黃榮華動力工程化學(xué)第四章

1、第五章 化學(xué)與材料,材料學(xué)一個新的獨立的科學(xué)門類，與物理、化學(xué)、力學(xué)、機械、冶金、化工等傳統(tǒng)科學(xué)門類水乳交融，但是具有其獨特的鮮明的個性。也正是因為與各個傳統(tǒng)科學(xué)門類水乳交融，材料學(xué)科在不同的場合就被劃分成了材料物理、材料化學(xué)、材料力學(xué)、材料工程學(xué)等諸多分支。,第一節(jié) 什么是材料,材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì)。 師昌緒主編：《材料大辭典》p.58,材料是“具有一定性能的物質(zhì), 可以用來制成一些機器、器件、結(jié)

2、構(gòu)和產(chǎn)品” 。 美國科學(xué)院、美國工程院聯(lián)合編寫 《材料：人類的需求》,材料是可以用來制造有用的構(gòu)件、器件或物品的物質(zhì),材 料 = 物 質(zhì),Materials = Matter,水是材料？冰是材料？,材料的定義：,人類社會所能夠接受的經(jīng)濟地制造有用器件的物質(zhì),1.1 分類,金屬材料 (Metal)鋼鐵材料、非鐵材料、合金有機高分子材料 (Polymer)天然的、合成的無機非金屬材料 (

3、Ceramics)陶器、瓷器、水泥、玻璃、耐火材料、新型陶瓷復(fù)合材料 (Composites),按材料的用途分類,結(jié)構(gòu)材料 支撐件、連接件、傳動件、緊固件等 功能材料 磁性材料、電子材料、信息記錄材料、光學(xué)材料、敏感材料、能源材料、生物醫(yī)學(xué)材料等 結(jié)構(gòu)材料與功能材料的劃分并不嚴格 生物醫(yī)學(xué)材料？,第二節(jié) 金屬材料,由金屬或由以金屬元素為主形成的具有一般金屬特性的材料稱為金屬材料。,金屬單質(zhì),合 金,由一種金屬與其

4、它金屬或非金屬融合在一起形成的具有金屬特性的物質(zhì)。 如: 鋼、鋁合金,定義,2.1 金屬的分類,（1）按化學(xué)活潑性分類,活潑金屬 (s區(qū)、IIIB族)中等活潑金屬(d區(qū)、ds區(qū)、p區(qū))不活潑金屬(d區(qū)),,,,,,2.2 金屬的性質(zhì),(1) 物理性質(zhì),① 光澤,大多數(shù)金屬呈銀白色光澤。,② 密度,除鋰、鈉、鉀比水輕外，其余金屬的密度都大于1 g · cm-3。,最輕的金屬是鋰

5、，最重的金屬是鋨。,,,③ 熔點,S區(qū)金屬原子半徑較大，多數(shù)熔點較低。 d 區(qū)金屬熔點大都較高。 VB -VIIB族金屬(除錳外)是高熔點金屬。,VB -VIIB族金屬熔點較高與它們的價電子較多且原子半徑較小有關(guān)；IIB金屬熔點較低與其無未成對電子有關(guān)； P區(qū)金屬則是它們的晶體結(jié)構(gòu)由原子晶體向分子晶體逐漸轉(zhuǎn)變的趨勢。,熔點最高的金屬是鎢，熔點最低的金屬是汞。,IIB族和P區(qū)金屬是低熔點金屬。,,,④ 導(dǎo)電性,金屬一般是良導(dǎo)體，尤

6、其ds區(qū)的 銀、銅 和p區(qū)的鋁。 金屬的導(dǎo)電性一般隨溫度的升高而下降，雜質(zhì)對金屬的導(dǎo)電性能力影響很大，一般說來，金屬純度越高，導(dǎo)電性越好。,⑤ 導(dǎo)熱性,導(dǎo)電性好的金屬一般導(dǎo)熱性能也較好。,⑥ 延展性,延展金屬時，雖然發(fā)生了變形，但并不破壞金屬鍵，故不發(fā)生斷裂。,,,⑦ 熱膨脹性,如 鎵、銻 ： “熱縮冷脹”,⑧ 磁性,鐵磁材料,順磁材料,逆磁材料,鐵、鈷、鎳等,錳、鉻、鉬、鎢等,銅、錫、鉛、鋅等,居里點,

