤，可制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。,功能陶瓷材料,定义：以声、光、电、磁、热和力学性能及其
6、相互转化为主要特征的材料应用：能源开发、空间技术、生物技术、计算机技术、电子通讯、信息处理等方面实例：压电陶瓷、高温超导陶瓷、敏感陶瓷、生物功能陶瓷等。,高温超导陶瓷,超导电性：1911年发现汞（水银）在4.2k附近电阻突然降为零在一定温度下具有超导电性的物体称为超导体。,目前新的超导氧化物系列不断涌现，如Bi-Ca-CuO，Tl-Ba-Ca-CuO等，它们的超导转变温度超过了120K。,高温超导陶瓷,C60与碱金属作用形成AxC60(A钾、铷、铯等)是超导体，转变温度比金属合金高。金属氧化物超导体属二维超导。而AxC60则属三维超导。,（1）超导材料输电发电站（2）超导发电机，线圈不会发热，
7、无冷却难题，而且功率损失可减少50%（3）磁力悬浮高速列车的超导磁体,生物功能陶瓷,应用：人体器官和组织的修复或再造氧化铝陶瓷可做成假牙，还可做人工关节ZrO2陶瓷的强度、断裂韧性和耐磨性更好，可用以制造牙根、骨和股关节等。人工合成羟基磷灰石Ca10(PO4)6(OH)2 与骨的生物相容性好，可用于颌骨、耳听骨修复等。陶瓷材料最大的弱点是性脆，韧性不足。,第三节 有机高分子材料,1.高分子化合物概述2.高分子化合物的结构3.高分子化合物的性能 4.重要的高分子化合物,高分子化合物概述,（1）基本概念高分子化合物相对分子量特别大的一类化合物，简称高分子或聚合物,低分子化合物 高分子化合物原子数目
8、：几个几十个 几千几万或几十万相对分子质量：1000 104 106,天然高分子，如淀粉、纤维素、棉、麻丝、毛，人体中的蛋白质、糖类、核酸等也是天然高分子。用化学方法合成的高分子称为合成高分子，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯腈、聚酰胺（尼龙）等都是常用的合成高分子材料。,合成高分子,链节重复的结构单元聚合度链节的数目单体合成高分子所用的低分子原料,（2）高分子化合物的分类及命名,1）分类,2）聚合物的命名,天然高分子，一般按来源和性质有专有名词。如纤维素、蛋白质等。合成高分子，是在单体名称前冠以“聚”字。由两种单体缩聚而成的聚合物，如果结构比较复杂或不太明确，往往在单体名称后加上“树脂”二字来命名
9、。,聚合物的通俗名称、商品名称及简写代号,3.2 高分子化合物的结构,（1）线型长链状（不带支链的、带支链）,特点：1）分子链柔顺，易卷曲。2）弹性好，塑性好，硬度、脆性较小。3）具有溶、熔性，易于加工。如：合成纤维、聚乙烯、聚丙烯、聚酯等。,（2）体型：线型或支链型之间以化学键交联而成。,特点：1）弹性、塑性差，硬度、脆性较大。2）不具有溶、熔性。如：酚醛树脂、环氧树脂、离子交换树脂等。,3.3高分子化合物的特性,短程有序 高分子不容易形成完整的晶体。在局部范围内，分子链有可能排列整齐，形成结晶态。不均一性不同聚合度的高分子的混合物，无法确定高分子的分子量。只是统计平均结果。,具有热塑性、热
10、固性、绝缘性、相对密度小、比强度高等特殊的性能。,特点,化学稳定性与老化,老化高聚物及其材料在加工、贮存和使用过程中，长期受化学和物理(热、光、电、机械等)以及生物(霉菌)因素的综合影响，发生裂解或交联，导致性能变坏的现象。例如，塑料制品变脆、橡胶龟裂、油漆发粘等。,1）交联反应在分子链之间形成化学键，使大分子从线型结构 转变成体型结构的过程。,2）裂解反应（降解反应）指大分子断链变为小分子的过程。例：橡胶氧化裂解,重要的高分子材料,通用高分子塑料、橡胶、纤维、涂料、胶粘剂功能高分子,塑料,塑料是在一定的温度和压力下可塑制成型的合成高分子材料。分为热塑性塑料和热固性塑料。,聚乙烯,不同的反应条
