复合材料

【重点难点】

重点：复合材料的优越性及在生产生活中的应用。

难点：激发同学们的学习激情，为祖国制造出新的复合材料。

【知识讲解】

“神州五号”载人飞船穿过大气层时，外壳和大气层摩擦产生几千摄氏度的高温，是什么材料经受了这种考验而使飞船安然无恙呢？运动员在撑杆跳项目中使用的撑杆极富弹性，你知道它是用什么材料制成的吗？是金属材料、无机非金属材料(比如：陶瓷)，还是有机合成材料(如：塑料)？

下面我们先讨论一下各种单一材料的优缺点：

从上面可以看出，金属材料、无机非金属材料、有机合成材料都各有其优缺点，故飞船、撑杆不可能是由这样的单一材料制成的。

那么，它们究竟是用什么材料制成的呢？

一、认识复合材料

1、人们是怎样想到制造复合材料的

木材坚固、耐用，可作为建筑材料。它由木质长纤维组成，靠被称为木质素的物质黏结起来。木质纤维比较柔软，木质素较脆，它们各自都不能承受重压，但这两种物质复合后就构成了强壮的树干。

人们做泥砖时，往泥中掺入禾秸，这样可以提高泥砖的强度。将沙子、砾石与水泥混合在一起，其强度比单纯水泥的强度大得多。人们还把钢筋嵌入混凝土中，制成了更为坚固的钢筋混凝土，用来建造高楼。

其实，人们正是根据这种将不同性质的材料复合在一起有可能获得性能更佳的材料的想法来制造复合材料的。

2、什么是复合材料？

复合材料是将两种或两种以上性质不同的材料经特殊加工而制成的，具有比单一材料更优越性能的材料称为复合材料。

复合材料由两部分组成，一部分称为基体，在复合材料中起黏结作用；另一部分称为增强体，在复合材料中起骨架作用。

复合材料既保持了原有材料的特点，又使各组分之间协同作用，形成了优于原材料的特性。例如，金属材料易被腐蚀，有机合成材料易老化、不耐高温，陶瓷材料易破碎，这些缺点都可以通过复合的方法予以改善和克服。

3、复合材料

将复合材料按基体分类：可分为树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料。

将复合材料按增强体的形状分类：颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料、纤维增强复合材

料。

二、形形色色的复合材料

组成复合材料的基体材料多种多样，增强体又可做成不同的形状，因而复合材料的种类繁多。在复合材料这个大家族中，发展较快、应用较广的是纤维做增强体的复合材料。

1、生产、生活中常用的复合材料

知识储备：

玻璃纤维：玻璃纤维是将熔化的玻璃以极快的速度拉成的极细的丝。这种纤维柔软如蚕丝，可以像棉纱一样纺织。直径为5～10μm的玻璃纤维，只有头发丝直径的1/10左右，但其拉伸强度却接近高强度钢的拉伸强度，为天然纤维或合成纤维拉伸强度的5～30倍。为了节约成本、简化工艺，一般采用直径为10～20μm的玻璃纤维，只有在制造一些具有特殊用途的制品如防火衣、宇航服和宇宙飞船时，才采用直径为3～5μm的超细玻璃纤维或中空玻璃纤维，以提高制品的柔性、减轻制品的质量。

合成树脂：合成树脂是有机高分子化合物，无固定熔点，一般不导电，受热会变软并逐渐熔化，大多不溶于水，可溶于乙醇和乙醚等有机溶剂。合成树脂是塑料最基本的成分。

在上面知识储备的基础上，让我们来认识两种常用的复合材料——玻璃钢和碳纤维复合材料。

(1)玻璃钢：是一种以合成树脂做基体，以玻璃纤维做增强体的复合材料。做为增强体的玻璃纤维除了普通玻璃纤维(主要成分为SiO2、Al2O3、Na2O等)外，还可以根据需要选用耐化学腐蚀、耐高温或强度高的特种玻璃纤维做玻璃钢增强体。