7、,鐵磁材料加熱到某一溫度時失去磁性，此點稱為居里點。,絕大多數(shù)都是熱脹冷縮，但少數(shù)金屬例外。,,,金屬單質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)主要表現(xiàn)為還原性。 M → Mn+ + ne-,,(2) 化學(xué)性質(zhì),① 金屬與氧(空氣)的作用,絕大多數(shù)金屬都能與氧作用。金屬性越強，與氧的反應(yīng)越激烈。有的氧化物結(jié)構(gòu)疏松不能阻止氧化反應(yīng)的繼續(xù)進行，而有的結(jié)構(gòu)非常致密，有效防止金屬的進一步氧化而使金屬鈍

8、化。,通式,,,② 金屬與水的作用,金屬與水作用的難易程度與兩個因素有關(guān)： a.金屬電極電勢 b. 反應(yīng)產(chǎn)物的性質(zhì),周期系主族中活潑金屬都能與水作用，反應(yīng)的激烈程度符合周期中金屬活潑性自上而下、自右而左增強的規(guī)律。,,,③ 金屬與酸、堿的作用,金屬與酸的反應(yīng)用金屬活動序或電極電勢來判斷。,a. 金屬活動序與周期系中元素周期性遞變的規(guī)律 不完全一致。,b. 由于鈍化膜，有些活潑金

9、屬難溶于濃硫酸和 濃硝酸。,金屬能否與強堿反應(yīng)，主要取決于兩個因素：,a. 在強堿介質(zhì)中金屬能否與水作用。,b. 生成的氫氧化物是否可溶于堿（既生成的氫氧 化物是否具有兩性）。,,,2.3 合金,合金的結(jié)構(gòu)和類型 合金材料,(1)合金的結(jié)構(gòu)和類型,合金從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種基本類型：,①混合物合金,兩種或多種金屬的機械混合物。,熔融: 完全或部分互溶凝固: 金屬各自結(jié)晶,混合物合金的導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性質(zhì)與組分金屬有

10、很大的不同。,,,,②固溶體合金,兩種或多種金屬不僅熔融時能相互溶解，而且凝固時也能保持互溶狀態(tài)的固態(tài)溶液。,純金屬的晶格,取代固溶體的晶格,間隙固溶體的晶格,,,,,③金屬化合物合金,兩種金屬元素原子的外層電子結(jié)構(gòu)、電負性和原子半徑差別較大時所形成的金屬化合物。 通常分為正常價化合物和電子化合物。,正常價化合物：,金屬原子間通過化學(xué)鍵形成，成分固定，符合氧化數(shù)規(guī)則。,電子化合物：,金屬原子間通過金屬鍵形成，成分在一定范圍

11、內(nèi)變化，不符合氧化數(shù)規(guī)則。,,,(2) 合金材料,（1）鐵的合金 — 鋼,熟 鐵,,,鐵按含碳量多少可分為：,碳素鋼,生 鐵,(<0.25%) 韌性好,強度低,焊接性能優(yōu)良 薄鐵皮、鐵絲鐵管等,低碳鋼,中碳鋼,高碳鋼,<0.1% 韌性好,可鍛打成型 鍛鐵 鐵勺,鍋鏟,(0.25 ~ 0.6 %)強度較高,韌性較好

12、 鐵軌 車輪等,(0.6 ~ 1.7 %) 硬而脆，彈性較好 醫(yī)療器具，彈簧工具等,(1.7~4.5%) 硬而脆,可澆鑄成型 鑄鐵 機床車身,內(nèi)燃機汽缸,,,鎳 鋼 含鎳36%, 幾乎不熱脹冷縮,可制造精密 儀器零件。鎢 鋼 含鎢18%,即使赤熱仍堅硬制造高速切削