11、件下可得到不同性能的聚乙烯。若选择0.21.5MPa低压聚合，用Ziegler-Natta催化剂，得到的产品是线型高分子，排列比较规整、紧密，可做桶、瓶、管、棒等塑料制品，。若在150MPa高压下用自由基引发聚合，得到的产品支链化程度较高，结晶度、密度降低，又称低密度聚乙烯。可做食品包装袋、奶瓶等软塑料制品。,工程塑料,要求有优良的机械性能、耐热性和尺寸稳定性。聚甲醛的力学、机械性能与铜、锌相似，用它做汽车上的轴承，使用寿命比金属的长一倍。聚碳酸酯不但可以代替某些金属，还可代替玻璃、木材和合金等，做各种仪器的外壳、自行车车架、飞机的挡风玻璃和高级家具等。,特种塑料,是在高温、腐蚀或高辐射等特殊
12、条件下使用的塑料，它们主要用在尖端技术设备上。例如聚四氟乙烯具有优异的绝缘性能，抗腐蚀性好，能耐高温和低温，可在-200250范围内长期使用，在宇航、冷冻、化工、电器、医疗器械等工业部门都有广泛的应用。,合成纤维,合成高分子为原料，通过拉丝工艺获得。聚酯（涤纶）、聚酰胺（尼龙、锦纶）、聚丙烯腈（腈纶），占世界合成纤维总产量度90%以上。聚乙烯醇缩甲醛（维纶）、聚丙烯（丙纶）、聚氯乙烯（氯纶）等。,聚酯纤维,主要用于织衣料，也可做运输带、轮胎帘子线、过滤布、缆绳、渔网等。涤纶的分子链结构中含有酯基，这类刚性基团的存在，使分子排列规整、紧密，不易变形，受力形变后也易恢复，这是涤纶抗皱性好的原因。,
13、聚酰胺纤维,最常见的是尼龙-6和尼龙-66。主要用于制做渔网、降落伞、宇航飞行服、丝袜及针织内衣等。特点是强度大，弹性好，耐磨性好。聚酰胺分子链中存在酰胺基，分子链间的酰胺基可以通过氢键作用，使分子链之间的作用力大为加强，保证了织物的强度。,合成橡胶,橡胶分天然橡胶和合成橡胶。天然橡胶仅占15%左右，其余都是合成橡胶。合成橡胶可分为通用橡胶和特种橡胶。,通用橡胶,特种橡胶,特殊的性质，如耐高温、耐低温、耐油、耐化学腐蚀和具有高弹性等。硅橡胶是以硅氧原子取代主链中的碳原子，它柔软、光滑，能耐高温，适宜做医用制品。氟硅橡胶是将氟原子引入硅橡胶中，是一种耐高、低温的高弹性材料。丁腈橡胶和聚硫橡胶耐油
14、性好。许多合成橡胶是线型高分子，具有可塑性，但强度低，回弹力差，容易产生永久变形。若加入硫磺与橡胶分子作用，转变为体型结构，使橡胶失去塑性，同时获得高弹性。反应如下：,功能高分子,具有光、电、磁、化学、生物、医学等方面的功能的高分子,导电高分子,70年代人们合成了聚乙炔，发现它有导电性能。聚乙炔是一种双键、单键间隔连接的线型高分子，分子中存在共轭键体系，电子可以在整个共轭体系中自由流动，因此可以导电。若将碘掺杂到聚乙炔中，导电率会大幅度提高。聚吡咯、聚噻吩、聚噻唑、聚苯硫醚等都具有导电性，导电高分子材料引起人们的重视。用导电塑料做成的电池已进入市场，硬币大小，一个电极是金属锂，另一个电极是聚苯
15、胺导电塑料，电池可多次重复充电使用，工作寿命长。,导电高分子,由于固态电容采用导电性高分子产品作为介电材料，通电后不致于发生爆炸的现象；同时它为固态产品，不存在由于受热膨胀导致爆裂的情况。,医用高分子,某些合成高分子与人体器官组织的天然高分子有着极其相似的化学结构和物理性能，因此用高分子材料做成的人工器官具有很好的生物相容性，不会因与人体接触而产生排斥和其他作用。,第四节 复合材料,合成高分子材料、金属材料和无机非金属材料各有其长处和短处，如果将这三类不同的材料通过复合工艺组成新的复合材料，它既能保持原来材料的长处，又能弥补短处。按增体的形状分类，复合材料可分为：颗粒增强复合材料、夹层增强复合
