现代化学与新材料技术.doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除第三章 现代化学与新材料技术学习目标： 1. 了解：现代化学发展特点和研究内容；几种传统材料的特性和应用；新材料技术的发展趋势和战略。 2. 理解：几种常规的化学分析方法；一些新材料的优异性能和应用。 3. STS：领悟化学科学发展对社会进步和新材料技术发展的作用。学习过程： 材料是人们用来制造有用物品的各种物质。材料是人类生产和生活活动的物质基础，也是社会生产力的重要因素。早在史前，原始人类在与自然抗争过程中，学会了使用原始的材料。可以说人类使用材料的历史与人类社会文明史一样地悠悠久长。自从人类发现了火种以后，化学工艺对材料的发展和应用就起着重

2、要的作用。随着化学和其他学科的发展，人类使用的材料逐渐发展形成了金属材料，非金属材料和有机高分子材料等庞大的材料体系。 一、 现代化学的特点与发展 我们已经知道，化学是一门在分子、原子水平上研究物质组成、结构和性能的辩证关系，以及物质、能量转化规律的科学。化学也是一门满足社会需要的中心科学，在现代社会中，化学对材料、能源、农业、资源的开发，满足和改善人民生活，促进社会生产发展都有着巨大的作用。当然，化学过程产生的化学物质对环境的污染，也引起了各种各样的社会问题。那么，现代化学是如何发展的呢？02：55 （一）现代化学发展的历程 化学的发展，经历了很长的历史时期。 1、古代化学的产生 大约五十万

3、年以前，人类发明了“钻木取火”，掌握了人工取火的技术。火的利用是人类最早的一项化学实践活动，也是人类最早知道的一种化学现象，它为人们以后研究和实现一系列物质的化学变化创造了条件。古代化学是一种实用化学，由它产生的制陶，金属冶炼，火药制造，染色，酿酒等化学工艺，几乎成为古代社会生产力发展的最重要的因素。古代人们在实践的基础上，掌握了过滤、溶解、结晶、升华和熔融等化学技术的同时，对物质也有了总体的认识，产生诸多的物质观点，如我国战国时期的“五行说”，古希腊亚里斯多德的“四素说”等，这些化学制作工艺和学说，积累了大量的操作经验和化学知识，为近代化学的发展奠定了基础。 2、近代化学的建立 16世纪末至

4、17世纪初，化学理论逐渐建立，英国化学家和物理学家波义耳，在1661年，首次提出了科学的元素新概念，把化学确立为一门实验科学。之后，法国化学家拉瓦锡在大量的实验基础上，提出氧化说，使化学基本理论和基本研究方法发生了重大变革。由此，化学走向近代定量科学，一系列有关物质变化定量规律，如质量守恒定律，当量定律被发现。特别是英国化学家和物理学家道尔顿的科学原子说，第一次将化学实验总结的规律与物质的原子构成的观点联系起来，使化学进入了一直持续至今的原子说为主线的新时期。意大利化学家阿佛加德罗的分子假说，俄国化学家门捷列夫在1869年发现的元素周期律，使化学研究从个别的、零散的和无规律的事实罗列中摆脱出来

5、，奠定了现代化学的基础，近代化学科学逐渐形成了包括：近代无机化学、近代有机化学、近代分析化学和近代物理化学四大独立的分支科学体系。 3、现代化学的形成 二十世纪初，物理学科的新发现和新技术特别是相对论和量子力学为现代化学进一步发展概念和定量描述提供了理论依据，将化学和整个自然科学的研究，推进到更深的层次上。化学分支不断涌现，化学朝着深、细、精，多学科、综合化的方向发展。与此同时，现代化学工业的蓬勃发展，化学工业和产品，在人类生活和经济活动中具有越来越重要的地位和作用，如化肥增产，使农业丰收；化学工业的发展，使新材料层出不穷。特别是20世纪20年代以后出现的有机合成工业的发展，更加丰富了现代人们

6、的生活。08：40 （二）现代化学研究的特点和内容 1、现代化学的特点 现代化学有如下特点：研究层面由宏观向微观发展。研究方法由定性向定量发展。研究对象由静态向动态发展研究结果由描述性向推理性发展。这些特点表明了现代化学总的发展趋势是既高度分化又高度综合。 现代化学一方面，从自身产生了很多新的学科分支，如：无机固体化学、配合物化学、分子动力学等。另一方面，又与其他自然科学相互渗透交叉，形成一系列新的边缘学科，如：生物化学、和化学、地球化学、环境化学等。 2、现代化学研究的内容 现代化学研究的内容可以归纳为三个方面：第一是深入研究化学反应理论，开发化学反应过程来揭示化学反应的实质，进而设计最佳的