13、 車床的車刀。釩 鋼 (少量) 鋼的彈性增加1倍，制造各種彈簧。硅 鋼 含硅 2.5%，用作變壓器的鐵心。不僅減少 其發(fā)熱，還節(jié)省能源。不銹鋼 含鉻,錳等,抗蝕性能優(yōu)良。 含鉻 > 12%,合金鋼：,,,① 鋁合金,（2）輕質(zhì)合金,鋁: 地殼中藏量為7.45%, 是含量最多的金

14、屬。 目前年產(chǎn)量僅次于鐵。 密度小，導(dǎo)電性好，常用鋁代替銅制造電線。 硬鋁合金: 加入少量銅、錳、鎂等金屬，再經(jīng)過熱處 理使其強度大為提高。俗稱“鋼精”。 輕盈美觀 不易生銹

15、鋁合金強度可與鋼媲美，但卻比其輕近1/4， 可廣泛用于航空航天業(yè).,,,鈦: 拉丁文 “Titanium”,特 點：,a. 密度較小,b. 鈦合金強度高,c. 抗蝕性好,d. 工作溫度范圍寬(-200 ~ 500℃),,,② 鈦合金,由于鈦合金抗蝕性好，工作溫度范圍寬，可用作液氮或液氦等的低溫容器。,鈦合金強度高，幾乎是鋁合金的5倍。熱處理后，它的強度與高強度鋼相當，但密度僅為鋼的57%。,“空間金屬

16、”,美國新式戰(zhàn)斗機含鈦量大于90%,“深海金屬”,1977年，前蘇聯(lián)用3500多噸鈦制造 當時航行速度最快的核潛艇。,,,1910年, 世界鈦生產(chǎn)量 0.2克 1947年, 世界鈦生產(chǎn)量 2 噸 1955年, 世界鈦生產(chǎn)量 2萬噸 1962年,

17、 世界鈦生產(chǎn)量 10萬噸 1972年, 世界鈦生產(chǎn)量 20萬噸 目前，每年用于航天業(yè)的鈦大于1千噸。,未來的鋼鐵，21世紀的金屬,,,（3）硬質(zhì)合金,以硬質(zhì)化合物為硬質(zhì)相，以金屬或合金作 粘接相的復(fù)合材料。,,,,第Ⅳ?ⅥB金屬與C、N、B所形成的間隙化合物，如 WC。,形狀記憶合金的簡稱，指在一定外力作用下，使其幾何形態(tài)發(fā)生改變

18、。但當加熱到某一溫度時，它又能夠完全恢復(fù)到變形前的幾何形態(tài)。 在醫(yī)療器械，減震消噪，生活用品等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。,（4）記憶合金,,,,形狀記憶合金,,,,歐洲航天計劃研制出來數(shù)種被稱作形狀記憶合金的奇異材料，這些材料可以像橡皮筋一樣拉伸，但是能夠記住初始形狀，拉伸之后一旦加熱到一定溫度就會變回原來的形狀。,形狀記憶合金可以用作航天器上的輕型溫度控制調(diào)節(jié)器。在太空中形狀記憶合金可以被用來在航天

19、器發(fā)射之后釋放太陽能電池板；形狀記憶合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很多應(yīng)用，其中一項應(yīng)用就是控制牙齒移動的正牙彈簧。另外一個使用形狀記憶合金技術(shù)的醫(yī)學(xué)儀器就是一個非常細的管子，這個管子可以插入血管里，到達損壞的血管之后再變回原來大小。,兩種特定金屬的合金，一種可以大量吸進H2，形成穩(wěn)定氫化物；而另一種金屬與氫的親和力小，使氫很容易在其中移動。 是開發(fā)利用氫能源、分離精制高純氫的理想材料。,（5）儲氫合金,,,,,第三節(jié)：無機非金屬材料,

20、化學(xué)性質(zhì)舉例---硅,Si+2F2==SiF4,Si+4HF==SiF4↑+2H2↑,Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3 +2H2↑,△,水晶,堅硬難熔的固體，熔沸點比較高，不溶于水，硬度比較大。,,,,什么是無機非金屬材料？,金屬材料和有機高分子材料以外的固體材料通稱為無機非金屬材料。,主要特性：,熔點高、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損、耐氧化、彈性模量大、強度高。一般為脆性材料,傳統(tǒng)陶瓷,3.1 無

