第五部分化学与材料纳米材料及其应用前景.ppt
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1、纳米材料及其应用前景纳米材料及其应用前景 第五部分 化学与材料 引引 言言 诺贝尔奖获得者诺贝尔奖获得者FeynemanFeyneman在六十年代在六十年代 曾经预言:如果我们对物体微小规模上的曾经预言:如果我们对物体微小规模上的 排列加以某种控制的话,我们就能使物体排列加以某种控制的话,我们就能使物体 得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材 料的性能产生丰富的变化。他所说的材料料的性能产生丰富的变化。他所说的材料 就是现在的就是现在的纳米材料纳米材料。 材料与社会的发展材料与社会的发展 材料是人类社会进化和人类文明的里材料是人类社会进化和人类文明的里 程碑,
2、是人类赖以生产和生活的物质基础程碑,是人类赖以生产和生活的物质基础 ,是社会进步的物质基础和先导。因为对,是社会进步的物质基础和先导。因为对 材料的认识和利用能力,决定着社会的形材料的认识和利用能力,决定着社会的形 态和人类生活的质量,所以,历史学家往态和人类生活的质量,所以,历史学家往 往用制造工具的原材料作为历史分期的标往用制造工具的原材料作为历史分期的标 志。志。 化学与材料化学与材料 化学化学:化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、 结构、件能、反应和应用的学科。结构、件能、反应和应用的学科。 材料材料 : 材料是人们利用化合物的某些功能来制作
3、物材料是人们利用化合物的某些功能来制作物 件时用的化学物质。件时用的化学物质。 化学与材料的关系:化学与材料的关系: 化学是材料发展的源泉,而材化学是材料发展的源泉,而材 料又为化学发展开辟了新的空间。化学与材料保持料又为化学发展开辟了新的空间。化学与材料保持 着相互依存、相互促进的关系。着相互依存、相互促进的关系。 材料的分类材料的分类 世界各国对材料的分类不尽相同,若按世界各国对材料的分类不尽相同,若按 照材料的照材料的使使用性能来看,可以分为结构材料用性能来看,可以分为结构材料 和功能材料和功能材料,从材料的,从材料的应用对象应用对象来看有可以来看有可以 分为分为信息材料、能源材料、建筑
4、材料、生物信息材料、能源材料、建筑材料、生物 材料、航空材料等多种类别材料、航空材料等多种类别,但就大的,但就大的类别类别 可以分为可以分为金属材料、无机非金属材料、高分金属材料、无机非金属材料、高分 子材料和复合材料子材料和复合材料四大类。四大类。 无机非金属材料无机非金属材料 无机非金属材料指某些元素的氧化物无机非金属材料指某些元素的氧化物 、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物( (包包 括硫化物、硒化物及碲化物括硫化物、硒化物及碲化物) )和硅酸盐、钛酸和硅酸盐、钛酸 盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成 的无机
5、材料。包括的无机材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火陶瓷、玻璃、水泥、耐火 材料、搪瓷及天然矿物材料等材料、搪瓷及天然矿物材料等。 传统无机非金属材料传统无机非金属材料 水泥水泥 水泥呈粉末状,当它与水混合后成为可水泥呈粉末状,当它与水混合后成为可 塑性浆体,经一系列物理化学作用凝结硬化塑性浆体,经一系列物理化学作用凝结硬化 变成坚硬石状体,并能将散粒状材料胶结成变成坚硬石状体,并能将散粒状材料胶结成 为整体。为整体。水泥浆体不仅能在空气中硬化,还水泥浆体不仅能在空气中硬化,还 能在水中硬化、保持并继续增长其强度,故能在水中硬化、保持并继续增长其强度,故 水泥属于水硬性胶凝材料。水泥属于水硬性胶凝
6、材料。 通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。通通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。通 用水泥用于大量土建工程的一般用途;有硅酸盐用水泥用于大量土建工程的一般用途;有硅酸盐 水泥、普通硅酸盐水泥以及矿渣的、火山灰质的水泥、普通硅酸盐水泥以及矿渣的、火山灰质的 、粉煤灰的、复合的硅酸盐水泥六个品种。专用、粉煤灰的、复合的硅酸盐水泥六个品种。专用 水泥则指有专门用途的水泥如油井的、大坝的、水泥则指有专门用途的水泥如油井的、大坝的、 砌筑的等。特性水泥是指某种性能较突出的水泥砌筑的等。特性水泥是指某种性能较突出的水泥 ,如快硬的、低热的、抗硫酸盐的、膨胀的、自,如快硬的、低热的、抗硫酸盐的、膨胀的、自