7、化学反应过程。第二是提高结构力量水平，致力于寻找或设计最需要、最佳的化合物材料或体系。第三，发展分析和测试新方法，依靠计算机技术及多学科综合，使化学研究信息趋于更高的灵敏性和可靠性，为高科技发展创造新分子，为社会需要合成特定性能的材料和物质。 3、现代化学研究的方法 现代化学研究不仅要综合其他自然科学的理论成果，而且还要综合运用其他自然科学的研究方法。现代化学需要多学科知识的综合、众多高深理论作指南、依靠多种专业人员细密分工和合作，用多种精密仪器设备作检测的手段。其研究的方法，必要博采众长，协同多学科合作进行，以整体思维来思考。11：35 （三）现代化学分析技术 1、基础化学分析技术 在近代建

8、立的分析化学是一门研究物质化学组成的科学，它有两大任务，一是定性分析，主要是确定被测物质有哪些组分组成的。二是定量分析，主要是确定这些组分相对含量。 定性分析：定性分析是应用物质的化学反应将被测组分转化为有特殊性质的新物质，通过观察其生成物有无气体，沉淀或有色物质等特征的产生，来推断被测物中某种组分的存在。主要的分析步骤：对试样进行外表观察。如兰色液体，可能含有二价铜离子。样品准备。有取样、研磨、缩分，最后配成溶液。阳离子检验。常见阳离子有23种，通过不同的化学反应来坚定。阴离子检验。常见阴离子有12种，用特殊的化学反应来推断。 定量分析 定量分析有经典化学分析法和仪器分析法两大类。经典定量分

9、析法是应用沉淀反应，中和反应、氧化还原反应或络合反应的原理，对已知组分含量进行测定。应用沉淀反应原理的分析方法，称为重量分析法，它是将被分析物质转化为一定的称量形式，然后根据物质的量的关系来推算被分析物质某组分的含量。应用中和反应，氧化还原反应或络合反应原理的方法，可统称为容量分析法或滴定分析法。它是用一种已知准确浓度的试液，滴加到被测物质的溶液中，直到完全定量反应为止。根据试剂溶液的浓度和用量，来推算被测物质的含量。通常我们把这种已知准确浓度的试液叫滴定剂，将滴定剂用滴定管滴加到被测物质溶液中的过程叫滴定。在滴定过程中，常需要选择一种指示剂，用指示剂的变色点（也叫滴定终点）来确定是否达到完全

10、定量化学反应。因为滴定终点不一定恰好就是反应的等物质的量点，因此，容量分析的误差很大程度上与指示剂的选择有关。 2、仪器分析法 仪器分析是现代发展起来的一种分析方法，它大多要借助一定的仪器设备，根据物质的物理或物理化学的性质，来测定某种组分的方法。故又称为物理化学分析法或物理分析法。仪器分析法具有操作简便、快捷、准确等优点，特别对于含量很低的组分的测定，更有独特之处。仪器分析法有很多种，常用的有以下5种： 光谱分析法，它是根据物质发射，吸收电磁辐射，以及物质与电磁辐射的相互作用来进行分析的一种方法。根据电磁辐射的本质，光谱分析法可分为分子光谱和原子光谱。根据辐射能量传递的方式不同，光谱分析法又

11、可分为发射光谱、吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱等。 色谱法，它是一种分离技术，它的分离原理是使混合物中各组分在固定相和流动相两相中分配。当流动相中的混合物经过固定相时，就会与固定相发生作用，由于试样的各组分在结构和性质上的差异，它们与固定相作用的大小、强弱也不同。我们根据被测组分在两相间进行分离作用的差异，进行定性和定量分析。色谱分析法按流动相的物态不同，可分为气相色谱和液相色谱。 电化学分析法，它是利用物质的电学及电化学性质来进行分析的方法。电化学分析法可分为三种类型：一是在特定的实验条件下，通过被测溶液浓度与物理量的关系来测定的，如离子选择性电极分析法和伏安分析法。二是在溶液中，根据一些物理

12、量的突变来作为滴定终点指示的电容量法。如：电位滴定、电流滴定、电导滴定。三是将被测组分通过电极反应转化固态的金属或金属氧化物，并根据析出金属或氧化物的质量来确定该组分的方法，如：电解分析法。 质谱分析法，它是现代物理与化学使用的极为重要的工具。它的基本原理是试样在离子源中电离后，产生各种带正电荷的离子，它们在加速电场的作用下，形成离子束射入质量分析器。在磁场的作用下，离子作等速圆周运动并分离，然后，由记录系统得到质谱图，根据质谱图上谱线的位置及相应离子的电荷数进行定性分析，再根据谱线黑度或相应离子流的相对强度，进行定量分析。 核磁共振波谱分析法，它也是现代仪器分析的重要方法之一，它的基本原理是

