工科化学第9章总结和课后答案~强亮生版

第九章 化学与材料
教学内容
1.金属材料；2.无机非金属材料；3.有机高分子材料；4.复合材料。
教学要求
了解材料的分类及材料与化学的关系；了解金属材料无机非金属材料、有机高分子材
料及复合材料的组成、结构、性能及应用情况。
知识点与考核点
1． 材料
具有某些功能的化学物质（可以是单质，也可以是化合物）。
2． 材料的分类（按材料和特性分类）
金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料和复合材料。
3． 金属键（自由电子理论）
金属晶体内众多个自由电子将众多的原子或离子“连接”在一起的作用。
4． 金属键（能带理论）
①一块金属可以看成一个“大分子”，成键电子在“大分子”的“公有化轨道”中运动；
②晶体中的公有化轨道由原子轨道组合而成，而且组合前后轨道总数不变；
③公有化轨道可以分为满带、禁带和导带（未充满的能带）；
④金属导体具有导带（未满能带，包括3s，3p能带相重叠的情况，例如金属镁。）；半导体
和绝缘体最高填充电子的能带是满带，而绝缘体的禁带较宽（5～7eV），而半导体的禁带
宽度较窄 （ ＜ 2 eV ）。
5． 金属原子的三种紧密堆积方式

图9
–1 体心立方密堆积 图9–2 六方密堆积 图9–3 立方密堆积
6． 结构陶瓷的特点
高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀、电绝缘。
7． 功能材料
具有能量输入并能输出的材料，例如压电材料，当对其施压（输入的能
量是力）时，它可以输出电能。
8． 功能陶瓷的特征
声、光、电、磁、热和力学性能等可以相互转换。
9．高分子
相对分子质量可达几十～几百的一类化合物。
10．加聚反应
具有不饱和键的单体经加成反应形成的有机高分子。其特点是在反应过
程中没有小分子生成。加聚产物称为共聚物，例如：聚乙烯、聚氯乙烯、丁苯橡胶等。
11．缩聚反应
单体在聚合过程中，同时缩减掉一部分低分子化合物的反应。其特点是
在反应过程中有小分子生成。缩聚产物称为缩聚物，例如：尼龙–66等。
12．线（链）型高分子
高分子之间没有交联的化学键，其长链分子通常呈卷曲状态，且互相缠
绕，显示一定的柔顺性和弹性。线型高分子也称为热塑性高聚物，可以反复加工、成型。
13．体型高分子
高分子之间以共价键相连，形成了空间网络结构。体型高分子也称为热
固性高聚物，只能一次成型。
14．玻璃化温度
在此温度以下，大分子的热运动和链节的
自由旋转都很困难，高分子处于这种状态称为玻璃态，常温
下的塑料就是处在这种状态。
15．粘流化温度
在此温度以上，大分子可以相对运动，高分
图9–4 链型非晶态聚合物的

子处于这种状态时，称为粘流态，粘接剂就是处
物理形态与温度的关系

在这种状态。
16．高弹态
温度处在玻璃化温度与粘流化温度之间时，大分子不能相对运动，而链
段和链节可以自由运动，这种状态称为高弹态，橡胶在室温下就是处于这种状态。
不同的高分子其用途不同，对其物理形态的要求也不同。对于塑料，我们希望它的玻璃
化温度高一些好。这样塑料就可以在相对高的温度下也不发生形变，正常使用。对粘接剂，
希望它的粘流化温度低一些好，这样在较低的温度下粘接剂还能正常发挥作用。而对大多数
橡胶制品，我们希望它的玻璃化温度尽量低，而粘流化温度尽可能高，这样，它的使用温度
范围就越宽。
17．工程塑料
可以作为工程材料的塑料（机械强度要好）
18．功能高分子
具有特定的物理、化学和生物功能的高分子材料。
19．复合材料
两种或两种以上的不同材料通过复合工艺组合而成的新材料。
思考题与习题解答
1. 下列说法是否正确？如不正确应如何改正，请说明原因。
（1） 金属晶体有三种密堆积方式，其中第一层金属原子只有一种排列
方式，第二层有两种排列方式，第三层有三种排列方式，因而形成密集六方、立方和体心立
方三种晶格。虽然三种晶格形式不同，但它们都是8配位，空间占有率都是74.05％。
答：不对，三种晶格中密集六方、立方空间占有率是74.05％，而体心立方的空间占有
率为68.02%
（2）按照能带理论，金属之所以能够导电，是因为有未被电子填满的能
带。
答：对
（3） 氮化硅陶瓷材料中的粒子是靠离子键结合的，因此具有高熔点、高硬度和高绝缘
性等优点。
答：不对，氮化硅陶瓷材料属原子晶体，其中的粒子是靠共价键结合的，具有高熔点、
高硬度和高绝缘性等特点。
（4）如果把某些氧化物加热，或者用其他方法激发，使外层电子获得足够的能量，以
克服原子核对它的吸引力，摆脱原子核对它的控制成为自由电子，于是氧化物陶瓷就成为电
子导体或半导体。
答：对。
（5） 有机高分子化合物没有确定的相对分子质量和确定的聚合度。它由许多链节结构
不同而聚合度也不同的大分子化合物混合而成。
答：不对。它是由链节结构相同，．．．．．．．而聚合度不．同的大分子化合物混合而成的。