7、 应力的等。按水硬性矿物分类,有硅酸盐的、铝应力的等。按水硬性矿物分类,有硅酸盐的、铝 酸盐的、硫酸盐的、少(无)熟料的等。水泥品酸盐的、硫酸盐的、少(无)熟料的等。水泥品 种已有种已有100100多种。多种。 玻璃玻璃 玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的非玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的非 晶态固体。其内能和构形熵高于相应的晶体晶态固体。其内能和构形熵高于相应的晶体 。其结构为短程有序,长程无序。从熔融态。其结构为短程有序,长程无序。从熔融态 转变为固体时有一转变温度转变为固体时有一转变温度TgTg。广义的玻璃广义的玻璃 包括无机玻璃、有机玻璃、金属玻璃等;狭包括无机玻璃、有机玻璃、金属玻璃等
8、;狭 义上仅指无机玻璃,最常见的是硅酸盐玻璃义上仅指无机玻璃,最常见的是硅酸盐玻璃 。这里主要谈无机玻璃。这里主要谈无机玻璃。 玻璃制品的分类玻璃制品的分类 无机玻璃的化学组成包括有众多元素的氧化物或非氧化物。无机玻璃的化学组成包括有众多元素的氧化物或非氧化物。 (1 1)普通玻璃)普通玻璃 普通玻璃是以硅酸盐系统为主要基础的传统玻璃。包括有普通玻璃是以硅酸盐系统为主要基础的传统玻璃。包括有 平板玻璃、日用玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、点光源玻璃、平板玻璃、日用玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、点光源玻璃、 玻璃纤维等玻璃纤维等。 (2 2)特种玻璃)特种玻璃 随着社会和科学的发展,在玻璃材料科学领域
9、中,由于某随着社会和科学的发展,在玻璃材料科学领域中,由于某 些新品种是根据特殊用途专门研制的,其成分、性能、制造工些新品种是根据特殊用途专门研制的,其成分、性能、制造工 艺均与一般工业和日用玻璃有所差别,它们往往被归入专门的艺均与一般工业和日用玻璃有所差别,它们往往被归入专门的 一类,叫做特种玻璃。这些特种玻璃逐渐脱离了传统玻璃的基一类,叫做特种玻璃。这些特种玻璃逐渐脱离了传统玻璃的基 础系统范围。常见的特种玻璃有础系统范围。常见的特种玻璃有光子学玻璃、微晶玻璃、生化光子学玻璃、微晶玻璃、生化 玻璃、溶胶凝胶玻璃等。玻璃、溶胶凝胶玻璃等。 中空玻璃结构示意图 空心玻璃砖用于建筑隔断 热反射玻
10、璃在建筑物上大量使用 陶瓷陶瓷 陶瓷是指以天然或人工合成的无陶瓷是指以天然或人工合成的无 机非金属物质为原料,经过成形和高机非金属物质为原料,经过成形和高 温烧结而制成的固体材料和制品。温烧结而制成的固体材料和制品。 陶鹰鼎仰韶文化庙底沟类型 高36cm 三彩我国古代陶器中一颗璀灿的明珠 日用陶瓷盘子 建筑陶瓷墙面砖化工陶瓷 结构陶瓷陶瓷刀 功能陶瓷电子陶瓷 饰面瓦鱼鳞瓦图6-电瓷绝缘子 氧化锌避雷器 新型无机非金属材料新型无机非金属材料 传统的无机非金属材料具有抗腐蚀、耐传统的无机非金属材料具有抗腐蚀、耐 高温等许多优点,但也有质脆、经不起热冲高温等许多优点,但也有质脆、经不起热冲 击等弱点
11、。新型无机非金属材料继承了传统击等弱点。新型无机非金属材料继承了传统 材料的许多优点,并克服某些弱点,使材料材料的许多优点,并克服某些弱点,使材料 具有更加优异的特性,用途更加广泛。具有更加优异的特性,用途更加广泛。新型新型 无机非金属材料的特性有:无机非金属材料的特性有: 1 1 能承受高温,能承受高温, 强度高。强度高。 2 2 具有电学特性。具有电学特性。 3 3 具有光学特具有光学特 性。性。 4 4 具有生物功能。具有生物功能。 氧化铝陶瓷具有机械强度高、硬度大氧化铝陶瓷具有机械强度高、硬度大 、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化 学腐蚀性和导
