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1、材料组成的优化 选修本讲稿第一页，共十九页1.1.合金合金合金合金 由金属与另一种由金属与另一种(或几种或几种)金属或非金属所组成的具有金属通性的金属或非金属所组成的具有金属通性的物质。物质。根据结构的不同，合金主要类型是：根据结构的不同，合金主要类型是：(1)混合物合金（共熔混合物），当液态合金凝固时，构成合金的各组混合物合金（共熔混合物），当液态合金凝固时，构成合金的各组分分别结晶而成的合金，如焊锡、铋镉合金等；分分别结晶而成的合金，如焊锡、铋镉合金等；(2)固熔体合金，当液态合金凝固时形成固溶体的合金，如金银合金等；固熔体合金，当液态合金凝固时形成固溶体的合金，如金银合金等；改变材料的组
2、成改变材料的组成改变材料的组成改变材料的组成(3)金属互化物合金，各组分相互形成化合物的合金，如铜、锌组成金属互化物合金，各组分相互形成化合物的合金，如铜、锌组成的黄铜（的黄铜（-黄铜、黄铜、-黄铜和黄铜和-黄铜）等。黄铜）等。本讲稿第二页，共十九页各类型合金都有以下通性：各类型合金都有以下通性：各类型合金都有以下通性：各类型合金都有以下通性：(1)(1)多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；多数合金熔点低于其组分中任一种组成金属的熔点；(2)(2)硬度比其组分中任一金属的硬度大；硬度比其组分中
3、任一金属的硬度大；硬度比其组分中任一金属的硬度大；硬度比其组分中任一金属的硬度大；(3)(3)合金的导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性，可以合金的导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性，可以合金的导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性，可以合金的导电性和导热性低于任一组分金属。利用合金的这一特性，可以制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能的材料，如在铁中掺入制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能的材料，如在铁中掺入制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能的材料，如在铁中掺入制造高电阻和高热阻材料。还可制造有特殊性能的材料，如在铁中掺入1515铬
4、和铬和铬和铬和9 9镍得到一种耐腐蚀的不锈钢，适用于化学工业。镍得到一种耐腐蚀的不锈钢，适用于化学工业。镍得到一种耐腐蚀的不锈钢，适用于化学工业。镍得到一种耐腐蚀的不锈钢，适用于化学工业。(4)(4)有的抗腐蚀能力强有的抗腐蚀能力强有的抗腐蚀能力强有的抗腐蚀能力强(如不锈钢如不锈钢如不锈钢如不锈钢)常用合金常用合金常用合金常用合金：钢铁、铝合金、铜合金：钢铁、铝合金、铜合金：钢铁、铝合金、铜合金：钢铁、铝合金、铜合金 特种合金：特种合金：特种合金：特种合金：耐蚀合金、耐热合金耐蚀合金、耐热合金耐蚀合金、耐热合金耐蚀合金、耐热合金 、钛合金、钛合金、钛合金、钛合金 （Ti-Al-VTi-Al-V
5、合金为代表的超塑合金为代表的超塑合金为代表的超塑合金为代表的超塑性合金性合金性合金性合金 ）、磁性合金（永磁合金有稀土、钴系、铁、铬、钴系和锰、铝、）、磁性合金（永磁合金有稀土、钴系、铁、铬、钴系和锰、铝、）、磁性合金（永磁合金有稀土、钴系、铁、铬、钴系和锰、铝、）、磁性合金（永磁合金有稀土、钴系、铁、铬、钴系和锰、铝、碳系合金碳系合金碳系合金碳系合金 ）、钾钠合金、钾钠合金、钾钠合金、钾钠合金 、贮氢合金、贮氢合金、贮氢合金、贮氢合金 本讲稿第三页，共十九页储氢合金：储氢合金：储氢合金：储氢合金：能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而能以