（6）聚乙炔类高分子，π键共轭体系延伸到整个高分子链上，使π电子的自由行程变
长，因而显现出导电性。
答：对。
（7） 涂料通常是由四种主要成分组成，即成膜物质、颜料、溶剂和助剂。成膜物质是形
成涂膜（或称漆膜，也叫涂层）的物质;颜料不仅使漆膜具有颜色和覆盖力，还可以增强机
械强度、耐久性和具有某些功能（如防蚀和防污等）;溶剂不仅能降低涂料的黏度，以符合
施工工艺的要求，对漆膜的形成质量也很关键;助剂对涂料的贮存、施工性以及对所形成漆
膜的物理性质都有明显作用。
答：对。
（8） 纤维增强复合材料按基体分为三类:树脂基复合材料、金属基复合材料和陶瓷基复
合材料。
答：对。
（9）一种金属单质只能有一种晶体结构。
答：不对，例如纯铁在910℃以下具有体心立方晶格，称为α–Fe；当温
度在910℃～1320℃时，则转变为立方晶格，称为γ–Fe。
2．填充题
（1） 半导体和绝缘体能带结构的区别是其禁带宽度不同，绝缘体的禁
带宽度为5~7eV，而半导体的禁带宽度在2eV 以下。
（2） 形状记忆合金具有“形状记忆效应”的原因是
在其合金内部的原子排列成一种稳定的晶体结构，冷却时，在外力作用下发生形变，但是其
原子的结合方式未变，重新升温至转变温度以上时，原子获得向稳定晶体结构转变所需的能
量，回到原来的位置，使合金恢复原形。
（3） 加成聚合和缩合聚合反应的主要区别_加聚反应过程中没有小分
子生成，而缩聚反应过程中有小分子生成。
（4） 非晶态链状高聚物无固定的 熔点，只有熔程。在不同的温度范围
内可呈现三种不同的物理形态，即_玻璃态、高弹态、粘流态。
（5）制备功能高分子材料的方法主要有两种，一是先合成含有功能基团
的单体，然后再聚合；二是通过化学反应，在原有高分子链上引入功能基团。
（6）导电高分子材料有两种:一是具有共轭碳链的高分子，（如聚乙炔、
聚苯等）；二是主链含有杂原子的共轭高分子（如聚苯胺、聚吡咯）。
（7）聚合物光纤一般是由两种高折射的均匀塑料芯材和低折射的塑料涂
层（又称鞘材）聚合物制成的芯 ～ 鞘形复合丝。
（8）高吸水树脂的结构特点是 分子中具有强吸水基团（如羟基、羧基等）同时具有较
高分子量的体型高分子。
（9）涂料的成膜机理随涂料的组成和结构的不同而异，一般可分为 非转
化型（溶剂挥发）、转化型（缩聚、加聚）和混合型（物理和化学结合）等三大类。
（10）复合材料按增强体的形态分为三类，分别是_纤维增强树脂复合材
料，纤维增强金属复合材料，和纤维增强陶瓷基复合材料__。
（1） 与常规的高分子－无机材料的复合材料相比，纳米复合材料具有独特
的纳米尺寸效应，具有大的比表面积和强的界面相互_作用。
3．下列有机高分子化合物哪些适合于作塑料？哪些适合于作弹性材料？天然橡胶和硅
橡胶，哪一种耐候性更好？为什么？
（1）尼龙－66 （tg 45℃,tf 160℃）
（2）天然橡胶 （tg –73℃,tf 122℃）
（3）聚酰胺 （tg 47℃, tf 223℃）
（4）硅橡胶 （tg –125℃,tf 250℃）
答：尼龙－66和聚酰胺在常温下是玻璃态，适合于做塑料。天然橡胶和硅橡胶在常温
下是高弹态，可以做弹性材料，而硅橡胶具有更宽的高弹态温度区域，耐候性更好。