21、機非金屬材料的種類,陶瓷,,水泥,玻璃,特種陶瓷,,結(jié)構(gòu)陶瓷,功能陶瓷,3.2 陶瓷材料3.2.1 物質(zhì)結(jié)構(gòu),陶瓷材料的結(jié)合鍵,陶瓷材料的組成相的結(jié)合鍵為離子鍵（MgO、Al2O3）、共價鍵（金剛石、Si3N4）以及離子鍵與共價鍵的混合鍵,以離子鍵結(jié)合的晶體稱為離子晶體。離子晶體在陶瓷材料中占有很重要的地位。它具有強度高、硬度高、熔點高、等特點。但這樣的晶體脆性大，無延展性，熱膨脹系數(shù)小，固態(tài)時絕緣，但熔融態(tài)可導(dǎo)電等特點。金屬

22、氧化物晶體主要以離子鍵結(jié)合，一般為透明體。,陶瓷材料的結(jié)合鍵,以共價鍵結(jié)合的晶體稱為共價晶體。共價晶體具有方向性和飽和性，因而共價鍵晶體的原子堆積密度較低。共價鍵晶體具有強度高、硬度高、熔點高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點。但它脆性大，無延展性，熱膨脹系數(shù)小，固態(tài)、熔融態(tài)時都絕緣。最硬的金剛石、SiC、Si3N4、BN等材料都屬于共價晶體。,陶瓷材料的相組成,晶體相,晶體相是陶瓷材料最主要的組成相，主要是某些固溶體或化合物，其結(jié)構(gòu)、形態(tài)、數(shù)

23、量及分布決定了陶瓷材料的特性和應(yīng)用。晶體相又分為主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶體相主要有含氧酸鹽（硅酸鹽、鈦酸鹽等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。,硅氧四面體是硅酸鹽陶瓷中最基本的結(jié)構(gòu)單元。,玻璃相,玻璃相是陶瓷材料中原子不規(guī)則排列的組成部分，其結(jié)構(gòu)類似于玻璃。,玻璃相的作用是：熔點低，將分散的晶體相粘結(jié)起來，填充晶體之間的空隙，提高材料的致密度；降低燒成溫度，加快燒結(jié)過程；阻止晶體轉(zhuǎn)變、

24、抑止晶粒長大。,玻璃相對陶瓷強度、介電常數(shù)、耐熱性能是不利的。,氣相（氣孔）,陶瓷中氣孔主要是坯體各成分在加熱過程中單獨或互相發(fā)生物理、化學(xué)作用所生成的空隙。這些空隙可由玻璃相來填充，還有少部分殘留下來形成氣孔。,氣孔對陶瓷的性能是不利的。它降低材料的強度，是造成裂紋的根源。,3.2.2 陶瓷材料的性能特點,力學(xué)性能,硬度,陶瓷的硬度很高，多為1000Hv～1500Hv（普通淬火鋼的硬度500～800Hv）。陶瓷硬度高的原因是

25、離子晶體中離子堆積密度大、以及共價晶體中電子云的重疊程度高引起的。,剛度,陶瓷的剛度很高。剛度是由彈性模量衡量的，而彈性模量又反映其化學(xué)鍵的鍵能。離子鍵和共價鍵的鍵能都要高于金屬鍵，因此陶瓷材料的彈性模量要高于金屬材料。,力學(xué)性能,強度強度,陶瓷材料的強度取決于鍵的結(jié)合力，理論強度很高。但陶瓷中由于組織的不均勻性，內(nèi)部雜質(zhì)和各種缺陷的存在，使得陶瓷材料的實際強度要比理論強度低100多倍。,陶瓷材料的強度也受晶粒大小的影響