12、热性良好等优良综合技术性能学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能 ,以及原料来源广、价格相对便宜、加工制,以及原料来源广、价格相对便宜、加工制 造技术较为成熟等优势,已被广泛应用于电造技术较为成熟等优势,已被广泛应用于电 子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金 和航空航天等行业,成为目前世界上用量最和航空航天等行业,成为目前世界上用量最 大的氧化物陶瓷材料。大的氧化物陶瓷材料。 纺织瓷件 氧化铝陶瓷电阻 氧化铝髋关节 高纯氧化铝透明陶瓷管 高压钠灯 氮化硅陶瓷氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷的性能:作为一种理想的高温结构材料,最氮化硅陶瓷的性能:作为一种理想的高温结
13、构材料,最 主要的应具备如下性能:(主要的应具备如下性能:(1 1)强度好、韧性好;()强度好、韧性好;(2 2)抗氧)抗氧 化性好;(化性好;(3 3)抗热震性好;()抗热震性好;(4 4)抗蠕变性好;()抗蠕变性好;(5 5)结构)结构 稳定性好;(稳定性好;(6 6)抗机械振动。)抗机械振动。 氮化硅除抗机械振动性能和韧性相对比较差外,其余几氮化硅除抗机械振动性能和韧性相对比较差外,其余几 种性能都优于一般陶瓷,曾被誉为种性能都优于一般陶瓷,曾被誉为“ “像钢一样强,像金钢石像钢一样强,像金钢石 一样硬,像铝一样轻一样硬,像铝一样轻” ”。由于制备工艺不同和所获得显微结。由于制备工艺不同
14、和所获得显微结 构的差别,构的差别,SiSi 3 3N N4 4 陶瓷的综合性能有很大的变化。各中资料所陶瓷的综合性能有很大的变化。各中资料所 提供的数据繁多,下面仅介绍一般参考值。提供的数据繁多,下面仅介绍一般参考值。 氮化硅陶瓷刀具 氮化硅轴承球 氮化硅陶瓷涡轮转子 氮化硅陶瓷吸管 光导纤维光导纤维 光导纤维是现代科学创造的奇迹之一光导纤维是现代科学创造的奇迹之一 ,是使,是使光光像像电流电流一样沿着一样沿着导线导线传输。不过传输。不过 ,这种导线不是一般的金属导线,而是一,这种导线不是一般的金属导线,而是一 种特殊的玻璃丝,人们称它为光导纤维,种特殊的玻璃丝,人们称它为光导纤维, 又叫光
15、学纤维,简称光纤又叫光学纤维,简称光纤 。 vv光纤通信的特点光纤通信的特点 vv(1 1)传输频带极宽,通信容量很大。)传输频带极宽,通信容量很大。 vv(2 2)传输衰减小,可用于远距离无中断传输。)传输衰减小,可用于远距离无中断传输。 vv(3 3)信号串扰少,传输质量高。)信号串扰少,传输质量高。 vv(4 4)抗电磁干扰,保密性好。)抗电磁干扰,保密性好。 vv(5 5)光纤尺寸小,质量轻,便于运输和铺设。)光纤尺寸小,质量轻,便于运输和铺设。 vv(6 6)耐化学侵蚀,适用于特殊环境。)耐化学侵蚀,适用于特殊环境。 vv(7 7)原料资源丰富。)原料资源丰富。 vv(8 8)节约有
16、色金属。)节约有色金属。 光纤导管胃镜 利用光纤作手术 光纤式传感器 金属材料金属材料 金属是指具有良好的导电性和导热性金属是指具有良好的导电性和导热性 ,有一定的强度和塑性的并具有光泽的物,有一定的强度和塑性的并具有光泽的物 质,如铜、锌和铁等。而金属材料则是指质,如铜、锌和铁等。而金属材料则是指 由金属元素或以金属元素为主组成的具有由金属元素或以金属元素为主组成的具有 金属特性的工程材料,它包括纯金属和合金属特性的工程材料,它包括纯金属和合 金两类。金两类。 合金材料合金材料是指由两种或两种以上的金属或金属是指由两种或两种以上的金属或金属 与非金属组成的材料,如黄铜是由铜和锌两种金属与非金
17、属组成的材料,如黄铜是由铜和锌两种金属 组成的合金。与组成合金的纯金属相比,合金具有组成的合金。与组成合金的纯金属相比,合金具有 更好的力学性能,还可通过调整组成元素之间的比更好的力学性能,还可通过调整组成元素之间的比 例得到一系列性能不同的合金,从而满足工业生产例得到一系列性能不同的合金,从而满足工业生产 上不同性能的要求。上不同性能的要求。 金属材料金属材料,尤其是钢铁材料在国民经济建设的,尤其是钢铁材料在国民经济建设的 各个方面都有重要的作用,它们的发现和应用,开各个方面都有重要的作用,它们的发现和应用,开 创了人类物质文明的新纪元,加速了人类社会发展创了人类物质文明的新纪元,加速了人类
