大学化学第03章-材料化学基础

2021/1/11第3章材料化学Chapter3MaterialChemistry2021/1/12我国当前注重发展的十个新领域电子与信息技术生物技术新型材料技术新能源与高效节能技术光-机-电一体化技术医药与医学工程技术环境保护技术航空航天技术地球、空间及海洋技术核应用技术2021/1/13材料是科技进步的核心建筑、交通、能源、计算机、通信、多媒体、生物医学工程等，无一不依赖材料科学与技术的发展来实现和突破没有钢铁材料，就没有今天的高楼大厦没有专门为喷气发动机设计的材料，就没有靠飞机旅行的今天没有耐高温复合涂层材料，就没有人类探索外空的飞船没有固体微电子电路，就没有计算机2021/1/14材料的分类按出现的先后:传统材料和新型材料按用途不同:结构材料和功能材料按化学组成和特性不同:金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料结构材料:指以力学性能为基础，以制造受力构件所用材料.当然，其对物理或化学性能也有一定要求，如光泽、抗腐蚀、抗氧化等。功能材料:指具有优良的电学、磁学、光学、热学、生物医学等功能，主要用来制造各种功能元器件。2021/1/15本章概要3.1金属材料3.1.1金属单质的物理化学性质;3.1.2钢铁;3.1.3铝及其合金;3.1.4铬,钛,锰;3.1.5合金;3.1.6金属结构材料3.2无机非金属材料3.2.1水泥;3.2.2陶瓷材料;3.2.3玻璃3.3纳米材料3.4有机高分子材料3.4.1有机高分子化合物（聚合物）的定义;3.4.2有机高分子化合物的合成;3.4.3有机高分子化合物的结构与性能;3.4.4一些重要的合成高分子聚合物3.5复合材料2021/1/16复习：第09章（p162~p180）预习：第10章（p182~p196）：9.1；9.8；9.12；9.13作业2021/1/173.1金属材料（MetalicMaterial）3.1.1金属单质的物理化学性质3.1.1.1金属在周期表中的位置与金属性的大小HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRfDbSgBhHsMt2021/1/183.1.1.2金属的分类按颜色来分黑色金属（铁、锰、铬及其合金）有色金属（金、银、铜、铝，等）按密度来分轻金属（d5g/cm3，如铝、钠、钾，等）重金属（d5g/cm3，铜、铁、锌、铅，等）按丰度来分基本金属（铝、铁、钙、钠，等）稀有金属（含量少,分布散,发现晚,提取难）按稳定性来分活泼金属（铁、铝、钠、钙，等）贵金属（性质稳定,含量少,如金,银,铂,等）放射性金属（能自发衰变的金属,如镭,等）2021/1/193.1.1.3金属单质的物理性质导电性与导热性：由于金属原子的价电子的电离能较低，在外界环境（温度梯度、电场，等）的影响下，价电子可脱离原子，在晶格中自由运动，称为自由电子。自由电子是金属导热与导电的基础。延展性：金属的延展性与金属中化学键的类型与强度有关。金属中的化学键是金属键，属离域键。因此金属具有良好的延展性？。(金属晶体受外力作用时，金属键瞬间发生断开，但自由电子随时补充形成金属键)2021/1/110离子化合物，有无延展性？++－－++－－++－－++－－位错++－－++－－++－－++－－F离子晶体，受力时发生错位，使正正离子相切，负负离子相切，彼此排斥，离子键失去作用，故离子晶体无延展性。2021/1/1113.1.1.4金属元素的化学性质金属元素的化学性质很多。在此只讨论与材料应用有关的化学性质。金属与空气中氧的作用：金属的还原性越强，越易与氧作用。其与氧反应的剧烈程度与其金属性顺序一致:mM+(n/2)O2MmOn碱金属、碱土金属、Al、Zn、Fe等均易与氧反应；Cr、Cu、Mo等与氧的反应速度较慢；Ti、Ag、Au、Pt等不与空气中的氧反应。