13、在强磁场的激励下，根据一些具有某些磁性的原子核对高频无线电电波的共振吸收，来推断被测物的分子结构。二、 化学与材料 在现代社会中，化学是一门中心学科，它与社会多方面需求相关，人们的衣食住行、健康生活，工农业生产、国防建设、环境保护都与化学有关。 化学又是一门创造性的科学，创造新药物、合成新材料和进行分子设计，都是现代化学最富有创造力的工作。 化学还是一门实用科学，人类社会使用的物质和材料，大多是通过化学过程来获得的，化学对材料的使用和发展有着重大的贡献。 我们介绍几种常用的材料以及它们的一些性质和应用。 （一）金属与金属材料 1、金属 目前，我们已知的元素有109种，其中金属有87种。除汞以外

14、，所有金属都是固体。金属具有“自由电子”，它在金属晶体中能自由流动。我们熟知的金属具有特殊的金属光泽、是热和电的良导体等性质，很大程度上与金属晶体结构有自由电子有关。如：自由电子能吸收可见光，然后又反射出大部分频率的光，使金属显示特有光泽。自由电子在外电场的作用下，作定向流动，形成电流，这就是金属导电的原因。自由电子受热后，能量增大，运动速度也加大，它与金属离子碰撞而传递能量，从而使金属具有良好的导热性等。自由电子把金属原子或离子结合在一起，这种结合力叫金属键，金属原子、离子和自由电子组成金属晶体。金属在形成晶体时，最常见的有三种：体心立方晶格、面心立方紧堆晶格和六方紧堆晶格。 在冶金工业上，

15、我们把金属分为两大类。一类为黑色金属，指铁、铬、锰及其合金。另一类为有色金属，除去黑色金属之外其他金属都是有色金属。有色金属又可分为四类：重金属，密度大于5g/cm3的金属，如：铜（Cu）、铅（Pb）、镍（Ni）等。轻金属，密度小于5g/cm3的金属，如：钾（K）、钠（Na）、镁（Mg）等。贵金属，指地壳中含量少，价格贵的，指金（Au）、银（Ag）和铂（Pt）和铂系。稀有金属，指在自然界含量少，分布稀散的金属。如：铍（Be）、钒（V）、铬（Cr）等。 大多金属元素的原子最外层只有3个以下的电子，在反应时，它们倾向于失去电子，因而，显示出还原性。但是，不同金属原子失去电子难易程度是不相同的。活泼

16、金属如：钠在常温下就能与水反应放出氢气。 2 Na + 2 H2O = 2 NaOH + H2而镁却只能在热水（或水蒸气）中才能反应 Mg + 2 H2O（g） = Mg（OH）2 + H2活泼金属能与稀硫酸和盐酸反应，产生氢气，如 Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2不活泼金属则不能反应，但却能与硝酸和浓硫酸反应，反应的结果不产生氢气，如 4 HNO3（浓）+ Cu = Cu（NO3）2+ 2 H2O + 2 NO2 在常温下， 钾、纳、钙等活泼金属，在空气中即能被氧化，而不活泼金属必须在加热时，才会发生氧化反应。大多金属不能与碱反应，但也有两性的金属如：锌、铝，既可与酸反应，又可与

17、碱反应，如： 2 Al + 2 NaOH + 2 H2O = 2 NaAlO2 + 3 H2 2、常见金属材料 金属是人类历史上使用最早的材料之一，直到20世纪中叶，金属材料也一直在材料中占绝对优势。因为金属材料有如下的优势：（1）几千年以来有一套成熟的生产技术和庞大的生产能力，如钢铁工业。（2）金属有许多优良的理化性能，形成其他材料不能完全替代的使用优势，如：比陶瓷高得多的韧性，磁性和导电性等。（3）近、现代高新技术创新，产生出许多新的金属材料，如优质钢、高强度钢、各种合金和新金属材料等 目前，人们生产和生活应用最多的金属材料仍是钢铁、铜和铝。钢铁。我们所说的钢铁其实是铁碳合金，它们的主要成

18、分是铁。铁元素位于元素周期表中第四周期第族，它在化学反应中常易失去2个电子或3个电子，因此，铁元素具有两种化合价，为Fe2+或Fe3+。一般，纯铁实用价值很差，而钢铁的用途就非常广。钢铁按含碳量的多少可分为生铁、熟铁和钢三类，它们在性质上有较大的差别。表3-1是钢、生铁、熟铁的性质和用途。 钢又可分为碳素钢和合金钢两大类。合金钢也称特种钢，它是在普通的钢中加入一种或几种合金元素，得到的具有特殊性能的钢种。表3-2是常用合金钢性质和用途 铜和铝。铜是人类历史上使用最早的金属。铜元素位于元素周期表中第四周期第B族，它在化学反应中常易失去二个电子，形成Cu2+。纯铜是紫色的金属，有良好的延展性，它的

