自然科學(xué)概要（第二版）（微課版）課件 15.1材料

1材料CONTENTS第15章材料和能源能源215.1課程標(biāo)準(zhǔn)

1.知識目標(biāo)古德伊爾（美國）、齊格勒（美國）、卡羅瑟斯(美國)、高錕（英籍華裔）、肖克利（美國）、昂里斯(荷蘭)的創(chuàng)新成果。

理解常規(guī)材料的分類。理解光導(dǎo)纖維、形狀記憶合金、貯氫合金、半導(dǎo)體材料、超導(dǎo)材料、納米材料的內(nèi)涵和用途。

2.能力目標(biāo)具備初步批判性思維能力。3.素質(zhì)目標(biāo)弘揚科學(xué)家精神，博學(xué)德清，鼎新致用。第一節(jié)材料

一、常規(guī)材料

（一）金屬材料金屬材料分黑色金屬和有色金屬兩大類。目前主要的金屬材料有銅、鐵、鋁等。所謂材料，一般指人類能用來制作有用物件的物質(zhì)。一般傾向于根據(jù)其物理化學(xué)屬性，分為金屬、無機非金屬、有機高分子以及復(fù)合材料四大類。金屬材料1.銅含銅的礦石主要有：

黃銅礦(CuFeS2)；孔雀石[CuCO3·Cu(OH）2]藍(lán)銅礦[2Cu(OH）2·CuCO3]等

這些礦石若與碳一起熔燒，就可生成銅。將銅礦石和錫礦石共同冶煉，就可以得到性能好得多的青銅（熔點700℃-900℃）。Cu(OH)2·CuCO3+2C=2Cu+2CO+CO2+H2O

2.鐵鐵礦石主要有磁體礦（Fe3O4）、赤鐵礦（Fe2O3）等，鐵器的出現(xiàn)普遍比銅器晚，主要原因在于鐵的熔點(1539℃)比銅的熔點高。鐵礦石、燃料等原料在爐子里加熱、混合，鐵礦石中的鐵就可以被還原出來。Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2在鋼中摻入了18％的鉻和8％鎳，就得到“不銹鋼”。青銅器混凝土

（二）無機非金屬材料

3.鋁鋁的主要礦物是鋁土礦（

Al2O3

）,通過冶煉和電解可以得到純鋁。1906年德國人威爾姆在鋁中加入銅、鎂和錳等形成了第一種鋁合金——硬鋁，它被用來制造飛機。現(xiàn)代家庭中裝修門窗所用的又輕又硬的鋁合金是鋁與鎂或錳的合金。

1.水泥硅酸鹽水泥是在1824年由英國泥水匠約瑟夫·阿斯普丁發(fā)明的。

制造水泥時以碳酸鈣（CaCO3

）和黏土（高嶺石Al2H4Si2O9

）為主要原料，經(jīng)過研磨、混合后在水泥回轉(zhuǎn)窯中煅燒，再加上適量石膏（CaSO4），以調(diào)節(jié)水泥的凝結(jié)時間，并研細(xì)成粉末就得到普通的水泥了。水泥中只需加入砂、石就能成為混凝土，再加入鋼筋就成為鋼筋混凝土了。鋁合金2.玻璃

普通玻璃的主要原料是純堿(Na2CO3)石灰石(CaCO3)和石英（SiO2）

生產(chǎn)時，把原料粉碎，按適當(dāng)?shù)谋壤旌虾?，放入玻璃窯中加強熱就可以制造得到透明的普通玻璃。如果添加某些金屬氧化物，可以制出具有各種美麗顏色的玻璃，如氧化鈷(Co2O3)可使玻璃呈藍(lán)色，氧化銅(Cu2O)或金的氧化物可使玻璃呈紅色。3.陶瓷

陶瓷是陶器和瓷器的總稱。兩者的差別在于，陶器表面沒有釉質(zhì)或只有低溫釉（鉛釉料），原料是高嶺土（Al2H4Si2O9），燒制溫度較低(低于1000℃)；而瓷器表面有高溫釉，用高嶺土在高溫下(達1200℃)燒制而成。

水晶玻璃，即在普通玻璃里面加入氧化鉛和氧化鉀。陶瓷水晶玻璃（三）有機高分子材料1.合成橡膠

1839年，美國人古德伊爾成功地將天然橡膠硫化，實現(xiàn)了橡膠分子鏈的交聯(lián)，使橡膠具備了良好的彈性。

1955年美國人利用齊格勒催化劑聚合異戊二烯，首次用人工方法合成了結(jié)構(gòu)與天然橡膠基本一樣的合成天然橡膠。不久用乙烯、丙烯這兩種最簡單的單體制合成橡膠造的乙丙橡膠也獲成功。2.合成纖維

合成纖維是由小分子化合物通過聚合得到的。第一種合成纖維尼龍66是美國科學(xué)家卡羅瑟斯(1896—1937)領(lǐng)導(dǎo)的小組1938年研制成功的，它的主要成分是“聚己二酰己二胺(尼龍-66)”；1968年，美國杜邦公司研制的一種芳綸（凱芙拉）纖維，“聚對苯二甲酰對苯二胺”，它的強度達到鋁合金的45倍，可用來制作降落傘、機輪簾布、航天飛機熱防護材料、耐壓軟管以及軍事上的避彈衣、頭盔等.合成纖維合成橡膠3.塑料