16、材料和纤维增强复合材料。目前发展较快、应用较广的是纤维增强复合材料,碳纤维增强塑料,目前制备碳纤维的方法是将聚丙烯腈合成纤维在200300的空气中使其氧化，然后在10001500的惰性气体中碳化，即可得到强度很高的碳纤维。碳纤维增强塑料可以根据使用温度的不同选择不同的树脂基体。如环氧树脂使用温度150200；聚双马来酰亚胺为200250；而聚酰亚胺在300以上。应用于制造航天飞行器外壳或火箭喷管的耐烧蚀材料、新一代的运动器材如羽毛球拍、网球拍、高尔夫球杆、滑雪杖、滑雪板等,碳纤维增强塑料,除了碳纤维外，作为纤维增强材料还有玻璃纤维、硼纤维、碳化硅纤维、氧化铝纤维和芳纶纤维等。,碳纤维增强金属,
17、碳纤维增强铝具有耐高温、耐热疲劳、耐紫外线和耐潮湿等性能，适合于在航空、航天领域中做飞机的结构材料。硼纤维增强铝也用于空间技术和军事方面。碳化硅纤维增强铝比铝轻10%，强度高10%，刚性高一倍，具有更好的化学稳定性、耐热性和高温抗氧化性。主要用于汽车工业和飞机制造业。用碳化硅纤维增强钛做成的板材和管材已用来制造飞机垂尾、导弹壳体和空间部件。,碳纤维增强陶瓷,随着对高温高强材料的要求愈来愈高，人们转向研制陶瓷基复合材料。纤维增强陶瓷可以增强陶瓷的韧性，这是解决陶瓷脆性的途径之一。基体陶瓷大体有Al2O3，MgO，SiO2，ZrO2，Si3N4，SiC等。增强材料有碳纤维、碳化硅纤维和碳化硅晶须。
18、纤维增强陶瓷做成的陶瓷瓦片，用粘接剂贴在航天飞机机身上，使航飞机能安全地穿越大气层回到地球上。,第五节 纳米材料,纳米与纳米技术用什么仪器看纳米碳纳米球纳米技术的应用,纳米与纳米技术,纳米是一种计量单位，1nm=10-9m，人的一根头发丝直径约为6万个纳米纳米技术是指在纳米尺度范围内，通过直接操纵分子、原子来组装、创造具有特定功能的新物质。纳米材料：颗粒小到纳米数量级的物质同一种物质，因为构造上以纳米为单位的变化时，其物理性能和化学性质会发生意想不到的巨变。,花粉是纳米级的粒子粉尘是约300nm的粒子病毒也是纳米级粒子，约30100nm,用什么仪器看纳米,如果把一个纳米粒子放在乒乓球上，相当于
19、把乒乓球放在地球上。扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope）透射电镜（transmission electron microscope）扫描电镜（scanning electron microscope）惊人的分辨率，水平分辨率可达0.1nm,移动原子世界上最小的广告,1990年IBM的科学家展示了一项另世人瞠目结舌的成果STM不仅可以得到原子图像，而且可以将原子在一个位置吸住，再搬运到另一个位置这意味着人类可以操控原子,在金属镍的表面操控惰性气体氙原子,碳纳米球（富勒烯fullerenes）,1996年诺贝尔化学奖，美国Rice大学的Kroto等人在激光汽
20、化石墨实验中首次发现，C60和C70，均具有笼形结构。C60中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构，60个顶点分别由60个碳原子所占有又相继发现了C44、C50、C76、C80、C84、C90、C94、C120、C180、C540 等富勒烯家族成员，C60 的丰度约为50%,由于特殊的结构和性质，在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能，得到广泛的应用。,富勒烯的应用,超导体有机软铁磁体 C60(TDAE)0.86 四二氨基乙烯软铁磁性材料 在磁性记忆材料中有重要应用，成本低光学材料 C60分子中的电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能，有望在光计算、光记忆
