黃榮華動(dòng)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(gè)新的獨(dú)立的科學(xué)門(mén)類(lèi)，與物理、化學(xué)、力學(xué)、機(jī)械、冶金、化工等傳統(tǒng)科學(xué)門(mén)類(lèi)水乳交融，但是具有其獨(dú)特的鮮明的個(gè)性。也正是因?yàn)榕c各個(gè)傳統(tǒng)科學(xué)門(mén)類(lèi)水乳交融，材料學(xué)科在不同的場(chǎng)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(lái)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(lái)制成一些機(jī)器、器件、結(jié)

2、構(gòu)和產(chǎn)品” 。 美國(guó)科學(xué)院、美國(guó)工程院聯(lián)合編寫(xiě) 《材料：人類(lèi)的需求》,材料是可以用來(lái)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(lèi)社會(huì)所能夠接受的經(jīng)濟(jì)地制造有用器件的物質(zhì),1.1 分類(lèi),金屬材料 (Metal)鋼鐵材料、非鐵材料、合金有機(jī)高分子材料 (Polymer)天然的、合成的無(wú)機(jī)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(lèi),結(jié)構(gòu)材料 支撐件、連接件、傳動(dòng)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(yán)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(chēng)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(lèi),（1）按化學(xué)活潑性分類(lèi),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(diǎn),S區(qū)金屬原子半徑較大，多數(shù)熔點(diǎn)較低。 d 區(qū)金屬熔點(diǎn)大都較高。 VB -VIIB族金屬(除錳外)是高熔點(diǎn)金屬。,VB -VIIB族金屬熔點(diǎn)較高與它們的價(jià)電子較多且原子半徑較小有關(guān)；IIB金屬熔點(diǎn)較低與其無(wú)未成對(duì)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(shì)。,熔點(diǎn)最高的金屬是鎢，熔點(diǎn)最低的金屬是汞。,IIB族和P區(qū)金屬是低熔點(diǎn)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(duì)金屬的導(dǎo)電性能力影響很大，一般說(shuō)來(lái)，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(shí)，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(diǎn),

7、,鐵磁材料加熱到某一溫度時(shí)失去磁性，此點(diǎn)稱(chēng)為居里點(diǎn)。,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(qiáng)，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(jìn)行，而有的結(jié)構(gòu)非常致密，有效防止金屬的進(jìn)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(gè)因素有關(guān)： a.金屬電極電勢(shì) 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(qiáng)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(dòng)序或電極電勢(shì)來(lái)判斷。,a. 金屬活動(dòng)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(qiáng)堿反應(yīng)，主要取決于兩個(gè)因素：,a. 在強(qiáng)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(lèi)型 合金材料,(1)合金的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型,合金從結(jié)構(gòu)上可分為以下三種基本類(lèi)型：,①混合物合金,兩種或多種金屬的機(jī)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(shí)能相互溶解，而且凝固時(shí)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(fù)性和原子半徑差別較大時(shí)所形成的金屬化合物。 通常分為正常價(jià)化合物和電子化合物。,正常價(jià)化合物：,金屬原子間通過(guò)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(guò)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(qiáng)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(qiáng)度較高,韌性較好

12、 鐵軌 車(chē)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(jī)床車(chē)身,內(nèi)燃機(jī)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(jiān)硬制造高速切削

13、 車(chē)床的車(chē)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?jī)H次于鐵。 密度小，導(dǎo)電性好，常用鋁代替銅制造電線(xiàn)。 硬鋁合金: 加入少量銅、錳、鎂等金屬，再經(jīng)過(guò)熱處 理使其強(qiáng)度大為提高。俗稱(chēng)“鋼精”。 輕盈美觀 不易生銹

15、鋁合金強(qiáng)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(diǎn)：,a. 密度較小,b. 鈦合金強(qiáng)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(qiáng)度高，幾乎是鋁合金的5倍。熱處理后，它的強(qiáng)度與高強(qiáng)度鋼相當(dāng)，但密度僅為鋼的57%。,“空間金屬