19、导电性和导热性在金属中仅次于银，因为具有价格上的优势，电器工业的电线、电缆等输电线路主要用铜。 铜合金可分为黄铜、青铜、白铜三类。表3-3是它们的组成、性能和用途。 铝位于元素周期表中第三周期A族，在化学反应中易失去3个电子，形成Al3+。纯铝是一种银白色的金属，有良好的导电、导热性，具有良好的延展性，可拉成细丝，能展成0.01mm甚至更薄的铝片，广泛用于电气工业、生活等方面。铝具有两性，既可与酸反应，又可与碱反应，因此，在生活中，我们使用铝制品时不宜煮酸性食物，也不宜用碱洗涤。铝的化学性质较为活泼，铝制品也不宜长期盛含咸盐的物质。铝在空气中易生成致密氧化膜，这层氧化膜可保护内部铝不再继续氧化

20、，因此，擦洗铝制品时，不宜用硬质工具磨擦。34：00（二）非金属与非金属材料1、 非金属 目前，我们已知的非金属元素，共22种。除氢以外，它们的原子最外层的价电子为37个，它们大多在化学反应中倾向于得到电子而显示氧化性。非金属元素形成单质主要有两种情况，一种是分子晶体，另一种是原子晶体。它们显示的性质各异，如分子晶体熔沸点较低，而原子晶体熔沸点较高等等。2、 非金属材料 玻璃 玻璃是一种无定型硅酸盐混合物。人们利用玻璃制造成各种各样的器皿、艺术品。玻璃是建筑业最基本的材料之一，它不仅可以用于采光、隔热，而且也可用于装饰。普通玻璃以石英砂（主要成分是二氧化硅），碳酸钠和碳酸钙共熔制成，俗称钠玻璃

21、。 如果以钾取代其中的钠，则可得到熔点较高和较耐化学作用的钾玻璃。用于实验室的耐高温的化学玻璃仪器。如果钠玻璃中的钠用铅代替，可制成高折光性和高比重的铅玻璃。在玻璃中加入少量有颜色的金属化合物，可制成彩色玻璃。在玻璃中加入AgBr并进行适当的热处理，可制成变色玻璃。它的变色原理是AgBr见光容易分解，在强光下，逐渐析出银原子，再聚集成较大的银粒，使玻璃变为深棕色，这种玻璃可挡住80%90%的光线。一旦强光消失，析出的银又转化为AgBr，玻璃会自动褪色，重新恢复透光性。用这种玻璃制成的变色镜，在强光下可保护人们的眼睛。 氢氟酸（HF）对玻璃有腐蚀作用，利用这个反应，可制成磨砂玻璃或在玻璃表面进行

22、蚀刻，制成工艺品等。 水泥。 水泥是建筑行业大量应用的硅酸盐材料。由石灰石（CaCO3）和粘土（主要是SiO2）烧结而成的是硅酸盐水泥，它的主要成分是硅酸三钙（3CaOSiO2）。 在调和水泥过程中，若添加石英砂（黄砂）形成俗称“三和土”的调和物，或在水泥内部置入钢筋（俗称钢筋水泥），则它的机械强度更大。 陶瓷。生产陶瓷的原料有天然矿物原料和通过化学方法制备的化工原料二种。天然矿物原料主要是粘土，主要化学成分是水合硅酸铝类。化工原料有K2O、Na2O、MgO、KNO3、Pb3O4等。陶与瓷的区别，主要是在原料配置和烧制温度不同。陶的原料是普通粘土，烧制温度约为8001000；瓷则选用纯净的粘土

23、（叫瓷土），加入长石（K2OAl2O36H2O）和石英（SiO2），在12001300高温烧制。陶瓷是一种重要的材料，用于工业、建筑、生活等，如室内装饰墙地砖、卫浴用品、茶具、器皿。据考古发现。我国10000年前已有陶器，3000年前商代已有原始瓷器，我国古代陶瓷制品是我国灿烂文化的一部分。39：45 （三）有机化合物和有机高分子材料 1、有机化合物 早期，人们认为有机物是从动植物体内获取的物质，是“有生机之物”，故称之为“有机化合物”，现在人们已经知道有机物可以由简单的无机物人工合成制取。组成有机物除了碳元素之外，还有氢、氧、氮、磷、硫和卤素等非金属元素，许多有机物还含有金属元素。从分子结构

24、上看，有机化合物可以看作碳氢化合物及其衍生物。有机物的种类很多，结构各不同，因而性质也各异，但一般地，有机物具有如下共性：通常情况下，有机物的熔、沸点较低，常以气体，低沸点的液体或低熔点的固体存在。大多有机物难溶于水，易溶于有机溶剂，符合化学上“相似相溶”原理。 绝大多数有机物具有热不稳定性，受热易分解，还较容易燃烧，燃烧后，有机分子中的碳、氢、氧、硫，最终的产物为二氧化碳、水、二氧化硫等。 2、有机高分子材料 高分子化合物的平均分子量比一般的化合物大很多，它们的分子量大约在几万到几十万之间。天然存在的有机高分子化合物有蚕丝、羊毛、纤维素等，它们很早就在为人类服务了。人工方法合成的有机高分子化