在制造玻璃钢时，可以将玻璃纤维制成纱或织物加到合成树脂中，也可以把玻璃纤维切成短玻璃丝加到合成树脂中。玻璃钢的强度可达到甚至超过合金钢的强度，而密度只有钢铁的1/5左右；同时，这种材料保持着较好的耐化学腐蚀性、电绝缘性和机械加工性能，而且又不像普通玻璃那样硬脆。

玻璃钢已大量用于游乐车、水上滑梯、运输罐、电话亭、餐桌椅等产品的生产，这些产品充分发挥了玻璃钢重量轻、强度高、耐水、耐磨、耐撞、产品美观及制造方便等特点。玻璃钢在排水管道工程中也得到了广泛的应用。最近几年，越来越多的废水处理系统的管道用玻璃钢制造，一个重要的原因是废水所含的腐蚀物质的种类在不断增加，腐蚀作用在不断增强，这就要求管道材料具有更好的耐腐蚀性，玻璃钢便是一种理想材料。

(2)碳纤维复合材料：这种复合材料是在合成树脂的基体中加入了碳纤维做增强体。

这种纤维的特性是：耐高温、耐磨擦、耐腐蚀、韧性好、导电、导热等，其外形有显著的各向异性、柔软，可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度，而且碳纤维比重小、质轻。此外，还有耐低温性能，在－200℃时也不会发脆。

碳纤维是50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，目前还广泛应用于体育器械(比如制造高尔夫球杆、网球拍、羽毛球拍、赛车、赛艇、滑雪板、冲浪板等)、纺织机械、化工机械及医学领域(例如制作人体组织中的韧带)。

2、航天、航空领域中的复合材料

在火箭、导弹、卫星、宇宙飞船、航天飞机上，复合材料有着更广泛的应用。

(1)金属基复合材料：飞机、火箭的机翼和机身以及导弹的壳体、尾翼中用的复合材料是金属基复合材料。

这种复合材料是以金属为基体，大多以纤维为增强体。作为基体的金属用得较多的是铝、镁、

钛等密度小的轻金属。作为增强体的纤维有碳纤维、硼纤维、碳化硅纤维和氧化铝纤维等耐热性能好的纤维，其中应用最广泛的是碳纤维。这种复合材料具有耐高温、强度高、导电性好、导热性好、不吸湿、不易老化等优点。因此，是令人注目的航空航天用耐高温材料，可用做飞机涡轮发动机、火箭发动机热区和超音速飞机的表面材料。

目前发展最快的金属基复合材料是以碳化硅颗粒为增强体的铝合金复合材料。这种金属基复合材料的比重只有钢的1/3，为钛合金的2/3，与铝合金相近。它的强度比中碳钢好，与钛合金相近而又比铝合金略高。其耐磨性也比钛合金、铝合金好。目前已小批量应用于汽车工业和机械工业。

金属基复合材料虽然有很多优点，但由于生产工艺复杂，造价昂贵，故尚未能在工业生产中大规模使用。

(2)陶瓷复合材料：这种复合材料的基体是陶瓷，增强体多为碳纤维、碳化硅纤维、氧化硅纤维，基体的主要成分有Al2O3陶瓷、MgO·Al2O3陶瓷、SiO2陶瓷、Al2O3·ZrO2陶瓷、Si3N4陶瓷、SiC陶瓷等。

航天飞机机身上使用的隔热陶瓷瓦就是由陶瓷复合材料制成的。纤维的加入使陶瓷保持了耐高温的特性，又增加了陶瓷的韧性，使航天飞机能安全地穿越大气层返回地球。

(3)纳米瓷塑复合板：这种复合材料是由超高分子量聚乙烯和一种新型的纳米陶瓷材料经多道工艺处理后，在高温高压下成型。该材料兼具了超高分子量聚乙烯的优良润滑性能和陶瓷的优良耐磨性能、并具有重量轻、面积大、安装方便、吸水率低、不与其它物料粘接等特点，该板材可广泛应用于电力、煤炭、焦化、钢铁、水泥等行业的块状物料仓体内衬和各种溜槽、矿槽内衬。

(4)高分子复合材料：它是由高分子材料和另外不同组成、不同形状、不同性质的物质复合粘结而成的多相材料。

高分子复合材料的最大优点是博各种材料之长, 如高强度、质轻、耐高温、耐腐蚀、绝热、绝缘等性质。根据应用目的，选取高分子材料和其他具有特殊性质的材料，制成满足需要的复合材料。

