第5章化学与材料

第5章
化学与材料
5.1 概述 5.2 金属材料
5.3 无机非金属材料
5.4 高分子材料 5.5 复合材料
本章教学要求
1.了解金属材料、无机非金属材料及高分子这材料三 大类材料的主要特点 2.了解常见塑料及其制品的种类和性能 3.了解常见橡胶及其制品的种类和性能 4.了解天然纤维和人造纤维的类型及特性 5.了解几种重要复合材料的性能及其应用。
铝合金指以铝为基体的合金总称。主要合金元素
有铜、硅、镁、锌、锰，次要合金元素有镍、铁、钛、 铬、锂等。铝合金密度低，但强度比较高，塑性好， 可加工成各种型材，具有优良的导电性、导热性和抗 蚀性，工业使用量仅次于钢。 。
铝合金按加工方法可以分为变形铝合金和铸造铝合
金两大类。 变形铝合金能承受压力加工，可加工成各种形态规格的铝合金材，
5.1 概述
5.1.1化学与材料的关系
化学
新材料
化学是人类使用新材料的材料无外乎都是由各 种元素单质及其它们的化合物组成；而材料的各 种性质特点都与其组成的化学元素及化学键相关， 材料与化学是密不可分的。
5.1.2材料的定义与分类
材料是人类用于制造物品、器件、构件、机器或其 他产品的物质，如石材、涂料、钢铁、水泥、塑料等。
5.3.3 水泥与胶凝材料
胶凝材料又称胶结料,在物理化学作用下，能从浆体变成 坚固的石状体，并能胶结其他物料，制成有一定机械强度的 复合的固体物质。 根据化学组成的不同，胶凝材料可分为无机与有机两大 类。石灰、石膏、水泥等属于无机胶凝材料；而沥青、天然 或合成树脂等属于有机胶凝材料。 无机胶凝材料按其硬化条件的不同又可分为气硬性和水 硬性两类。水硬性胶凝材料和水成浆后，在空气中或水中均 能硬化、保持和发展强度。这类材料通称为水泥，如硅酸盐 水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥等。气硬性胶凝材料是非 水硬性胶凝材料，只能在空气中硬化，也只能在空气中保持 和发展强度，如石灰、石膏和水玻璃等。所以，气硬性胶凝 材料一般适用于干燥环境中。
5.2.4 镁和镁合金
镁是银白色的金属，化学性质活泼，在空气中易形成白色 氧化物层，其常温强度和塑性都较低，所以常用其合金做材料。 镁合金是指以镁为基质加入其他元素而形成的合金。镁合 金中加入的元素主要有铝、锌、锰、硅等。
镁合金主要分为变形镁合金与铸造镁合金两类。
变形镁合金是以镁铝和镁锰两种合金为主，它们在280～300 ℃时
电子功能 磁功能 光功能 吸声功能 生物功能
特性 典型材料 耐高温性 ThO2、Al2O3、B、SiC、Mo3Si 绝热性 K2O.nTiO2、CaO.nTiO2 高强度 SiC、Si3N4、Si3N4.Al2O3、B、 韧性 SiC、B、 Al2O3 高硬性 SiC、Al2O3、金刚石（粉末） 介电性 BaTO3（致密烧结体） 离子导电 Na-β-Al2O3、ZrO2 性 SnO2 半导体 ZnxMn1-xFe2O4 软磁性 ZnO.6Fe2O3 硬磁性 导光性 光导玻璃纤维 偏光性 SnO2（涂膜） 吸声性 多孔陶瓷、陶瓷纤维 载体性 SiO2 、Al2O3、TiO2 生物骨材 Al2O3、Ca10(PO4)6(OH)2
铸造铝合金按化学成分可分为铝硅合金、铝铜合金、铝镁合金、