26、。晶粒越細，強度越高。此外，陶瓷材料一般具有優(yōu)于金屬材料的高溫強度，高溫抗蠕變能力強，且有很高的抗氧化性。常用于高溫材料。,力學(xué)性能,塑性與韌性,陶瓷材料的塑性和韌性低，這是陶瓷最大的弱點。陶瓷材料受到載荷時在不發(fā)生塑性變形的情況下，就發(fā)生斷裂。斷裂是裂紋形成和擴展的過程。陶瓷內(nèi)部和表面所產(chǎn)生的微裂紋，由于裂紋尖端的應(yīng)力集中，內(nèi)部裂紋在受到外應(yīng)力時擴展很快，這是導(dǎo)致陶瓷材料斷裂的根本原因。,熱學(xué)性能,熔點,陶瓷材料由離子鍵

27、和共價鍵結(jié)合，因此具有較高的熔點。,熱容,熱膨脹,陶瓷材料在低溫下熱容小，在高溫下熱容增大。,陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)小，這是由晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵決定的。一般為10－5～10－6/K。,電學(xué)性能,陶瓷材料是良好的絕緣體?？捎糜诟綦姷慕^緣材料；陶瓷還具有介電特性，可作為電器的介質(zhì)。陶瓷材料的介電損耗很小，可大量制造高頻、高溫下工作的器件。,陶瓷材料由于晶界和氣孔的存在，一般是不透明的?？梢酝ㄟ^燒結(jié)方法的改變和控制晶粒的大小，制備出透明的氧化物陶

28、瓷。,光學(xué)性能,1、普通陶瓷,1。日用陶瓷,2。普通工業(yè)陶瓷,1）建筑陶瓷,2）衛(wèi)生陶瓷,4）化工陶瓷,3）電器絕緣陶瓷,,3.2.3 幾種陶瓷材料,日用陶瓷,一般應(yīng)具有良好的白度、光澤度、透光性、熱穩(wěn)定性和強度。,日用陶瓷主要應(yīng)用于茶具、餐具和工藝品,,,建筑陶瓷,以黏土為主要原料而制得的用于建筑物的陶瓷,粗陶瓷：以難熔黏土為主要原料，包括磚、瓦、盆罐等,精陶瓷：以瓷土和高嶺土為主要原料，包括釉面磚、

29、 建筑衛(wèi)生陶瓷等,,炻瓷： 以陶土和黏土為主要原料，包括地磚、外墻磚、 耐酸陶瓷等,衛(wèi)生陶瓷,以高嶺土為主要原料而制得的用于衛(wèi)生設(shè)施的帶釉陶瓷制品，有陶質(zhì)、炻瓷質(zhì)和瓷質(zhì)等。,3）電器絕緣陶瓷,又稱電瓷，是作為隔電、機械支撐及連接用的瓷質(zhì)絕緣器件。分為低壓電瓷、高壓電瓷和超高壓電瓷等。,4）化學(xué)絕緣陶瓷,要求耐酸、耐高溫、具有一定強度。主要用于化學(xué)、化工、制藥、食品等工業(yè)。,2、結(jié)構(gòu)陶瓷

30、材料,結(jié)構(gòu)陶瓷的種類,氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷,碳化物結(jié)構(gòu)陶瓷,氮化物結(jié)構(gòu)陶瓷,氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷,特點：化學(xué)穩(wěn)定性好、抗氧化性強、熔融溫度高、高溫強度高。,Al2O3陶瓷,ZrO2陶瓷,BeO陶瓷,MgO陶瓷,Al2O3陶瓷,Al2O3陶瓷又稱高鋁陶瓷，主要成分是Al2O3和SiO2。主晶相為剛玉（α－Al2O3），隨著SiO2質(zhì)量百分數(shù)的增加，還出現(xiàn)莫來石和玻璃相。根據(jù)陶瓷坯中主晶相的不同，分為剛玉瓷、剛玉－莫來石瓷和莫來石瓷。Al2O

31、3有三中結(jié)晶形態(tài)，即α、β、γ相。α型是高溫型，而γ相是低溫型。,,其中剛玉瓷的性能最佳。,Al2O3陶瓷的性能及應(yīng)用,1。強度高2。硬度高：機械加工磨料、磨具、切削工具等3。熔點高、抗腐蝕：耐火材料、爐管、熱電偶保護套等4?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好：坩堝、人體關(guān)節(jié)、人工骨骼5。電絕緣性好：基板、火化塞、電路外殼6。光學(xué)性能好：制成透光材料、微波整流罩窗口、激光 振蕩元件等,3.3 水泥,什么是水泥？水泥是一種加入適量水后，成