高分子复合材料分为两大类：①高分子结构复合材料；②高分子功能复合材料。其中高分子结构复合材料由两部分组成——基体材料和增强剂。高分子复合材料中的基体材料主要是起粘合作用的胶粘剂，如不饱和聚酯树脂、环氧树脂、酚醛树脂等热固性树脂及苯乙烯等热塑性树脂；增强剂是具有高强度、耐高温的纤维及须物，如玻璃纤维、氮化硅晶须、硼纤维等。这种复合材料的强度，比金属还高，是国防、尖端技术方面不可缺少的材料。高分子功能复合材料也是由树脂类基体材料和具有某种特殊功能的材料构成，如某些电导、半导、磁性、发光、电压等性质的材料复合而成，使之具有新的功能。如冰箱的磁性密封条即是这类复合材料。

(5)智能复合材料：是机敏复合材料的高级形式。机敏材料对环境能做出线性反应，而智能材料则能根据环境条件的变化程度非线性地使材料与之适应以达到最佳效果。也就是说，在机敏复合材料自诊断、自适应、自愈合的基础上，增加了自决策、自修补的功能，体现具有智能的高级形式。

显然，智能材料必然是复合材料而不可能是传统的单一材料。已在研究的智能材料和系统有：自诊断断裂的飞机机翼、自愈合裂纹的混凝土，控制湍流和噪声的机械蒙皮，人工肌肉和皮肤等。在宇航、航空、舰艇、汽车、建筑、机器人、仿生和医药领域已显示出潜在的应用前景。

随着科学技术的进步，复合材料展现出不可估量的应用前景。材料科学专家普遍认为，当前人类已经从合成材料时代步入复合材料时代。不久的将来，复合材料大家族中将会增添更多性能优异、功能独特的新成员。

【例题分析】

例1、我国及美国、日本等国家已研制出一种陶瓷柴油机，这种柴油机发动机部件的受热面是由一种耐高温且不易传热的材料制造的，这种材料是（）

A、氧化铝陶瓷

B、氮化硅陶瓷

C、光导纤维C、玻璃钢

解析：氮化硅陶瓷是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，除氢氟酸外，不与其他无机酸反应，抗腐蚀能力强，高温时也能抗氧化，而且能抵抗冷热冲击，性能优良。

答案：B。

例2、BGO是我国研制的一种闪烁晶体材料，曾用于诺贝尔奖获得者丁肇中的著名实验，它是锗酸铋的简称。若知：①在BGO中，锗处于其最高价态；②在BGO中，铋的价态与铋跟氯形成的某种共价氯化物时所呈的价态相同，在此氯化物中铋具有最外层8电子稳定结构；③BGO可看成是由锗和铋两种元素的氧化物所形成的复杂氧化物，且在BGO晶体的化学式中，这两种氧化物所含氧的总质量相同。请填空：

(1)锗和铋的元素符号分别是_____和_____。

(2)BGO晶体的化学式是_____。

(3)BGO晶体中所含铋氧化物的化学式_____。

解析：解本题的关键是对Ge、Bi两元素化合价的推断。由条件①可知Ge为＋4价，因为锗处于元素周期表的第四主族，最高正价为＋4价。铋处于第五主族，其正价有＋3、＋5价。根据条件②，铋应为＋3价。因为BiCl3中的Bi具有最外层8电子稳定结构。由条件③可知该化合物可写成mBi2O3·nGeO2，由于两种氧化物中所含氧的总质量相等，所以m∶n＝2∶3。锗酸铋写成2Bi2O3·3GeO2，也可写成盐的形式Bi4(GeO4)3，其中锗酸根为－4价。