6、金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而能以金属氢化物的形式吸收氢，是一种安全、经济而有效的储氢方法。有效的储氢方法。有效的储氢方法。有效的储氢方法。金属贮氢的原理在于金属金属贮氢的原理在于金属金属贮氢的原理在于金属金属贮氢的原理在于金属(M)(M)与氢生成金属氢化物与氢生成金属氢化物与氢生成金属氢化物与氢生成金属氢化物(MHx)(MHx)：金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向反金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向反金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向反金属与氢的反应，是一个可逆过程。正向反应，吸氢、放热；逆向反应，释氢、吸热
7、。改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进应，释氢、吸热。改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进应，释氢、吸热。改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进应，释氢、吸热。改变温度与压力条件可使反应按正向、逆向反复进行，实现材料的吸释氢功能。行，实现材料的吸释氢功能。行，实现材料的吸释氢功能。行，实现材料的吸释氢功能。LaNiLaNi5 5+3H+3H2 2 LaNi LaNi5 5HH6 6 H=-31.77kJmolH=-31.77kJmol-1-1 200300kPa200300kPa本讲稿第四页，共十九页2.2.硅酸盐材料和特种陶瓷硅酸盐材料和特种陶瓷硅酸盐材料和特种陶瓷硅酸
8、盐材料和特种陶瓷硅酸盐材料是以含硅物质为原料高温烧制而成的。硅酸盐材料是以含硅物质为原料高温烧制而成的。本讲稿第五页，共十九页水水水水泥泥泥泥工工工工业业业业原料原料原料原料设备设备设备设备主要性质主要性质主要性质主要性质反应条件反应条件反应条件反应条件水泥成分水泥成分水泥成分水泥成分水泥应用水泥应用水泥应用水泥应用硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙石灰石、黏土、辅助原料石灰石、黏土、辅助原料石灰石、黏土、辅助原料石灰石、黏土、辅助原料水水水水 泥泥泥泥 回回回回 转转转转 窑窑窑窑高温高温高温高温水硬性水硬性水硬性
9、水硬性建筑粘合剂建筑粘合剂建筑粘合剂建筑粘合剂水泥砂浆、水泥砂浆、水泥砂浆、水泥砂浆、钢筋混凝土钢筋混凝土钢筋混凝土钢筋混凝土本讲稿第六页，共十九页 玻璃玻璃玻璃玻璃（1 1）含有）含有）含有）含有NaNa2 2SiOSiO3 3,CaSiO,CaSiO3 3和和和和 SiOSiO2 2，主要成分是，主要成分是，主要成分是，主要成分是SiOSiO2 2，玻璃态物质，玻璃态物质，玻璃态物质，玻璃态物质，没有固定熔点没有固定熔点没有固定熔点没有固定熔点（2 2）反应材料：石灰石，纯碱，石英）反应材料：石灰石，纯碱，石英）反应材料：石灰石，纯碱，石英）反应材料：石灰石，纯碱，石英（3 3）反应原理：
10、）反应原理：）反应原理：）反应原理：NaNa2 2COCO3 3+SiO+SiO2 2=Na=Na2 2SiOSiO3 3+CO+CO2 2 高温高温高温高温CaCOCaCO3 3+SiO+SiO2 2=CaSiO=CaSiO3 3+CO+CO2 2 高温高温高温高温本讲稿第七页，共十九页（4 4）玻璃的种类）玻璃的种类）玻璃的种类）玻璃的种类种类种类种类种类特性特性特性特性用途用途用途用途普通玻璃普通玻璃普通玻璃普通玻璃在较高温度下易软化在较高温度下易软化在较高温度下易软化在较高温度下易软化窗玻璃、玻璃器皿窗玻璃、玻璃器皿窗玻璃、玻璃器皿窗玻璃、玻璃器皿石英玻璃石英玻璃石英玻璃石英玻璃膨胀系
11、数小，耐酸碱，强膨胀系数小，耐酸碱，强膨胀系数小，耐酸碱，强膨胀系数小，耐酸碱，强度大，滤光度大，滤光度大，滤光度大，滤光化学仪器，高压水化学仪器，高压水化学仪器，高压水化学仪器，高压水银灯，紫外灯罩银灯，紫外灯罩银灯，紫外灯罩银灯，紫外灯罩光学玻璃光学玻璃光学玻璃光学玻璃透光性好，有折光性和色透光性好，有折光性和色透光性好，有折光性和色透光性好，有折光性和色散性散性散性散性眼镜，照相机，显眼镜，照相机，显眼镜，照相机，显眼镜，照相机，显微镜，望远镜透镜微镜，望远镜透镜微镜，望远镜透镜微镜，望远镜透镜玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维耐腐蚀，耐高温，不导电，耐腐蚀，耐高温，不导电，耐腐蚀，耐高温