18、社会发展 的历史进程。可以毫不夸张地说,离开了金属材料的历史进程。可以毫不夸张地说,离开了金属材料 的的“ “钢筋铁骨钢筋铁骨”,世界将变得面目全非。世界将变得面目全非。 金属材料通常可以分为两大类:黑色金属和有色金属。金属材料通常可以分为两大类:黑色金属和有色金属。 黑色金属是指铁、铬、锰,而有色金属指指除铁、铬、锰(黑色金属是指铁、铬、锰,而有色金属指指除铁、铬、锰( 黑色金属)之外的其他金属,如铜、锌、铝等黑色金属)之外的其他金属,如铜、锌、铝等 。 有色金属大体上可以分为重有色金属、轻有色金属、贵有色金属大体上可以分为重有色金属、轻有色金属、贵 金属、稀有金属和半金属等(见图金属、稀有
19、金属和半金属等(见图6-6-)。其中重金属的密度)。其中重金属的密度 较大,一般在较大,一般在6600kgcm6600kgcm 2 2 以上,轻金属的密度都在以上,轻金属的密度都在4gcm4gcm 2 2 以以 下,且化学性质活泼,而贵金属的共同特点则是化学性质稳下,且化学性质活泼,而贵金属的共同特点则是化学性质稳 定,密度大(定,密度大(101022gcm22gcm 2 2 ),熔点较高。),熔点较高。 天然高分子材料天然高分子材料 纤维素纤维素(cellulose)(cellulose) 1839 1839年:法国的科学家佩因(年:法国的科学家佩因(a apayenpayen)在研究)在研
20、究 从植物中提取某种化合物的过程中分离出了一种从植物中提取某种化合物的过程中分离出了一种 物质并把它称为纤维素。纤维素是世界上最丰富物质并把它称为纤维素。纤维素是世界上最丰富 的天然有机物,占植物界碳含量的的天然有机物,占植物界碳含量的5050以上。棉以上。棉 花的纤维素含量接近花的纤维素含量接近100100, ,为天然的最纯纤维素为天然的最纯纤维素 来源。一般木材中来源。一般木材中, ,纤维素占纤维素占40405050, ,还有还有10103030 的半纤维素和的半纤维素和20203030的木质素。此外,麻、的木质素。此外,麻、 麦秆、稻草、甘蔗渣等,都是纤维素的丰富来源麦秆、稻草、甘蔗渣等
21、,都是纤维素的丰富来源 。 纤维素的分子式是纤维素的分子式是(C(C 6 6 HH10 10O O 5 5 )n)n,由,由D-D-葡萄糖葡萄糖 以以-1-1,4 4糖苷键组成的大分子多糖,分子量糖苷键组成的大分子多糖,分子量5000050000 2500000,2500000,相当于相当于3003001500015000个葡萄糖基。个葡萄糖基。 不溶不溶 于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分 。具有。具有(C(C 6 6 HH10 10O O 5 5 )n)n的组成。是维管束植物、地衣的组成。是维管束植物、地衣 植物以及一部分藻类细胞壁的主要成
22、分。醋酸菌植物以及一部分藻类细胞壁的主要成分。醋酸菌 (AcetobaeterAcetobaeter)的荚膜,以及尾索类动物的被囊)的荚膜,以及尾索类动物的被囊 中也发现有纤维素的存在,棉的种子毛是高纯度中也发现有纤维素的存在,棉的种子毛是高纯度 98%98%的纤维素。的纤维素。 木质素木质素(lignin)(lignin) 木质素是一种复杂的、非结晶性的、三维网状酚类高分木质素是一种复杂的、非结晶性的、三维网状酚类高分 子聚合物,它广泛存在于高等植物细胞中,是针叶树类、子聚合物,它广泛存在于高等植物细胞中,是针叶树类、 阔叶树类和草类植物的基本化学组成之一。阔叶树类和草类植物的基本化学组成之
23、一。 甲壳素甲壳素(chitin)(chitin)和壳聚糖和壳聚糖( (chitosanchitosan) ) 甲壳素甲壳素(Chitin)(Chitin)又名甲壳质,壳多糖,壳蛋白,是又名甲壳质,壳多糖,壳蛋白,是 法国科学家布拉克诺法国科学家布拉克诺(Braconno)1811(Braconno)1811年首先从蘑菇年首先从蘑菇 中提取到一种类似于植物纤维的六碳糖聚合体,把中提取到一种类似于植物纤维的六碳糖聚合体,把 它命名为它命名为FungineFungine(蕈素)。(蕈素)。18231823年,法国科学家欧年,法国科学家欧 吉尔吉尔( (OdierOdier) )在甲壳动物外壳中也提
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