32、為塑性漿體的，既能在空氣中硬化，又能在水中硬化的，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起的水硬性膠凝材料。,水泥的種類,硅酸鹽水泥,鋁酸鹽水泥,硫鋁酸鹽水泥,氟鋁酸鹽水泥,火山灰水泥,硅酸鹽水泥,原料：石灰石、黏土、鐵粉、煤粉、礦化劑等,,,,CaO,Al2O3SiO2,Fe2O3,工藝：,配料,粉磨,成球,煅燒,粉磨,包裝,,,,,,,硅酸鹽水泥,配料,粉磨,成球,煅燒,礦渣,石膏,,,,,,,水泥的生料,,,水泥的熟料,1300－1

33、450度,,水泥的熟料,,粉煤灰,火山灰,,普通水泥,礦渣水泥,粉煤灰水泥,火山灰水泥,硅酸鹽水泥的主要礦物成分,硅酸三鈣 3CaO·SiO2，C3S,硅酸二鈣 2CaO·SiO2，C2S,鋁酸三鈣 3CaO·Al2O3，C3A,鐵鋁酸四鈣 4CaO·Al2O3·Fe2O3，C4AF,3.5 硅半導(dǎo)體材料,單晶硅 熔融的單質(zhì)硅在凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些晶核生

34、長成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來使結(jié)晶成單晶硅。,單晶硅具有準金屬的物理性質(zhì)，有較弱的導(dǎo)電性，且其電導(dǎo)率隨溫度的升高而增加。有顯著的半導(dǎo)體性。超純的單晶硅是本征半導(dǎo)體。 在超純單晶硅中摻入微量的ⅢA族元素，如硼，可提高其導(dǎo)電的程度而形成p型半導(dǎo)體；摻入微量的Ⅴ族元素如磷或砷，也可提高其導(dǎo)電性能，形成 n型硅半導(dǎo)體。,多晶硅,多晶硅也是硅單質(zhì)的一種形態(tài)，熔融的單質(zhì)硅在凝固時，硅原子以金剛石晶格排列成許多晶核，如果這些

35、晶核生長成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來，結(jié)晶成多晶硅。 多晶硅與單晶硅的差異主要表現(xiàn)在物理性質(zhì)方面?；旧鲜歉飨蛲缘?。導(dǎo)電性也遠不如單晶硅顯著。但其化學(xué)性質(zhì)與單晶硅相同。 由熔融的單質(zhì)硅在過冷條件下自由結(jié)晶，可得多晶硅晶體。多晶硅經(jīng)一定溫度條件下的拉制可得到單晶硅。,太陽能電池,（1）單晶硅太陽能電池 制作單晶硅太陽能電池的硅要求純度達99.999%以上。（2）多晶硅太陽能電池 單晶硅太陽能

36、電池的生產(chǎn)需要消耗大量的高純硅材料，而制造這些材料工藝復(fù)雜，成本高。在制造過程中單晶硅的浪費嚴重，近年來太陽能電池材料正向利用多晶硅的方向發(fā)展。 多晶硅太陽能電池的制作工藝與單晶硅太陽能電池基本一致，其光電轉(zhuǎn)換效率約12%，稍低于單晶硅太陽能電池。但材料制造簡便，生產(chǎn)成本低，因此發(fā)展迅速。,（3）非晶硅太陽能電池 非晶硅太陽能電池是近年來出現(xiàn)的新型薄膜式太陽能電池，它制作簡單，硅材料消耗很少。 日前非晶硅太陽能電

37、池存在的問題是光電轉(zhuǎn)換效率偏低，最高約10%， 且不穩(wěn)定，易衰減，目前主要應(yīng)用于小型電器中。（4）多元化合物太陽能電池 多元化合物太陽能電池指不是用單一元素半導(dǎo)體材料制成的太陽能電池。現(xiàn)在各國研究的品種繁多，雖然大多數(shù)尚未工業(yè)化生產(chǎn)，但它們的應(yīng)用前景非常廣泛。如硫化鎘、砷化鎵、銅銦硒太陽能電池。,第四節(jié) 高分子材料,4.1 高分子的基本概念,高分子化合物、大分子化合物、高分子、大分子、高聚物、聚合物 這些術(shù)語一般