25、合物中，人们广泛应用的是塑料、合成纤维、合成橡胶等。 塑料。塑料，顾名思义是指可塑之材料。塑料的主要成分是合成树脂。合成树脂的基本原料是乙烯、丙稀、丁二稀、乙炔、苯、甲苯、二甲苯等低分子有机物，它们主要来源于石油、天然气、煤、电石、海盐等自然资源。我们在树脂中加一些辅助剂，可产生不同性能的塑料，来满足人们不同的需求。表3-4常用塑料和用途。全世界投产的塑料品种多达300余种。塑料以比重轻，强度高，化学性能稳定，电绝缘性好，耐磨擦，在一定的条件下，容易加工成型等优点，制成各种成品，进入千家万户。 合成纤维，用天然气，石油，煤、农副产品为原料制成单体，再聚合得到的可以纺纱织布的纤维叫合成纤维。合成

26、纤维可随人类需要具有更多的用途。表3-5是一些合成纤维种类及用途 合成橡胶。橡胶是指具有显著高弹性的一类高分子化合物，有天然橡胶和合成橡胶两类。天然橡胶可以从一些植物中获取。合成橡胶是以天然气、石油气中得到的丁二烯、异戊二烯，氯丁二烯等为单体，在一定的条件下聚合，并经硫化和加入填料后，制成的成品。合成橡胶有丁苯橡胶、氯丁橡胶、丁晴橡胶和丁基橡胶等多种，其中丁苯橡胶是产量最高、用途最广的一种合成橡胶。 合成橡胶制品各有不同的用途，如：丁苯橡胶耐水被大量用于制造汽车外胎和各种橡胶制品，氯丁橡胶多用于制造运输带，防毒面具，丁基橡胶是制造轮胎内胎和充气气球的材料。Vcd 600：33 三、 现代新材料

27、技术 20世纪50年代以来，科学技术的突飞猛进，新材料研究异常活跃。新材料技术既是高新技术的一部分，又时刻为高新技术服务。作为新材料技术具有以下的特点：它是知识密集、资金密集的新兴产业。它与高新技术发展关系密切，相互促进、相互依赖。新材料是高新技术发展必要的物质基础，也是当代高新技术革命的先导。新材料技术还是社会生产力发展水平和技术进步的标志。现代新材料主要从三种途径发展而来：一是从传统材料改进形成的，二是以现代科学技术研究成果逐步发展起来的，三是根据需要和要求设计的。我们下面介绍几种新材料。01：58（一）新金属材料 随着经济与技术的发展，金属材料正在不断地被开发和研制出性能更优异，又具有多

28、种特殊功能的新型材料。 超导材料一般地，人们是按材料的导电性能的差别，将材料分为绝缘体、半导体和良导体。金属材料作为良导体而被广泛用于输电线，金属导线存在一定的电阻，随着通过的电流量增大，因为电阻而产生热量，而且温度升高，金属导线的电阻将越来越大，这样，直接影响电力的输送效率和其他功能的发挥。人们期望能得到一种电阻极小，几乎为零的材料，来作为理想的输电材料。1911年，荷兰科学家卡麦林昂纳斯发现汞（水银），在当外界温度下降至4.2k时，汞的电阻似乎突然消失了。科学家把这种在一定条件下，能导致导电材料的电阻趋近于零的现象，称为“超导现象”。能产生电阻趋近于零现象的材料，称为“超导材料”。汞是最早

29、发现的超导材料，但它在常温下是一种液体，因而，无法作为结构和功能材料。人们经过不懈的努力，在20世纪60年代初，开始陆续发现了几百种超导材料，如：铌（9.2K）、铌鈦（9.8K）、铌三锡（23.2K）等。1968年以来，科学家把研究的重心放在致力于提高超导材料的临界温度领域：1986年底，美国研制了临界温度为40K的超导氧化物。1987年2月，华裔科学家朱经武和我国科学家赵惠贤，又将超导材料的临界温度提高到90K以上。1987年底，铊-钡-钙-铜-氧系材料，把临界温度提高到125K。有报道说，科学家还发现了308K（35）的常温超导现象，高临界温度超导材料发现，更具有广泛的应用价值和前景。 超

30、导材料是最理想的输电线材料，它能实现电能的远距离、高电流密度的无损输送。用超导材料制造电机，其质量可减轻90%，输出电流可提高20倍。 用超导材料制成的磁浮列车(图)3-2，这种列车在运行时，车身悬浮于铁轨上不接触铁轨，最高时速可达500-1000千米。 2、稀土材料在化学元素周期表中有一个系列叫镧系，共包括15种元素，加上钇、钪共17种金属元素，我们称为稀土元素。它们在自然界中的含量较少，化学性质非常相似，常在矿物中共生它们的氧化物一般都难溶于水，又都是金属，也称为稀土金属。稀土被称为材料工业的维生素，在普通的材料中加入少量稀土元素后，它的性能便可得到较大的改善。我国是世界第一大稀土生产国，

