工程材料化学

第10章工程材料化学

3课时

教学目标及基本要求

1. 了解高聚物的一些基本概念，命名。

2. 了解高聚物的一些基本结构和基本特性及其相互关系。

3. 了解若干重要有机高聚物(如工程材料,合成橡胶,有机胶粘剂等)的特性。

4. 了解润滑油的组成、性能和工业质量要求。

5. 了解建筑用胶凝材料的组成、性质及凝结硬化特点。

教学重点

有机高分子材料

教学难点

高分子链的柔顺性、高分子的力学状态

本章教学方式（手段）及教学过程中应注意的问题

教学方式（手段）：课程教学和音像教材；

教学过程中要重点突出非晶态聚合物的温度- 形变曲线，讲清楚玻璃态、高弹态、粘流态三态及玻璃化温度、粘流化温度；塑料、橡胶在室温下的状态；分子的柔顺性。

主要教学内容

第10 章工程材料化学

Chapter 10 Engineering Material Chemistry

10.1 重要金属及合金材料

10.1.1 铝及铝合金

铝是一种银白色有光泽的金属，密度2.7g · cm-3 ，熔点660℃。它具有良好的延展性和导热、导电性，能代替铜用来制造电线、高压电缆、发电机等电器设备。铝虽然是活泼金属，但在空气中其表面很快会覆盖一层致密的氧化膜，使铝不能进一步同氧和水作用因而有很高的稳定性，这就使铝成为一种有用的金属构件。

铝合金中常用的合金元素有硅、铜、镁、锌、锰及稀土元素。也有用到钛、铁、铬的。这些合金元素在固态铝中的溶解度一般是有限的，故铝合金的结构除固溶体外，还可能形成金属化合物和机械混合物。

铝合金轮圈

10.1.2 钛及钛合金

金属钛具有银白色光泽，熔点高（1600 ℃），密度小（4.5g · cm-3），比钢轻（钢的密度为7.9g · cm-3），但机械强度可与钢媲美，而且不会生锈。钛比铝重不到两倍，强度比铝大三倍，且耐热性能远优于铝。钛的表面容易形成一层致密的氧化物保护膜，使钛具有优异的

抗腐蚀性。特别是对海水的抗腐蚀性很强，超过其他的金属材料。钛在室温下不与无机酸反应，在碱溶液和大多数有机酸中抗蚀性也很高，但能溶于热盐酸和热硝酸中，且能溶解于任何浓度的氢氟酸和含有氟离子的酸中。

钛合金的性能比金属钛更优异，其突出的特点表现在：

1) 比强度高。

2) 耐腐蚀性强。

3) 高、低温的力学性能好。

钛及钛合金管

10.1.3 钒及钒的应用

钒的熔点高（1910℃），塑性好，有延展性，比较容易加工成板材、箔材和丝材。钒还具有较高的冲击性、良好的焊接性和传热性。钒的耐腐蚀性能好，对海水、碱溶液、有机酸、无机酸均有较好的抗蚀性能。在沸腾的10％硫酸溶液中，钒的耐腐蚀能力为钛的73 倍，不锈钢的229 倍，可用作船舶的结构材料和化学容器、无缝薄壁管等材料。钒主要应用于钢铁工业，有色金属合金及化学工业。

目前世界上生产的钒90％以上用于钢铁工业，它具有脱去钢中的氧和氮、细化钢的晶粒以及提高钢的再结晶温度的作用，因而能改善钢的性能。钒通常以钒铁的形式或与其他元素（如锰、铬、钨、钼等）相配合，以中间合金形式加入钢中，用于生产高强度低合金钢、高速钢、工具钢、不锈钢及永久磁铁等。

五氧化二钒

10.1.4 铜及铜合金

铜的密度为8.92g · cm-3，熔点1083℃，有较高韧性和延展性，可轧成薄膜或拉成细丝。铜的导电性仅次于银居第二位，大量用于制造电机、电线和电讯设备等。

铜合金是以铜为主体，添加适量的其他合金元素而制成的。铜合金具有良好的高温及低温加工性，良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，应用十分广泛。铜及其合金的应用范围仅次于钢铁，在有色金属中其产量和耗用量仅次于铝居第二位。

