資源簡介

(共22張PPT)
專題9
金屬與人類文明
第三單元
金屬材料的性能及應(yīng)用
人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的金屬元素有90余種，形成了豐富多樣的金屬材料。金屬材料因其優(yōu)良的性能，在改善人類生活、促進生產(chǎn)力發(fā)展的過程中發(fā)揮了巨大的作用，有力地推動了人類文明的進程。人們在金屬材料的開發(fā)和應(yīng)用實踐中，也拓展了化學(xué)科學(xué)研究的新領(lǐng)域。
金屬材料的性能
金屬材料在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會生活的各個方面應(yīng)用廣泛。從使用的要求和性能看可以從以下幾個方面來分析。
金屬材料在使用過程中，必然會受到多種力的作用，從而體現(xiàn)出一些力學(xué)性能，如延展性、硬度、塑性等。
金屬材料常在工業(yè)產(chǎn)品中起到導(dǎo)熱和導(dǎo)電的作用，而且能夠在一定溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作，與金屬材料的密度、熔點、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等物理性能密切相關(guān)。
金屬材料在使用過程中不可避免地會暴露在空氣中，或者接觸到一些化學(xué)藥品。所以，人們也希望金屬材料能夠具有抗氧化性、耐酸堿性等化學(xué)性能。
從金屬原材料到最后的金屬產(chǎn)品，加工成型這一步驟必不可少，那么，就必須考慮它們的可鑄性、可鍛性、切削加工性等工藝性能。
使用要求 材料性能
金屬材料 體現(xiàn)出一些__________ 、 、 等
起到 的作用，而且能夠在一定溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作 金屬材料的 、 、 、導(dǎo)熱性等物理性能密切相關(guān)
在使用過程中不可避免地會暴露在空氣中，或者接觸到一些化學(xué)藥品 具有 、 等化學(xué)性能
從金屬原材料到最后的金屬產(chǎn)品，加工成型這一步驟必不可少 、 、 等工藝性能
力學(xué)性能
延展性
硬度
塑性
導(dǎo)熱和導(dǎo)電
密度
熔點
導(dǎo)電性
抗氧化性
耐酸堿性
可鑄性
可鍛性
切削加工性
合金及其應(yīng)用
隨著時代的發(fā)展，人們對材料性能的要求也越來越高，需求越來越多樣化。純金屬材料的性能比較單一，難以滿足生產(chǎn)、生活和高新科技領(lǐng)域的需要。科學(xué)家在長期的研究和實踐中發(fā)現(xiàn)，將兩種或兩種以上的金屬(或金屬與非金屬 ) 共熔，可制備出特殊的金屬材料，這種材料叫作合金。例如，在焊接電子元件中使用的焊錫是錫和鉛的合金，生鐵和鋼都是鐵和碳的合金。合金與純金屬在組成和結(jié)構(gòu)上的不同，使得它們的性質(zhì)存在較大的差異，人們恰好利用這一點制備出了性能更強、用途更廣的合金材料。
合金的硬度一般都比組成它的純金屬大。20世紀(jì)初，德國工程師維爾姆將銅、鎂、錳等加到鋁中，得到了強度比鋁高得多的合金，人們將這種新型的合金稱為硬鋁。硬鋁等鋁合金材料的硬度比純鋁大，但又保持了鋁密度小的特點，常被用于飛機部件和門窗等受力構(gòu)件的制造。
鋁合金成本低，性能優(yōu)異，密度小、強度大、塑性好，可加工成各種型材，具有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，抗腐蝕能力強，裝飾效果好，在航空、航天、汽車、機械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中都得到廣泛的應(yīng)用。目前鋁合金的使用量僅次于鋼，發(fā)展前景廣闊。
鋁及其合金的應(yīng)用
多數(shù)合金的熔點低于組成它的任何一種組分金屬。例如，由錫 (熔點232℃)、鉍(熔點271℃)、鎘(熔點321℃ ) 和鉛(熔點327℃)等金屬按照一定的質(zhì)量比制成的武德合金熔點只有67℃ ，它可以用來做電器、火災(zāi)報警等裝置中的保險絲。
合金
概念 將兩種或兩種以上的 (或 )共熔可制備出特殊的金屬材料，這種材料叫作合金
性能 硬度 硬度一般 它的成分金屬
熔點 熔點一般 它的成分金屬
與純金屬材料相比，合金具有優(yōu)良的物理、化學(xué)或機械性能
舉例 在焊接電子元件中使用的 是錫和鉛的合金，生鐵和鋼都是鐵和碳的合金
金屬
金屬與非金屬
高于
低于
焊錫
拓展視野
合金硬度大、熔點低的秘密
合金與純金屬的性質(zhì)差異是由它們的結(jié)構(gòu)決定的。在純金屬中，所有的原子大小相同，排列比較整齊。而形成合金后，加入了較大或較小的其他元素的原子，改變了金屬中規(guī)則的層狀排列，層與層之間的滑動變得困難，所以合金常比組成合金的純金屬硬度更高。
