概述
所謂材料,是指人類用來製作有用物件的物質;材料是人類生存和發展的物質基礎,是人類社會文明的重要支柱.新材料則是指最近發展或正在發展之中的具有比傳統材料更為優異的性能的一類材料.
材料科學技術的每一次重大突破,都會引起生產技術的革命,極大加速社會發展的進程.
歷史分期: 以人類使用工具的材料劃分
石器時代 陶器時代 青銅器時代 鐵器時代 矽時代。
材料性質
延展性
即延性和展性.延性就是能延長的性質,例如鐵能製成鐵絲;展性是能展開的性質,鋁能製成很薄的鋁箔.一般來說,延性優良的物質展性也優良,所以可統稱為延展性。穩定性
屬於化學性質,比如見光或受熱是否容易分解,是否易和氧氣反應等。可塑性
就是指當材料在一定溫度和壓力下,受到外力作用時可產生形變,而外力去除後仍能保持受力時的狀態。材料分類
（一）金屬材料
包括純金屬以及合金,合金是混合物.如銅,鋁,鋼鐵
無機非金屬材料:如水泥,陶瓷,玻璃
有機合成材料:如塑膠,橡膠,合成纖維
合金的組成由兩種或兩種以上的金屬的結合構成,一般它在功能上會具有各金屬成分的優點,甚至會有一些新功能出現。
鋼鐵
煉鐵:鐵礦石與石灰石,焦炭混合後在空氣中加熱,可得到生鐵.煉鋼:生鐵在富氧空氣中加熱,降低含碳量後得到鋼.
生鐵一般硬而脆,工業上適合鑄造,不適合鍛造.鋼一般有一定的韌性,既適合鑄造,也適合鍛造.所以鋼的用途更廣
鋼鐵的鏽蝕:實質上是鐵在有水存在的情況下,發生緩慢氧化的過程
由於鐵鏽疏鬆,透氣性,吸水性較好,所以鋼鐵製品一旦生鏽,如不及時處理,生鏽的過程不會自動停止,只會越來越快.
關於金屬的污染:一是冶鍊金屬時產生廢氣,廢渣造成的污染.一是廢棄金屬對環境造成的污染.
鋼的分類：生鐵和鋼的比較，煉鐵和煉鋼。
銅
銅的物理性質 :純銅呈紫紅色,熔點約1083.4℃,沸點2567℃,密度8.92g/cm3,具有良好的延展性.1g純銅可拉成3000m細銅絲或壓延成面積為10m2幾乎透明的銅箔.純銅的導電性僅次於銀,但比銀便宜得多,所以當今世界一半以上的銅用於電力和電訊工業上.
銅在潮濕的空氣中易在其表面生成鹼式碳酸銅(銅綠).銅常用於製造銅線,電極以及電鍍工業.
銅合金。
鋁
鋁的物理性質:純淨的鋁是具有銀白色光澤的金屬,有良好的延展性,製成鋁箔可包裝紙菸,糖果.
鋁的導電性僅次於銀和銅(導電率為銅的64%,密度小於2.70g/cm3,為銅的30%),因而鋁廣泛地代替銅做電纜.
鋁有良好的導熱性,大量用於製做炊具,還可以做太陽能的吸收裝置
鋁是人類繼銅,鐵之後,第三種被廣泛套用的金屬.
鋁的化學性質很活潑,在空氣中很快生成一層緻密的氧化物薄膜,可防止進一步氧化,此氧化膜不溶於水,因而使鋁不與水作用
鋁在氧氣中加熱時劇烈地燃燒,發出炫目的白光,並放出大量的熱.
鋁與氧結合的能力很強,是親氧元素,它能從許多金屬氧化物中奪取氧,而且產生大量的熱,溫度很高,可使游離出來的金屬熔化.由此可製取金屬,常稱鋁熱法,冶金工業上用鋁熱法製備金屬鉻,錳,釩等.例如:
Cr2O3 + 2Al = Al2O3 + 2Cr
鋁是兩性金屬,可與稀酸(鹽酸或硫酸),強鹼溶液反應生成鹽,同時放出氫氣.