铝锌合金、铝稀土合金等。铝硅合金含硅量10 %～25 %，铸造性能和耐磨 性能良好，热胀系数小，广泛用于结构件，如壳体、缸体、箱体和框架等。 铝铜合金含铜量4.5 %～5.3 %，主要用于制作承受大的动、静载荷和形状不 复杂的砂型铸件。铝镁合金含镁量12 ％，是密度最小(2.55 g/cm3)、强度最 高(355 MPa左右)的铸造铝合金，可用于雷达底座、螺旋桨、起落架等零件 或作装饰材料。铝锌合金中常加入硅、镁元素，铸件强度高、尺寸稳定，常 用于制作模型、型板及设备支架等。
普通陶瓷
陶瓷按使用功能分
功能 热学功能 力学功能
特种陶瓷 表5-1 特种陶瓷举例
用途 高温坩埚、高温炉等耐高 热结料 耐热绝缘体、节能炉等 喷嘴、转子、活塞、内衬 切削工具 研磨、模具材料 大容量电容器 玻璃电极、钠硫电池氧量 敏感元件 气体敏感元件 记忆运算原件、磁芯、磁 铁 磁铁、隐形战斗机材料 通讯光缆 防模糊性玻璃等 吸声板 触媒剂载体 人造骨、人造齿、生物陶 瓷
陶瓷是以粘土为主要组分，辅以各种天然矿物质，经过 粉碎、混炼、成型和煅烧而得的各种制品，是陶器和瓷器的 总称。
日用陶瓷 陶瓷按照用途分 工艺陶瓷 工业陶瓷 化工陶瓷
建筑陶瓷
电瓷 特种陶瓷 粗陶 精陶 陶瓷按所用原料及 坯体的致密程度分 炻器 半瓷器 瓷器 其原料依次从粗到 精，坯体依次从粗松多 孔到紧致细密，烧结及 烧成温度依次从低到高， 致密程度依次从低到高， 功能依次从弱到强。
合金钢，除铁和碳外，还含有其他一些合金元素，如 硅、锰、镍、钒、钛、钼等。
锰钢具有很强的耐磨性，可用于制造拖拉机履带和车轴，齿轮，坦克的装甲材料等； 钨钢耐高温，是制造金属切削工具的好材料； 硅钢具有良好的电磁性能，许多电器都离不开它。
钢铁按用途可分为结构钢、工具钢、特殊钢。
结构钢指符合特定强度和可成形性等级的钢，一般用于承载重量，
铁元素在地壳中的含量(w%)排列第四。灰口铁、 白口铁、球墨铸铁。 铝元素是自然界含量最多的金属元素。
5.2.1钢铁 钢铁是铁和碳的合金体系的总称。
铁矿石
冶炼
冶炼
生铁
掺杂
钢
生铁（含碳量2%~4.3%） 钢 （含碳量0.03%~2%）
生铁：硬且脆，仅用于铸造。
钢铁：强度高、价格便宜、应用广泛，钢铁约占金 属材料产量的90%，是世界上产量最大的金属材料。
青铜：原指铜锡合金，现指除黄铜、白铜以外所有的铜合金。命名时常
在青铜名字前冠以第一主要添加元素的名称，如锡青铜、铅青铜、铝青铜、 磷青铜、 铍青铜等。
白铜：是以镍为主要添加元素的铜合金。铜镍二元合金称普通白铜；加
有锰、铁、锌、铝等元素的白铜合金称复杂白铜。
5.2.3 铝和铝合金
纯铝为银白色轻金属，延展性好，在潮湿空气中 能形成氧化物膜，抗腐蚀性好；在0 ~ -253 ℃之间塑 性和冲击韧性不降低，耐低温性能良好。 。
5.3无机非金属材料
无机非金属材料是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化 物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼 酸盐等物质组成的材料，是除有机高分子材料和金属材料以 外的所有材料的统称。无机非金属材料主要有陶瓷、玻璃、 水泥、混凝土、耐火材料等。
5.3.1 陶瓷 制造陶瓷器的主要原料是黏土。
电导热器材，如母线、电缆、开关装置、变压器，热交换器、平板集热器等。
铜合金是以纯铜为基体加入一种或多种其他元素所构成的合金。常见
的铜合金有黄铜、青铜、白铜三大类。
黄铜：是以锌作为主要添加元素的铜合金的统称，具有美观的黄色，可