答案：(1)Ge、Bi

(2)Bi4Ge3O12或2Bi2O3·3GeO2或Bi4(GeO4)3

(3)Bi2O3

【达标练习】

1、下列说法不正确的是（）

A、新型无机非金属材料具有光学特性、生物功能、电学特性、耐高温、强度高。

B、高温结构陶瓷比金属材料具有许多优点，如不怕氧化、密度小等优点。

C、光导纤维做通讯材料有许多优点，但怕腐蚀，铺设也很不方便。

D、光导纤维除用于通讯外，还可用于医疗、信息处理等许多方面。

2、精细陶瓷(又称特种陶瓷)在现代科技中的应用前景很广。以SiO2加少量PdCl2研磨成极细的颗粒，经高温烧结制成多孔烧结体，具有半导体的性质．其具有相当大的比表面积，将它和电子元件及仪表组成“电子鼻”，被称为“人工神鼻”。冰箱泄漏的氟利昂浓度达十万分之一也能“嗅”出。关于“人工神鼻”的下列叙述中，不正确的是( )

A、“人工神鼻”大大突破了人的嗅觉。

B、“人工神鼻”吸附气体的能力极强。

C、“人工神鼻”可广泛用于易燃、易爆、有毒气体的自动检测和报警。

D、“人工神鼻”易溶于水。

3、新型无机材料碳化钛(TiC)、碳化硼(B4C)、氮化硅(Si3N4)等称非氧化物陶瓷，合成这些物质需在高温条件下进行，在合成工艺中必须注意（）

A、通入充足的氧气。

B、避免与氧气接触。

C、可在氮气气氛中合成。

D、通入少量氧气。

4、氮化硅陶瓷是一种超硬耐磨物质，可用于制造高性能柴油机发动机部件，它属于（）

A、金属材料

B、无机非金属材料

C、复合材料

D、功能高分子材料

5、人造骨架是一种具有生物功能的新型无机非金属材料，它类似人骨和天然牙的性质和结构。人造骨可以依靠从人体液中补充某些离子形成新骨。可在骨骼接合界面产生分解、吸收、析出等反应，实现与骨骼的牢固结合。人造骨植入人体内需吸收人体中____离子形成新骨。（）

A、Ca2+

B、Na+

C、K+

D、PO43-

6、随着科技的快速发展，出现了许多新型无机非金属材料，如植入生物体内的生物陶瓷材料HAP[化学式为Cam(PO4)n(OH)2]，已被医疗上用于修补人的骨和牙组织，HAP的化学式中m 等于（）

A、B、

C、D、n＋1

7、金属基复合材料是以金属为基体，尤其是以轻金属为基体，以纤维为增强体，下列金属中不能作为基体的金属是（）

A、Al

B、Mg

C、Cu

D、Ti

8、氮化硼是一种新合成的结构材料，它是一种超硬、耐磨、耐高温的物质，下列各组物质熔化时，所克服的粒子间作用力与氮化硼熔化所克服的粒子间的作用力相同的是（）

A、金刚石和硝酸钠

B、水晶和晶体硅

C、苯酚和萘

D、冰和干冰

9、复合材料按基体分类，可分为______、______、______，按增强体的形状分类，分为___、____、_____。

10、某新型无机非金属材料K由两种非金属元素组成，它是一种超硬物质，具有耐磨、耐腐蚀、抗冷热冲击、抗氧化的特性，它是以中学化学中常见物质为原料来生产的，下图所示为其生产过程，其中虚线框内转化是为探究C的组成而设，G、F、H均难溶于水且为白色粉末；图中除M、K(均含A元素)外均为中学化学常见物质：

请回答下列问题：

(1)指出K可能所属的晶体类型______ ，K晶体中A原子周围化学键的键角均相等，键角值为__________。

(2)写出化学式：单质B__________；化合物F__________；

(3)写出下列反应的离子方程式：

反应③__________________________ ；

反应⑤__________________________ ；

(4)写出反应④的化学方程式：__________________________ ．

【参考答案】

1、CD；

2、D；

3、B；

4、B；

5、AD；

6、A；

7、C；

8、B；

9、树脂基复合材料、金属基复合材料、陶瓷基复合材料；

颗粒增强复合材料、夹层增强复合材料、纤维增强复合材料。

10、(1)原子晶体，109°28′

(2)Cl2，H2SiO3(或H4SiO4)

(3)Cl-＋Ag+＝AgCl↓

SiO2＋2OH-＝SiO32-＋H2O

(4)3Si(NH2)4Si3N4＋8NH3↑