1938年人工合成聚四氟乙烯，在王水中煮沸不會發(fā)生變化。-269.3℃不會被凍變脆，300℃的高溫也不會融化裂解。1960年后，各種塑料中產(chǎn)量躍居首位的是聚烯烴。其中主要是聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚甲醛等。塑料塑料制品

（四）復(fù)合材料

復(fù)合材料是由金屬、有機高分子、無機非金屬等具有不同結(jié)構(gòu)和功能的材料，通過特殊工藝復(fù)合為一體的新型材料。如玻璃鋼、碳纖維復(fù)合材料等。

復(fù)合材料復(fù)合材料

二、新材料

（一）高性能金屬與合金1.形狀記憶合金

1963年，美國一個海軍研究所發(fā)現(xiàn)某些合金存在形狀記憶效應(yīng)，如Cu—Zn系；Al—Cu系；Ti—Ni系等。

發(fā)現(xiàn)不論把形狀記憶合金變成什么樣子，只要加熱到轉(zhuǎn)變溫度，就能使它恢復(fù)原來的形狀。2.貯氫合金1968年，美國布魯赫本國立研究所發(fā)現(xiàn)了Mg—Ni具有貯氫的性能。

目前各國正在開發(fā)的貯氫合金主要有鎂系、鈦系、混合稀土系和鐵系等。貯氫合金能夠貯存比它自己體積大1000～1300倍的氫，是一種容量大、既輕便又安全的理想的貯存和運輸氫的手段。

氫與這些金屬的結(jié)合力很弱，若改變溫度壓力，金屬氫化物就會分解釋放出氫。3.非晶態(tài)金屬1960年，美國的杜維茨發(fā)現(xiàn)Au—Si合金熔液以每秒106℃冷卻獲得的金屬玻璃，其強度達4000N/mm2。（二）新型無機非金屬和半導(dǎo)體材料

用氧化鋁(Al2O3)燒制而成的陶瓷材料。利用它的耐熱性來制造坩堝、高溫爐管，利用它硬度高的特點來制造剛玉球磨機和切割用的陶瓷刀具。若使用高純度原料，可以使氧化鋁陶瓷變得透明，用于制作高壓鈉燈的燈管。

1.人造剛玉非晶態(tài)金屬人造剛玉2.碳纖維碳纖維指的是含碳量在90%以上的高強度高模量纖維。碳纖維只是鐵重量的1／4，強度卻是鋼的5倍；可以耐受2000℃以上的高溫；具有優(yōu)秀的抗腐蝕與輻射性能。3.光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維是用純度極高的石英玻璃拉制成的非常細(xì)的可有效地遠(yuǎn)距離傳導(dǎo)光信號的纖維。

1966年，被譽為“光纖之父”的英籍華裔科學(xué)家高錕和他的合作者霍克漢提出用光纖進行長距離通信的建議，他們證明單模光纖每秒有可能傳送10億位數(shù)字信號，并論證了單模光纖的要求和特性。光導(dǎo)纖維的通信容量極大，一根光纖可通過1～2億路電話，可同時傳遞5000路電視。碳纖維

4.半導(dǎo)體材料

1949～1950年間，美國貝爾電話實驗室的肖克利根據(jù)能帶理論的基本思想，創(chuàng)立了半導(dǎo)體的p—n結(jié)理論。將它作為晶體二極管，具有單向?qū)щ娦?。在面積比拇指的指甲還小的一塊半導(dǎo)體晶片上，可以集成上百萬個電子元件，集成電路的制成開辟了微電子技術(shù)的時代，電子計算機的發(fā)展得益于此。

（三）超導(dǎo)材料1911年荷蘭萊頓大學(xué)的昂里斯(1853—1926)首次發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水銀在冷卻到4.2K以下時，電阻幾乎完全消失，這便是所謂超導(dǎo)現(xiàn)象。

2025年，中國北京大學(xué)物理學(xué)院量子材料科學(xué)中心的王健團隊及其合作者，以銅氧化物高溫超導(dǎo)體為基礎(chǔ)，成功制備了一種新型的超導(dǎo)二極管，并發(fā)現(xiàn)了其在零磁場下最高可達72開爾文（約-201.15攝氏度）的工作溫度。

（四）納米材料納米材料是由尺寸在0.1～100nm之間的超微顆粒構(gòu)成。1,特殊的力學(xué)性能研究表明，人的牙齒之所以有很高的強度，是因為它由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。

呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒的金屬硬3—5倍。超導(dǎo)材料納米材料

2.特殊的光學(xué)性能

金屬在超微顆粒狀態(tài)下都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色越黑。這說明金屬的超微顆粒對光的反射率極低。利用這個性質(zhì)做成的材料可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能、電能。

3.特殊的熱學(xué)性固體物質(zhì)超細(xì)微化后其熔點將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm量級時尤為顯著。金的熔點為1064℃，2nm尺寸時的熔點僅為327℃左右；銀的熔點為670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。4.特殊的磁學(xué)性能

磁性超導(dǎo)微顆粒實質(zhì)上是一個生物磁羅盤。生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。隨著超微顆粒尺寸減小，它會呈現(xiàn)出超順磁性。利用這種特性可制成用途廣泛的磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙。5.特殊的電學(xué)性質(zhì)當(dāng)金屬晶粒處于納米范疇時，