把鋁放入冷硝酸中,會使其"鈍化",而不與稀酸反應.
鋁的最主要用途是製造各種輕質合金,鋁合金具有質輕硬度大的優點,廣泛地套用於航空,汽車工業以及國防工業上,同時在日常生活中的套用也越來越廣泛,如製造門窗,家俱和飲具等.純鋁也大量用來製作電線和電纜,此外也用於製造特種漆料,藥膏,化妝品軟管和容器及包裝箔等.有機鋁化合物,如三乙基鋁為立體定向聚合催化劑.
鋁的用途
(1)鋁的密度很小,僅為2.7g/cm3,雖然它比較軟,但可製成各種鋁合金,如硬鋁,超硬鋁;防鏽鋁,鑄鋁等.這些鋁合金廣泛套用于飛機,汽車,火車,船舶等製造工業.此外,宇宙火箭,太空梭,人造衛星也使用大量的鋁及其合金.例如,一架超音速飛機約由70%的鋁及其合金構成.船舶建造中也大量使用鋁,一艘大型客船的用鋁量常達幾千噸.
(2)鋁的導電性僅次於銀,銅,雖然它的導電率只有銅的2/3,但密度只有銅的1/3,所以輸送同量的電,鋁線的質量只有銅線的一半.鋁表面的氧化膜不僅有耐腐蝕的能力,而且有一定的絕緣性,所以鋁在電器製造工業,電線電纜工業和無線電工業中有廣泛的用途.
(3)鋁是熱的良導體,它的導熱能力比鐵大3倍,工業上可用鋁製造各種熱交換器,散熱材料和炊具等.
(4)鋁的表面因有緻密的氧化物保護膜,不易受到腐蝕,常被用來製造化學反應器,醫療器械,冷凍裝置,石油和天然氣管道等.
(5)鋁粉具有銀白色光澤(一般金屬在粉末狀時的顏色多為黑色),常用來做塗料,俗稱銀粉,銀漆,以保護鐵製品不被腐蝕,而且美觀.
(6)鋁在氧氣中燃燒能放出大量的熱和耀眼的光,常用於製造爆炸混合物,如銨鋁炸藥(由硝酸銨,木炭粉,鋁粉,煙黑及其它可燃性有機物混合而成),燃燒混合物(如用鋁熱劑做的炸彈和炮彈可用來攻擊難以著火的目標或坦克,大炮等)和照明混合物(如含硝酸鋇68%,鋁粉28%,蟲膠4 %)
(7)鋁熱劑常用來熔煉難熔金屬和焊接鋼軌等.鋁還用做煉鋼過程中的脫氧劑.鋁粉和石墨,二氧化鈦(或其它高熔點金屬的氧化物)按一定比率均勻混合後,塗在金屬上,經高溫煅燒而製成耐高溫的金屬陶瓷,它在火箭及飛彈技術上有重要套用.
(9)鋁板對光的反射性能也很好,鋁越純,其反射能力越好,因此常用來製造高質量的反射鏡,如太陽灶反射鏡等.
(10)鋁具有吸音性能,音響效果也較好,所以廣播室,現代化大型建築室內的天花板等也常用鋁.
鋁的生物功能:
鋁不但是人體必需的微量元素之一,還可以入藥治病.如用Al(OH)3治療胃病及十二指腸潰瘍已有多年歷史.胃舒平等也是含鋁藥物.人體內的微量鋁可阻擋腸道內磷的吸收,降低血磷,阻止繼發性副甲狀腺機能亢進引起的血磷增高,軟組織鈣化及腎結石形成,但是,過量鋁攝入身體也會帶來危害.由於鋁製品及鋁化合物的廣泛套用,現代人身體內的鋁含量比古代人增加了2倍.當鋁製品盛放鹹,酸性或鹼性食物時,其表面保護膜就會遭到破壞,氧化鋁就會被溶解成膠體溶液.這種氧化鋁融合在食物中,便會使人體鋁攝入量增多.如此,日積月累,勢必影響健康.