31、也是世界第二大稀土应用国。 冶金工业中，利用加入少量稀土元素来改善金属性能。石油化学工业中，用稀土制成的分子筛催化剂活性很高，是石油炼制中催化裂化工序的重要添加剂。军事工业中稀土材料制成的激光器，可用于激光测距与瞄准、激光通信与雷达等。 3、形状记忆合金在一定温度下，将这类合金先加工成型，然后改变外界温度（降温或升温），它可产生变形。一旦，外界温度重新回复到原来温度时，它立即可以恢复原状，犹如具有记忆过去形状的功能，故称其为形状记忆合金。形状记忆合金的“记忆力”与合金的晶体结构有关。迄今为止，已发现形状记忆合金有多种。 形状记忆合金在20世纪70年代，主要应用于紧固件，如“智能”型铆钉（图3-

32、3），外科各种骨整形和断骨的接骨板，齿科用的矫齿丝。形状记忆合金还可制成火灾自动报警器和自动灭火器。在航空航天方面, 形状记忆合金制成航天飞机的抛物面形通讯卫星天线。发射前，在临界温度下，将它叠成非常小的体积放入卫星内。进入太空后，将其取出置于相应位置，在太阳光照射下，温度升高，天线可恢复原抛物面形状。 4、贮氢合金氢具有单位质量释放能量高、无污染等优点，被公认为是21世纪最有希望的新能源。但在常温下，不纯的氢气遇明火会发生爆炸，因此，氢作为能源时，纯度要求非常高。1968年，人们发现某些合金具有吸收氢气的特性，如镁-镍合金，镧-镍合金。这类合金在一定温度和压力下可大量吸收氢气，其原因是合金中

33、的金属原子能与氢原子结合形成氢化物，把它贮藏起来。这是可逆反应，金属氢化物受热时，氢气又将释放出来。有一些贮氢合金吸收的氢气体积可达到自身体积的1000倍（标准状况），并可将氢提纯到99.9999%的超纯氢。 贮氢合金可用于氢动力汽车，它为开发无污染汽车提供了可靠的能量来源。贮氢合金在吸氢时会放热，在放出氢气时会吸热,人们利用这种放热吸热循环，进行热的贮存和传输，用做制冷或采暖设备等。 5、非晶态合金 一般，一种合金在常温时呈晶体状态。由于晶体内各晶粒之间存在着不同向的晶界，这在相当程度上会影响合金的各项性能。“非晶态合金”是指一些不仅能以晶体的形式存在，也可以非晶体的形式存在的合金，其晶态结

34、构类似于玻璃的无定形，它避免了合金结晶时固有的缺点，其机械性能和功能上有了新的突破。如；高硬度、耐腐蚀、优良的导磁率和吸氢性，称为“金属玻璃”。 非晶态合金，用制造的高强度电缆，可大大提高使用寿命。用它作磁性材料代替硅钢片作变压器铁芯，可使自身能量损失减少60%以上。非晶态合金还具有良好的化学性能，特别具有耐腐蚀性能，比起优质不锈钢，它的耐腐蚀要强100倍。15：45 （二）无机非金属材料 我们主要介绍新型陶瓷和特种无机涂层。 1、新型陶瓷 新型陶瓷的出现是陶瓷发展史上的一次革命性的变化。这种陶瓷粒度达到微米级，在结构上大多以共价键或离子键相结合，因此，高温下仍有高强度，并具有许多传统陶瓷没有

35、的特殊性能。 高温结构陶瓷高温结构陶瓷具有耐高温、耐腐蚀、耐摩擦和高强度的优异性质，它可以胜任一些严酷环境下的工作。如用这种陶瓷发动机汽车，在沙漠环境中长时间运行，发动机不必用水冷却，这种汽车作为沙漠用车具有独特的优势。 半导体陶瓷这类陶瓷具有半导体的特性，根据它们对环境中的气体、温度、湿度和光亮变化特有的敏感性不同，相应有热敏陶瓷、气敏陶瓷、湿敏陶瓷和光敏陶瓷等不同的种类。它们常用于制造陶瓷敏感器件及传感器件。如气敏陶瓷传感器可作燃气报警器。 生物相溶性陶瓷 也称为生物陶瓷。它具有特殊的生理行为，即有良好的生物相溶性，将它放入生物体内不会引起不良反应，是现有的任何别的材料无法替代的。常用于制

36、造人造骨骼和一些人体组织器官修复的材料。生物陶瓷植入人体后，可以逐渐被体内的酶降解，经过一定的时间会转化为自然骨。现在，生物陶瓷大体有三种类型：惰性生物陶瓷、表面活性生物陶瓷和可吸收生物陶瓷，这些生物陶瓷有很高的化学稳定性和持久耐用的寿命，是人体医学材料发展的重大突破。 2、特种无机涂层材料 这是一类具有高温防热、耐磨、乃腐蚀的功能涂料。 保护涂层 这些涂层涂于物体的表面，具有放热、隔热、耐腐蚀、防渗防漏的功能，起到保护被涂物，提高和延长被涂物在恶劣环境下的使用寿命。 装饰涂层随着真空镀膜和电镀工艺的发展，各种工程塑料经过涂料表面装饰以后，会产生仿金等效果的涂层，它们大量的应用于家用电器和轻工