12、，不导电，耐腐蚀，耐高温，不导电，隔热，防虫蛀隔热，防虫蛀隔热，防虫蛀隔热，防虫蛀玻璃钢，宇航服，玻璃钢，宇航服，玻璃钢，宇航服，玻璃钢，宇航服，光导，通讯材料光导，通讯材料光导，通讯材料光导，通讯材料钢化玻璃钢化玻璃钢化玻璃钢化玻璃耐高温，耐腐蚀，高强度，耐高温，耐腐蚀，高强度，耐高温，耐腐蚀，高强度，耐高温，耐腐蚀，高强度，抗震裂抗震裂抗震裂抗震裂运动器材，汽车火运动器材，汽车火运动器材，汽车火运动器材，汽车火车用窗玻璃车用窗玻璃车用窗玻璃车用窗玻璃本讲稿第八页，共十九页 陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷（1 1）主要原料：黏土）主要原料：黏土）主要原料：黏土）主要原料：黏土 AlAl2 2OO3 32S
13、iO2SiO2 22H2H2 2OO（2 2）釉料）釉料）釉料）釉料金属及其化合物金属及其化合物金属及其化合物金属及其化合物使陶瓷表面光滑，不渗水，具有丰富的色彩。使陶瓷表面光滑，不渗水，具有丰富的色彩。使陶瓷表面光滑，不渗水，具有丰富的色彩。使陶瓷表面光滑，不渗水，具有丰富的色彩。（3 3）特性：抗氧化性，抗酸碱腐蚀，耐高温，易成形。）特性：抗氧化性，抗酸碱腐蚀，耐高温，易成形。）特性：抗氧化性，抗酸碱腐蚀，耐高温，易成形。）特性：抗氧化性，抗酸碱腐蚀，耐高温，易成形。（4 4）传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却）传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却）传统生产过程：混和、成型、
14、干燥、烧结、冷却）传统生产过程：混和、成型、干燥、烧结、冷却 本讲稿第九页，共十九页（5 5）主要种类：主要种类：主要种类：主要种类：土器：砖瓦土器：砖瓦土器：砖瓦土器：砖瓦红瓦（自然冷却，红瓦（自然冷却，红瓦（自然冷却，红瓦（自然冷却，FeFe2 2OO3 3含量较多）含量较多）含量较多）含量较多）青瓦青瓦青瓦青瓦 (淋水冷却，淋水冷却，淋水冷却，淋水冷却，FeFe3 3OO4 4、FeOFeO较多较多较多较多)炻器：炻器：炻器：炻器：水缸、砂锅水缸、砂锅水缸、砂锅水缸、砂锅陶器：陶器：陶器：陶器：江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑江苏宜兴的紫砂壶、秦汉兵马俑江苏宜兴的
15、紫砂壶、秦汉兵马俑瓷器：瓷器：瓷器：瓷器：唐三彩唐三彩唐三彩唐三彩宋代钧瓷宋代钧瓷宋代钧瓷宋代钧瓷 本讲稿第十页，共十九页特种陶瓷：特种陶瓷：是有别于传统或普通陶瓷而言的，又叫高技术陶瓷、先高技术陶瓷、先进陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷、高性能陶瓷、工程陶瓷进陶瓷、精细陶瓷、新型陶瓷、现代陶瓷、高性能陶瓷、工程陶瓷等。特种陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的，是指采用高度精选的原料，具特种陶瓷是在传统陶瓷的基础上发展起来的，是指采用高度精选的原料，具有能精确控制的化学组成，按照便于进行的结构设计及便于控制的制备方法有能精确控制的化学组成，按照便于进行的结构设计及便于控制的制备方法进行制造、加
16、工的，具有优异特性的陶瓷。进行制造、加工的，具有优异特性的陶瓷。特种陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类，结构陶瓷是指用特种陶瓷一般分为结构陶瓷和功能陶瓷两大类，结构陶瓷是指用于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学和生物等功能的高性于各种结构部件，以发挥其机械、热、化学和生物等功能的高性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热、弹等性能陶瓷。功能陶瓷是指那些可利用电、磁、声、光、热、弹等性质或其耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷，也可以叫做特质或其耦合效应以实现某种使用功能的先进陶瓷，也可以叫做特种功能陶瓷。种功能陶瓷。精细陶瓷的应用（精细陶瓷的应用（精细陶瓷的应用（精细陶瓷的应用（