铜合金铸件

10.1.5 稀土金属及应用

Ⅲ B 族的钪、钇和镧系共17 种元素通称为稀土元素。根据原子结构、物理和化学性质及在矿石中存在的相似程度，通常将稀土元素分为两组：铈组和钇组。铈组属轻稀土，包括镧、铈、镨、钕、钷、钐和铕。钇组属重稀土，包括钆、铽、镝、铁、铒、铥、镱、镥、钪和钇。其中钷是人造放射性元素，几乎不存在地壳中，钪的数量也极少。稀土元素的化学性质十分相似，在自然界中它们常共生在一起，很难一一分离。在工业上一般应用的不是个别的稀土元素，而是包含多种稀土元素的混合金属，称为混合稀土。

各种稀土金属

10.2 新型无机工程材料

10.2.1 新型陶瓷材料

陶瓷既是重要的结构材料，又是重要的功能材料。传统陶瓷主要采用天然的岩石、矿物、粘土等材料做原料。而新型陶瓷则是采用人工合成的高纯度无机化合物为原料，在严格控制的条件下经成型、烧结和其他处理而制成具有微细结晶组织的无机材料。它具有一系列优越的物理、化学和生物性能，其应用范围是传统陶瓷远远不能相比的，这类陶瓷又称为特种陶瓷或精细陶瓷。

碳化硅陶瓷

电器陶瓷

10.2.2 磁性材料

磁性材料是一种重要的电子材料。早期的磁性材料主要采用金属及合金系统，随着生产的发

展，在电力工业、电讯工程及高频无线电技术等方面，迫切要求提供一种具有很高电阻率的高效能磁性材料。在重新研究磁铁矿及其他具有磁性的氧化物的基础上，研制出了一种新型磁性材料———铁氧体。铁氧体属于氧化物系统的磁性材料，是以氧化铁和其它铁族元素或稀土元素氧化物为主要成分的复合氧化物，可用于制造能量转换、传输和信息存储的各种功能器件。

铁氧体

钕铁硼磁性材料

10.2.3 超导材料

金属材料的电阻通常随着温度的降低而减小，当温度降低到一定数值的时候，某些金属及合金的电阻会完全消失，这种现象称为超导现象，具有超导性的物质称为超导体或超导材料。超导体电阻突然消失时的温度称为临界温度（T c）。

铋系高温超电导线

10.2.4 光导纤维与激光材料

（1）光导纤维

光导纤维简称光纤，是近几十年来蓬勃发展起来的新型材料。光纤的中心是用高折射率的超纯石英或特种光学玻璃拉制成的晶莹细丝，称纤维芯。纤维芯的外皮是一层低折射率的玻璃或塑料制成的纤维皮。光纤具有传导光波的能力。

光纤的纤维芯是一种光密介质，外皮是一种光疏介质。当光线进入纤维芯，就只能在纤维芯内传播（全反射），经无数次全反射，呈锯齿形向前传播，最后到达纤维芯的另一端，这就是光纤传递信号的原理。如图10 －1 所示。

图10-1 光导纤维的基本原理

光纤产品

（2）激光材料

激光是利用受激辐射原理，在谐振腔内振荡出的一种特殊光。它同普通光相比，具有良好的单色性、相干性和高亮度的特点，在科学技术上有着广泛的用途。

用于生产激光的材料叫做激光工作物质，有固体、气体和液体三种，我们着重介绍固体激光材料。固体激光工作物质包括两个组成部分：激活离子（真正产生激光的离子）和基质材料（传播光束的介质）。形成激活离子的元素有三类：第一类是过渡元素如锰、铬、钴、镍、钒等；第二类是大多数稀土元素如钕、钬、镝、铒、铥、镱、镥、钆、铕、钐、镨等；第三类是个别的放射性元素如铀。目前应用最多是的Cr3+和Nd3+。基质材料有晶体和玻璃，每一种激活离子都有其对应的一种或几种基质材料。