當人體內蓄積的鋁超過正常值5倍以上,即可破壞某些酶的活性,降低胃酸,引起消化功能紊亂.
鋁還可以抑制消化道對磷的吸收,干擾磷的代謝,破壞正常鈣磷的比例,影響骨骼和牙齒的發育,並能使骨骼脫鈣,軟化,疏鬆.
在正常人的大腦中,鋁的含量僅為2 mg～3mg.由於鋁的攝入量過多,天長日久也會在大腦中堆積起來,尤其易堆積在大腦皮層和隨意運動的大腦海馬區等部位,使人的記憶力減退,情緒淡漠,反應遲鈍,心情煩躁,精神萎靡,使人腦組織老化速度加快,這種現象被人們稱為老年痴呆症.
此外,長期攝鋁過多,還會使人的皮膚皺紋增多,頭髮容易脫落,視力下降.
使用鋁製炊具的另一個最大弊端,在於隔絕了人們攝取鐵的一條重要渠道,使患缺鐵性貧血的人與日俱增,尤其是婦女兒童更為明顯.
為了減少鋁製炊具中鋁對人體的過量攝入,在使用鋁製炊具時,要注意以下幾點: 1.應避免同其它硬質器具摩擦,以防鋁表面氧化膜被破壞;2.鋁製品不宜久放鹽,醬,醋,酒,茶,水果汁,發酵粉,牛奶等調味品和飲料,以防鋁溶解進入食物;3.鋁鍋燒煮食物時間不宜太久,應控制在4h以內.不要在鋁鍋內炸食品;4.由於氟對鋁的腐蝕性強,所以在含氟量高的水質中,儘量減少使用鋁製炊具.
在酸雨地區,酸雨滲入地下,會引起地下水酸化,酸化的水中的鋁,銅,鋅,鎘比中性地下水中高几十倍.
鋁合金
以鋁為基加入其他元素組成的合金.純鋁的導電,導熱和耐蝕性能良好,主要用作導電,導熱材料,但強度低,不宜作結構材料.鋁可與許多化學元素形成合金以改善性能.鋁合金比重輕,比強度接近合金鋼,比剛度超過鋼,塑性好,鑄造和可切削性也較好,適宜製造重量輕的結構部件,因此成為航空工業不可缺少的材料,在交通運輸,建築,輕工,化工,儀表機械等部門,在家用器具方面也得到廣泛套用.鋁及某些鋁合金用陽極氧化等法處理,通過著色工藝,生成各種顏色,廣泛作包裝,裝飾材料使用.
鋁合金的主要套用領域：戰機、艦船、飛彈、火箭、人造衛星、戰車、高速列車、汽車、高層建築。
（二）非金屬材料
水泥
水泥:水泥是最常用的建築材料,它也是矽酸鹽,普通的水泥也稱為波特蘭水泥.它是由石灰石和粘土配合,加熱到燒結的程度,而後粉碎研磨製成,舊時也稱水門汀,是由英文音譯而來.水泥在空氣或水中都能硬化
水泥主要性質
普通水泥主要成分
反應條件
主要設備
主要原料
黏土
石灰石
石膏(輔料)
水泥迴轉窯
高溫
矽酸三鈣:3CaO*SiO2
矽酸二鈣:2CaO*SiO2
鋁酸三鈣:3CaO*Al2O3
水硬性
1.建築用粘合劑——水泥沙漿的 成分是什麼
2.混凝土又是什麼做成的
水泥 沙子 和水 的 混合物
水泥 沙子 和 碎石混合而成
陶瓷是一種古老的製品,它是由粘土或粘土加入石英和長石等的混合物經成形,乾燥和焙燒而成的 .
陶瓷:陶瓷是統稱,陶器和瓷器不一樣,陶器是質地較粗的陶瓷製品.瓷器是質地較細,不透明或半透明的陶瓷製品.在金屬表面覆蓋一層陶瓷質材料,叫做陶瓷塗層.