16、”,美國(guó)新式戰(zhàn)斗機(jī)含鈦量大于90%,“深海金屬”,1977年，前蘇聯(lián)用3500多噸鈦制造 當(dāng)時(shí)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(wàn)噸 1962年,

17、 世界鈦生產(chǎn)量 10萬(wàn)噸 1972年, 世界鈦生產(chǎn)量 20萬(wàn)噸 目前，每年用于航天業(yè)的鈦大于1千噸。,未來(lái)的鋼鐵，21世紀(jì)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(jiǎn)稱(chēng)，指在一定外力作用下，使其幾何形態(tài)發(fā)生改變

18、。但當(dāng)加熱到某一溫度時(shí)，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(jì)劃研制出來(lái)數(shù)種被稱(chēng)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(huì)變回原來(lái)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(lái)在航天

19、器發(fā)射之后釋放太陽(yáng)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(xiàng)應(yīng)用就是控制牙齒移動(dòng)的正牙彈簧。另外一個(gè)使用形狀記憶合金技術(shù)的醫(yī)學(xué)儀器就是一個(gè)非常細(xì)的管子，這個(gè)管子可以插入血管里，到達(dá)損壞的血管之后再變回原來(lái)大小。,兩種特定金屬的合金，一種可以大量吸進(jìn)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(dòng)。 是開(kāi)發(fā)利用氫能源、分離精制高純氫的理想材料。,（5）儲(chǔ)氫合金,,,,,第三節(jié)：無(wú)機(jī)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(jiān)硬難熔的固體，熔沸點(diǎn)比較高，不溶于水，硬度比較大。,,,,什么是無(wú)機(jī)非金屬材料？,金屬材料和有機(jī)高分子材料以外的固體材料通稱(chēng)為無(wú)機(jī)非金屬材料。,主要特性：,熔點(diǎn)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(qiáng)度高。一般為脆性材料,傳統(tǒng)陶瓷,3.1 無(wú)

21、機(jī)非金屬材料的種類(lèi),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(jià)鍵（金剛石、Si3N4）以及離子鍵與共價(jià)鍵的混合鍵,以離子鍵結(jié)合的晶體稱(chēng)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(qiáng)度高、硬度高、熔點(diǎn)高、等特點(diǎn)。但這樣的晶體脆性大，無(wú)延展性，熱膨脹系數(shù)小，固態(tài)時(shí)絕緣，但熔融態(tài)可導(dǎo)電等特點(diǎn)。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(jià)鍵結(jié)合的晶體稱(chēng)為共價(jià)晶體。共價(jià)晶體具有方向性和飽和性，因而共價(jià)鍵晶體的原子堆積密度較低。共價(jià)鍵晶體具有強(qiáng)度高、硬度高、熔點(diǎn)高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)。但它脆性大，無(wú)延展性，熱膨脹系數(shù)小，固態(tài)、熔融態(tài)時(shí)都絕緣。最硬的金剛石、SiC、Si3N4、BN等材料都屬于共價(jià)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(lèi)似于玻璃。,玻璃相的作用是：熔點(diǎn)低，將分散的晶體相粘結(jié)起來(lái)，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(guò)程；阻止晶體轉(zhuǎn)變、

24、抑止晶粒長(zhǎng)大。,玻璃相對(duì)陶瓷強(qiáng)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(guò)程中單獨(dú)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(lái)填充，還有少部分殘留下來(lái)形成氣孔。,氣孔對(duì)陶瓷的性能是不利的。它降低材料的強(qiáng)度，是造成裂紋的根源。,3.2.2 陶瓷材料的性能特點(diǎn),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(jià)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(jià)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(qiáng)度強(qiáng)度,陶瓷材料的強(qiáng)度取決于鍵的結(jié)合力，理論強(qiáng)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(shí)際強(qiáng)度要比理論強(qiáng)度低100多倍。,陶瓷材料的強(qiáng)度也受晶粒大小的影響