激光晶体（掺钇钕铝石榴石）

10.2.5 纳米材料

材料绝大多数是固体物质，它的颗粒大小一般在微米数量级，一个颗粒包含着无数原子和分子，这时材料显示的是大量分子的宏观性质。当用特殊的方法把颗粒尺度加工到纳米数量级大小，则一个纳米级颗粒所含的分子数大为减小，这种由颗粒尺度为纳米数量级（ 1 ～100nm ）的超细微颗粒组成的固体材料称为纳米材料。

纳米材料熔点低，例如金的熔点是1064 ℃，而纳米金的熔点只有330 ℃，降低了近700 ℃；又如纳米级银粉的熔点由金属银的962 ℃降低为100 ℃。纳米金属熔点的降低不仅使低温烧结制备合金成为现实，还将为不互熔金属冶炼成合金创造条件。

纳米材料的表面积大，表面活性高，可制造各种高性能催化剂。例如，Ni 或Cu — Zn 化合物的纳米颗粒对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂；纳米铂黑催化剂可使乙烯氢化反应的温度从600 ℃降至室温；利用纳米镍粉作火箭固体燃料反应触媒，燃烧效率可提高100 倍。此外其催化的反应选择性还表现出特异性，如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明，镍粒直径在5nm 以下时，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的转化率急剧增大。

纳米碳管

10.3 有机高分子材料

10.3.1 高分子化合物概述

（1）高分子的基本概念

高分子化合物——相对分子量特别大的一类化合物，简称高分子或聚合物

高分子化合物的分子比低分子化合物的分子要大得多，一般有机化合物的相对分子质量为几十或几百，而有机高分子化合物的相对分子质量可自几万至几十万、几百万、甚至上千万。例如，通常聚氯乙烯的相对分子质量为5 ～15 万，丁苯橡胶的为15 ～20 万等。高分子化合物的相对分子质量虽然很大，但组成并不复杂，它们的分子往往都是由特定的结构单元通过共价键多次重复连接而成的。

低分子化合物高分子化合物

原子数目：几个~ 几十个几千~ 几万或几十万

相对分子质量：＜1000 104 ~ 106

分子大小：较小很大，长度102 ~104 nm

组成：聚氯乙烯

简写：

基本概念: 链节——重复的结构单元

聚合度n ——链节的数目

单体——合成高分子所用的低分子原料

高分子的相对分子量:

M r = n × m

m ——链节的分子量

例：聚氯乙烯m = 62

当n = 2500

则M r = 2500 × 62 = 155000

同一种高分子化合物的分子链所含的链节数并不相同，所以高分子化合物实质上是由许多链节结构相同而聚合度不同的化合物所组成的混合物。因此，实验测得的高分子化合物的相对分子质量和聚合度实际上都是平均值，这也是与低分子化合物的明显不同之处。

（2）分类及命名

1）分类

聚合物的种类已上千种，且仍在不断增加。为便于了解和研究已建立了多种分类法，常见的分类法如下：

按主链结构分类

①碳链聚合物主链完全由碳原子组成的聚合物。绝大多数烯类和二烯类的聚合物均属此类。

②杂链聚合物主链除碳原子外，还含有氧、氮、硫等杂原子，如聚醚、聚酰胺等聚合物。

③元素有机聚合物主链中无碳原子，而是由硅、硼、铝与氧、氮、硫、磷等原子组成，但侧基是由甲基、乙基、乙烯基、芳基等有机基团组成的聚合物。例如：

如果主链和侧基均无碳原子，则称为无机高分子化合物。

按聚合物的热行为分类

热塑性聚合物：加热变软，冷却变硬。

热固性聚合物：加热时，其化学结构发生变化，形成不溶解、不熔化的固体。

按性能和用途分类

高聚物主要用作材料，因此，可按所制得的材料的性能和用途不同，将它们分为塑料、橡胶、纤维、胶粘材料，以及功能高分子( 如离子交换树脂) 等。

2）命名

高分子化合物有以结构为基础的系统命名法，虽较严格但太繁琐，尤其对结构较复杂的高分子化合物很少使用。目前通用的命名有下列两种。