搪瓷:在鋼鐵等製件的表面用陶瓷類材料進行處理,形成耐腐蝕的覆蓋層,就是搪瓷.可耐高溫,但易裂開。
陶瓷
陶瓷種類，性能反應條件
生產過程
主要原料：黏土混合,成型,乾燥,燒結,冷卻高溫
土陶,陶器,炻器,瓷器抗氧化,抗酸鹼腐蝕,耐高溫,絕緣,易成型
陶瓷材料
1.傳統陶瓷
原料: 天然礦物( 岩石,沙子,粘土,……)
製備 : 燒制
例如 水泥,玻璃,磚瓦,耐火材料……
2.幾種新型陶瓷材料
(1) 高溫結構陶瓷
原料: 氮化矽,碳化矽,……
製備: 1700 ℃ 燒結
用途: 汽車,飛機發動機
陶瓷刀具 ( 超薄 )
( 2 ) 透明陶瓷 ( 光學陶瓷 )
特點 光學性能優異
耐高溫 ( 熔點 2000 ℃ 以上 )
用途 高壓燈 ( 如高壓鈉燈 工作溫度 1200 ℃
壽命1—2萬小時)
防彈玻璃
( 3 ) 光導纖維
( 4 ) 生物陶瓷 特點: 耐腐蝕, 穩定性好
用途: 人體器官,組織修復,再造
( 5 )金屬陶瓷
隨著火箭,人造衛星及原子能等高技術的發展,對耐高溫材料提出了新的要求,人們希望材料既能在高溫時保持很高的強度和硬度,能經得起激烈的機械震動和溫度變化,又有耐氧氣腐蝕和高絕緣性等性能.但無論是高熔點金屬還是陶瓷都無法同時滿足這些要求.
金屬陶瓷是由陶瓷和粘接金屬組成的非均質的複合材料.陶瓷主要是氧化鋁,氧化鋯等耐高溫氧化物或它們的固溶體,粘接金屬主要是鉻,鉬,鎢,鈦等高熔點金屬.將陶瓷和粘接金屬研磨混合均勻,成型後在不活潑氣氛中燒結,就可製得金屬陶瓷.
金屬陶瓷兼有金屬和陶瓷的優點,它密度小,硬度高,耐磨,導熱性好,不會因為驟冷或驟熱而脆裂.另外,在金屬表面塗一層氣密性好,熔點高,傳熱性能很差的陶瓷塗層,也能防止金屬或合金在高溫下氧化或腐蝕.
金屬陶瓷廣泛地套用於火箭,飛彈,超音速飛機的外殼,燃燒室的火焰噴口等處.
有機合成材料 1.塑膠
塑膠是指可以塑造的材料,或者說具有可塑性的材料,它應該包括陶土和石膏之類的材料.
而目前塑膠的概念已經是專指高分子合成材料.塑膠,纖維和橡膠並無嚴格的分界線,例如纖維未定向拉伸之前,或橡膠在低溫下都是塑膠.
聚乙烯,聚丙烯,聚氯乙烯和聚丁烯等,它們的原料均來源於石油或天然氣,因此在塑膠中是產量最大的品種.聚乙烯為其代表,如食品包裝袋,油桶是我們最熟悉的套用.但它的主要缺點是受熱和在空氣中易老化.
聚氯乙烯的最主要缺點是耐熱性差,超過60℃就要變形,還有一定毒性.不過目前已出現無毒的聚氯乙烯樹脂。
橡膠
天然橡膠能從近500種不同植物中獲得,但主要是從熱帶植物——橡膠樹中取得.目前年產量為300萬噸.天然橡膠在綜合性能上均優於目前所有的合成橡膠。丁苯橡膠是合成橡膠的最大品種
氯丁橡膠也被稱為"萬能橡膠"
新型材料(超導材料,納米材料等)對人類生活方式和生活質量的影響,對社會經濟發展的影響,以及對環境的影響。