26、。晶粒越細(xì)，強(qiáng)度越高。此外，陶瓷材料一般具有優(yōu)于金屬材料的高溫強(qiáng)度，高溫抗蠕變能力強(qiáng)，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(diǎn)。陶瓷材料受到載荷時(shí)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(kuò)展的過(guò)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(shí)擴(kuò)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(diǎn),陶瓷材料由離子鍵

27、和共價(jià)鍵結(jié)合，因此具有較高的熔點(diǎn)。,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^(guò)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(qiáng)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(chēng)電瓷，是作為隔電、機(jī)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(qiáng)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(lèi),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(diǎn)：化學(xué)穩(wěn)定性好、抗氧化性強(qiáng)、熔融溫度高、高溫強(qiáng)度高。,Al2O3陶瓷,ZrO2陶瓷,BeO陶瓷,MgO陶瓷,Al2O3陶瓷,Al2O3陶瓷又稱(chēng)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?jǐn)?shù)的增加，還出現(xiàn)莫來(lái)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(lái)石瓷和莫來(lái)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(qiáng)度高2。硬度高：機(jī)械加工磨料、磨具、切削工具等3。熔點(diǎn)高、抗腐蝕：耐火材料、爐管、熱電偶保護(hù)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(lèi),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(shí)，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(zhǎng)成晶面取向相同的晶粒，則這些晶粒平行結(jié)合起來(lái)使結(jié)晶成單晶硅。,單晶硅具有準(zhǔn)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(shí)，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(zhǎng)成晶面取向不同的晶粒，則這些晶粒結(jié)合起來(lái)，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(yuǎn)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(guò)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(yáng)能電池,（1）單晶硅太陽(yáng)能電池 制作單晶硅太陽(yáng)能電池的硅要求純度達(dá)99.999%以上。（2）多晶硅太陽(yáng)能電池 單晶硅太陽(yáng)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(guò)程中單晶硅的浪費(fèi)嚴(yán)重，近年來(lái)太陽(yáng)能電池材料正向利用多晶硅的方向發(fā)展。 多晶硅太陽(yáng)能電池的制作工藝與單晶硅太陽(yáng)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(yáng)能電池。但材料制造簡(jiǎn)便，生產(chǎn)成本低，因此發(fā)展迅速。,（3）非晶硅太陽(yáng)能電池 非晶硅太陽(yáng)能電池是近年來(lái)出現(xiàn)的新型薄膜式太陽(yáng)能電池，它制作簡(jiǎn)單，硅材料消耗很少。 日前非晶硅太陽(yáng)能電

37、池存在的問(wèn)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(yáng)能電池 多元化合物太陽(yáng)能電池指不是用單一元素半導(dǎo)體材料制成的太陽(yáng)能電池。現(xiàn)在各國(guó)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(yáng)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(yǔ)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(dá)幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)，甚至上百萬(wàn)，范圍在104～106,什么是高分子？,合成聚合物的起始原料稱(chēng)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(tuán)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)單元（Structure unit）,聚合,一個(gè)大分子往往是由許多相同的、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)單元通過(guò)共價(jià)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(xiě)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(guò)程往往要經(jīng)過(guò)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(qiáng)度,可抽絲、能制膜,1.分子量大,,常用的聚合物的分子量（萬(wàn)）,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(xiàn),以被分離的各級(jí)分的重量分率對(duì)平均分子量作圖，得到分子量重量分率分布曲線(xiàn)?？赏ㄟ^(guò)曲線(xiàn)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(lèi),1 命名,以單體名稱(chēng)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(jiǎn)名，在后面加“樹(shù)脂” 、“橡膠”二字 如 苯酚 甲醛