38、可以通用Macromolecules, High Polymer, Polymer,高常用的高分子的分子量一般高達幾萬、幾十萬，甚至上百萬，范圍在104～106,什么是高分子？,合成聚合物的起始原料稱為單體（Monomer）在大分子鏈中出現(xiàn)的以單體結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的原子團稱為結(jié)構(gòu)單元（Structure unit）,聚合,一個大分子往往是由許多相同的、簡單的結(jié)構(gòu)單元通過共價鍵重復(fù)連接而成。例如：聚苯乙烯,由一種結(jié)構(gòu)單元組成的高分子,縮

39、寫成,4.1.2 高分子化合物的基本特征,分子量大是高分子的根本性質(zhì) 高分子的許多特殊性質(zhì)都與分子量大有關(guān)，如： 高分子的溶液性質(zhì)： 難溶，甚至不溶，溶解過程往往要經(jīng)過溶脹階段 溶液粘度比同濃度的小分子高得多 分子之間的作用力大,只有液態(tài)和固態(tài),不能汽化 固體聚合物具有一定的力學(xué)強度,可抽絲、能制膜,1.分子量大,,常用的聚合物的分子量（萬）,塑料 分子量 纖維

40、分子量 橡膠 分子量聚乙烯 6～30 滌綸 1.8～2.3 天然橡膠 20～40聚氯乙烯 5～15 尼龍-66 1.2～1.8 丁苯橡膠 15～20聚苯乙烯 10～30 維呢綸 6～7.5 順丁烯膠 25～30,2. 分子量具有多分散性,,重量分率,平均分子量,,,高聚物的分子

41、量分布曲線,以被分離的各級分的重量分率對平均分子量作圖，得到分子量重量分率分布曲線?？赏ㄟ^曲線形狀，直觀判斷分子量分布的寬窄,4.1.3 高分子化合物的命名和分類,1 命名,以單體名稱為基礎(chǔ)，在前面加“聚”字 乙烯 丙烯 氯乙烯 甲基丙烯酸甲酯 聚乙烯 聚丙烯 聚氯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯取單體簡名，在后面加“樹脂” 、“橡膠”二字 如 苯酚 甲醛

42、 酚醛樹脂 尿素 甲醛 脲醛樹脂 甘油 鄰苯二甲酸酐 醇酸樹脂 丁二烯 苯乙烯 丁苯橡膠,商品名 合成纖維最普遍，我國以“綸”作為合成纖維的后綴 滌綸 聚對苯二甲酸乙二醇酯（聚酯） 丙綸 聚丙烯 錦綸 聚酰胺（尼龍），后面加數(shù)字區(qū)別,聚酰胺 聚酯

43、 聚氨酯 聚醚,以高分子鏈的結(jié)構(gòu)特征命名,第一個數(shù)字表示二元胺的碳原子數(shù)第二個數(shù)字表示二元酸的碳原子數(shù)只附一個數(shù)字表示內(nèi)酰胺或氨基酸的碳原子數(shù),,數(shù)字含義,IUPAC命名命名程序：確定重復(fù)單元結(jié)構(gòu)排出次級單元（subunit）的次序，兩個原則: 對乙烯基聚合物，先寫有取代基的部分 連接元素最少的次級單元寫在前面給重復(fù)單元命名，在前面加“ 聚”字例子:,聚 (1－苯基乙烯

44、 )Poly(1-phenylethylene),2..分類根據(jù)材料的性能和用途分類,功能高分子是指在高分子主鏈和側(cè)枝上帶有反應(yīng)性功能基團，并具有可逆或不可逆的物理功能或化學(xué)活性的一類高分子,塑料橡膠纖維涂料 膠粘劑功能高分子,,,產(chǎn)量最大，與國民經(jīng)濟、人民生活關(guān)系密切故稱為“三大合成材料”,,通常所說的塑料、橡膠，正是按照Tm和 Tg在室溫之上或室溫之下劃分的,大部分纖維是晶態(tài)高聚物 Tm應(yīng)高于室溫150℃以上