17、P76)P76)本讲稿第十一页，共十九页精精细陶瓷陶瓷又称高性能陶瓷、高技术陶瓷。按其用途可分成工程陶瓷和功能陶瓷两大类。前者主要利用它们的高硬度、高熔点、耐磨损、耐腐蚀性能，又称结构陶瓷；后者主要利用它们的光、声、电、热、磁等物理特性，又称电子陶瓷。按化学组成可分成氧化物类和非氧化物类。前者包括各种氧化物和含氧酸盐；后者包括氮化物、碳化物、硼化物等。前一类一般作功能陶瓷用，后一类作工程陶瓷用。有些品种用于制造发动机部件、汽车部件、电视机、吹风机、火灾警报器、高温挤型模具等。还可用于制造耐高温喷嘴，适合国防的需要。本讲稿第十二页，共十九页3、在制备工艺上，突破了传统陶瓷以炉窑为主要生产手段的界
18、限，广泛采用真空烧结，保护气氛烧结、热压、热静压等手段。4、在性能上，特种陶瓷具有不同的特殊性质和功能，如高强度、高硬度、耐腐蚀、导电、绝缘以及在磁、电、光、声、生物工程各方面具有的特殊功能，从而使其在高温、机械、电子、宇航、医学工程各方面得到广泛的应用。2、在成分上，传统陶瓷的组成由粘土的成分决定，所以不同产地和炉窑的陶瓷有不同的质地。由于特种陶瓷的原料是纯化合物，因此成分由人工配比决定，其性质的优劣由原料的纯度和工艺，而不是由产地决定。精细陶瓷与传统陶瓷的主要区别1、在原料上，突破了传统陶瓷以粘土为主要原料的界限，特种陶瓷一般以氧化物、氮化物、硅化物、硼化物、碳化物等为主要原料。本讲稿第十
19、三页，共十九页氮化硅陶瓷制取反应原理：氮化硅陶瓷制取反应原理：方法一：方法一：3Si+2N2=Si3N413001300 方法二：方法二：3SiO2+6C+2Cl2 =SiCl4(液态液态)Si+3HCl =SiHCl3+H2精馏提纯精馏提纯SiCl4和和SiHCl3后制高纯硅后制高纯硅 2H2+SiCl4=Si+4 HCl SiHCl3+H2=Si+3HCl本讲稿第十四页，共十九页提高材料的纯度提高材料的纯度提高材料的纯度提高材料的纯度超纯硅的制取反应原理：超纯硅的制取反应原理：制粗硅：制粗硅：SiO2+2C=Si+2CO高温高温高温高温粗硅转变为粗硅转变为SiCl4或或SiHCl3：Si+
20、2Cl2 =SiCl4(液态液态)Si+3HCl =SiHCl3+H2精馏提纯精馏提纯SiCl4和和SiHCl3后制高纯硅后制高纯硅 2H2+SiCl4=Si+4 HCl SiHCl3+H2=Si+3HCl本讲稿第十五页，共十九页研制纳米材料研制纳米材料研制纳米材料研制纳米材料本讲稿第十六页，共十九页第三单元第三单元 复合材料的制造复合材料的制造1、什么是复合材料？你知道哪些复合材料？、什么是复合材料？你知道哪些复合材料？2、为什么人类要制造复合材料？、为什么人类要制造复合材料？本讲稿第十七页，共十九页复合材料复合材料(Composite materials)，是以一种材，是以一种材料为基体料
21、为基体(Matrix)，另一种材料为增强体，另一种材料为增强体(reinforcement)组合而成的材料。各种材料在组合而成的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非同的要求。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃胶、陶瓷、石墨、
22、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。本讲稿第十八页，共十九页60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于大于4106 cm，比模量大于，比模量大于4108cm。为了与第一代玻。为了与第一代玻璃
23、纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250350、3501200和和1200以上。先进复合材料除作为结构材料外，以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。本讲稿第十九页，共十九页