42、 酚醛樹(shù)脂 尿素 甲醛 脲醛樹(shù)脂 甘油 鄰苯二甲酸酐 醇酸樹(shù)脂 丁二烯 苯乙烯 丁苯橡膠,商品名 合成纖維最普遍，我國(guó)以“綸”作為合成纖維的后綴 滌綸 聚對(duì)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(gè)數(shù)字表示二元胺的碳原子數(shù)第二個(gè)數(shù)字表示二元酸的碳原子數(shù)只附一個(gè)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(jí)單元（subunit）的次序，兩個(gè)原則: 對(duì)乙烯基聚合物，先寫(xiě)有取代基的部分 連接元素最少的次級(jí)單元寫(xiě)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(lèi)根據(jù)材料的性能和用途分類(lèi),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(tuán)，并具有可逆或不可逆的物理功能或化學(xué)活性的一類(lèi)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(guó)民經(jīng)濟(jì)、人民生活關(guān)系密切故稱(chēng)為“三大合成材料”,,通常所說(shuō)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(lèi)型分類(lèi),addition p

46、olymerization,condensation polymerization,開(kāi)環(huán)聚合,,雜鏈聚合物,按聚合機(jī)理分類(lèi),,鏈?zhǔn)骄酆?逐步聚合,chain polymerization,step polymerization,,鏈?zhǔn)骄酆?加成聚合（加聚反應(yīng)） 堿催化的尼龍6的開(kāi)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(shù)脂） 氧化偶合（聚對(duì)二甲苯） 酸催化尼龍6的開(kāi)環(huán)聚合,4.3 高聚物分子運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),4.3.1 運(yùn)動(dòng)單元的多重性,,,1.整鏈的運(yùn)動(dòng),以高分子鏈為一個(gè)整體作質(zhì)量中心的移動(dòng)，即分子鏈間的相對(duì)位移。,聚合物加工中的流動(dòng),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(yùn)動(dòng)的結(jié)果,2.鏈段的運(yùn)動(dòng),由于主鏈σ 鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使分子中一部分鏈段相對(duì)于另一部分鏈段而運(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)的結(jié)果（拉伸—回復(fù)）,流動(dòng)性：鏈段協(xié)同運(yùn)動(dòng)，引起分子質(zhì)心位移,3.鏈節(jié)的運(yùn)動(dòng),指高分子主鏈上幾個(gè)化學(xué)鍵（相當(dāng)于鏈節(jié)）的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，或雜鏈高分子的雜鏈節(jié)運(yùn)動(dòng),4.側(cè)基、支鏈的運(yùn)動(dòng),側(cè)基、支鏈相對(duì)于主鏈的擺動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、自身的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。,4.3.2 分子運(yùn)動(dòng)的時(shí)間依賴(lài)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(chǎng)作用下,通過(guò)分子運(yùn)動(dòng),,低分子是瞬變過(guò)程,此過(guò)程只需10-9 ～ 10-

49、10 秒。,,高分子是速度過(guò)程,,需要時(shí)間,,松弛過(guò)程,4.3.3 分子運(yùn)動(dòng)的溫度依賴(lài)性,1.活化運(yùn)動(dòng)單元,溫度升高，增加了分子熱運(yùn)動(dòng)的能量，當(dāng)達(dá)到某一運(yùn)動(dòng)單元運(yùn)動(dòng)所需的能量時(shí)，就激發(fā)這一運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)。,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(dāng)自由空間增加到某種運(yùn)動(dòng)單元所需的大小時(shí)，這一運(yùn)動(dòng)單元便可自由運(yùn)動(dòng)。,●線(xiàn)型非晶態(tài)高聚物的形變-溫度曲線(xiàn),,,,,,,,,,,,,,,A,B,C,D,E,Tb,T

50、g,Tf,T/℃,形變%,A-玻璃態(tài)B-過(guò)渡區(qū)C-高彈態(tài)D-過(guò)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(xiàn)型非晶態(tài)高聚物的三種物理狀態(tài)的對(duì)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(qiáng)度:是材料對(duì)變形和斷裂的抗力,壽命:是指材料在外力的長(zhǎng)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