37、产品。 功能涂层 一些无机非金属涂料具有光、电、磁、声等特殊功能，它们在被涂物上会发生不同的作用。例如，现代战争中使用的“隐形”飞机和坦克，它们“隐形”本领就是在表面覆盖一层吸波涂层，这种吸波涂层能吸收对方防空系统发射过来的雷达电磁波，或者改变雷达电磁波，使对方雷达得不到飞机和坦克的准确方位和距离等信号，或者产生一种错觉，这样，便可有效避免敌方的攻击和侦破，得以出奇制胜。（三）新型有机高分子材料 新型有机高分子材料已成为现代经济和国防的重要的基础材料。 （1）高性能塑料 工程塑料 工程塑料是指工程上作结构材料应用的塑料。它们有优于一般塑料的性能，如具有更高的强度和机械性能，可在较宽的环境温度下

38、使用等。常见的工程塑料有：聚甲醛（POM）；聚碳酸酯（PC）；聚酰胺（PA）；聚酯（PET或PBT）；聚苯酰（PPC）等。如聚甲醛具有高刚性和高硬度、低摩擦系数，自润滑（即不需要润滑油）和良好的耐疲劳等特性，被称为“最耐疲劳的塑料”。它特别适用于制造精密小齿轮、轴承轴套等。又如聚碳酸酯是一种具有特种性能的透明塑料，有“打不碎的玻璃”之称。它透明度高、密度小、坚韧、易于加工成型、抗冲击，用作超音速飞机上的风档夹层、天窗盖和舷窗。 特种塑料 特种塑料具有特别的功能，其价格昂贵，世界年消费量不大，但增长的速度却很快。常见特种塑料有聚四氟乙烯（PTEE）、聚酰亚胺（PI）、聚醚醚酮（PEEK）、聚苯硫

39、醚（PPS）、聚醚砜（PSF）和液晶聚合物（LCP）等。如聚四氟乙烯被称为“塑料王”，它是最耐腐蚀的材料，除了极强的碱金属氢氧化物熔融态能使其表面轻微的腐蚀外，其它化学试剂，包括“王水”都不能使它腐蚀，它的耐腐蚀性超过不锈钢，而且可长期在260以上温度范围中使用。它的固体表面能很小，其他物质很难黏附在它的表面，厨房用的“不粘锅”表面涂层就是添加了聚四氟乙烯。 （2）特种纤维 特种纤维是合成纤维的进一步发展，它们产量不多，但品种较多，其中具有代表性的是芳纶纤维（芳香族聚酰胺）材料，它具有重量轻、耐腐蚀、强度高、寿命长、绝缘性好、耐辐射、加工方便等优点。它的比强度（即同质量材料得到的强度）5倍于钢

40、丝，被称为“合成钢丝”。芳纶纤维在高科技方面具有取代金属材料的趋势。芳纶纤维的坚韧、耐磨、刚柔兼具，又是理想的防弹材料（用于制作防弹背心）。 （3）特种橡胶 特种橡胶是在普通合成橡胶的基础上发展起来的，因而更具有优异性能。它们广泛用于国防尖端工业和特殊的领域，有着其他材料所无法替代的作用。有硅橡胶、氟橡胶、聚氨酯橡胶、聚硫橡胶等种，其中，以硅橡胶最具代表性。硅橡胶的主要成键结构中含有硅氧键，因而，它比普通的合成橡胶具有突出的高耐热性，它的使用温度范围可达-100300，是所有橡胶之最。硅橡胶广泛用于航空、造船、化工和建筑行业，硅橡胶在人体内也具有很好的生物相容性和稳定性，它也是制作人工器官的理

41、想材料，目前已用于人体内人造血管、人造心脏；以及在体外应用的人工心肺机、人造肾脏、输血导管等。 （4）其它功能高分子材料 另有一些高分子材料，由于其特殊的化学或物理结构，在化学活性、光敏性、导电性、选择分离功能、生物医学活性等方面，具有特殊的功能，被称为功能高分子材料，常被用于一些高科技领域。 高分子分离膜 基于高分子分离膜的膜分离技术，比传统分离技术更节能、更经济、无污染，且操作方便，易于自动化。如海水淡化就可使用一种反渗透膜。表3-6是膜技术的应用。 导电高分子材料 美国和日本的三位科学家，对导电高分子材料的发现和发展作出了杰出的贡献，成为2000年度诺贝尔化学奖得主。导电高分子材料是一种