分为普通黄铜和特殊黄铜。普通黄铜是铜锌二元合金，又叫简单黄铜；特 殊黄铜又叫复杂黄铜，是除铜、锌外，还添加了其他元素如铝、镍、锰、 锡、硅、铅等，通常叫做三元黄铜或多元黄铜。
能源、材料和信息
材料是人类赖以生存和发展的物质基础，一直
是人类进步的重要里程碑，新材料的研究和开发
已被认为是当今社会发展的三大支柱之一。 1、材料是发展工程、信息、新能源等高科技的重要 物质基础，是当代前沿科学技术领域之一。 2、材料是社会进步的物质基础和先导，是人类进步 的里程碑。如石器、陶器、瓷器、铁器、铜器、玻 璃、钢、水泥、有机高分子、液晶材料等。
主要用于制造航空器材、建筑用门窗等。变形铝合金又分为不可热处理强化 型铝合金和可热处理强化型铝合金。前者不能通过热处理来提高机械性能， 只能通过冷加工变形来实现强化，主要包括高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝 以及防锈铝等。后者可通过淬火和时效硬化等热处理手段来提高机械性能， 它可分为硬铝、锻铝、超硬铝和特殊铝合金等。指符合特定强度和可成形性 等级的钢，一般用于承载重量，具体可细分为：合金结构钢、碳素结构钢、 耐热结构钢等。
材料的使用程度是人类社会发展的里程碑。从人 类使用材料的经历来看，可分为五个阶段： 第一代：石器时代 第二代：陶器时代 第三代：铜器时代 第四代：铁器时代 第五代：复合材料时代
5.2 金属材料 金属材料是由金属元素或以金属元素为主要成分 所形成的具有金属特征的一类材料，包括金属及其合 金、金属化合物、金属基复合材料。 黑色金属：铁、锰、铬及它们的合金 金属 有色金属：黑色金属以外的所有金属及其合金 包括铝合金、钛合金、铜合金、镍合金等。
钢铁按品质可分为普通钢、优质钢和高级优 质钢，一般是根据钢中磷、硫等杂质含量不同 来分的。
普通钢：P ≤ 0.045 %，S ≤ 0.050 %
优质钢：P、S均≤ 0.035 %
高级优质钢：P ≤ 0.035 %，S ≤ 0.030 %）
钢铁按冶炼设备可分为平炉钢、转炉钢、电炉钢、 坩炉钢等。
5.2.2铜和铜合金 纯铜又叫紫铜，呈紫红色，导电性和导热性能优良。主要用来制作导
钢铁按化学成分可分为碳素钢和合金钢。
％的铁碳合金，并含有少量杂质，如磷、 硫、铜硅、锰、铝等。低碳钢（C ≤ 0.25 %），中碳钢（C ≤ 0.25～0.60 %），高碳钢（C ≥ 0.60 %）。
碳素钢是指碳含量不大于2
合金钢指为了改善钢的某些性能而加入一定量的一种或几种合金元素
的钢。根据合金元素的加人量还可进一步细分为低合金钢（合金元素总含量≤ 5 %）、中合金钢（合金元素总含量> 5～10 %）、高合金钢（合金元素总含量 > 10 %）。
具体可细分为：合金结构钢、碳素结构钢、耐热结构钢等。
工具钢指用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢，具有高
硬度、高耐磨性等特点；工具钢可细分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工 具钢等。
特殊钢一般指具有特殊的化学成分（合金化）、采用特殊的工艺生
产、具备特殊的组织和性能、能够满足特殊需要的钢类。与普通钢相比，特 殊钢具有更优异的使用性能，能够满足特殊条件下的操作要求；特殊钢可细 分为优质碳素钢、合金钢、高合金钢（合金元素大于10 %）三类，其中合金 钢和高合金钢占特殊钢产量的70 %。