2021/1/112钝化作用：如果所生成的氧化物均匀而致密，则可阻止金属与氧的进一步接触和氧化，对金属起到了保护作用，这个过程叫钝化。如Na、Al、Zn、Cr等的氧化物。金属与水的作用：许多金属（碱金属、碱土金属、Fe、Al、Zn等）都能与水发生不同程度的作用，生成相应的氢氧化物和氢气：M+nH2OM(OH)n+(n/2)H2(g)如果所生成的氢氧化物均匀、致密且不溶于水，则可阻止金属与水的进一步接触和反应，对金属起到了保护作用。如Al、Zn等的氧化物。2021/1/113应用广泛的金属材料?2021/1/114军事上离不开?F-18大黄蜂战斗机我军陆战王牌-99式主战坦克海军109驱逐舰中国九五式突击步枪2021/1/115神五神六神七2021/1/116我们的生活中也离不开？大桥汽车生活用品磁悬浮列车2021/1/117应用广泛的金属材料—钢铁、铝合金2021/1/1183.1.2钢铁（Ironandsteel）铁是一种有磁性和延展性的银白色金属。在地壳中的含量约为5%，居第4位。在室温下可与水反应；在潮湿空气中容易生锈，氧化物性脆、不致密。掺入杂质可改变其性能。铁在自然界的存在形式？2021/1/119黄铁矿—FeS2（愚人金）磁铁矿—Fe3O4褐铁矿—2Fe2O3.3H2O菱铁矿—FeCO3赤铁矿—Fe2O3铁在自然界的存在：以氧化物、硫化物形式存在如何冶炼铁？2021/1/1203.1.2.1钢铁的冶炼选矿：铁矿砂主要分为磁铁矿、赤铁矿、褐铁矿、菱铁矿四种。含铁量在60%以上的铁矿称为富铁矿。矿石名称理论含铁量%颜色强度及还原性磁铁矿(Fe3O4)72.4黑或灰坚硬、致密、难赤铁矿(Fe2O3)70.0红或浅灰软、易破碎、易褐铁矿(mFe2O3.nH2O)55.2~66.1黄褐疏松、易菱铁矿(FeCO3)48.2灰、黄褐易破碎、烧后易2021/1/121炼铣：铁矿砂在高炉中提炼成铁的过程称为炼铣(铸铁)。炼铣时，自高炉上方将铁矿砂、焦炭、石灰石等交互投入，热风炉加热过的空气由高炉下部吹入，炉内焦炭燃烧生成CO2,达到1500℃高温，继续反应产生一氧化碳自炉中上升，并把铁矿砂还原成铁，杂质SiO2反应成CaSiO3。2021/1/122高炉熔出的铣铁碳含量在3%以上，硅、磷、硫等不纯物多，产品既硬且脆。炼钢炼钢：炼钢是减低杂质含量并使材料具有强韧性质的过程。炼钢主要原理：在高温下用氧气或铁的氧化物把生铁中所含的过量的碳和其它杂质转变为气体或炉渣除去。2021/1/123炼钢原料：除铣铁、废钢外，还有去除不纯物用的熔剂(生石灰、萤石、脱氧剂合金铁)等，使钢的品质提高。炼钢方法：主要有转炉、电炉、平炉三种。转炉用以熔铣，电炉以废钢为主原料，平炉使用铣铁和废钢。2021/1/124钢铁具有延展性，易加工成型；提高铁纯度、加入极少量其它物质、热处理等均可使物性变硬或软。钢铁的缺点是会生锈。为避免钢铁制品与空气中的氧接触，一般都采用涂装物、镀锌等，或熔炼时添加镍、铬等制成不锈钢。2021/1/1253.1.2.3钢铁按化学成份的分类生铁(铸铁)：含碳量2%的铁-碳合金灰口铁：铁水缓慢冷却时，Fe3C分解为铁和石墨，断口为灰色。灰口铁柔软有韧性，可用于切削加工和浇铸成型。白口铁：铁水骤冷时，Fe3C来不及分解，断口为白色。白口铁质硬性脆，主要用来炼钢。球墨铸铁：向铁水中加入少量镁或稀土金属，可使生铁中的碳变成球形。球墨铸铁的铸造性能优于灰口铁。2021/1/126碳钢：低碳钢C≤0.25%；中碳钢C=0.25~0.60%；高碳钢C=0.60~2.0%；合金钢：低合金钢(合金元素总含量≤5%)；中合金钢(=5~10%)；高合金钢(＞10%)。不锈钢：C0.2%,Cr=12~22%,Ni=5~10%,Mo=0~4%2021/1/1273.1.2.2钢铁的热处理退火：将钢加热到发生相变或部分相变的温度并保温一段时间，然后慢慢冷却的过程。退火的目的：消除组织缺陷、成分均匀、提高钢的力学性能、减少残余应力、降低硬度、提高塑性和韧性，改善切削加工性能。