42、新型能导电的树脂，它们应用于高效电池、电容器的制作，也应用于防静电和防腐蚀方面。导电高分子材料已成为21世纪材料科学领域研究的热点之一。34：05 （四）特殊功能的复合材料 复合材料是一种由金属、有机高分子、无机非金属等具有不同结构和功能的材料，通过特殊工艺复合为一体的新型材料。这种复合材料利用优势互补和优势叠加而制得，既能突出其综合性能，又能克服原有材料的缺陷。它经历了三个时期的发展。 1、玻璃钢 玻璃钢是第一代复合材料的代表，它是一种以塑料树脂为基体、玻璃纤维为增强剂的玻璃纤维增强塑料。玻璃钢具有质量轻、强度高、耐腐蚀的性能，并具有良好的隔热、隔音、抗冲击和透波能力。玻璃钢最早用于航空和军

43、事工业，后又广泛用于民用产品，现在逐渐为其他复合材料所替代。 2、碳纤维增强树脂复合材料 20世纪60年代以后，产生了第二代复合材料。碳纤维增强树脂复合材料是其中的代表，它所用的增强剂是经高温分解和碳化后获取的碳纤维, 碳纤维增强树脂复合材料在性能上优于玻璃钢。它主要用于航空、航天工业，用它制造火箭和导弹头锥，人造卫星支承架以及飞机上的机翼等。 3、聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料 第三代复合材料采用了以不同特性的基体材料，提高其综合性能，常见的有聚合物基、金属基和陶瓷基复合材料。 聚合物基复合材料。这种聚合物基复合材料具有更好的热稳定性、抗湿性和耐环境性，并易于加工，也无需纤维增强制成薄膜就

44、能达到所要求的特性。不过，这种复合材料只能在350以下温度范围内使用。 金属基复合材料。金属基复合材料所用的基体有多种金属。发展最快的是碳化硅颗粒增强铝合金基复合材料，其重量轻，仅为钢的三分之一，又比铝合金、钛合金耐磨性强。金属基复合材料有着优异的性能，主要用于航空、航天技术。 陶瓷基复合材料。也称多相复合陶瓷。这种材料中陶瓷/金属的构成，是通过精心设计和特殊工艺，在原子级水平上混合起来，它在组成和结构上，在整个材料内部都是均匀分布的，其界面层的组分、结构和性能呈连续性变化，这种材料的高温侧能耐热和抗氧化，低温侧具有高热导率和韧性，整个材料能有效地缓和热应力。 （五）纳米材料 纳米材料是当今材

45、料科学研究中的热点之一。我国科学家钱学森，在1991年曾预言：纳米将是下一阶段科学发展的重点，是一次技术革命，也将是21世纪又一次产业革命。 1、纳米材料的特性 纳米（nm）实际上是一个长度单位，1纳米是1米的十亿分之一，即1纳米=10-9米。纳米是一个非常小的空间尺度。纳米材料就是用特殊的方法将材料颗粒加工到纳米级（10-9米），再用这种超细微粒子制造人们需要的材料。目前，纳米材料有四种类型：纳米颗粒、纳米碳管和纳米线、纳米薄膜和纳米块材。纳米材料具有较大的比表面，在结构中的键态严重失配，产生了许多活动中心，因而，纳米材料有很强的吸附能力。小尺寸效应使其理化性能发生改变，并出现与常规材料不同

46、的新的特征。纳米材料的界面效应和量子效应，使纳米材料比传统材料更具有优良的力学性质，如纳米金属的固体的硬度比传统金属材料硬35倍；纳米铜比普通铜热扩散增强一倍。纳米金属的磁化率是普通磁性金属的20倍等等。目前，纳米材料的研究包括两个方面，一是建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是发展新型纳米材料。 2、纳米材料的应用 纳米材料显示了广泛的应用前景。例如：利用纳米材料制成磁记录介质材料广泛应用于电声器件、阻尼器件等。纳米金属颗粒还是有机化合物的氢化反应的催化作用一种极好的催化剂。纳米材料还可以用于医学、生物工程。例如：利用纳米微粒进行细胞分离、细胞染色体，用纳米微粒制成的药物可更方便地在人

47、体内传输，进行局部治疗和组织修补。纳米探针和纳米传感器应用，也可能带来诊断技术的革命。未来纳米科技的发展，有三方面的意义，一是疾病的早期诊断，例如癌症的检出可达到几个细胞大小。二是高密度的信息储存，会在很小的位置上储存大量信息。三是开发新的高性能材料，应用于高科技领域。 总之，纳米技术的研究和应用不仅能引发一场新的工业革命，而且还会带来人类认知革命，产生观念上的变革，它将对21世纪科学技术的发展产生重大的促进作用。 （六）新材料发展的方向随着社会的进步，人类总是不断地对材料提出新的要求。当今新材料的发展有以下几点：1、结构与功能相结合。即新材料应是结构和功能上较为完美的结合。2、智能型材料的开发。所谓智能型是要求材料本身具有一定的模仿生命体系的作用，既具有敏感又有驱动的双重