固體的熔點與原子排列是否整齊有關(guān)。合金中原子的大小不一，與純金屬相比，排列整齊程度下降，使得原子之間的相互作用力減小。所以，多數(shù)合金的熔點一般比其組成金屬的熔點低。
合金的微觀結(jié)構(gòu)示意圖
合金的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性一般低于任一組分金屬。像鎳鉻鋁鐵、鎳鉻鋁銅等合金，具有很高的電阻率，可用于制備電路中的精密元件。
鋼鐵有諸多優(yōu)良的機械性能和電學(xué)特性，但在使用過程中卻很容易被腐蝕，抗腐蝕性能優(yōu)越的不銹鋼材料就很好地解決了這個問題。不銹鋼中除了鐵元素外，主要的合金元素是鉻(占12%~32%)。鉻具有很強的耐腐蝕性，在空氣中表面會生成一層致密的氧化物，防止內(nèi)部進一步被氧化，從而保護了內(nèi)層金屬。
鈦合金是一種新型的金屬材料，其強度高，密度小，耐熱性好，易于加工，抗腐蝕性強，遠優(yōu)于不銹鋼，即使將它們放入海水中數(shù)年，取出后仍然光亮如新。
拓展視野
鈦的應(yīng)用
鈦和鈦合金被認(rèn)為是21世紀(jì)的重要金屬材料，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、火箭、導(dǎo)彈、航天飛機、船舶、化工和通信設(shè)備等領(lǐng)域。
例如，在飛機的發(fā)動機、骨架、緊固件及起落架等部位都可使用缽合金；鈦與人體骨骼相近，具有良好的生物相容性，鈦和鐵合金可作人體的植入物，制造股骨頭和各種關(guān)節(jié)等；在汽車制造行業(yè)，用鈦合金代替鋼鐵能減輕汽車質(zhì)量，提高汽車的安全性能，減少汽車的油耗。鈦和鈦合金還被廣泛用于核潛艇、深潛器、破冰船、掃雷艇等軍事和海洋工程裝備上。在日常生活中，鈦合金還可用于制造網(wǎng)球拍、輪椅、眼鏡架等。
除金屬材料外，生產(chǎn)、生活中大量使用的還有無機非金屬材料。從人類早期使用的石器工具、陶瓷器皿，再到現(xiàn)代社會廣泛利用的水泥、玻璃，無機非金屬材料在人類的生產(chǎn)、生活中已不可或缺。20世紀(jì)60年代以來，無機非金屬材料迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體材料和光導(dǎo)纖維等相繼被發(fā)現(xiàn)和發(fā)明，它們的出現(xiàn)也成為現(xiàn)代信息技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展過程中重要的里程碑。這些非金屬材料具有某些比金屬材料更優(yōu)越的性能，可以彌補金屬材料的不足。
非金屬元素及其化合物是無機非金屬材料的主要成分。硅的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體和絕緣體之間，是一種重要的半導(dǎo)體材料，被廣泛用于電子工業(yè)的各個領(lǐng)域。工業(yè)上利用二氧化硅可以制得高純度的硅。
半導(dǎo)體材料
光導(dǎo)纖維的主要成分是二氧化硅，可用來制造通訊光纜，用于光纖通信或傳送高強度的激光等。光導(dǎo)纖維導(dǎo)光能力非常強，一條光纜由多條光導(dǎo)纖維組成，因此可以利用光纜傳輸大量的信息。用光纜代替普通的金屬通信電纜可以節(jié)約大量有色金屬。
光導(dǎo)纖維
拓展視野
新型陶瓷材料
新型陶瓷分為結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類。結(jié)構(gòu)陶瓷具有機械功能、熱功能和部分化學(xué)功能，如高溫結(jié)構(gòu)陶瓷等；功能陶瓷具有光、電、磁、化學(xué)和生物等方面的特殊功能，如壓電陶瓷等。
高溫結(jié)構(gòu)陶瓷主要是指能在高溫條件下承受靜態(tài)或動態(tài)機械負(fù)荷的陶瓷，主要有高溫氧化物 (如氧化鋁陶瓷) 和高溫非氧化物(如氮化硅陶瓷) 兩大類。它們具有較好的高溫強度、耐熱震性、抗腐蝕、抗氧化和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等特性。高溫結(jié)構(gòu)材料彌補了金屬材料在高溫下不耐氧化、易腐蝕的不足。
壓電陶瓷是具有壓電特性的電子陶瓷材料，其主要成分是鈦酸鋇和鈦酸鉛。壓電陶瓷對外力極為敏感，可將極其微弱的機械振動轉(zhuǎn)換成電信號，常被用于聲吶系統(tǒng)、氣象探測、遙測環(huán)境保護等領(lǐng)域。用它制作的壓電地震儀能精確地測出地震強度、方位和距離。
完成課后相關(guān)練習(xí)
謝謝觀看
謝謝觀看

展開更多......

收起↑