工程化学（课件）第5章

由海南大学机电工程学院自动化2021-4某吴姓同学制作 仅供参考

工程化学（课件）

• 第5章 化学与材料科学
  • 5.1 金属和合金材料
    • 5.1.1 金属的化学性质
    • 5.1.1.2 金属单质与氧、水、酸、碱的作用
      • （1）s区金属：很活泼
      • （2）p区金属：较s区弱，与水不反应
      • （3）d区和ds区金属：还原性差别较大
    • 5.1.2 金属和合金材料
      • 合金的基本结构类型
        • 1.混合物合金
          • 锡铅合金、青铜器
        • 2.固溶体合金
        • 3.金属化合物合金
      • 常见的合金材料
        • 1.铁的合金——钢
        • 2.轻质合金
        • 3.硬质合金
        • 4.记忆合金
          • 镍钛合金
          • 形状记忆效应
            • 特定的转变温度
          • 人造卫星或宇宙飞船上的半球形的网状自展天线
        • 5.储氢合金
          • 氢气存储方法
            • 金属氢化物
            • 液化
            • 高压储氢
            • 有机氢化物储氢
  • 5.2 无机非金属材料
    • 已知22种非金属元素除氢外都集中于周期表右上方
    • 非金属元素一般具有较大的电负性
    • 非金属单质多为分子晶体，但金刚石和硅等是原子晶体
    • 化学性质
      • （1）氧化性
      • （2）还原性
      • （3）氧化还原性
      • 氢H 常用作还原剂，但与活泼金属作用时则表现为氧化性
    • 氧化物
      • 酸碱性规律
      • 金属性较强的形成 碱性氧化物
      • 非金属氧化物一般是 酸性氧化物
      • 周期表中金属过渡到非金属交界处前后的元素多形成两性氧化物
      • 同一种元素生成几种不同价态的氧化物，价态越高，酸性越强
    • 氢氧化物
      • 酸碱性规律与氧化物的基本一致
      • 同一周期从左向右碱性依次减弱、酸性增强
      • 主族元素同一族自上而下碱性依次增强、酸性减弱
      • 同一元素高氧化值氧化物的酸性比氧化值的强
    • 传统硅酸盐材料
      • 水泥
      • 混凝土
      • 玻璃
      • 陶瓷
    • 半导体材料
      • 室温下导电性介于导电材料和绝缘材料之间的一类功能材料
      • 锗、硅、砷化镓
      • 半导体管 = 晶体管
    • 5.2.4 新型无机非金属材料
      • 5.2.4.1 精细陶瓷
        • 1.耐高温陶瓷
        • 2.功能陶瓷
        • 3.生物陶瓷
        • 4.光导纤维
      • 5.2.4.2 纳米陶瓷
  • 5.3 高分子化合物材料
    • 高分子
      • 一个大分子由许多简单的结构单元通过共价键重复键接而成，并具有一定的机械性能
    • 聚合反应
      • 加聚反应
        • 定义：凡含有不饱和键（双键、叁键、共轭双键）的化合物或环状低分子化合物，在催化剂、引发剂或辐射等外加条件下，通过加成而聚合起来的反应
        • 反应产物 称为 加聚物
      • 缩聚反应
        • 定义：具有两个或两个以上官能团的单体经多次缩合反应重复结果形成聚合物的过程
        • 兼有 缩合出低分子 和 聚合成高分子 的双重含义
        • 反应产物 称为 缩聚物
    • 高分子化合物的三种物理状态
    • 高分子材料的物化性能特点
      • 高绝缘性
        • 聚合物高电阻率，可能积累大量静电荷
      • 低耐热性
        • 通用高分子材料的耐热温度<200℃
      • 低导热性
        • 金属的1/500-1/60
      • 高热膨胀性
        • 比金属大3-10倍
      • 高化学稳定性
      • 较易老化
        • 高分子材料在储存、使用过程中，由于自身结构，或受光，热，氧，机械力、生物侵蚀等影响，性能逐渐变坏，直至丧失使用价值的现象
        • 防止老化措施
          • 改变自身结构
          • 加入防老化剂
          • 表面处理：镀金属或涂抗老化涂料
    • 高分子材料分类（根据材料的性能和用途）
      • 三大合成材料
        • 橡胶
        • 纤维
        • 塑料
          • 热塑性塑料
            • 线型或支化聚合物，如聚乙烯、聚氯乙烯等
          • 热固性塑料
            • 体型聚合物，如酚醛树脂、不饱和聚酯等
    • 功能高分子材料
      • 耐热高分子材料
        • 聚酰亚胺（耐高温高分子之王）
      • 导电高分子材料
        • 具有共轭π键，其本身或经过“参杂”后具有导电性的一类高分子材料
        • 导电机理
          • 自由基阳离子通过双键迁移沿共轭高分子链传递
        • 应用
  • 5.4 复合材料
    • 定义：由两种或两种以上物理和化学性质不同的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的多项固体材料
    • 其既保留原组分材料的特性，又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性
    • 复合材料的分类
      • 1.按增强材料形态分类
        • 1.纤维增强复合材料
          • 1.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点都位于复合材料的边界处
          • 2.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在基体材料中
        • 2.颗粒增强复合材料
          • 微笑颗粒状增强材料分散在基体中
        • 3.板状增强体、编织复合材料
          • 以平面二维或立体三维物为增强材料与基体复合而成
          • 其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体
      • 2.按基体材料分类
        • 1.聚合物基复合材料
          • 以有机聚合物（热固性树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体
        • 2.金属基复合材料
          • 以金属（铝、镁、钛等）为基体
        • 3.无机非金属基复合材料
          • 以陶瓷材料（也包括玻璃和水泥）为基体
      • 3.按材料作用分类
        • 1.结构复合材料
          • 用于制作受力构件
        • 2.功能复合材料
          • 具备各种特殊性能（如阻尼、导电、导磁、摩擦、屏蔽等）
    • 与基体材料相比，复合材料的优异性能
      • 比强度和比模量高
      • 抗疲劳性能好
      • 高韧性和抗热冲击性
      • 耐热性高
      • 减振性能好
      • 耐烧蚀性、耐腐蚀、导电和导热
      • 特殊的光、电、磁性能等
    • 复合材料复合原理
      • 混合法则
        • 在复合材料中，在已知各组分材料的力学性能、物理性能的情况下，复合材料的力学性能和物理性能主要取决于组成复合材料的材料组分的体积百分比（vol.%）
      • 增韧机制
        • 复合材料在受冲击载荷时材料发生破坏（断裂），其韧性大小取决于材料吸收冲击能量大小和抵抗裂纹扩展的能力
        • 以纤维增强复合材料为例，主要有纤维的拔出、纤维与基体的脱粘、纤维搭桥等增韧机制
      • 界面作用
        • 复合材料是由性质和形状各不相同的两种或两种以上材料组元复合而成的，在两种材料之间必然存在把不同材料结合在一起的接触面——界面
        • 复合材料的界面实质上是具有 纳米级 以上厚度的界面层，有的还会形成与增强材料和基体有明显差别的新相——界面相
    • 典型的复合材料及其应用
      • 聚合物基复合材料
        • 1.玻璃钢（玻璃纤维增强塑料，GFRP）