45、也有非晶態(tài)高聚物 分子排列要有一定規(guī)則和取向,塑料,晶態(tài)高聚物 處于部分結(jié)晶態(tài) ，Tm是使用的上限溫度非晶態(tài)高聚物 處于玻璃態(tài)，Tg是使用的上限溫度,橡膠 只能是非晶態(tài)高聚物，處于高彈態(tài) Tg是使用的下限溫度， Tg應(yīng)低于室溫70℃以上 Tf 是使用的上限溫度,纖維,,,4.2 聚合反應(yīng),加聚反應(yīng),縮聚反應(yīng),,,,加聚物,縮聚物,按單體結(jié)構(gòu)和反應(yīng)類型分類,addition p

46、olymerization,condensation polymerization,開環(huán)聚合,,雜鏈聚合物,按聚合機理分類,,鏈式聚合,逐步聚合,chain polymerization,step polymerization,,鏈式聚合 加成聚合（加聚反應(yīng)） 堿催化的尼龍6的開環(huán)聚合 陰離子的活性聚合大部分縮聚反應(yīng) 逐步加聚反應(yīng)（聚氨酯） 加成縮合

47、（酚醛樹脂） 氧化偶合（聚對二甲苯） 酸催化尼龍6的開環(huán)聚合,4.3 高聚物分子運動的特點,4.3.1 運動單元的多重性,,,1.整鏈的運動,以高分子鏈為一個整體作質(zhì)量中心的移動，即分子鏈間的相對位移。,聚合物加工中的流動,聚合物使用中的尺寸不穩(wěn)定性(塑性形變、永久形變),,,整鏈運動的結(jié)果,2.鏈段的運動,由于主鏈σ 鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使分子中一部分鏈段相對于另一部分鏈段而運動，但可以保持分子質(zhì)量中心不變

48、（宏觀上不發(fā)生塑性形變）。,高彈性：鏈段運動的結(jié)果（拉伸—回復(fù)）,流動性：鏈段協(xié)同運動，引起分子質(zhì)心位移,3.鏈節(jié)的運動,指高分子主鏈上幾個化學(xué)鍵（相當于鏈節(jié)）的協(xié)同運動，或雜鏈高分子的雜鏈節(jié)運動,4.側(cè)基、支鏈的運動,側(cè)基、支鏈相對于主鏈的擺動、轉(zhuǎn)動、自身的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。,4.3.2 分子運動的時間依賴性,物質(zhì)從一種平衡狀態(tài),與外界條件相適應(yīng)的另一種平衡狀態(tài),,外場作用下,通過分子運動,,低分子是瞬變過程,此過程只需10-9 ～ 10-

49、10 秒。,,高分子是速度過程,,需要時間,,松弛過程,4.3.3 分子運動的溫度依賴性,1.活化運動單元,溫度升高，增加了分子熱運動的能量，當達到某一運動單元運動所需的能量時，就激發(fā)這一運動單元的運動。,2.增加分子間的自由空間,溫度升高，高聚物發(fā)生體積膨脹，自由空間加大。當自由空間增加到某種運動單元所需的大小時，這一運動單元便可自由運動。,●線型非晶態(tài)高聚物的形變-溫度曲線,,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,D,E,Tb,T

50、g,Tf,T/℃,形變%,A-玻璃態(tài)B-過渡區(qū)C-高彈態(tài)D-過渡區(qū)E-黏流態(tài),Tb-脆化溫度；Tg-玻璃化溫度；Tf-黏流溫度,●線型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)的對比,4.4 高分子材料常規(guī)性能,彈性:材料在外力作用下保持和恢復(fù)固有形狀和尺寸的能力,塑性:是材料在外力作用下發(fā)生不可逆的永久變形的能力強度:是材料對變形和斷裂的抗力,壽命:是指材料在外力的長期或重復(fù)作用下抵抗損傷和失效 的能力,失效：材料在載荷與環(huán)境作