2021/1/128淬火：是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低急速冷却，而获得某种不平衡组织的热处理方法。淬火能增加钢的强度和硬度，减少其塑性。常用的淬火剂：水、油、碱水和盐类溶液等。退火和淬火的方法和作用相反2021/1/129回火：将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却。目的：消除淬火产生的内应力，降低硬度和脆性，达到预期的力学性能。回火分为：高温回火、中温回火和低温回火三类。回火多与淬火配合使用2021/1/130表面热处理表面淬火：是将钢件的表面通过快速加热到临界温度以上，但热量还未来得及传到中心部之前迅速冷却，这样就可以把表面层被淬在马氏体组织，而中心部没有发生相变，这就实现了表面脆硬而中心部不变的目的。适用于中碳钢。2021/1/131化学表面热处理：是指将化学元素的原子，借助高温时原子扩散的能力，把它渗入到工件的表面层去，来改变工件表面层的化学成分和结构，从而达到使钢的表面层具有特定要求的组织和性能的一种热处理工艺。按照渗入元素的种类不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、氰化和渗金属法等四种。（内部柔软，外部刚硬）2021/1/132♠渗碳：渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。♠渗氮：又称氮化，是指向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面层的硬度与耐磨性以及提高疲劳强度、抗腐蚀性等。目前生产中多采用气体渗氮法。2021/1/133♠氰化：又称碳氮共渗，是指在钢中同时渗入碳原子与氮原子的过程。它使钢表面同时具有渗碳与渗氮的特性。♠渗金属：是指以金属原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。生产中常用的有渗铝、渗铬、渗硼、渗硅等。（外部不锈钢，内部不变。成本低，效果好，性价比高）2021/1/134钢铁联合企业工艺流程2021/1/1353.1.3铝（Aluminium）及其合金3.1.3.1铝的基本性质铝为银白色轻金属。在地壳中的含量为8%，仅次于O和Si居第三。密度低、来源广、耐腐蚀、导电导热性好。在干燥空气中易与氧作用生成致密氧化膜(Al2O3),该膜不溶于水,可吸附染料而着色。2021/1/1363.1.3.2铝的冶炼氧化铝主要用拜耳法生产：用苛性钠溶液加温加压溶出矿中的氧化铝得铝酸钠溶液，分离残渣后，降温，加入氢氧化铝作晶种，搅拌、析出氢氧化铝，再洗净、煅烧即得氧化铝。2021/1/137铝电解是使直流电通过以氧化铝为原料、冰晶石（六氟铝酸钠,Na3AlF6）为熔剂组成的电解质，铝液在阴极上析出，汇集于电解槽槽底，吸出后经净化、澄清然后铸成铝锭。3.1.3.3铝合金铝是轻质合金的基本成分。加入铜、镁、锌、锂等金属，可大大提高合金的强度，广泛应用于飞机、航天、建筑等领域。2021/1/138铝合金的主要应用领域战机舰船人造卫星2021/1/1393.1.4铬(Chromium),锰(Manganese),钛(Titanium)铬为钢灰色金属，在地壳中的含量为0.01%，居第17位。有很强的还原性，在一定的条件下所形成的氧化膜具极高惰性，不溶于酸、碱、王水，因而是不锈钢的基本组分。铬化合物是常用的无机颜料。锰是钢灰色硬脆性金属，在地壳中的含量为0.085%。在空气中易被氧化。与铁形成的锰铁合金（锰钢）具有很高的硬度，可用做设备的耐磨部件。2021/1/140钛是一种低密度、质软、有延展性的金属，在地壳中的含量为0.6%，居第9位。钛易被氧化而在表面形成极致密氧化膜，该氧化膜具有