21、、光信号处理及控制等方面有所应用 功能高分子材料生物活性材料 利用C60分子的抗辐射性能，将放射性元素置于碳笼内注射到癌变部位，能提高放射治疗的效力并减少副作用。其它 将锂原子嵌人碳笼内有望制成高效能锂电池。水溶性钆的C60衍生物有望做为新型核磁造影剂,纳米材料的妙用,铜是导电的金属，当尺寸小到几个纳米时，就不导电了；而绝缘的二氧化硅在尺寸减小到几个到十几个纳米时，电阻大大下降，变得可以导电通常情况下，陶瓷是脆性材料，因而限制了应用，但纳米陶瓷却是韧性材料，在室温下能弯曲，坚固无比,纳米材料在环境中的应用,纳米二氧化钛光催化降解有机物水处理技术具有明显的优势，无二次污染，除净度高。具有巨大的比
22、表面积，可将有机物最大限度地吸附在它的表面；具有更强的紫外光吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力，快速涂料中加入空气触媒，可分解空气中的有害物质自洁玻璃和自洁瓷砖,检测环境中的铅,纳米金与纳米银,纳米材料在生活中的应用,纳米阻燃材料自洁服装抗菌冰箱,纳米材料在生物医学中的应用,纳米机器人是纳米生物学中最具有诱惑力的内容第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体，可注入人体血管内，进行健康检查和疾病治疗。还可以用来进行人体器官的修复工作、作整容手术、从基因中除去有害的，或把正常的安装在基因中，使机体正常运行。第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置第三代纳
23、米机器人将包含有纳米计算机，是一种可以进行人机对话的装置。,纳米机器人,由于纳米机器人可以小到在人的血管中自由移动，对于脑血栓、动脉硬化等病灶，可非常容易的予以清除，而无需再进行危险的开颅、开胸手术。,纳米与生物医学,纳米技术给生物医学研究带来了许多新概念、新思想和新方法、新材料、新器件以及相关的技术推动 为重大疾病诊治带来突破性进展 肿瘤研究有望率先实现突破 安全性左右产业竞争力,纳米医药,包括基于纳米技术的重大疾病预警、诊断和治疗一是在分子的水平上认识和理解病变机理 二是大幅度提高医学诊断和疾病检测的精度 三是基因治疗、靶向分子治疗可望快速发展,应用前景,纳米粒子所具有的易于被细胞摄取和跨
24、越多种生物屏障的特性 在肿瘤、心血管病、传染病等重大疾病的诊治方面所显示出来的广阔的应用前景 美国、德国、瑞士、日本等国家都已将纳米生物技术和纳米医药作为国家纳米发展战略一个主要内容我国的国家中长期科学和技术发展规划纲要也将纳米科学和技术列为重大科学研究计划，其中纳米生物学和纳米医药占有很大比重,应用,就晚期肿瘤而言，30多年来肿瘤的诊治进展非常缓慢肿瘤的检测，如基于发现肿瘤标志物并快速响应的微阵列芯片、纳米碳管传感器、光纤探针传感器等，部分研究已显示出了非常好的应用前景。在肿瘤的治疗上，利用纳米级药物传输系统，可以实现抗癌药物的准确传送，定向杀灭癌细胞，提高肿瘤的治愈率，降低死亡率。目前所遇到的问题是：诊断所需要的信息是多方面的；药物及载体在体内的性质等仍有许多未解之迷,纳米材料的安全性,纳米材料具有特殊的物理化学性质，进入生命体后，与生命体相互作用所产生的化学特性和生物活性有可能给人类健康带来严重损害，并成为许多重大疾病的诱因美国、日本已开始这方面的研究纳米的毒性和安全性问题是纳米医药研究面临的一个巨大的挑战，是纳米医药实现产业化的关键瓶颈,问题,人造纳米材料进入生命体后，是否会导致特殊的生物效应？这些效应对生命过程和人体健康是有益或是有害？纳米量级的微小颗粒，是否会穿越血脑屏障，进入大脑而影响大脑功能？,
